平原區(qū)地下空間資源可利用性評價研究
——以濟南北跨區(qū)為例

袁春鴻， 武羽曉， 岳慶杰

（1.山東省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局八〇一水文地質(zhì)工程地質(zhì)大隊，濟南 250014；2.山東省地下水環(huán)境保護(hù)與修復(fù)工程技術(shù)研究中心，濟南 250014； 3.濟南市自然資源和規(guī)劃局，濟南 250001）

隨著經(jīng)濟社會的迅猛發(fā)展和城市化進(jìn)程的加快，人口、資源、環(huán)境壓力也日益增大，城市可利用土地資源越來越緊張，不能滿足城市發(fā)展對土地的需求［1］，向地下要土地、要空間，合理開發(fā)利用地下空間，使地上、地下協(xié)調(diào)發(fā)展是世界城市發(fā)展的成功經(jīng)驗和必然趨勢，也是建設(shè)“資源節(jié)約、環(huán)境友好、可持續(xù)發(fā)展”新城市的出路.

城市地下空間是屬于不可再生資源，其開發(fā)利用是否科學(xué)、健康、合理和有序，將決定城市地下空間開發(fā)能否可持續(xù)發(fā)展［2］. 為科學(xué)適度地利用地下空間資源，保障城市生態(tài)地質(zhì)環(huán)境安全［3］，城市規(guī)劃建設(shè)前需要開展地下空間資源可利用性評價［4］.

濟南北跨區(qū)位于黃河以北，2003年6月26日山東省委常委擴大會議確定了濟南“東拓、西進(jìn)、南控、北跨、中疏”的城市空間發(fā)展戰(zhàn)略，提出了北跨區(qū)的概念. 2017年5月，以北跨新城區(qū)為核心正式設(shè)立濟南新舊動能轉(zhuǎn)換先行區(qū)，2018年國務(wù)院批復(fù)了山東新舊動能轉(zhuǎn)換綜合試驗區(qū)建設(shè)總體方案，方案明確提出要積極開發(fā)、充分利用地下空間，構(gòu)建地上、地下“雙層城市”. 自此，北跨區(qū)納入國家戰(zhàn)略，北跨建設(shè)工作全面開展. 本文以濟南北跨區(qū)為例［5-6］，研究探討了平原區(qū)地下空間資源可利用性評價模式［7-8］，通過識別地下空間開發(fā)的地質(zhì)環(huán)境制約因素，建立地下空間資源可利用性評價指標(biāo)體系和評價方法［9-10］，為黃河沖積平原區(qū)地下空間資源可利用性評價提供了理倫依據(jù)，評價結(jié)果明確提出了北跨區(qū)地下空間開發(fā)利用的關(guān)鍵制約因素，提出了地下空間資源開發(fā)利用的地質(zhì)解決方案，為透明、安全、立體、高效的地下空間開發(fā)利用格局規(guī)劃建設(shè)提供堅實的地質(zhì)基礎(chǔ)支撐，助力北跨先行區(qū)打造智慧城市，推進(jìn)北跨先行區(qū)立體發(fā)展和地下空間安全利用.

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于濟南市黃河以北沖積平原區(qū)，面積453 km2，地面坡度0.3‰，地表覆蓋厚層第四系松散堆積物，第四系厚度100～300 m，為典型的黃河沖積平原區(qū). 研究區(qū)地下空間按開發(fā)的層次性和時序性分為：淺層（地下埋深0～10 m）、次淺層（地下埋深10～30 m）和深層（地下埋深大于30 m）. 淺層和次淺層是現(xiàn)階段地下空間開發(fā)利用的主要層位.

1.1 水文條件

研究區(qū)地表水體主要有黃河、小清河、牧馬河、興濟河、大寺河、垛石河、邢家渡引黃干渠等，水庫為鵲山水庫（圖1）.各地表水體對地下空間開發(fā)利用的影響不同.

圖1 地表水體分布圖Fig.1 Distribution of surface water

其中黃河為河床高于兩岸地表3～5 m 的地上懸河，常年補給兩側(cè)地下水，黃河水位面位于地下工程之上，歷史上黃河下游三年兩決口、百年一改道，給兩岸居民的生命財產(chǎn)帶來巨大災(zāi)難，其穩(wěn)定性決定著整個先行區(qū)的建設(shè)是否可行.

鵲山水庫是未來先行區(qū)供水水源，為大型城市基礎(chǔ)項目，作為先行區(qū)的重要水利工程，水庫下部地層及周邊一定范圍地下空間不得開發(fā).

其他地表水體均為季節(jié)性河流，徑流量小，一般接受地下水的補給，地下工程只要做好防地下水措施，地表水體對地下建筑的威脅小，評價中不作考慮.

1.2 水文地質(zhì)條件

1）開發(fā)深度內(nèi)地下水富水性及影響分析

地下空間淺層，地下水類型為松散巖類孔隙水，含水巖組主要巖性為粉土、粉質(zhì)黏土等，沒有很好的含水層，富水性小于500 m3/d.

地下空間次淺層，為淺層孔隙水的主要賦存層位，地下水類型為松散巖類孔隙水，含水巖組巖性為粉土、粉質(zhì)黏土和黏土等，含水層為中細(xì)砂、細(xì)砂和粉細(xì)砂，頂板埋深8.5～25.2 m，古河道帶含水層發(fā)育，單井涌水量大于1000 m3/d，在古河道邊緣單井涌水量500～1000 m3/d，其他地段單井涌水量小于500 m3/d. 具體見圖2所示.

圖2 淺層淡水富水性分區(qū)圖層Fig.2 Water-rich zoning of shallow freshwater

在地下工程施工（基坑開挖）過程中，富水性越強，水動力條件改變越大，越易發(fā)生入滲、流土、流沙等不良地質(zhì)現(xiàn)象，影響地下工程施工，甚至造成基坑邊坡失穩(wěn)和基坑周邊地面沉降.

2）地下水位最小埋深

研究區(qū)淺層孔隙水枯水期水位埋深2～4 m，豐水期水位埋深1.5～3 m. 目前國內(nèi)地下空間的開發(fā)深度一般為0～20 m，研究區(qū)此深度范圍內(nèi)以粉土、粉質(zhì)黏土為主，在基礎(chǔ)開挖施工過程中，可能產(chǎn)生流沙、管涌、底鼓、側(cè)壁變形、坍塌等不良現(xiàn)象，不僅降低了地基土的力學(xué)強度，還可能給施工帶來困難.

研究區(qū)地下水位最小埋深為1.5 m，地下工程設(shè)施全部或部分淹沒于地下水位以下，水位上升或下降時，地下水浮力會發(fā)生變化，可能對地下工程帶來影響.

1.3 工程地質(zhì)條件

1）斷裂構(gòu)造

研究區(qū)規(guī)模較大的斷裂有：齊河—廣饒斷裂、廟廊—焦斌斷裂、濟南—孫耿斷裂、桑梓店斷裂、臥牛山斷裂、東塢斷裂等（圖3），其中齊河—廣饒斷裂是區(qū)域深大斷裂. 斷裂活動及其產(chǎn)生的次生效應(yīng)，破壞位于斷裂帶上的建筑.

圖3 斷裂構(gòu)造分布圖Fig.3 Distribution of fault structure

2）土體力學(xué)性質(zhì)

研究區(qū)50 m 以淺土體分為8 個工程地質(zhì)層，其中0～10 m 土體巖性以粉土、粉質(zhì)黏土為主，10～50 m 土體巖性以粉土、粉質(zhì)黏土、粉細(xì)砂、黏土為主（圖4）.

圖4 50 m以淺立體結(jié)構(gòu)剖面圖Fig.4 Three-dimensional section above 50 m

粉土：褐黃—黃褐色，稍密，濕，搖振反應(yīng)迅速，干強度、韌性低，無光澤. 含少量云母碎片，具有鐵質(zhì)銹染，局部夾薄層粉質(zhì)黏土，地基承載力特征值fak=80～110 kPa.黏土：黃褐色，軟塑—可塑，無搖振反應(yīng)，干強度、韌性高，光澤，含鐵質(zhì)氧化物，地基承載力特征值fak=90～120 kPa.粉質(zhì)黏土：褐黃—黃褐色，可塑，無搖振反應(yīng)，干強度、韌性中等，稍有光澤，含鐵質(zhì)氧化物，局部夾薄層粉土，地基承載力特征值fak=90～120 kPa. 粉細(xì)砂：褐黃—灰黃色，中密—密實，飽和，顆粒較均勻，分選性好，成分為石英、長石，含較多云母碎片，震動析水.

巖土體地基承載力特征值及物理力學(xué)性質(zhì)決定了其可否作為建筑物持力層，同時也決定了地基基礎(chǔ)類型.

3）軟土

研究區(qū)軟土主要分布在黃河兩岸，層頂埋深1.5～11.5 m，一般在4～7 m；厚度0.6～13.8 m，一般在2 m 左右. 上部為粉土，下部多為深色黏性土，具有以下特征：①具有明顯的觸變性，靈敏度St一般在3～8之間，受振動荷載時，易產(chǎn)生側(cè)向滑動、沉降及基底面兩側(cè)擠出等現(xiàn)象；②高壓縮性，易造成建筑物沉降量大；③低透水性，垂直滲透系數(shù)在10-8～10-6cm/s之間，影響地基的強度；④流變性，影響邊坡、堤岸工程的穩(wěn)定性；⑤不均勻性，易造成建（構(gòu)）筑物不均勻沉降及變形. 施工時可采取工程措施進(jìn)行預(yù)防.

4）液化土

研究區(qū)地面下20 m 范圍內(nèi)廣泛分布飽和粉土及飽和砂土，存在砂土液化的可能性. 根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗判別法對11 個鉆孔進(jìn)行液化層判別和液化等級判別，得出研究區(qū)液化指數(shù)ILE均小于5，地基的液化等級為輕微. 施工時可采取工程措施進(jìn)行預(yù)防.

圖5 軟土分布圖Fig.5 Distribution map of soft soil

1.4 地質(zhì)災(zāi)害

研究區(qū)地質(zhì)災(zāi)害類型主要為采空塌陷（圖6）. 濟陽煤礦和高王礦區(qū)，有著豐富的煤炭資源，濟陽煤礦正在開采，已在礦區(qū)內(nèi)形成兩處大面積采空塌陷，隨著煤炭資源的進(jìn)一步開采，采空塌陷范圍將會進(jìn)一步擴大；高王礦區(qū)正在辦理采礦權(quán)，未來開采后將會形成大面積采空塌陷. 采空塌陷是地下空間開發(fā)利用的決定性因素，在地下空間開發(fā)利用中具有一票否決權(quán)，其影響范圍內(nèi)原則上不允許開發(fā).

圖6 采空塌陷分布圖Fig.6 Distribution of goaf collapse

1.5 建筑物基礎(chǔ)和已開發(fā)利用的地下空間

研究區(qū)三層以上的中高層建筑物，主要分布于濟陽縣城、桑梓店化工園區(qū)、大橋鎮(zhèn)、新陽煤礦工業(yè)廣場、孫耿鎮(zhèn)和崔寨鎮(zhèn)（圖7），面積約20 km2. 中高層建筑由于建筑基礎(chǔ)及自身功能的需要，大多建有1～2 層地下室，基坑深度大多在10 m 以上，占用的地下空間深度大致在40 m左右. 已開發(fā)利用地下空間下部及周邊一定范圍內(nèi)的地下空間資源不宜任意開發(fā).

圖7 中高層建筑分布圖Fig.7 Distribution of medium and high rise buildings

2 地下空間資源可利用性評價指標(biāo)體系構(gòu)建

城市地質(zhì)環(huán)境條件直接控制地下空間開發(fā)利用的難易程度［11-13］，決定了地下工程的整體安全性和經(jīng)濟性，是地下空間開發(fā)利用評價的核心要素. 本文通過分析研究地質(zhì)環(huán)境條件，掌握地下空間開發(fā)與地質(zhì)環(huán)境的相互影響機制與規(guī)律，確定影響地下空間資源開發(fā)利用的地質(zhì)環(huán)境制約因素，進(jìn)而構(gòu)建評價指標(biāo)體系.

2.1 評價指標(biāo)體系確定

根據(jù)地下空間資源開發(fā)影響要素分析結(jié)果，確定研究區(qū)地下空間資源可利用性評價指標(biāo)體系包括1 個目標(biāo)層、5個指標(biāo)層和10個評價因子，如表1.

表1 地下空間資源可利用性評價指標(biāo)體系Tab.1 Index system of availability evaluation of underground space resource

2.2 評價方法

通過地下空間資源開發(fā)影響要素分析可知，影響地下空間資源開發(fā)的地質(zhì)環(huán)境條件復(fù)雜，影響因素多，需要選取適合多層次多因素的評價方法［16-19］. 而模糊數(shù)學(xué)綜合評價法，可以把不同層次影響地下空間資源開發(fā)的因素綜合起來考慮，在多因素綜合評價中，具有其獨特的優(yōu)越性，準(zhǔn)確度較高，故采用模糊數(shù)學(xué)綜合評判法進(jìn)行評價. 在評價過程中，首先選擇評價因子，確定各單項指標(biāo)的評價標(biāo)準(zhǔn)并對其單項評價，然后分別對各單項指標(biāo)給予適當(dāng)?shù)臋?quán)重，最后應(yīng)用模糊矩陣復(fù)合運算的方法得出綜合評價的結(jié)果.

根據(jù)模糊集原理，建立地下空間資源可利用性綜合評判數(shù)學(xué)模型如下：

式中：A表示因素集權(quán)重矩陣；ai為第i個評價指標(biāo)在總目標(biāo)中獲得的權(quán)重值；R表示由n個評價指標(biāo)構(gòu)成的總評判矩陣；uij表示第j個級別第i個因素指標(biāo)的隸屬度；B為綜合評判矩陣.

2.3 評價標(biāo)準(zhǔn)制定及評價單元劃分

針對評價指標(biāo)體系中各評價因子制定相應(yīng)的分級評價標(biāo)準(zhǔn)，具體如表2.

表2 地下空間資源評價因子分級標(biāo)準(zhǔn)一覽表Tab.2 Standard table of evaluation factor classification of underground space resource

根據(jù)參與評價因子的貢獻(xiàn)和重要程度，采用專家打分法給定權(quán)重，如表3.

表3 各評價指標(biāo)及子因素權(quán)重一覽表Tab.3 Weight table of each evaluation index and sub-factor

依單因子GIS圖的分區(qū)疊加為基礎(chǔ)，將疊加后各因子條件相同的區(qū)段作為一個評價單元，據(jù)此原則，研究區(qū)共劃分為33個不規(guī)劃評價單元，每個評價單元中同一因子的條件相同.

圖8 評價單元劃分圖Fig.8 Partition diagram of evaluation unit

3 濟南北跨區(qū)地下空間資源可利用性評價結(jié)果

依據(jù)上述評價方法、評價標(biāo)準(zhǔn)對33個評價單元的淺層和次淺層分別進(jìn)行評價，然后根據(jù)評價結(jié)果，繪制地下空間資源可利用性分區(qū)圖（圖9），并對各分區(qū)地質(zhì)環(huán)境影響條件進(jìn)行評述.

圖9 地下空間資源可利用性評價分區(qū)圖Fig.9 Zoning map for availability evaluation of underground space resource

3.1 淺層可利用性分區(qū)

研究區(qū)淺層地下空間資源可利用性分為優(yōu)區(qū)、良區(qū)、中等區(qū)和差區(qū).

優(yōu)區(qū)主要分布于孫耿鎮(zhèn)—崔寨鎮(zhèn)以北、桑梓店鎮(zhèn)—趙家以北. 該區(qū)沒有大的地表水體分布，淺層含水層富水性差，最小水位埋深1～3 m，承載力特征值100～150 kPa，無軟土分布，砂土液化指數(shù)小于5，為采空塌陷的不易發(fā)區(qū)，無特殊用地類型，地下空間基本未開發(fā).

良區(qū)分布黃河大壩以外. 該區(qū)沒有大的地表水體分布，淺層含水層富水性差，最小水位埋深1～3 m，承載力特征值100～150 kPa，有軟土分布，砂土液化指數(shù)小于5，為采空塌陷的不易發(fā)區(qū)，緊臨黃河大壩，地下空間開發(fā)較小.

中等區(qū)分布于濟陽縣城、大橋鎮(zhèn)、新材料產(chǎn)業(yè)園. 該區(qū)沒有大的地表水體分布，淺層含水層富水性差，最小水位埋深1～3 m，承載力特征值100～150 kPa，一般沒有軟土分布，為采空塌陷的不易發(fā)區(qū)，無特殊用地類型，地面建筑集中分布，地下空間開發(fā)較大.

差區(qū)分布于濟陽煤礦、高王礦區(qū)、黃河大壩內(nèi)、鵲山水庫. 濟陽煤礦和高王礦區(qū)為采空塌陷高易發(fā)區(qū)，黃河和鵲山水庫是區(qū)內(nèi)主要地表水體.

3.2 次淺層可利用性分區(qū)

研究區(qū)次淺層地下空間資源可利用性分為優(yōu)區(qū)、良區(qū)、中等區(qū)和差區(qū).

優(yōu)區(qū)主要分布孫耿鎮(zhèn)—回河鎮(zhèn)之間的古河道間帶. 該區(qū)沒有大的地表水體分布，含水層富水性差，砂層厚度薄，承載力特征值100～150 kPa，無軟土分布，砂土液化指數(shù)小于5，為采空塌陷的不易發(fā)區(qū)，無特殊用地類型，地下空間基本未開發(fā).

良區(qū)廣泛分布于黃河大壩以北，濟陽縣城和礦區(qū)以外地段. 該區(qū)沒有大的地表水體分布，含水層富水性大于500 m3/d，承載力特征值100～150 kPa，局部分布有軟土，為采空塌陷的不易發(fā)區(qū)，無特殊用地類型，地下空間基本未開發(fā).

中等區(qū)分布于濟陽縣城. 該區(qū)沒有大的地表水體分布，含水層富水性500～3000 m3/d，承載力特征值100～150 kPa，無軟土分布，砂土液化指數(shù)小于5，為采空塌陷的不易發(fā)區(qū)，無特殊用地類型，地面建筑集中分布，地下空間開發(fā)較大.

差區(qū)分布于濟陽煤礦、高王礦區(qū)、黃河大壩內(nèi)、鵲山水庫等地段. 濟陽煤礦和高王礦區(qū)為采空塌陷高易發(fā)區(qū)，黃河和鵲山水庫是區(qū)內(nèi)主要地表水體.

4 地下空間資源開發(fā)利用建議

地下空間資源可利用性評價的最終目的是提出地下空間資源開發(fā)利用建議，服務(wù)于城市建設(shè). 根據(jù)地下空間資源可利用性評價結(jié)果，從地下工程類型、地下空間分區(qū)開發(fā)規(guī)劃、地下空間開發(fā)方式等方面提出地下空間資源開發(fā)利用建議.

4.1 地下工程類型建議

淺層地下空間，適用于建設(shè)地下商場、地下車庫、地下街道、人防工程等地下工程；次淺層地下空間，適用于建設(shè)地下交通、地下污水處理場及城市水、電、氣、通信等公用設(shè)施；深層地下空間，作為預(yù)留空間資源，適用于建設(shè)高速地下交通軌道，危險品倉庫、冷庫、油庫等地下工程.

4.2 地下空間分區(qū)開發(fā)規(guī)劃建議

將地下空間資源可利用性評價差區(qū)作為地下空間開發(fā)利用保護(hù)區(qū)，保護(hù)區(qū)內(nèi)地下空間不得隨意開發(fā)，必須開發(fā)時，其利用類型可為地下管線、地下交通等線狀工程，同時對已有工程和擬建地下工程采取工程措施進(jìn)行安全防護(hù)和預(yù)警.

地下空間資源可利用性評價中等區(qū)主要影響因素是地面建筑集中分布，已有地下空間開發(fā)較大，未來開發(fā)時其利用類型可為地下管線、地下交通等線狀工程，大型地下綜合體、地下車庫等面狀工程謹(jǐn)慎開發(fā)，同時對已有工程和擬建地下工程采取工程措施，進(jìn)行安全防護(hù)和預(yù)警.

地下空間資源可利用性評價優(yōu)區(qū)和良區(qū)，可根據(jù)城市發(fā)展需要開發(fā)交通隧道、地鐵、供排水設(shè)施、市政管線、人防工程、地下街、地下車庫、地下步行道網(wǎng)、地下綜合體等線狀工程和面狀工程.

4.3 地下空間開發(fā)方式建議

研究區(qū)位于黃河沖積平原，淺層地下空間宜采用明挖法開發(fā)利用；次淺層地下空間開發(fā)時，宜采用盾構(gòu)施工，需做好上覆地層及建筑物的支護(hù).

5 結(jié)論

本文以濟南北跨區(qū)為例，研究了平原區(qū)地下空間資源可利用性評價模式，通過識別地下空間開發(fā)的地質(zhì)環(huán)境制約因素，建立平原區(qū)地下空間資源可利用性評價指標(biāo)體系，確定合適的評價方法，根據(jù)評價結(jié)果提出了地下空間資源開發(fā)利用建議. 得出如下結(jié)論.

1）平原區(qū)地下空間資源可利用性評價模式：首先識別地下空間開發(fā)的地質(zhì)環(huán)境制約因素，然后建立地下空間資源可利用性評價指標(biāo)體系、確定評價方法、進(jìn)行評價分區(qū)，對各分區(qū)地質(zhì)環(huán)境影響條件進(jìn)行評述，最后根據(jù)評價結(jié)果提出地下空間開發(fā)的相關(guān)建議.

2）濟南北跨區(qū)位于黃河沖積平原，作為平原區(qū)的典型，其地質(zhì)環(huán)境制約因素包括水文、水文地質(zhì)、工程地質(zhì)、地質(zhì)災(zāi)害、既有建筑設(shè)施和已開發(fā)地下工程等5大指標(biāo)共10個評價因子，也可為其他類似地區(qū)識別地下空間開發(fā)地質(zhì)環(huán)境制約因素提供參考.

3）運用適合多層次多因素的模糊數(shù)學(xué)綜合評價法進(jìn)行評價分區(qū)，采用專家打分法進(jìn)行權(quán)重賦值，采用GIS圖分區(qū)疊加法進(jìn)行評價單元劃分，評價等級分為優(yōu)區(qū)、良區(qū)、中等區(qū)和差區(qū).

4）根據(jù)地下空間資源可利用性評價結(jié)果，從地下工程類型、地下空間分區(qū)開發(fā)規(guī)劃、地下空間開發(fā)方式等方面提出地下空間資源開發(fā)利用建議，達(dá)到服務(wù)于城市建設(shè)的最終目的.