基于三维地质模型的西咸新区地下空间开发适宜性评价

李 林，曾 磊，董 英，张 戈，朱立峰

（1.中国地质调查局西安地质调查中心，陕西西安 710119；2.自然资源部黄土地质灾害重点实验室，陕西西安 710119）

随着城市化进程的加快，土地资源短缺、能源消耗、交通拥堵、安全防灾等令人担忧的问题已成为城市可持续发展的瓶颈，而地下空间资源是人类宝贵的资源，是实施城市立体化开发，实现城市集约化发展的重要保障（Li et al.，2012；林良俊等，2017；彭建兵等，2019；葛伟亚等，2021）。近年来，国内外学者利用GIS软件开展了大量的城市地下空间适宜性评价工作（方寅琛等，2017；郝爱兵等，2018；张茂省等，2018；韩博等，2023）。这些研究多数将地下空间在垂向上根据深度划分为不同的层次，每层再以二维平面方式，利用GIS平面分析功能分别计算地下空间适宜性。这种方法没有考虑地下空间复杂的垂向变化，因而无法满足越来越精确的地下空间规划要求。

三维地质模型包括三维空间上精细的力学性质参数及地球物理参数，利用地质建模软件的三维空间分析功能，将地质信息与工程信息结合起来，从三维空间中提取各种评价要素，可以充分结合地质条件、工程技术条件以及地下空间开发现状等各方面因素，对任意深度范围内的地下空间开发适宜性进行评价，能够改变以往常规的地下空间评价模式（谭飞等，2021；孟天宇等，2022；牛学瑶等，2023）。与传统评价方法相比，三维评价可以更好地描述地下空间资源在不同深度的空间差异，同时评估过程与结果的立体透明表达也是城市地上地下整体规划、地下空间设计建造的重要手段，能够定性、定量地为地下空间开发利用提供辅助决策（吕敦玉等，2015；董英等，2020）。

为探讨地下空间开发利用适宜性的三维评价方法，本次研究选取工程地质问题较为集中的西咸新区沣东与沣西新城为典型示范区（图1）。针对地下空间三维规划的需求，结合研究区地质地貌背景、工程地质特征、水文地质条件、不良地质作用以及地下空间开发现状等特点，建立地下空间开发地质适宜性评价因子体系；以城市地质多要素探测成果为基础，构建研究区三维地质模型，利用精细化剖分的评估单元为载体，综合使用多种三维空间分析方法从模型中定量或定性提取各项指标，并运用层次分析法开展了西咸新区地下空间开发适宜性评价。该研究可为西咸新区地下空间开发利用与规划建设提供支撑，推动西咸新区地下空间资源科学合理、有序开发，以达到资源保护优先、协同开发的开发利用格局。

图1 西咸新区地质地貌图Fig.1 Geological geomorphological map of Xixian New Area

1 研究区地质环境背景

西咸新区位于陕西省西安市和咸阳市建成区之间，规划控制面积882 km2（图1），是关（中）天（水）经济区的核心区域。该区自然生态环境较好，经济基础良好，历史文化底蕴深厚，区位优势十分明显，具备加快发展的条件和实力。作为首个以创新城市发展方式为主题的国家级新区，在起步阶段做好地下空间资源开发利用规划，建成和谐有序的现代立体城市，实现土地高效利用，是实现创新城市发展方式功能定位的重要路径。

研究区位于渭河断陷盆地中部，夹持于秦岭褶皱系及鄂尔多斯地块之间，地形简单完整、平坦， 地势相对平缓，地貌类型简单，分为平原、黄土台塬两大地貌类型。南北两侧均受活动断裂控制。区内有渭河断裂、泾河断裂、沣河断裂和皂河断裂，均为中晚更新世隐伏活动断裂，多埋深于40～70 m处。区内第四系分布广泛，主要成因类型有冲积、洪积、风积、湖积及其过渡类型。岩性则以砂砾、卵石、砂、亚砂土、亚黏土、黄土等为主，厚度变化较大，数十至数百米不等。

区内主要开发利用的含水层是第四系砂、砂卵砾石层，受沉积环境影响，在不同地貌部位含水层所属地层时代、岩性、厚度、结构及含水层特征等变化较大。渭河冲洪积平原含水层分布广泛而连续，地下水补给条件好，水量较为丰富，其中以渭河漫滩、一、二级阶地含水层厚、颗粒粗，富水性强，而黄土台塬和渭河高阶地富水性相对较差，单井涌水量较少。

研究区内有渭河、泾河及沣河经过，三条河流在漫长的地质历史时期形成了宽广的漫滩与阶地。漫滩与阶地下覆厚层饱和砂土，在强震作用下砂土层有着极强的潜在液化趋势，会对该地区各类工程设施安全运营与使用造成严重危害。同时，渭河一、二级阶地分布有大厚度的湿陷性黄土，会对结构物带来不同程度的危害，使结构物大幅度沉降、开裂、倾斜，甚至严重影响其安全和使用。

另外研究区范围内具有丰富的历史文化遗产和人文资源，地上和地下有大量文物古迹，且有不同年代的区域重叠现象。从文物保护的要求出发，地下空间利用的工程开挖难度较大，城市地下空间的开发利用与历史文物保护的矛盾十分尖锐。

2 三维空间评价指标体系构建

2.1 评价指标体系

地下空间的开发受到多种地质环境因素的制约，科学合理的评价体系是适宜性评价的重要条件。不同地区各种因素的评价指标、影响程度也不尽相同，因此，在进行地下空间资源开发利用地质适宜性评价时，需要结合研究区具体条件，因地制宜地选取评价指标，科学合理地确定指标量化值（黄强兵等，2019；邢怀学等，2022）。

对区域地质环境条件进行综合分析，结合西咸新区实际地下工程建设经验，筛选出对地下空间开发有显著影响的评价因子，并将其归纳为地形地貌背景、水文地质条件、工程地质特征、不良地质作用以及开发利用现状等五类（李惠等，2020；闫金凯等，2021；赵银鑫等，2022；张晓波等，2023）。最终以城市地下空间开发适宜性评价为目标层；以地质地貌背景、工程地质特征、水文地质条件、不良地质作用和开发利用现状为准则层；以地貌类型、地震区划、河湖湿地、地下水富水性、腐蚀性、岩土体类型、土体强度指数、活动断裂、砂土液化、黄土湿陷、地面设施、文物保护区、地下构筑物为指标层，构建地下空间开发地质适宜性三维评价指标体系（图2）。

图2 评价指标体系图Fig.2 The evaluation index system of geological suitability

2.2 三维地质建模

针对地下空间三维规划建设需求，建立多要素三维地质模型，在三维空间准确定位地质要素的分布及范围，从三维空间中进行按照任意深度提取地质条件因素，可以更好地描述地下空间资源在不同深度的空间差异（李青元等，2016；薛涛等，2021；赵思成等，2022）。

首先在城市已开展的地下空间现状普查工作基础上，采用收集资料、实地调查的方法，查明城市地形地貌、地表水体、地面建筑、重要基础设施、生态保护与文物埋藏分布，揭示已有的、在建的及规划中的地下构筑物现状分布特征，建立城市地下空间开发利用现状档案，形成实景三维地表景观模型（图3a）。

图3 研究区多要素三维地质模型Fig.3 3D geological models with multiple elements

结合西咸新区构造特点，综合运用地质调查、钻探、物探等多种调查研究方法，统一地层框架结构与断裂展布，按照断裂期次与空间关系划分为构造单元；从钻孔中提取地层分层信息，从剖面提取地层分界信息，再结合地质专家的先验知识，分析地层之间的叠覆关系，构建研究区三维地质结构模型（李林等，2022）（图3b、图3c）。

通过多要素测井技术，提取孔隙度、渗透率、密度等力学参数和视电阻率、自然伽马、放射性钍等地球物理参数，从测井解译成果中提取岩性数据，选择三维克里金插值方法，建立起研究区岩性随机模型（图3d）。利用测井参数模拟计算工程地质力学参数、水文地质参数，定位工程建设桩基持力层与软弱层、地下含水层与隔水层的展布和空间变化特征（李林等，2023），构建三维水文地质模型（图3e）和三维工程地质属性模型（图3f）。

2.3 指标提取与量化

对于指标的提取主要是对定量条件的提取，根据空间分布在横向上的影响范围，以及纵向上下层土体对上层建设影响等，通过三维空间统计、三维插值分析等方法得到评价要素信息，构建三维评价数据集（表1）。

表1 城市地下空间开发适宜性评价指标体系Table 1 Evaluation index system of geological suitability for urban underground space development

评价指标的量化取值，应以行业标准规范为准，结合研究区实际情况，对指标分级赋值，对无法直接量化的指标，采用专家打分法来确定分级。根据每个评价指标影响程度的大小不同，可将各评价指标划分为适宜（1.0）、较适宜（0.5）、不适宜（0.0）共3个等级，由此确定了地下空间资源开发利用的地质适宜性评价指标的量化标准（表2）。

表2 评价因子量化分级与权重Table 2 Quantitative classification and weight of evaluation factors

3 地下空间开发适宜性评价

3.1 综合评价

当前，国内外学者经常采用层次分析法、熵权法、灰色理论法、模糊综合评判法等模型进行评价（李鹏岳等，2021a；李鹏岳等，2021b；蒋杰等，2021），其中，层次分析法是应用于地下空间开发地质适宜性评价的最广泛方法，本文选用层次分析法开展西咸新区地下空间资源开发利用地质适宜性评价。

各个层次的评价因子对目标层的影响程度不同，表现为权重不同。采用层次分析法计算各评价指标的权重，权重值反映了单项指标对地下空间开发适宜性影响程度的大小，通过构建指标判断矩阵、计算重要性排序和一致性检验，将特征向量归一化处理后得到各项指标的综合权重（表2）。

地下空间开发适宜性综合指数计算公式如下：

式中：H为地下空间开发适宜性指数；vkj为第k个准则层中第j个指标的分值；wkj为第k个准则层中第j个指标的权重；wk为第k个准则层的权重。

适宜性指数计算采用单元叠加方式进行，根据各指标量化分级逐一判断各单指标等级，并将各指标等级分值与其权重相乘得到单指标分值，再将各指标分值累加，从而得到综合适宜性指数。最终再根据适宜性评价结果等级划分标准（表3），将研究区评价结果划分为适宜、较适宜、不适宜三个等级（胡学祥等，2016）。

表3 地下空间开发适宜性等级划分Table 3 Classification of geological suitability for urban underground sapce

当0.7≤S时，为适宜区。适宜区指对历史文物或重要地面工程没有影响，地质环境条件良好，地下水不发育，不受不良地质作用的影响。当0.3≤S＜0.7时，为较适宜区。较适宜区指地质环境条件较好，无明显软弱地层、地下水不发育，在现有经济技术条件下，可通过技术手段处理或控制不良地质作用的影响。当S＜0.3时，为不适宜区。不适宜区一般位于历史文物保护区；或地质环境条件差，有潜在不良地质作用，通过技术手段不可控制或很难处理，开发成本高，经济和社会效益低的区域。

基于西咸新区多要素三维地质模型，在地质结构模型框架下进行网格剖分。根据研究区数据密度、计算机运行能力等综合考虑，按照250 m×250 m×1.5 m网格将研究区精细化剖分，根据评价指标量化标准对各个指标进行量化赋值，然后逐单元按权重叠加各指标分值，按适宜性等级划分标准对分值进行等级划分，最终得到研究区三维地下空间开发利用适宜性评价结果（图4）。

图4 西咸新区地下空间适宜性三维评价结果Fig.4 3D evaluation results of geological suitability in Xixian New Area

3.2 评价结果分析

评价结果表明：研究区60 m以浅地下空间开发利用条件优越，地形平坦开阔，地貌类型简单，各土层物理力学性质和承载力总体较好，适宜开发建设。仅局部地段可能存在活动断裂影响，河漫滩或低阶地区可能出现砂土液化，引起基坑稳定性较差、渗透变形、突（涌）水、地下设施抗浮失效，以及黄土湿陷等不良地质问题（王化齐等，2019）。

结合西安市地下空间开发利用体系规划，将地下0～10 m列为浅层开发区，地下10～30 m列为中层开发区，地下30～50 m列为深层开发区，分别分析地下空间开发利用的地质适宜性（图5）。

图5 西咸新区不同深度地下空间开发利用适宜性Fig.5 The evaluation results of geological suitability in different depths of underground space in Xixian New Area

浅层（0～10 m）：地下空间不适宜区主要集中在丰京、镐京、阿房宫等文物保护区，昆明池、渭河、沣河漫滩，以及沣河、皂河断裂两侧。主要影响因素是文物保护区、地面水体、活动断裂等；文物保护是浅层地下空间开发中首先必须考虑的因素，考虑到其历史价值、不可移动性以及地下埋藏等特征，在文物保护控制范围内，原则上限制地下空间的开发。地表水系主要影响水系下方及周边区域进行地下工程开挖的安全和施工难度。较适宜区分布在渭河、沣河一级阶地，这些地区应控制地下水开发，关注地下水位持续升高而引发明水、湿地、地下室浸水、砂土液化、黄土湿陷等环境地质问题；其他区域均属于适宜开发区，可主要作为仓储购物、生活娱乐、综合管廊、停车场等建设空间。

中层（10～30 m）：限制地下空间开发的主要因素为城市建成区既有设施及地下构筑物，以及沣河、皂河断裂。高密度建筑区域，已有地铁、地下洞室、桩基、人防工程等限制了地下空间开发利用，采取工程措施进行规避。较适宜区分布在沣河、渭河河漫滩及一级阶地前缘，这些地区含水砂层厚度偏大，注意砂土液化、地下空间抗浮失效等环境地质问题，地下空间开发时应重视底板突水风险，宜作为地下轨道交通、高压变电站、水处理中心等建设空间。

深层（30～60 m）：地下空间不适宜区主要受沣河和皂河断裂影响，注意适当的避让距离即可，进行地下空间开发应尽量垂直于断裂带走向，并采取必要的工程抗震措施。较适宜区位于研究区东北部渭河漫滩，主要受地下含水砂层影响，在地下空间开发利用中应考虑地下水腐蚀、砂卵砾石等因素的影响。总体以适宜区为主，可作为特种工程等战略基础设施建设空间。

4 结论

（1）西咸新区地下空间的开发受到多种地质环境因素的制约，结合研究区具体条件，选取地貌类型、地震区划、河湖湿地、地下水富水性、腐蚀性、岩土体类型、土体强度指数、活动断裂、砂土液化、黄土湿陷、地面设施、文物保护区、地下构筑物为指标，构建了地下空间开发地质适宜性三维评价指标体系。

（2）通过构建西咸新区沣东沣西新城地表三维实景模型，地质构造模型、三维水文地质模型和三维工程地质模型，利用三维精细化剖分的评估单元为载体，运用层次分析法评价模型开展西咸新区地下空间开发适宜性评价，能够定性、定量地为地下空间开发利用提供辅助决策，为研究区地下空间资源的合理开发提供基础地质支撑。

（3）沣东沣西新城地下空间开发适宜性三维评价结果表明：研究区60 m以浅地下空间开发利用条件优越，各土层物理力学性质和承载力总体较好，适宜开发建设。不适宜区域主要分布在活动断裂、水体、水源地区域以及文物保护区。

（4）研究区浅部地下空间开发利用易受文物保护区、地面水体、活动断裂影响，中层地下空间受城市建成区既有设施及地下构筑物影响较大，深部地下空间主要受断裂影响。地下空间资源利用规划中地下空间重点开发区在开发利用过程中应该合理规避活动断裂区域、地下水富集等地质问题。

［附中文参考文献］

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