泰安市地下空間開(kāi)發(fā)地質(zhì)環(huán)境適宜性評(píng)價(jià)

趙新村

(山東省第五地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院，山東 泰安 271000)

0 引言

泰安市坐落于五岳之首的泰山南麓，北靠泉城濟(jì)南，南臨孔子故里曲阜，處于“山水圣人”旅游線的核心部位，區(qū)域位置條件優(yōu)越。近年來(lái)，伴隨著城市現(xiàn)代化的飛速發(fā)展，泰安市城區(qū)建筑空間擁擠、交通阻塞等“城市綜合癥”日顯突出；城市基礎(chǔ)設(shè)施落后于城市的擴(kuò)展和城市人口的增加，也使城市環(huán)境問(wèn)題不斷增多，嚴(yán)重阻礙了泰安市城市現(xiàn)代化發(fā)展的進(jìn)程[1-3]。在城市化進(jìn)程不斷加快的今天，城市地下空間開(kāi)發(fā)利用己經(jīng)成為提高城市容量、緩解城市交通、改善城市環(huán)境的重要手段[4-5]。而隨著地下空間開(kāi)發(fā)力度和深度的不斷加大，地下空間開(kāi)發(fā)遭遇的地質(zhì)環(huán)境問(wèn)題也越來(lái)越復(fù)雜[6]。為保證地下空間開(kāi)發(fā)的有序性，需對(duì)地下空間規(guī)劃進(jìn)行探索與研究，評(píng)價(jià)泰安城市地下空間開(kāi)發(fā)地質(zhì)環(huán)境適宜性，為城市地下空間開(kāi)發(fā)和建設(shè)提供地質(zhì)依據(jù)。

1 影響地下空間開(kāi)發(fā)的地質(zhì)環(huán)境因素

影響地下空間開(kāi)發(fā)的地質(zhì)環(huán)境因素眾多，因此需要根據(jù)所研究區(qū)域的地質(zhì)條件，綜合分析選取對(duì)地下空間開(kāi)發(fā)具有重要影響的因素[7-9]。泰安市位于泰山南麓，北倚泰山，南傍大汶河、徂徠山，處于泰萊斷陷盆地的西端，總體地勢(shì)西、北部高，東、南部低。區(qū)內(nèi)地貌類型主要包括丘陵、平原，按成因分為剝蝕、溶蝕—?jiǎng)兾g等。針對(duì)影響地下空間開(kāi)發(fā)的地質(zhì)環(huán)境要素，結(jié)合泰安市的地質(zhì)環(huán)境特征，從工程地質(zhì)、水文地質(zhì)、環(huán)境地質(zhì)問(wèn)題和不良地質(zhì)作用3個(gè)方面共選取了8個(gè)對(duì)地下空間開(kāi)發(fā)影響較大的因素作為評(píng)價(jià)因子。

1.1 工程地質(zhì)條件

(1)巖土體特征與地下空間開(kāi)發(fā)的關(guān)系。當(dāng)?shù)叵驴臻g開(kāi)發(fā)遇基巖時(shí)，基巖強(qiáng)度越高，變形模量越小時(shí)，地基承載力越大，也更有利于工程建設(shè)的穩(wěn)定性；但強(qiáng)度過(guò)高，也會(huì)使巖石的挖掘難度增大，使工程開(kāi)挖費(fèi)用顯著增加；另外，當(dāng)下伏基巖為灰?guī)r時(shí)，巖溶發(fā)育程度也會(huì)直接影響地下空間開(kāi)發(fā)[10-11]。

土體的工程性質(zhì)與其粒徑組成、礦物成分、含水量等有關(guān)，如卵石層工程地質(zhì)條件較穩(wěn)定，是良好的地基持力層，但在卵石土地區(qū)進(jìn)行地下空間開(kāi)發(fā)的成本較其他地段要高，若采用基坑開(kāi)挖方式，需對(duì)卵石層進(jìn)行工程支護(hù)，而卵石層又是地下水的主要賦存巖層，因此工程降水措施又成為其設(shè)計(jì)施工的重要內(nèi)容；黏性土一般承載力偏低，但黏性土又是工程建設(shè)良好的隔水地層(圖1)。

(2)斷裂構(gòu)造與地下空間開(kāi)發(fā)的關(guān)系[12]。一方面，斷裂活動(dòng)和錯(cuò)動(dòng)影響建構(gòu)筑物安全，特別是對(duì)地下線性工程的穩(wěn)定性產(chǎn)生直接破壞；另外，斷裂破碎帶裂隙密集，巖體強(qiáng)度低，是良好的地下水富集帶，發(fā)育軟弱夾層，對(duì)地下工程施工構(gòu)成嚴(yán)重安全隱患。

1—黏性土單層結(jié)構(gòu)區(qū)；2—黏性土+砂性土+黏性土多層結(jié)構(gòu)區(qū)；3—卵礫石、漂石+黏性土雙層結(jié)構(gòu)區(qū)、基巖裸露區(qū)；4—斷裂；5—水系圖1 研究區(qū)工程地質(zhì)結(jié)構(gòu)分區(qū)圖

1.2 水文地質(zhì)條件

(1)富水性與地下空間開(kāi)發(fā)的關(guān)系。富水性反映了地層的儲(chǔ)水能力，當(dāng)?shù)叵滤凰詮?qiáng)時(shí)，會(huì)增加施工期間地下水控制難度。當(dāng)?shù)叵滤疄槌袎核畷r(shí)，富水性好，補(bǔ)給充分，承壓水頭高，可能會(huì)出現(xiàn)突涌和管涌，影響地下工程基底、圍護(hù)結(jié)構(gòu)和周邊環(huán)境，突發(fā)危險(xiǎn)性的安全事故(圖2)。

(2)地下水位與地下空間開(kāi)發(fā)的關(guān)系。在地下水位以下進(jìn)行地下空間開(kāi)發(fā)，要考慮施工階段地下水的控制，采取適宜的降水(止水)措施；另外，建于水位以下的建構(gòu)筑物，要受到垂直于表面的靜水壓力所產(chǎn)生的浮力作用。當(dāng)?shù)叵陆Y(jié)構(gòu)體的底板所受的地下水浮力大于結(jié)構(gòu)荷載時(shí)，地下室將會(huì)浮起[1]。

(4)地表水與地下空間開(kāi)發(fā)的關(guān)系。地表水與地下空間開(kāi)發(fā)的相互關(guān)系主要體現(xiàn)在地表水系或水體對(duì)地下工程的安全性構(gòu)成威脅。地表水系(體)若處于地下工程之上，無(wú)疑會(huì)對(duì)地下建筑構(gòu)成一定的威脅，因此地下工程不僅要做好防地下水措施，還必須要做好防地表水措施，特別是全地下建筑，如果防水結(jié)構(gòu)處理不好，地表水一旦潰入，那將是不可想象的悲劇。

1—1000～2000m3/d；2—500～1000m3/d；3—<500m3/d；4—斷裂；5—水系圖2 研究區(qū)富水性分區(qū)圖

1.3 環(huán)境地質(zhì)問(wèn)題和不良地質(zhì)作用

(1)巖溶塌陷與地下空間開(kāi)發(fā)的關(guān)系。巖溶塌陷的發(fā)生，不僅對(duì)人身安全造成較大威脅，還對(duì)地下建筑以及地下水水環(huán)境等產(chǎn)生較嚴(yán)重的危害(圖3)。

①破壞地下建筑。巖溶塌陷是由于巖溶發(fā)育區(qū)地下水水位在灰?guī)r頂板頻繁波動(dòng)，使土層形成土(空)洞，在地下水的潛蝕吸附作用下，上面土體突然塌落造成的。巖溶塌陷具有較強(qiáng)的突發(fā)性，一旦發(fā)生，將使附于其上的建筑物基礎(chǔ)傾斜、下沉，甚至斷裂，對(duì)整個(gè)建筑產(chǎn)生劇烈的破壞作用，在財(cái)力和人力上都會(huì)遭受巨大損失。

②溝通地表地下水系，污染地下水。污染地下水也是巖溶塌陷帶來(lái)的一系列危害之一。由于近年來(lái)工業(yè)的發(fā)展，污水排放加劇，使得泰安市很多河流被污染。這些污染河流中一旦發(fā)生巖溶塌陷，塌陷揭穿了灰?guī)r含水層頂板，溝通了地表水系與地下水系，使得地表水通過(guò)塌坑大量涌入巖溶含水層，加之巖溶裂隙、溶洞的連通性好，污水會(huì)在巖溶含水層中迅速擴(kuò)散，污染巖溶地下水。

(2)膨脹土與地下空間開(kāi)發(fā)的關(guān)系。膨脹土是在地質(zhì)作用下形成的一種主要由親水性強(qiáng)的黏土礦物組成的多裂隙并具有顯著膨脹性的地質(zhì)體。其吸水膨脹、失水收縮并且反復(fù)變形的性質(zhì)，以及土體中雜亂分布的裂隙，對(duì)路基、輕型建筑、機(jī)場(chǎng)、岸坡及堤壩等都有嚴(yán)重的破壞作用。

1—巖溶塌陷低易發(fā)區(qū)；2—巖溶塌陷中易發(fā)區(qū)；3—巖溶塌陷高易發(fā)區(qū)；4—斷裂；5—水系圖3 研究區(qū)巖溶塌陷易發(fā)性分區(qū)圖

2 評(píng)價(jià)模型及評(píng)價(jià)指標(biāo)

(1)評(píng)價(jià)指標(biāo)選取的原則

地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)系統(tǒng)是一個(gè)多層次、多因素的復(fù)雜系統(tǒng)，影響和控制地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量?jī)?yōu)劣的因素很多，合理選擇對(duì)評(píng)價(jià)目的起主導(dǎo)作用、比較穩(wěn)定、可量化表示的參評(píng)因子是評(píng)價(jià)工作的關(guān)鍵[13-16]。一般按以下原則進(jìn)行選取。

①針對(duì)性：地質(zhì)環(huán)境是一個(gè)廣義的概念，必須針對(duì)地質(zhì)環(huán)境評(píng)價(jià)的目的和要求選取評(píng)價(jià)指標(biāo)，使評(píng)價(jià)具有實(shí)際意義。

②簡(jiǎn)明性：為了便于數(shù)據(jù)的收集和整理，應(yīng)對(duì)指標(biāo)進(jìn)行篩選，選擇的指標(biāo)盡可能簡(jiǎn)單明了，使之能夠恰當(dāng)?shù)胤从车刭|(zhì)環(huán)境系統(tǒng)的變化特征。

③普適性：要綜合考慮所選指標(biāo)具有普適性，其指標(biāo)不但能反映一定的地質(zhì)環(huán)境現(xiàn)狀，而且可以用于描述大多數(shù)地區(qū)的地質(zhì)環(huán)境特征。

④數(shù)據(jù)易取得：所選指標(biāo)的數(shù)據(jù)用現(xiàn)有的測(cè)試手段能夠得到，或者利用公式可以由一般性指標(biāo)推導(dǎo)出來(lái)。

⑤指標(biāo)可量化：所選取的指標(biāo)能夠用數(shù)據(jù)進(jìn)行量化，并可進(jìn)行分級(jí)。

⑥動(dòng)態(tài)與靜態(tài)相結(jié)合：地質(zhì)環(huán)境系統(tǒng)的協(xié)調(diào)發(fā)展是一個(gè)動(dòng)態(tài)的過(guò)程，其指標(biāo)體系不但要有反映現(xiàn)狀的靜態(tài)指標(biāo)，而且還要有反映其發(fā)展趨勢(shì)的動(dòng)態(tài)指標(biāo)，做到動(dòng)靜結(jié)合，更好地反映系統(tǒng)協(xié)調(diào)發(fā)展的整個(gè)過(guò)程。

(2)評(píng)價(jià)指標(biāo)的選取

依據(jù)上述原則以及影響地下空間開(kāi)發(fā)的地質(zhì)環(huán)境因素，在對(duì)泰安市地質(zhì)環(huán)境條件進(jìn)行充分分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合研究區(qū)實(shí)際條件，選取工程地質(zhì)條件、水文地質(zhì)條件、環(huán)境地質(zhì)問(wèn)題與不良地質(zhì)作用3項(xiàng)一級(jí)指標(biāo)，并對(duì)各一級(jí)指標(biāo)進(jìn)行細(xì)化，最終確定地質(zhì)構(gòu)造、地層結(jié)構(gòu)、地表水體、地下水富水性、地下水位最小埋深、地下水腐蝕性、巖溶塌陷、巖土膨脹性等8項(xiàng)二級(jí)指標(biāo)作為本次評(píng)價(jià)工作的參評(píng)因子。

(3)評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重的確定

采用層次分析法(AHP法)確定評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重[17-21]，可分3個(gè)步驟：

①建立遞階層次結(jié)構(gòu)：層次分析法遞階層次結(jié)構(gòu)由目標(biāo)層、準(zhǔn)則層和指標(biāo)層構(gòu)成[22]。影響地下空間開(kāi)發(fā)適宜性的主要地質(zhì)因素包括工程地質(zhì)條件、水文地質(zhì)條件、環(huán)境地質(zhì)問(wèn)題與不良地質(zhì)作用，各種因素又有次一級(jí)的若干二級(jí)指標(biāo)組成。因此，按照層次分析法的思路構(gòu)建評(píng)價(jià)指標(biāo)體系模型，如表1所示。

表1 地質(zhì)環(huán)境適宜性評(píng)價(jià)模型

②構(gòu)建判斷矩陣：按表2所示的T.L.Satty的1～9標(biāo)度，借助yaahp計(jì)算機(jī)輔助軟件對(duì)各評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行兩兩比較，同時(shí)參考專家意見(jiàn)，確定評(píng)價(jià)指標(biāo)的相對(duì)重要性并賦以分值，得到判斷矩陣。

表2 層次分析法的判斷矩陣標(biāo)度

③計(jì)算指標(biāo)綜合權(quán)重：依據(jù)各層次指標(biāo)權(quán)重，計(jì)算指標(biāo)層(C)各指標(biāo)對(duì)于目標(biāo)層(A)的綜合權(quán)重見(jiàn)表3。

表3 指標(biāo)層(C)對(duì)于目標(biāo)層(A)的綜合權(quán)重

(4) 評(píng)價(jià)數(shù)學(xué)模型的選擇

為反映不同環(huán)境要素對(duì)地質(zhì)環(huán)境影響的不同作用，選用綜合指數(shù)加權(quán)平均法對(duì)各評(píng)價(jià)單元地下空間開(kāi)發(fā)地質(zhì)環(huán)境適宜性進(jìn)行評(píng)價(jià)。評(píng)價(jià)公式為：

式中：Wi—評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重；pi—單指標(biāo)在該評(píng)價(jià)單元的得分值。

(5)地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的確定

由于各次一級(jí)因素的提取和奉獻(xiàn)度大小是一個(gè)模糊概念和模糊判斷的過(guò)程，因此為便于分析必須對(duì)其數(shù)值化，建立評(píng)價(jià)指標(biāo)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)值。

根據(jù)所搜集的地質(zhì)資料并結(jié)合實(shí)際提取各指標(biāo)的有效數(shù)值建立數(shù)據(jù)庫(kù)，通過(guò)科學(xué)、系統(tǒng)、全面的分析確定每個(gè)地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)值(表4)，最后結(jié)合工程建設(shè)經(jīng)驗(yàn)，參考在泰安市區(qū)從事地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)、工程地質(zhì)勘察、城市規(guī)劃等專家意見(jiàn)及看法，綜合分析巖土的工程性質(zhì)、地下水、活動(dòng)斷裂和巖土環(huán)境工程問(wèn)題等主要地質(zhì)因素的發(fā)育分布特征及其對(duì)地下空間開(kāi)發(fā)利用的影響，據(jù)此將泰安市地下空間地質(zhì)環(huán)境適宜性等級(jí)劃分為三級(jí)：地質(zhì)環(huán)境適宜區(qū)(Ⅰ級(jí))、地質(zhì)環(huán)境基本適宜區(qū)(Ⅱ級(jí))、地質(zhì)環(huán)境適宜性差區(qū)(Ⅲ級(jí))。

表4 地質(zhì)環(huán)境適宜性分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)及對(duì)應(yīng)取值

(6)評(píng)價(jià)單元?jiǎng)澐旨隘B加計(jì)算

運(yùn)用柵格數(shù)據(jù)處理方法對(duì)評(píng)價(jià)區(qū)進(jìn)行剖分，每個(gè)單元面積為1km×1km，將研究區(qū)劃分為172個(gè)評(píng)價(jià)單元，利用MapGIS空間分析功能，對(duì)每2個(gè)二級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)分別進(jìn)行疊加運(yùn)算，最終得到由8個(gè)二級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)組成的疊加運(yùn)算圖，在此基礎(chǔ)上根據(jù)前述地質(zhì)環(huán)境適宜性分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)評(píng)價(jià)區(qū)地質(zhì)環(huán)境適宜性進(jìn)行區(qū)劃。

3 地下空間開(kāi)發(fā)的地質(zhì)環(huán)境適宜性分析

3.1 地質(zhì)環(huán)境適宜性評(píng)價(jià)結(jié)果

按前述評(píng)價(jià)方法，對(duì)172個(gè)評(píng)價(jià)單元進(jìn)行綜合指數(shù)評(píng)價(jià)，得出各評(píng)價(jià)單元綜合指數(shù)，依據(jù)該指數(shù)，結(jié)合各評(píng)價(jià)單元的地質(zhì)環(huán)境條件，將相同級(jí)別的評(píng)價(jià)單元進(jìn)行曲線勾畫(huà)和匯總，最終形成泰安市城區(qū)地下空間開(kāi)發(fā)地質(zhì)環(huán)境適宜性分區(qū)圖(圖4)。

3.2 評(píng)價(jià)結(jié)果分析

地質(zhì)環(huán)境適宜區(qū)(Ⅰ級(jí))：分布于時(shí)代發(fā)展線以西，魏家莊—小井—桑家疃—西張店以東以及泮河大街以南大部分區(qū)域。該區(qū)地質(zhì)構(gòu)造基本不發(fā)育，地層結(jié)構(gòu)在長(zhǎng)城路以西為黏性土+基巖，在東部新區(qū)為黏性土，夾少量砂層，地層較穩(wěn)定，基坑支護(hù)簡(jiǎn)單；地下水富水性弱，地下水水質(zhì)對(duì)鋼筋具有微腐蝕性，施工中一般不需工程降水措施，東部小井—省莊以南局部發(fā)育弱膨脹性的黏土和泥巖。地質(zhì)環(huán)境基本適宜區(qū)(Ⅱ級(jí))：分布于西部長(zhǎng)城路以東，泰山大街以南，泮河大街以北及東部岱道庵—唐莊—小井以北地區(qū)。該區(qū)地質(zhì)構(gòu)造較發(fā)育，主要發(fā)育NW向泮河斷裂、洪溝斷裂；地層結(jié)構(gòu)上部以黏性土為主，夾含厚度較小的砂層，基坑施工需對(duì)砂層進(jìn)行支護(hù)，下部為灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r等，巖溶發(fā)育一般—中等，局部發(fā)生過(guò)巖溶塌陷，屬巖溶塌陷中易發(fā)區(qū)；地下水富水性弱—中等， 施工中需對(duì)地下水進(jìn)行工程降水；無(wú)膨脹性巖土分布。

1—地質(zhì)環(huán)境適宜區(qū)；2—地質(zhì)環(huán)境基本適宜區(qū)；3—地質(zhì)環(huán)境適宜性差區(qū)；4—城市分區(qū)；5—水系圖4 泰安市城市地下空間開(kāi)發(fā)地質(zhì)環(huán)境適宜性評(píng)價(jià)分區(qū)圖

地質(zhì)環(huán)境適宜性差區(qū)(Ⅲ級(jí))：重點(diǎn)分布于主城區(qū)泰山大街—靈山大街以北，在徐家樓、羊婁、上高、訾家灌莊等地零星分布。該區(qū)地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育，主要發(fā)育近EW向泰山大斷裂和NW向岱道庵?jǐn)嗔?，均屬第四系活?dòng)性斷裂；地層結(jié)構(gòu)在泰山山前以漂石層為主，自山前向城區(qū)呈多個(gè)扇狀分布晚更新世風(fēng)化卵石土，局部含厚度大于5m的砂層，基坑工程需對(duì)卵石層和砂層采取較為復(fù)雜的支護(hù)措施，卵石層、漂石層的存在也為盾構(gòu)施工增加了較大難度；同時(shí)，漂石層和砂層又是第四系孔隙水的主要賦存地段，地下施工中需對(duì)地下水采取合理的工程降水措施；該區(qū)下伏的灰?guī)r巖溶發(fā)育，為巖溶塌陷的高易發(fā)地段，近年來(lái)在訾家灌莊、東羊婁等地巖溶塌陷時(shí)有發(fā)生，該區(qū)內(nèi)工程施工前需進(jìn)行物理勘探和工程詳勘工作，查明巖溶發(fā)育的具體部位和強(qiáng)度，并采取相應(yīng)的工程措施進(jìn)行防治。

3.3 評(píng)價(jià)結(jié)果驗(yàn)證

為了對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，選取已施工的泰安市時(shí)代發(fā)展線為例進(jìn)行分析。時(shí)代發(fā)展線項(xiàng)目北接泰山市民廣場(chǎng)，南至泮河大街，縱貫?zāi)媳?，總長(zhǎng)度5km，自北而南依次建設(shè)時(shí)代公園區(qū)、會(huì)展中心區(qū)、科技館區(qū)、商務(wù)酒店辦公區(qū)及多元商業(yè)區(qū)，開(kāi)發(fā)深度5～6m。建設(shè)區(qū)北距泰山山前斷裂約2km，基本不受其影響；但本區(qū)自北向南地層差異較大，自北側(cè)泰山山前地帶向南部?jī)A斜平原，第四系風(fēng)化卵石層、砂層厚度逐漸變薄，隱伏基巖在東岳大街以北為泰山巖群變質(zhì)巖，東岳大街以南則為寒武紀(jì)饅頭組頁(yè)巖，淺部頁(yè)巖多風(fēng)化呈黏土狀，明顯差異的地層結(jié)構(gòu)，增加了基礎(chǔ)施工的難度；其次，該地段由于風(fēng)化卵石層、砂層的存在，使地下空間開(kāi)發(fā)施工難度加大，也增加了基坑邊坡支護(hù)的成本。綜合分析，本區(qū)屬地下空間開(kāi)發(fā)地質(zhì)環(huán)境基本適宜區(qū)，與適宜性評(píng)價(jià)結(jié)果一致。通過(guò)該實(shí)例證明泰安市地下空間開(kāi)發(fā)適宜性評(píng)價(jià)結(jié)果較為合理，層次分析法考慮了工程地質(zhì)、水文地質(zhì)、環(huán)境地質(zhì)等多方面的評(píng)價(jià)因子，考慮到因素更加全面，評(píng)價(jià)方法更具有科學(xué)性、代表性。

4 結(jié)論

通過(guò)建立地下空間開(kāi)發(fā)適宜性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，采用層次分析法對(duì)泰安市地下空間開(kāi)發(fā)地質(zhì)環(huán)境適宜性進(jìn)行了評(píng)價(jià)，實(shí)例驗(yàn)證了該評(píng)價(jià)方法所得出的評(píng)價(jià)結(jié)論具有較好的實(shí)用性和針對(duì)性，與實(shí)際工程地質(zhì)條件吻合度較好，對(duì)泰安市地下空間開(kāi)發(fā)規(guī)劃有較好的指導(dǎo)作用。