基于GIS的地下工程選址技術(shù)與應(yīng)用

楊彤，姜琦剛，王康,，于德浩，王李，楊清雷

1.吉林大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院，長(zhǎng)春130061；2. 嚴(yán)寒凍土工程設(shè)計(jì)站，沈陽110162；3. 吉林大學(xué)地球探測(cè)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，長(zhǎng)春 130026

0 引言

地下工程是指建筑在地面以下及山體內(nèi)部的各種建(構(gòu))筑物，本次研究對(duì)象主要為建筑在山體中的物資倉庫和洞室等。這種地下工程主要深埋于地下，在山體中通過盾構(gòu)、爆破等方式開挖所得，由于其四周被巖石包圍，對(duì)于工程地質(zhì)條件要求比較苛刻。

國(guó)外應(yīng)用地質(zhì)背景信息開展工程選址應(yīng)用可追溯到二戰(zhàn)時(shí)期甚至更早，如G. A. Kiersch等人提到早在第二次世界大戰(zhàn)中英國(guó)軍事地質(zhì)部門就開始根據(jù)收集的地質(zhì)地形數(shù)據(jù)為西歐的軍事行動(dòng)提供空中著陸點(diǎn)和機(jī)場(chǎng)的選擇、地下防護(hù)設(shè)施的位置和建造等問題提供配置方案[1]。歷史上的馬奇諾、齊格菲和曼納林等防線，都是選取在適宜的地質(zhì)條件地段[2,3]。

在中國(guó)開展工程選址方面研究較多，主要側(cè)重于選址適宜性的評(píng)價(jià)研究，如翁?hào)|風(fēng)等人[4]分析了高技術(shù)條件下工程設(shè)施選址的特點(diǎn)，研究建立了工程建設(shè)項(xiàng)目選址多目標(biāo)決策模型。劉超等人[5]利用加權(quán)歐幾里得距離法對(duì)各選址方案進(jìn)行排序，實(shí)現(xiàn)預(yù)置基地的優(yōu)化選址。柳鋒等人[6]介紹了某工程選址決策支持系統(tǒng)開發(fā)的思路和方法。柴啟輝等人[7]著重就建洞山體的基本工程地質(zhì)條件、地下工程總體位置和洞口、洞軸線的選擇要求，分別進(jìn)行了分析和討論。

這些大多為地面工程設(shè)施選址方面的研究，而且主要基于地面勘測(cè)數(shù)據(jù)分析評(píng)價(jià)。通過常規(guī)地面勘察測(cè)量實(shí)現(xiàn)地下工程選址的方法工作量大、成本高，尤其大范圍內(nèi)初勘中難以保證選址的時(shí)效性[8]。由于衛(wèi)星遙感技術(shù)不受時(shí)間地域限制，其在地質(zhì)調(diào)查應(yīng)用等方面起到巨大的作用[9,10]，于德浩、李天華和高春林等人將衛(wèi)星遙感的技術(shù)手段應(yīng)用到應(yīng)急道路選址、機(jī)場(chǎng)地址以及核電廠規(guī)劃選址等工程選址方面，取得了較好的應(yīng)用效果[11--14]。為此，利用衛(wèi)星遙感的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，研究衛(wèi)星遙感地質(zhì)調(diào)查在地下工程選址所需地質(zhì)、地形及其環(huán)境指標(biāo)要素的獲取、量化分析及其在地下工程選址中的應(yīng)用問題，不受時(shí)間地域、地形限制，有效提升地下工程選址的時(shí)效性，節(jié)約前期勘察成本，為有目的性的詳細(xì)勘察提供基礎(chǔ)地質(zhì)資料。

1 選址技術(shù)研究

地下工程深入地層之中，巖石性質(zhì)、地質(zhì)構(gòu)造等地質(zhì)條件對(duì)地下工程的定位、設(shè)計(jì)、施工以及使用，均有直接影響，而這些指標(biāo)可以直接或者間接利用衛(wèi)星遙感技術(shù)獲取，根據(jù)地下工程選址技術(shù)要求，地下工程選址主要滿足工程穩(wěn)定性、安全性并具備較好的通行能力和抗破壞能力等4項(xiàng)工程技術(shù)指標(biāo)，為此利用統(tǒng)計(jì)數(shù)學(xué)、模糊數(shù)學(xué)、運(yùn)籌學(xué)和規(guī)劃學(xué)等理論與方法，結(jié)合工程實(shí)踐建立從遙感提取指標(biāo)到地下工程選址條件分析間的數(shù)學(xué)映射關(guān)系，構(gòu)建地下工程選址評(píng)價(jià)模型(圖1)[15]。

圖1 基于GIS的地下工程選址模型Fig.1 GIS-based site selection model of underground engineering

1.1 地下工程穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

地下工程穩(wěn)定性主要考慮區(qū)域穩(wěn)定性與地基穩(wěn)定性，主要涉及地質(zhì)構(gòu)造、圍巖穩(wěn)定性與工程地質(zhì)條件[16]，故影響地下工程穩(wěn)定性3個(gè)因素分別為：①地質(zhì)構(gòu)造對(duì)地下工程穩(wěn)定性的影響；②工程地質(zhì)類型對(duì)地下工程穩(wěn)定性的影響；③巖體基本質(zhì)量對(duì)地下工程穩(wěn)定性的影響。按上述3個(gè)因素分別構(gòu)建地下工程穩(wěn)定性數(shù)學(xué)模型：

1.1.1 地質(zhì)構(gòu)造對(duì)地下工程穩(wěn)定性影響評(píng)價(jià)

巖層的整體性、節(jié)理發(fā)育程度、有無斷層等對(duì)地下工程的穩(wěn)定性有很大影響。例如：巖體節(jié)理發(fā)育地段，由于巖體破碎，在施工中很容易發(fā)生安全性事故，并且，節(jié)理發(fā)育到一定程度，由于巖層之間有裂縫，對(duì)于工程的支護(hù)、防水都造成很多困難。這種地段不適宜于建筑永久性建筑。斷層對(duì)地下工程的影響也很大，在斷層位置，由于巖體的運(yùn)動(dòng)，地下工程會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)位現(xiàn)象，在這個(gè)地段一是根本無法防水，二是支護(hù)也很困難。地質(zhì)構(gòu)造對(duì)地下工程穩(wěn)定性影響可用巖石完整性來表示。

巖體完整程度難以直接通過遙感技術(shù)手段確定，可以間接根據(jù)地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育情況以緩沖區(qū)分析法按表1確定，其中節(jié)理按一般斷裂處理。

表1巖體完整程度與地質(zhì)構(gòu)造緩沖區(qū)半徑定量指標(biāo)

Table1Quantitativeindexofrockmassintegrityandgeotectonicbufferradius

巖體完整程度地質(zhì)構(gòu)造緩沖區(qū)半徑/m巖石圏斷裂區(qū)域性斷裂一般斷裂褶皺(軸部)完整性指數(shù)Kv極破碎50010050300≤Kv≤0.15破碎1 500500100500.155 000>1 500>400>1500.75

注：緩沖區(qū)半徑為包含關(guān)系.

根據(jù)表1對(duì)地質(zhì)構(gòu)造進(jìn)行多重緩沖分析，即可得到巖石完整性指數(shù)，進(jìn)而評(píng)價(jià)地質(zhì)構(gòu)造對(duì)地下工程穩(wěn)定性影響。

1.1.2 巖體基本質(zhì)量等級(jí)對(duì)地下工程穩(wěn)定性影響評(píng)價(jià)

根據(jù)巖體基本質(zhì)量指標(biāo)BQ，將巖體基本質(zhì)量對(duì)地下工程穩(wěn)定性劃分為5級(jí)，巖體基本質(zhì)量等級(jí)對(duì)地下工程穩(wěn)定性影響程度賦值如表2所示。

表2巖體基本質(zhì)量對(duì)地下工程穩(wěn)定性的影響

Table2Influenceofrockmassbasicqualityonstabilityofundergroundengineering

巖體基本質(zhì)量指標(biāo)BQ地下工程穩(wěn)定性影響程度賦值>550穩(wěn)定1.0550^451基本穩(wěn)定0.75^1.0450^351穩(wěn)定性一般0.5^0.75350^251穩(wěn)定性差0.25^0.50≤250不穩(wěn)定<0.25

根據(jù)表2建立巖體基本質(zhì)量對(duì)地下工程穩(wěn)定性的模糊隸屬度函數(shù)：

(1)

1.1.3 工程巖土對(duì)地下工程穩(wěn)定性影響評(píng)價(jià)

工程地質(zhì)類型主要分為松土、普通土、硬土、軟巖、次堅(jiān)巖、堅(jiān)巖和特殊巖土7大類。根據(jù)工程實(shí)踐和統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，確定不同工程地質(zhì)類型對(duì)地下工程穩(wěn)定性的影響評(píng)價(jià)(表3)。

表3工程地質(zhì)類型對(duì)地下工程穩(wěn)定性影響

Table3Influenceofengineeringgeologyclassificationonstabilityofundergroundengineering

地質(zhì)類型穩(wěn)定性評(píng)價(jià)Tg軟土<0.30普通土0.35^0.55硬土0.55^0.65軟巖0.65^0.75次堅(jiān)石0.75^0.85堅(jiān)巖>0.85

其中：0～1表示0最差，1最好，凍土地段可以按照軟石和次堅(jiān)石

來考慮。

1.1.4 風(fēng)化程度對(duì)地下工程穩(wěn)定性影響評(píng)價(jià)

風(fēng)化程度對(duì)地下工程穩(wěn)定性影響評(píng)價(jià)見表4。

表4風(fēng)化程度對(duì)地下工程穩(wěn)定性影響

Table4Influenceofweatheringdegreeonstabilityofundergroundengineering

分類風(fēng)化程度風(fēng)化程度參數(shù)指標(biāo)波速比Kv風(fēng)化系數(shù)Kf穩(wěn)定性評(píng)價(jià)指標(biāo)x3Ⅰ未風(fēng)化0.9^1.00.9^1.01.0Ⅱ微風(fēng)化0.8^0.90.8^0.90.8Ⅲ中等風(fēng)化0.6^0.80.4^0.80.5Ⅳ強(qiáng)風(fēng)化0.4^0.6<0.40.3Ⅴ全風(fēng)化0.2^0.4-0.1Ⅵ殘積土<0.2-0

1.2 地下工程安全性評(píng)價(jià)

地下工程安全性評(píng)價(jià)主要考慮不良地質(zhì)、自然環(huán)境等對(duì)地下工程的影響[17,18]，其安全性評(píng)價(jià)因素主要有：①不良地質(zhì)對(duì)地下工程安全性影響；②其他自然環(huán)境對(duì)地下工程安全性影響；③植被郁閉度對(duì)地下工程安全性影響。

1.2.1 不良地質(zhì)對(duì)地下工程安全性影響評(píng)價(jià)

在山坡或山腳下建設(shè)地下工程需特別注意山體崩塌、滑坡和泥石流對(duì)地下工程安全的威脅[19]。因此，在選擇地下工程位置時(shí)，必須考慮到不良地質(zhì)條件對(duì)地下工程安全性的影響。

由于地下工程選址的工程技術(shù)指標(biāo)要求中明確提出要避開不良地質(zhì)條件，因此，將不良地質(zhì)災(zāi)害作為工程技術(shù)指標(biāo)的約束條件，安全性評(píng)價(jià)中將不良地質(zhì)災(zāi)害影響區(qū)設(shè)置為0。

1.2.2 其他自然環(huán)境對(duì)地下工程安全性影響評(píng)價(jià)

其他自然環(huán)境對(duì)地下工程安全性的影響用Q(x)表示。

數(shù)學(xué)描述如下：

Q(x)=σ1P(x)+σ2G(x)+σ3Z(x)

(2)

式中：σ為加權(quán)系數(shù)；P(x)為坡度對(duì)地下工程安全性的影響；G(x)為高差對(duì)地下工程安全性的影響；Z(x)為植被覆蓋率對(duì)地下工程安全性的影響。

(1)坡度影響數(shù)學(xué)模型

坡度<5°時(shí)，風(fēng)險(xiǎn)最小，坡度為90°時(shí)，風(fēng)險(xiǎn)為最大。

(3)

式中：x為坡度(°)。

(2)高差影響數(shù)學(xué)模型

高差越大對(duì)地下工程安全性影響越大[20]，據(jù)此建立高差對(duì)地下工程安全性影響的模糊隸屬度函數(shù)：

(4)

式中：x為相對(duì)起伏度(m)。

(3)植被影響數(shù)學(xué)模型

植被覆蓋度對(duì)地下工程安全性影響模糊隸屬度函數(shù)為：

(5)

式中：x為植被覆蓋度(%)。

1.3 地下工程抗破壞能力評(píng)價(jià)

1.3.1 巖石堅(jiān)固性抗破壞能力影響評(píng)價(jià)

母巖的硬度將會(huì)直接影響到介質(zhì)的侵徹系數(shù)，從而對(duì)影響到介質(zhì)的抗侵徹能力[21]。根據(jù)工程地質(zhì)分類標(biāo)準(zhǔn)可將巖石硬度等級(jí)從高到低劃分為從T1～Ⅸ一共17個(gè)等級(jí)，不同硬度的巖石對(duì)應(yīng)不同的堅(jiān)固系數(shù)。堅(jiān)固性系數(shù)又稱普式系數(shù)，反映的是巖石在幾種變形方式(單軸壓縮、拉伸、剪切)的組合作用下抵抗破壞的能力，針對(duì)巖體的抗破壞能力開展了鉆探取芯、單軸壓縮實(shí)驗(yàn)、巖石劈裂試驗(yàn)、三軸壓縮試驗(yàn)和抗爆試驗(yàn)等地面試驗(yàn)與數(shù)值分析。

經(jīng)上述大量試驗(yàn)確定了巖體抗破壞能力，建立巖石堅(jiān)固性與破壞能力的模糊隸屬度函數(shù)：

(6)

巖石的堅(jiān)固性系數(shù)及巖體抗破壞能力取值見表5。

表5 巖石的堅(jiān)固性系數(shù)及其取值Table 5 Rock solid coefficient and its evaluation value

1.3.2 土地覆被條件對(duì)地下工程安全性的影響評(píng)價(jià)

植被能起到遮蔽作用。樹木密度越大，遮蔽性越好，安全性越高。植被種類主要分為森林、灌叢、草地及農(nóng)作物。量化取值如表6所示。

表6植被種類對(duì)地下工程安全性影響

Table6Influenceofvegetationclassificationonsafetyofundergroundengineering

植被種類無植被草地農(nóng)作物灌叢森林取值00.20.40.60.8

1.4 地下工程通行條件評(píng)價(jià)

1.4.1 坡度對(duì)通行條件的影響評(píng)價(jià)

坡度對(duì)通行條件的影響主要表現(xiàn)在車輛通行性的影響，坡度越大車輛行駛越困難，坡度越緩?fù)ㄐ行栽胶肹22]，依此建立坡度對(duì)通行條件影響的對(duì)應(yīng)關(guān)系：

表7 坡度對(duì)通行條件的影響Table 7 Influence of slope on traffic conditions

1.4.2 道路分布密度對(duì)通行條件影響評(píng)價(jià)

道路分布越集中通行條件越便捷，設(shè)工作區(qū)(或指定的研究地域)的總面積為S，該范圍內(nèi)道路所占面積為ζ，則道路分布密度Q為：

(7)

為進(jìn)一步刻畫其疏密程度，可按比值的不同區(qū)分為：密集、較密、一般和稀疏4級(jí)(表8)。

表8 道路分布密度及其取值Table 8 Road distribution density and its evaluation value

道路分布密度判斷值定為0～1，1為最好，0為最差。在地下工程周邊道路分布密度越高，通行條件越好，越有利于工程施工與后期使用。依據(jù)上表建立道路分布密度對(duì)通行條件評(píng)價(jià)的模糊隸屬度函數(shù)：

(8)

式中：x為道路分布密度(0

1.4.3 等級(jí)公路距離對(duì)通行性影響評(píng)價(jià)

地下工程對(duì)便于通行有較高的工程技術(shù)要求，考慮到研究區(qū)復(fù)雜的地理環(huán)境以及惡劣的自然環(huán)境，臨時(shí)建設(shè)道路比較困難，因此，該研究中僅考慮沿道路通行情況，未考慮臨時(shí)建造道路的情況。通過已獲取的公路等級(jí)專題因子，利用緩沖分析的方法，建立等級(jí)公路距離與通行條件的數(shù)學(xué)映射關(guān)系，開展遙感信息到后方物資供給數(shù)學(xué)原型的構(gòu)建，可實(shí)現(xiàn)通行條件從定性評(píng)價(jià)到定量分析的轉(zhuǎn)換。等級(jí)公路距離與通行條件的數(shù)學(xué)映射關(guān)系參見表9。

表9等級(jí)公路距離對(duì)通行條件影響

Table9Influenceofdistancefromstandardhighwayontrafficconditions

通行條件賦值一級(jí)公路二級(jí)公路三級(jí)公路四級(jí)公路等外公路優(yōu)0.8^1.0<200<150<100<50<20良0.6^0.8200^300150^225100^15050^7520^30可0.4^0.6300^400225^300150^20075^10030^40差0.2^0.4400^500300^400200^250100^12540^50極差0^0.2>500>400>250>125>50

1.4.4 水域分布密度對(duì)通行性影響評(píng)價(jià)

湖泊、水庫和池塘等面狀水體是導(dǎo)致工程施工遲緩的直接因素。設(shè)選取所測(cè)區(qū)域的所有水域總面積為s(m2)，所測(cè)區(qū)域總面積為M(已知或是確定的m2)。

則水域分布密度為：

(9)

為進(jìn)一步刻畫其疏密程度，可按比值的不同區(qū)分為：密集、較密集、一般和稀疏4級(jí)(表10)。

表10水域分布密度對(duì)通行條件影響

Table10Influenceofwaterdistributiondensityontrafficconditions

分級(jí)密集較密一般稀疏密度>0.50.3^0.50.1^0.3<0.1對(duì)通行能力影響評(píng)價(jià)0^0.20.2^0.50.5^0.80.8^1.0

水域分布密度越高，對(duì)通行的影響越大。據(jù)此建立水域分布密度對(duì)通行條件的模糊隸屬度函數(shù)：

(10)

式中：x為水域分布密度(0

2 地下工程選址技術(shù)

利用加權(quán)疊加的方式，通過上述方法建立的數(shù)學(xué)映射關(guān)系模型，利用多因素交叉耦合選址理論[23]通過公式(11)評(píng)價(jià)地下工程選址的適宜性。

(11)

利用地下工程選址的適宜性指數(shù)ε，通過閾值法確定相應(yīng)閾值。

3 工程實(shí)例

研究區(qū)位于青藏高原西部某地區(qū)，由于復(fù)雜的地理情況，依靠常規(guī)的地面調(diào)查方法很難全面、準(zhǔn)確地掌握該區(qū)地質(zhì)地理情況，對(duì)地下工程選址造成一定難度，衛(wèi)星遙感技術(shù)不受地域限制，可以從宏觀上了解該區(qū)地質(zhì)地貌情況，為地下工程選址創(chuàng)造了可能。

通過資料收集及衛(wèi)星遙感影像分析，工作區(qū)地層以石炭系—二疊系為主，巖性以礫巖、泥巖、粉砂巖、砂板巖、石英巖、石英片巖、玄武巖和火山巖為主，區(qū)內(nèi)有少量花崗巖出露，第四系主要為河床、河漫灘、一級(jí)階地的砂、砂礫、卵石及亞砂土等沉積，主要沿水系及湖泊分布。區(qū)內(nèi)斷裂帶受某大型斷裂帶影響，斷裂較發(fā)育，斷裂走向多為NNE向、NW向斷裂。該區(qū)地貌為高原山區(qū)，多為崇山峻嶺，由于氣候干旱，流水作用弱，高原面保存完整，總的地勢(shì)是南北高、中間低。區(qū)內(nèi)多為冰雪覆蓋，加之復(fù)雜地形情況，植被稀疏，少量植被主要分布于河谷階地地帶。區(qū)內(nèi)地理環(huán)境較為復(fù)雜，交通條件一般，僅能依靠現(xiàn)有道路，臨時(shí)修建道路比較困難。

利用本文前述章節(jié)基于遙感信息的地下工程選址技術(shù)對(duì)研究區(qū)進(jìn)行了初步選址應(yīng)用，由于特殊的地理環(huán)境以及氣候原因，植被稀少，主要為積雪覆蓋，根據(jù)初步應(yīng)用情況及專家建議及時(shí)修改了相關(guān)模型參數(shù)，在本次地下工程選址評(píng)價(jià)中刪除了土地覆被和植被覆蓋度2項(xiàng)指標(biāo)。

本次研究以國(guó)產(chǎn)ZY--3 02C遙感數(shù)據(jù)為主要數(shù)據(jù)源，經(jīng)遙感解譯、專題信息提取等方式獲取研究區(qū)地質(zhì)地理相關(guān)要素指標(biāo)，以ArcGIS為信息分析平臺(tái)，采用專家打分法完成評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重的確定，利用柵格疊加計(jì)算的方式開展遙感指標(biāo)的量化分析以及地下工程選址適宜性評(píng)價(jià)工作，最終獲取的地下工程遙感選址指數(shù)圖(圖2)。

經(jīng)過不同閾值測(cè)試分析，并結(jié)合工程實(shí)踐，最終選取適宜性指數(shù)ε≥0.85的區(qū)域作為地下工程選址條件區(qū)(圖3)。

4 結(jié)果分析與驗(yàn)證

利用基于遙感信息的地下工程選址指數(shù)圖加以工程技術(shù)指標(biāo)約束編制了地下工程選址條件圖，最終提取出圖斑14個(gè)(不含碎斑)，從整體分布情況及三維展示分析來看，這些選址條件區(qū)大多避開河谷階地等地勢(shì)平坦區(qū)，工程地質(zhì)類型以堅(jiān)巖、次堅(jiān)巖石為主，均避開了地質(zhì)構(gòu)造及不良地質(zhì)影響區(qū)，附近交通條件便利，初步滿足選址技術(shù)要求。為驗(yàn)證選址結(jié)果的準(zhǔn)確性，開展了實(shí)地驗(yàn)證，本次驗(yàn)證點(diǎn)位9個(gè)，其中7處較為適宜建筑地下工程；1處因地勢(shì)較陡交通不便，需鋪設(shè)道路以便后方可適宜建筑地下工程；1處受地下水影響不便選址施工。

圖2 基于遙感信息的地下工程選址指數(shù)圖Fig.2 Site selection index map of underground engineering based on remote sensing

圖3 基于遙感信息的地下工程遙感選址條件圖Fig.3 Site selection condition map of underground engineering based on remote sensing

圖4 某地下工程選址適宜區(qū)三維影像效果圖Fig.4 3D image effect map of suitable area for site selection of a certain underground engineering

從整體應(yīng)用情況來看，選址準(zhǔn)確率較高，初步應(yīng)用效果較好，基本達(dá)到預(yù)期目的。該技術(shù)方法不僅提高了選址效率，節(jié)省了大量的人力物力，克服了復(fù)雜地理環(huán)境等工作條件限制等問題，而且還可為后期施工勘察提供必要的地質(zhì)、地理資料，具備較好的應(yīng)用前景。

5 結(jié)論與建議

(1)通過深入分析地下工程與地質(zhì)背景的依存關(guān)系，提出基于GIS的地下工程選址技術(shù)，有效提高地下工程選址的時(shí)效性與工作便捷性，對(duì)于從整體上掌握工作區(qū)基本情況優(yōu)勢(shì)明顯，并且為后期施工勘察提供必要的地質(zhì)、地理資料。

(2)根據(jù)工程實(shí)踐及實(shí)測(cè)實(shí)驗(yàn)分析建立地下工程穩(wěn)定性評(píng)價(jià)、安全性評(píng)價(jià)、抗破壞能力評(píng)價(jià)和通行條件評(píng)價(jià)與遙感指標(biāo)之間的數(shù)學(xué)映射關(guān)系模型，實(shí)現(xiàn)了遙感數(shù)據(jù)指標(biāo)的量化分析。

(3)應(yīng)用交叉耦合選址理論，在青藏高原西部某地區(qū)地下工程選址應(yīng)用，應(yīng)用效果較好，該方法具備較好的應(yīng)用前景。

致謝：感謝中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局國(guó)土資源航空物探遙感中心在衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)預(yù)處理方面給予的支持與幫助。