城市地下空間地質(zhì)安全風(fēng)險(xiǎn)三維評(píng)價(jià)方法與實(shí)踐

王 睿，竇帆帆，李云峰，葛偉亞

（1.中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局南京地質(zhì)調(diào)查中心，江蘇南京 210016；2.自然資源部城市地下空間探測(cè)評(píng)價(jià)工程技術(shù)創(chuàng)新中心，江蘇南京 210016；3.江蘇第二師范學(xué)院地理科學(xué)學(xué)院，江蘇南京 210016）

0 引言

目前我國(guó)已經(jīng)進(jìn)入了工業(yè)化時(shí)代，城市化擴(kuò)張放緩、基礎(chǔ)設(shè)施更新和改造、精細(xì)化城市建設(shè)成為主要發(fā)展方向（馬力，2014）。在這個(gè)背景下，城市地下空間開(kāi)發(fā)的重要性進(jìn)一步被凸顯：其在優(yōu)化城市空間利用，減少對(duì)地表生態(tài)系統(tǒng)的破壞；承擔(dān)交通、供水、排水等基礎(chǔ)設(shè)施的更新與升級(jí)；減少地表建筑密度，提升公共空間質(zhì)量，提升城市居民舒適度；提升城市的抗災(zāi)能力和安全保障水平；豐富城市的文化、商業(yè)和旅游資源，增加城市吸引力等方面發(fā)揮著不可替代的作用（程光華等，2019）。

然而當(dāng)前我國(guó)城市，尤其是特大城市普遍面臨著區(qū)域地殼穩(wěn)定性、地質(zhì)災(zāi)害、水資源供給安全和生態(tài)安全風(fēng)險(xiǎn)（衛(wèi)萬(wàn)順等，2018），而地下空間作為城市重要的基礎(chǔ)設(shè)施，蘊(yùn)藏著地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)。很多城市地質(zhì)安全問(wèn)題都會(huì)直接或間接地作用到城市地下空間，造成重大損失乃至直接威脅到城市正常運(yùn)行。此外，廣泛的研究表明，人類活動(dòng)是誘發(fā)城市地面塌陷等工程地質(zhì)災(zāi)害的重要因素之一（馮永，2009；張?zhí)惖龋?011；蔡劍韜，2019），而地下空間的開(kāi)發(fā)建設(shè)在其中占相當(dāng)大的比例。因此，在后城市化階段的當(dāng)前，識(shí)別與評(píng)價(jià)城市地下空間的地質(zhì)安全風(fēng)險(xiǎn)，指導(dǎo)地下空間規(guī)劃與設(shè)計(jì)，對(duì)城市長(zhǎng)久安全運(yùn)營(yíng)的意義是重大的。

本文通過(guò)總結(jié)城市地下空間地質(zhì)安全風(fēng)險(xiǎn)的類型、地質(zhì)誘因與核心評(píng)價(jià)指標(biāo)，以及傳統(tǒng)二維評(píng)價(jià)的局限性，系統(tǒng)提出了一套城市地下空間地質(zhì)安全風(fēng)險(xiǎn)三維評(píng)價(jià)的技術(shù)方法體系，并通過(guò)南京某地的實(shí)例進(jìn)行分析討論。

1 城市地下空間地質(zhì)安全風(fēng)險(xiǎn)概述

地下空間地質(zhì)安全風(fēng)險(xiǎn)可以定義為：地下空間建設(shè)和運(yùn)行期間受不良地質(zhì)條件和作用威脅的可能性和嚴(yán)重程度（孫建平，2018）。以往學(xué)界對(duì)于地下空間地質(zhì)安全風(fēng)險(xiǎn)這一概念的討論相對(duì)較少，重點(diǎn)關(guān)注的是針對(duì)地下空間建設(shè)時(shí)的開(kāi)發(fā)適宜性、施工風(fēng)險(xiǎn)等（袁鋼等，2012；雷升祥等，2021）。然而，站在城市發(fā)展與長(zhǎng)期運(yùn)行的角度上來(lái)看，地下空間地質(zhì)安全風(fēng)險(xiǎn)并不僅僅是建設(shè)過(guò)程中常見(jiàn)的基坑工程風(fēng)險(xiǎn)，還需要考慮長(zhǎng)期性影響地下空間安全運(yùn)營(yíng)的地面沉降等問(wèn)題，以及地下空間建設(shè)使用全周期本身對(duì)于地質(zhì)安全風(fēng)險(xiǎn)擾動(dòng)所引發(fā)的安全風(fēng)險(xiǎn)問(wèn)題，例如地下水位水質(zhì)的變化、管線滲漏引發(fā)的地面塌陷等。

1.1 城市地下空間安全風(fēng)險(xiǎn)類型

地下空間地質(zhì)安全風(fēng)險(xiǎn)涉及活動(dòng)斷裂、地面沉降、崩滑流地質(zhì)災(zāi)害、地面塌陷、其他不良工程地質(zhì)條件、洪澇等多方面。

我國(guó)幅員遼闊，各類城市分布在不同的地貌區(qū)域內(nèi)，具有不同地質(zhì)背景和地質(zhì)結(jié)構(gòu)條件，在不同地區(qū)、不同地下空間開(kāi)發(fā)形式與深度表現(xiàn)不同。

根據(jù)彭建兵等（2019）、程光華等（2019）等的研究成果，結(jié)合當(dāng)前我國(guó)地下空間開(kāi)發(fā)現(xiàn)狀（田野等，2020），把我國(guó)典型特大城市根據(jù)制約城市地下地質(zhì)結(jié)構(gòu)的地質(zhì)條件、城市地下空間開(kāi)發(fā)需求和潛力建立了城市地下空間地質(zhì)結(jié)構(gòu)與不良地質(zhì)要素如下表1所示：

表1 典型城市地質(zhì)結(jié)構(gòu)與城市地下空間不良地質(zhì)要素Table 1 Typical urban geological structure and undesirable geological elements of urban underground space （UUS）

不同的地質(zhì)條件作用于不同深度地下空間可能誘發(fā)的潛在地下空間地質(zhì)安全風(fēng)險(xiǎn)不同?？偟膩?lái)說(shuō)，地質(zhì)動(dòng)力活動(dòng)或地質(zhì)安全風(fēng)險(xiǎn)異常變化是主要成因，其中地質(zhì)動(dòng)力活動(dòng)主要包括地殼運(yùn)行和地震等；地質(zhì)安全風(fēng)險(xiǎn)異常變化以人類的地下工程建設(shè)活動(dòng)改變?cè)械刭|(zhì)安全風(fēng)險(xiǎn)且趨于不利方向發(fā)展為主。在多數(shù)情況下是二者協(xié)同作用引起的，地面塌陷、巖爆、坑道突水、突泥、砂土液化等地質(zhì)災(zāi)害主要是與工程不良地質(zhì)、水文地質(zhì)和地質(zhì)構(gòu)造條件復(fù)雜有關(guān)。

地下空間地質(zhì)安全風(fēng)險(xiǎn)主要還包括地下承壓水突涌、砂土液化、因暴雨導(dǎo)致水土流失進(jìn)而引發(fā)市政管線破裂和地表沉降、天然氣噴逸、地震等自然因素引起的災(zāi)害，以及地下施工擾動(dòng)等人為因素引起的災(zāi)害。主要原因是地下地質(zhì)條件不清、老化管線等人工構(gòu)筑物情況和條件不明、設(shè)計(jì)施工方法不當(dāng)?shù)取３鞘械叵驴臻g地質(zhì)災(zāi)害與場(chǎng)地的工程地質(zhì)、水文地質(zhì)條件和可能采用的施工工藝、工法等緊密相關(guān)。

城市地下空間長(zhǎng)期運(yùn)營(yíng)過(guò)程中的地質(zhì)安全風(fēng)險(xiǎn)主要有地層坍塌、隆起、突涌、滲漏、變形、沉降等，與巖溶、采空區(qū)、地裂縫、斷裂帶、空洞、地下水、流沙、軟土等致災(zāi)不良地質(zhì)情況有關(guān)。

1.2 城市地下空間安全風(fēng)險(xiǎn)地質(zhì)成因及影響模式

一是構(gòu)造活動(dòng)區(qū)域，斷層破碎帶工程性質(zhì)較差，透水性強(qiáng)，在開(kāi)發(fā)過(guò)程中容易引起地面沉降變形和涌水事故，在施工過(guò)程中遇到斷裂帶，會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的塌方、涌水和泥石流等災(zāi)害?；顢鄬涌赡苷T發(fā)構(gòu)造地震，在飽和粉土、砂土區(qū)，地震導(dǎo)致砂土液化，施工過(guò)程中易出現(xiàn)基坑邊坡坍塌、隧道圍巖變形破壞，運(yùn)營(yíng)過(guò)程中易導(dǎo)致隧道和相關(guān)設(shè)施變形破壞。平原區(qū)隱伏活動(dòng)斷裂兩盤的水平或垂直的移動(dòng)都會(huì)對(duì)地下空間造成拉裂、變形甚至破壞，對(duì)于跨斷裂建設(shè)的地下空間，如地下隧道、重要市政管線、地下綜合管廊等，會(huì)造成極大破壞。在構(gòu)造活動(dòng)強(qiáng)烈的硬質(zhì)巖中開(kāi)發(fā)地下空間會(huì)積蓄高地應(yīng)力，容易發(fā)生巖爆問(wèn)題。

二是特殊土發(fā)育區(qū)，軟土普遍具有高含水率、高壓縮性、強(qiáng)流變性、觸變性和流動(dòng)性，地基承載力低，易于壓縮變形，且沉降持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)；在基坑和隧道開(kāi)挖過(guò)程中，降排水和支護(hù)較為困難，基坑邊坡和隧道圍巖易變形破壞，同時(shí)還會(huì)引起周邊建筑物開(kāi)裂、地面變形破壞。液化土層（砂土）經(jīng)歷短暫的震動(dòng)過(guò)程會(huì)完全喪失抗剪強(qiáng)度和承載能力，給地下工程建設(shè)造成十分不利的影響。在卵礫石層中開(kāi)挖基坑和隧道時(shí)，容易產(chǎn)生塌落、坍塌、涌水。

三是有害氣體發(fā)育區(qū)，氡氣屬于放射性氣體，常沿?cái)嗔?、破碎帶等地質(zhì)薄弱部位富集，并沿這些部位由地下深部向大氣擴(kuò)散，可沿各種縫隙進(jìn)入地下空間，達(dá)到一定濃度，會(huì)對(duì)人體造成傷害。汞氣在土壤中普遍存在，如果地下汞的含量超標(biāo)，對(duì)地下空間的開(kāi)發(fā)同樣不利。地下淺層氣在開(kāi)發(fā)過(guò)程中如果遇到泄露，達(dá)到一定濃度會(huì)引發(fā)火災(zāi)事故。

結(jié)合上述研究成果，與地下空間開(kāi)發(fā)及運(yùn)營(yíng)中易發(fā)的災(zāi)害類型（陳志龍，2023），本文系統(tǒng)歸納了地下空間地質(zhì)安全風(fēng)險(xiǎn)類型及地質(zhì)成因，如下表2所示。

表2 地下空間地質(zhì)安全風(fēng)險(xiǎn)類型及地質(zhì)成因Table 2 Types of UUS geological safety risks and geological origin

以江蘇省城市為例：自2015年以來(lái)，江蘇省地下空間的地質(zhì)災(zāi)害呈現(xiàn)了先減少后增加的趨勢(shì)。主要表現(xiàn)為地面塌陷、坑道突水、突泥和砂土液化等情況。這一現(xiàn)象的主要原因是江蘇省內(nèi)南京、無(wú)錫、徐州、蘇州等城市大力推進(jìn)地下空間的開(kāi)發(fā)利用，特別是地下軌道交通、綜合管廊和大型地下綜合體的建設(shè)。工程建設(shè)不可避免地面臨各種復(fù)雜地質(zhì)條件，特別是易發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害的砂土和軟土等情況。此外，2015年中央政府強(qiáng)調(diào)加快推進(jìn)地下空間開(kāi)發(fā)利用，提高城市地下空間資源利用率，導(dǎo)致2016年地質(zhì)災(zāi)害次數(shù)上升。然而，隨著人們對(duì)地下空間使用安全意識(shí)的增強(qiáng)和預(yù)防措施的完善，到2018年全國(guó)地下空間地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生逐年減少。自2019年開(kāi)始，以地鐵為主導(dǎo)的城市軌道交通迅速發(fā)展，帶來(lái)了新一輪地下空間地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生次數(shù)的增加。

地面沉降和塌陷曾是江蘇省最大的地下空間地質(zhì)安全風(fēng)險(xiǎn)，尤其是在蘇錫常地區(qū)和蘇北沿海平原區(qū)。主要原因是江蘇省復(fù)雜的地下水文地質(zhì)條件和地下水開(kāi)采活動(dòng)共同作用。到2016年底，江蘇沿海地區(qū)200 km2以上的沉降面積達(dá)1.4萬(wàn)km2，最大沉降量超過(guò)700 mm。但自2016年后，隨著多年來(lái)地下水禁采工作逐步推進(jìn)，江蘇省地面沉降速率顯著減緩，甚至出現(xiàn)了一些地區(qū)地面抬升的情況。地下水位開(kāi)始回升，超采區(qū)域大部分地區(qū)的地下水位回升至限制采水位，對(duì)地下空間地質(zhì)安全風(fēng)險(xiǎn)起到了很大的減緩作用。所以地下空間地質(zhì)安全風(fēng)險(xiǎn)的識(shí)別是動(dòng)態(tài)、發(fā)展的。

2 城市地下空間地質(zhì)安全風(fēng)險(xiǎn)三維評(píng)價(jià)方法

隨著地下空間地質(zhì)調(diào)查評(píng)價(jià)工作的進(jìn)一步推進(jìn)，對(duì)地下空間資源三維立體化、精細(xì)化利用已成為當(dāng)前的重點(diǎn)。由于地下空間地質(zhì)安全風(fēng)險(xiǎn)處于一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)，因此評(píng)價(jià)需要全面考慮多種指標(biāo)要素的影響。只利用單指標(biāo)要素進(jìn)行地下空間地質(zhì)安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)并不是最為合理的評(píng)價(jià)方式，建立起多元多維數(shù)據(jù)的融合模式，深入挖掘數(shù)據(jù)間內(nèi)蘊(yùn)的特征和聯(lián)系，基于更多知識(shí)儲(chǔ)備和科學(xué)依據(jù)對(duì)地下空間地質(zhì)安全風(fēng)險(xiǎn)質(zhì)量與數(shù)量進(jìn)行更為詳細(xì)地分析與評(píng)價(jià)，應(yīng)當(dāng)成為當(dāng)前城市地下空間地質(zhì)安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)研究工作的總體思路。

現(xiàn)階段，由于以往技術(shù)條件限制，當(dāng)前的地下空間地質(zhì)安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)研究主要集中在二維環(huán)境下開(kāi)展。其實(shí)現(xiàn)過(guò)程通常是將地下空間體積按照開(kāi)發(fā)深度層次劃分為三到四個(gè)垂向部分，然后基于二維GIS平臺(tái)并以采用平面柵格或矢量單元為載體，結(jié)合水文、工程等二維多元信息從不同深度整合各種評(píng)價(jià)要素的特征值，運(yùn)用一定的綜合評(píng)價(jià)模型以二維平面模型（圖層形式）參與最終評(píng)價(jià)結(jié)果的計(jì)算，其全過(guò)程完全基于二維環(huán)境下開(kāi)展（Zhou et al.， 2019；江思義等，2019；秦品瑞等，2019；蔣杰等，2021）。

然而，地下空間地質(zhì)安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)實(shí)際上是一個(gè)將三維空間對(duì)象基于三維評(píng)價(jià)單元提取數(shù)據(jù)信息，并經(jīng)分析后再三維可視化表達(dá)的復(fù)雜過(guò)程?；诙S平面空間的地下空間地質(zhì)安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)將地下空間劃分為多個(gè)層位，并按照不同層位進(jìn)行“切片式”評(píng)價(jià)的方式忽略了評(píng)價(jià)中所需的地質(zhì)信息、地下構(gòu)筑物等多元信息在空間上具有三維屬性的特征，具有三維屬性的評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)被投影至二維平面空間會(huì)損失大量的三維信息，顯著影響評(píng)價(jià)結(jié)果的精細(xì)程度，并且其最終評(píng)價(jià)結(jié)果僅具有平面成果，深度方向分辨率太低則影響評(píng)價(jià)結(jié)果的實(shí)用性和應(yīng)用范圍，具有很大程度的不確定性，因此無(wú)法滿足未來(lái)地下空間的立體精細(xì)規(guī)劃和開(kāi)發(fā)需要。因此，隨著計(jì)算機(jī)三維技術(shù)的發(fā)展與前人研究的積累，城市地下空間地質(zhì)安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)研究工作逐步從二維轉(zhuǎn)向三維（李鵬岳等，2021；譚飛等，2021；田聰?shù)龋?021；吳立新等，2022），國(guó)內(nèi)外部分專家學(xué)者已開(kāi)始探索結(jié)合三維GIS、空間信息技術(shù)、三維地質(zhì)建模技術(shù)以及一定的綜合評(píng)價(jià)模型開(kāi)展地下空間地質(zhì)安全風(fēng)險(xiǎn)定量評(píng)價(jià)研究，近年來(lái)在國(guó)內(nèi)外也均取得了一定成果，并不斷加強(qiáng)相關(guān)研究與實(shí)踐（Hou et al.， 2016；葉菁等，2016；方寅琛等，2017； Dou et al.，2021， 2022；薛濤等，2021；奚悅等，2022）。

考慮到地下空間地質(zhì)安全評(píng)價(jià)研究的復(fù)雜性以及涉及領(lǐng)域的廣泛性，本文針對(duì)其中涉及的關(guān)鍵方法技術(shù)進(jìn)行介紹。

2.1 三維地質(zhì)建模

城市地下三維地質(zhì)模型不僅作為地下復(fù)雜地層結(jié)構(gòu)的客觀反映，也是本文進(jìn)行后續(xù)三維評(píng)價(jià)指標(biāo)體系構(gòu)建、三維空間分析和定量綜合評(píng)價(jià)等環(huán)節(jié)的重要載體。因此，可動(dòng)態(tài)更新的高精度城市地下三維地質(zhì)模型是進(jìn)行有效地下空間地質(zhì)安全風(fēng)險(xiǎn)三維定量評(píng)價(jià)的前提條件。而高精度的三維地質(zhì)模型的構(gòu)建離不開(kāi)合理的建模方法，現(xiàn)階段眾多三維地質(zhì)建模方法可大致分為基于輪廓線的顯式三維地質(zhì)建模方法以及近年來(lái)發(fā)展成熟的基于插值等勢(shì)面的隱式三維地質(zhì)建模方法。

基于輪廓線的顯式三維地質(zhì)建模方法在城市三維地質(zhì)建模早期占據(jù)主導(dǎo)地位，涌現(xiàn)了如Surpac、Micromine、3Dmine、Datamine等優(yōu)秀的顯式三維地質(zhì)建模商業(yè)軟件，并發(fā)展了多種針對(duì)不同數(shù)據(jù)源的顯式地質(zhì)建模方法。然而，這類方法一方面在地下多元數(shù)據(jù)融合方面均較為有限，很難將不同方向、不同類型、不同范圍的多元數(shù)據(jù)同時(shí)用于地下復(fù)雜結(jié)構(gòu)模型構(gòu)建。另一方面，當(dāng)建模完成后需要加入新的鉆孔或地質(zhì)（解譯）剖面數(shù)據(jù)時(shí)，即便是針對(duì)較小范圍的地質(zhì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行更新，顯式地質(zhì)建模過(guò)程都需要針對(duì)整個(gè)或部分區(qū)域重新進(jìn)行，大量重復(fù)性人機(jī)交互操作費(fèi)時(shí)費(fèi)力，嚴(yán)重影響了地質(zhì)建模的實(shí)際應(yīng)用效率。

近年來(lái)，一種可以將觀測(cè)數(shù)據(jù)和地質(zhì)知識(shí)結(jié)合在一起，采用“隱式”途徑建模的方法得到了長(zhǎng)足的發(fā)展。由于該方法通過(guò)一個(gè)隱式函數(shù)的等值面建立地質(zhì)界面，即在三維標(biāo)量場(chǎng)中以地質(zhì)年代序列作為基礎(chǔ)，以地質(zhì)、地球物理推斷界線和產(chǎn)狀作為幾何約束追蹤網(wǎng)格或四面體網(wǎng)格獲得的一系列等值面代表地質(zhì)界面，所以稱之為隱式界面建模方法（Hillier et al.， 2014）。經(jīng)過(guò)十余年的發(fā)展，隱式三維地質(zhì)建模相關(guān)方法逐步發(fā)展成熟，目前已能夠較好地滿足數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)更新、多元數(shù)據(jù)融合等需求，也能夠在少量地質(zhì)觀測(cè)數(shù)據(jù)約束下對(duì)三維地質(zhì)模型進(jìn)行構(gòu)建，并且建模結(jié)果合理準(zhǔn)確，因此越來(lái)越受到地質(zhì)工作者的關(guān)注（Vollgger et al.， 2013）。

目前，常見(jiàn)的基于地質(zhì)知識(shí)的隱式三維建模軟件有EVS、Geomodeller、GIS3D、Leapfrog等，其中性能最強(qiáng)也最為成熟的軟件是由美國(guó)C Tech公司適用于地球科學(xué)領(lǐng)域的高級(jí)可視化分析工具開(kāi)發(fā)的EVS隱式三維地質(zhì)建模軟件。該軟件可以充分利用多種地質(zhì)觀測(cè)和解譯數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)種類包括鉆孔編錄、數(shù)字高程模型、平面圖、地質(zhì)（解譯）剖面、遙感圖像等。該方法軟件不必拘束于地質(zhì)數(shù)據(jù)的方向、尺度和方位，其內(nèi)含的建模方法能夠融合大量多尺度、多元地質(zhì)信息進(jìn)行三維地質(zhì)建模，也能夠在少量地質(zhì)觀測(cè)數(shù)據(jù)約束下對(duì)三維地質(zhì)模型進(jìn)行構(gòu)建。其主要流程包括構(gòu)建地層層序、鉆孔數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化、創(chuàng)建三維地層模型、創(chuàng)建三維屬性模型等，建立的模型能夠真實(shí)反映了地質(zhì)構(gòu)造形態(tài)、構(gòu)造關(guān)系及地質(zhì)體內(nèi)部屬性變化規(guī)律，對(duì)于尖滅、透鏡體、斷層及溶洞具有很好的處理能力。EVS三維地質(zhì)建模軟件目前已被廣泛應(yīng)用于地下空間及其相關(guān)領(lǐng)域（楊云峰，2020；周念清等，2020；劉順昌等，2021；蘇學(xué)斌等，2021）。將該軟件的相關(guān)地質(zhì)建模功能應(yīng)用于針對(duì)城市地下空間復(fù)雜地質(zhì)安全風(fēng)險(xiǎn)開(kāi)展三維地質(zhì)建模工作，具有十分良好的發(fā)展前景。

2.2 三維評(píng)價(jià)指標(biāo)體系構(gòu)建

相比傳統(tǒng)的二維評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，在三維地質(zhì)模型融入評(píng)價(jià)過(guò)程的支持下，三維評(píng)價(jià)指標(biāo)體系最顯著的特點(diǎn)是可以考慮更多的評(píng)價(jià)指標(biāo)來(lái)更好地描述地下空間復(fù)雜的地質(zhì)安全風(fēng)險(xiǎn)，充分反映地下空間中復(fù)雜地質(zhì)安全風(fēng)險(xiǎn)的三維空間結(jié)構(gòu)特征和屬性特征，如地質(zhì)體的空間結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、軟硬差異界面特征、上下伏土體的工程地質(zhì)特征等，也進(jìn)一步豐富地下空間地質(zhì)安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)結(jié)果的內(nèi)涵。地下空間地質(zhì)安全風(fēng)險(xiǎn)三維評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的一般流程包括：

三維評(píng)價(jià)指標(biāo)識(shí)別與機(jī)理分析：首先明確地下空間地質(zhì)安全風(fēng)險(xiǎn)所評(píng)價(jià)的內(nèi)容與目標(biāo)。不同的評(píng)價(jià)內(nèi)容和評(píng)價(jià)目標(biāo)，其構(gòu)建的評(píng)價(jià)指標(biāo)具有一定的差異。基于此，需要對(duì)評(píng)價(jià)對(duì)象進(jìn)一步開(kāi)展深入系統(tǒng)地綜合分析和挖掘，梳理其特點(diǎn)、關(guān)鍵問(wèn)題、影響因素的作用機(jī)理及其彼此之間的聯(lián)系等。然后在大量搜集和整理國(guó)內(nèi)外相關(guān)的評(píng)價(jià)指標(biāo)基礎(chǔ)上，基于三維視角從共性和特殊性的角度對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)一步歸納總結(jié)，按其內(nèi)在因果、隸屬等邏輯關(guān)系進(jìn)行目標(biāo)分解，并對(duì)分解產(chǎn)生的各層次目標(biāo)確定相應(yīng)的評(píng)價(jià)指標(biāo)，建立多層次多方面的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。

三維評(píng)價(jià)指標(biāo)初選：根據(jù)已歸納的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系和評(píng)價(jià)指標(biāo)構(gòu)建原則，利用三維地質(zhì)模型初步分析評(píng)價(jià)區(qū)內(nèi)地下地質(zhì)情況并對(duì)地下空間開(kāi)發(fā)關(guān)鍵地質(zhì)層組進(jìn)行有效識(shí)別，同時(shí)結(jié)合研究區(qū)實(shí)際背景特點(diǎn)并綜合專家的經(jīng)驗(yàn)與知識(shí)，初步構(gòu)建符合研究區(qū)實(shí)際特點(diǎn)的三維評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。

劉彬告訴記者：“農(nóng)民種地就是要種好地。我們相信，通過(guò)農(nóng)拓者作物一站式全程解決方案的幫助下，和保姆式服務(wù)的服務(wù)下，我們不僅能幫助農(nóng)民實(shí)現(xiàn)優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)的夢(mèng)，同時(shí)在五到七年的時(shí)間，做大做好屬于農(nóng)拓者的農(nóng)產(chǎn)品品牌?！倍覀円蚕嘈牛谌a(chǎn)業(yè)鏈模式的引領(lǐng)和帶動(dòng)下，新疆辣椒（色素）產(chǎn)業(yè)的發(fā)展也將紅遍新疆的每一寸土地！

三維評(píng)價(jià)指標(biāo)體系篩選與優(yōu)化：采用數(shù)理統(tǒng)計(jì)、數(shù)據(jù)挖掘等方法對(duì)已初選的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系進(jìn)一步篩選，并綜合運(yùn)用剔除、合并、替換等方式進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，對(duì)三維評(píng)價(jià)指標(biāo)體系進(jìn)一步修改完善。

三維評(píng)價(jià)指標(biāo)量化分級(jí)：針對(duì)地質(zhì)要素三維空間分布特征及其對(duì)地下空間開(kāi)發(fā)利用的影響，結(jié)合現(xiàn)有相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)和實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)，并參考周邊城市地下空間相關(guān)研究成果進(jìn)行定性或定量三維評(píng)價(jià)指標(biāo)的分類量化。

2.3 三維空間分析

空間分析是從空間數(shù)據(jù)中獲取有關(guān)地學(xué)對(duì)象的空間位置、分布、形態(tài)、形成和演變等信息的分析技術(shù)，其主要基于空間數(shù)據(jù)和空間模型的聯(lián)合分析來(lái)分離挖掘空間目標(biāo)的潛在信息。在地下空間地質(zhì)安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)研究中，以往傳統(tǒng)的空間分析方法主要針對(duì)于二維空間，主要采用平面柵格或矢量數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)開(kāi)展相關(guān)分析計(jì)算。由于運(yùn)用較早，其在方法技術(shù)上也較為成熟。這些方法主要包括疊加分析方法（Makana et al.，2016）、地形分析方法（劉家男等，2021）、插值分析方法（蔣杰等，2021；李鵬岳等，2021）等。而針對(duì)三維環(huán)境下的空間分析方法則有較大不同，其在數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)上主要采用規(guī)則六面體的三維柵格數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)開(kāi)展評(píng)價(jià)信息的定量提取，空間分析方法也較為簡(jiǎn)單，目前主要包括針對(duì)土工試驗(yàn)、地下水監(jiān)測(cè)等離散點(diǎn)數(shù)據(jù)的三維空間插值方法（薛濤等，2021）、用于描述評(píng)價(jià)指標(biāo)要素影響范圍及程度的三維距離場(chǎng)分析方法（葉菁等，2016；Hou et al.， 2016）以及用于地下空間潛在資源量計(jì)算的三維布爾運(yùn)算分析方法（方寅琛等，2017）等。

三維空間分析作為充分融合、分析和挖掘三維地質(zhì)模型等多元數(shù)據(jù)內(nèi)蘊(yùn)信息的重要手段，為地下空間地質(zhì)安全風(fēng)險(xiǎn)三維定量評(píng)價(jià)提供了更多的評(píng)價(jià)信息支撐（Dou et al.， 2021）。從三維的角度定量描述城市地下空間開(kāi)發(fā)與地質(zhì)安全風(fēng)險(xiǎn)的相互制約關(guān)系，將直接決定著地下空間地質(zhì)安全風(fēng)險(xiǎn)三維定量評(píng)價(jià)工作的成敗。

三維空間統(tǒng)計(jì)分析可以深入了解地下關(guān)鍵地質(zhì)要素屬性特征的變化規(guī)律和復(fù)雜程度（竇帆帆等，2021）。本文的三維空間統(tǒng)計(jì)方法包含有三維地質(zhì)體深度分析、三維地質(zhì)體厚度分析以及三維地質(zhì)體復(fù)雜度分析法等。主要涉及用來(lái)針對(duì)垂向深度方向上地質(zhì)層組單要素評(píng)價(jià)復(fù)雜度、下臥軟土（硬土）層厚度、含水層厚度等的空間統(tǒng)計(jì)計(jì)算。

三維地質(zhì)體表面分析主要用于定量分析三維地質(zhì)體表面形態(tài)，獲取三維地質(zhì)體表面特征的基本形態(tài)及參數(shù)。主要包括三維坡度分析、三維起伏度分析、差異地質(zhì)界面分析等。

針對(duì)距離影響特征的不同，三維空間距離分析可分為三維距離場(chǎng)分析和三維拓展分析兩種。三維距離場(chǎng)分析是定量化地獲取目標(biāo)對(duì)象對(duì)周邊環(huán)境影響范圍和程度的重要分析手段。在實(shí)際的地下空間開(kāi)發(fā)利用中，活動(dòng)斷裂、含水層、不良地質(zhì)體等評(píng)價(jià)指標(biāo)在一定距離影響范圍內(nèi)往往制約著地下空間開(kāi)發(fā)的難度和規(guī)模。對(duì)于某些評(píng)價(jià)指標(biāo)要素，運(yùn)用三維距離場(chǎng)分析并不能很好地描述其影響范圍或特征，例如地形坡度對(duì)于一定垂向深度范圍內(nèi)的地下空間開(kāi)發(fā)產(chǎn)生的影響描述。因此需采用一種能夠刻畫和度量上述距離影響特征的方法。針對(duì)上述情況，本文采用三維拓展分析方法將特征塊體單元的數(shù)值在三維空間中按照一定規(guī)則賦予其他塊體單元。

三維空間插值方法主要基于三維離散點(diǎn)數(shù)據(jù)，通過(guò)對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)的空間結(jié)構(gòu)和分布規(guī)律進(jìn)行相應(yīng)分析，以已知數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)實(shí)現(xiàn)對(duì)未知位置屬性的預(yù)測(cè)。地下空間空間插值屬性數(shù)據(jù)的主要來(lái)源有土工試驗(yàn)以及地下監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)等。

結(jié)合前人研究成果及上文的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系和三維空間分析方法，本文系統(tǒng)建立了城市地下空間地質(zhì)安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)及方法，如下表3所示。

表3 城市地下空間地質(zhì)安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)及方法Table 3 Indicators and methods for geological safety risk evaluation for UUS

2.4 綜合評(píng)價(jià)模型

綜合評(píng)價(jià)模型是指通過(guò)將多個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)值“合成”為一個(gè)整體性的綜合評(píng)價(jià)值的數(shù)學(xué)模型或算法，由評(píng)價(jià)指標(biāo)賦權(quán)模型和評(píng)價(jià)數(shù)學(xué)模型兩部分組成。由于不同城市地區(qū)在評(píng)價(jià)環(huán)境上存在一定差異，各種綜合評(píng)價(jià)模型的特點(diǎn)及適用情況也各不相同，因此進(jìn)行評(píng)價(jià)時(shí)尚未有固定搭配的評(píng)價(jià)指標(biāo)賦權(quán)模型和評(píng)價(jià)數(shù)學(xué)模型，具體綜合評(píng)價(jià)模型的選擇應(yīng)根據(jù)評(píng)價(jià)目標(biāo)、指標(biāo)特性及研究區(qū)實(shí)際背景特點(diǎn)等方面靈活選取。

2.4.1 評(píng)價(jià)指標(biāo)賦權(quán)模型

在地下空間地質(zhì)安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)中，評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重是對(duì)各評(píng)價(jià)指標(biāo)間相對(duì)重要程度的一種衡量，直接影響著評(píng)價(jià)結(jié)果的準(zhǔn)確程度。如何更好地確定指標(biāo)權(quán)重一直是國(guó)內(nèi)外相關(guān)學(xué)者研究的熱點(diǎn)。現(xiàn)階段國(guó)內(nèi)外以層次分析法、專家打分法（德?tīng)柗品ǎ┘捌浣Y(jié)合為代表的主觀賦權(quán)方法在指標(biāo)賦權(quán)方法上占據(jù)大多數(shù)，比例高達(dá)83%，例如，江思義等（2019）結(jié)合專家打分與層次分析法對(duì)影響桂林市地下空間開(kāi)發(fā)利用適宜性的地質(zhì)安全風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)進(jìn)行權(quán)重的計(jì)算。同時(shí)，一些學(xué)者采用傳統(tǒng)熵權(quán)法、粗糙集法等客觀賦權(quán)方法對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重進(jìn)行了分析計(jì)算，例如，黃靜莉和王清（2015）根據(jù)粗糙集理論對(duì)長(zhǎng)春市地下空間巖土體屬性進(jìn)行了重要性評(píng)估并獲得了相應(yīng)權(quán)重。此外，隨著研究的不斷深入，簡(jiǎn)單的組合賦權(quán)方法（馬邦闖等，2020）和變權(quán)賦權(quán)方法（何陽(yáng)等，2021）也開(kāi)始出現(xiàn)在地下空間地質(zhì)安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)賦權(quán)實(shí)踐中，地下空間地質(zhì)安全風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)賦權(quán)方法體系已逐漸形成了多種類的指標(biāo)賦權(quán)方法。

2.4.2 評(píng)價(jià)數(shù)學(xué)模型

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外眾多專家學(xué)者圍繞地下空間地質(zhì)安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)數(shù)學(xué)模型開(kāi)展了富有成效的研究。綜合指數(shù)法、模糊綜合評(píng)判法、灰色關(guān)聯(lián)分析法以及可拓法等諸多模型已相繼應(yīng)用于多個(gè)城市或地區(qū)的地下空間地質(zhì)安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)，其中綜合指數(shù)法與模糊綜合評(píng)價(jià)法比例最高。上述兩種模型由于其模型較為簡(jiǎn)單、計(jì)算便捷，因此在國(guó)內(nèi)外得到廣泛應(yīng)用。例如，眾多專家學(xué)者基于綜合指數(shù)疊加方法，分別開(kāi)展了蘇州、成都、西安、廣州、濟(jì)南、三亞、銀川、昆明、伯明翰等城市地下空間地質(zhì)安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)；基于模糊綜合評(píng)判法分別評(píng)價(jià)了北京、武漢、南京、合肥、長(zhǎng)沙、溫州、寧波、南寧等城市地下空間地質(zhì)安全風(fēng)險(xiǎn)質(zhì)量。此外，胡寧（2012）運(yùn)用可拓法評(píng)價(jià)鄭州市地下空間開(kāi)發(fā)利用的適宜性并提出了相應(yīng)合理對(duì)策；葉菁等（2016）結(jié)合可變模糊集方法，對(duì)佛山市東平新城進(jìn)行地下空間資源質(zhì)量評(píng)價(jià)，有效降低了評(píng)價(jià)等級(jí)人為劃分的不確定影響。蔣杰等（2021）采用灰色關(guān)聯(lián)分析法對(duì)南昌市地下空間開(kāi)發(fā)的地質(zhì)適宜性開(kāi)展了評(píng)價(jià)研究，為其地下空間規(guī)劃的編制提供了相應(yīng)的技術(shù)支撐。

3 案例研究

3.1 研究區(qū)概況

南京江北新區(qū)研究區(qū)位于長(zhǎng)江西北側(cè)，總面積200 km2。地勢(shì)向西北逐漸升高。第四系松體分布廣、層厚大，呈內(nèi)疊式、交錯(cuò)式或超覆式沉積，發(fā)育2～3個(gè)沉積旋回。可劃分15個(gè)工程地質(zhì)層。區(qū)內(nèi)特殊土體主要為易液化砂土、軟土、富水砂礫石層。

區(qū)內(nèi)淤泥多呈流動(dòng)-流塑狀態(tài)，不能承受較大的荷載，具有低強(qiáng)度、高含水率、高壓縮性等不良工程特性。土層厚度大、分布廣，和砂土構(gòu)成極不利的工程地質(zhì)剖面結(jié)構(gòu)。透水砂土則以松散為主，富含地下水，易液化，是主要含水層，透水性較好?；娱_(kāi)挖排水改變地下水流場(chǎng)時(shí)，飽和松散粉細(xì)砂易于產(chǎn)生流砂、管涌現(xiàn)象，誘發(fā)地面沉陷。同時(shí)，卵礫石層富水性高，卵石粒徑5～20 cm，成分以石英為主，未盾構(gòu)掘進(jìn)的不良地層。

南京江北新區(qū)作為南京市內(nèi)重點(diǎn)開(kāi)發(fā)與規(guī)劃建設(shè)區(qū)域，未來(lái)發(fā)展?jié)摿薮?，因此研究區(qū)的地下空間開(kāi)發(fā)利用將會(huì)進(jìn)一步滿足未來(lái)城市發(fā)展需要。然而，研究區(qū)地質(zhì)結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，地下空間開(kāi)發(fā)利用受到地質(zhì)條件優(yōu)劣的制約，易液化砂土、軟土、富水砂礫石層等不僅給地下工程建設(shè)帶來(lái)許多難題且容易產(chǎn)生災(zāi)害性的環(huán)境巖土工程問(wèn)題。

對(duì)于地下空間開(kāi)發(fā)主要的潛在風(fēng)險(xiǎn)為：

① 軟土導(dǎo)致的基坑變形風(fēng)險(xiǎn)；

② 施工降水導(dǎo)致的地面沉降風(fēng)險(xiǎn)；

③ 粉土層基坑流砂管涌風(fēng)險(xiǎn)；

④ 富水砂卵石層隧道掘進(jìn)卡刃風(fēng)險(xiǎn)；

⑤ 粉土層管線滲漏導(dǎo)致的地面塌陷風(fēng)險(xiǎn)。

3.2 三維地質(zhì)模型構(gòu)建

結(jié)合EVS三維地質(zhì)建模軟件建模流程，以研究區(qū)內(nèi)工民建、地質(zhì)調(diào)查等鉆孔資料、平剖面地質(zhì)圖件等多元地學(xué)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，完成區(qū)內(nèi)高精度三維地質(zhì)結(jié)構(gòu)模型構(gòu)建（圖1，縱向放大比例為20倍）。

圖1 研究區(qū)地層結(jié)構(gòu)模型Fig.1 3D stratum model of the study area

3.3 地下空間地質(zhì)安全風(fēng)險(xiǎn)要素表征

針對(duì)江北新區(qū)實(shí)際地質(zhì)背景，研究構(gòu)建了區(qū)內(nèi)地下空間地質(zhì)安全風(fēng)險(xiǎn)三維評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，并采用自主開(kāi)發(fā)的城市地下空間地質(zhì)安全風(fēng)險(xiǎn)三維評(píng)價(jià)軟件（竇帆帆等，2021）中的多項(xiàng)空間數(shù)據(jù)分析方法對(duì)三維評(píng)價(jià)要素進(jìn)行了提取。圖2為采用三維表面分析方法計(jì)算的區(qū)內(nèi)軟土層標(biāo)高。圖3為采用三維距離場(chǎng)分析方法計(jì)算的軟土層影響范圍。

圖2 研究區(qū)內(nèi)軟土層標(biāo)高Fig.2 Elevation of soft soil layers in the study area

圖3 研究區(qū)軟土層影響范圍三維距離場(chǎng)Fig.3 3D distance of soft soil layers in the study area

3.4 地下空間地質(zhì)安全風(fēng)險(xiǎn)三維評(píng)價(jià)

基于提取得到的三維地質(zhì)安全風(fēng)險(xiǎn)要素表征信息，研究利用層次分析法和多級(jí)指數(shù)疊加法及不同空間算法對(duì)多元地學(xué)數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，針對(duì)不同評(píng)價(jià)對(duì)象定量計(jì)算了區(qū)內(nèi)三維地質(zhì)安全風(fēng)險(xiǎn)程度，并依此對(duì)其進(jìn)一步分析。

（1）承災(zāi)體為工程基坑的地質(zhì)安全風(fēng)險(xiǎn)三維評(píng)價(jià)

基于現(xiàn)有地下空間開(kāi)發(fā)的建筑及深度數(shù)據(jù)進(jìn)行三維拓展分析，得到江北新區(qū)地下空間開(kāi)發(fā)密度評(píng)價(jià)結(jié)果（圖4）。

圖4 研究區(qū)地下空間開(kāi)發(fā)密度三維評(píng)價(jià)結(jié)果Fig.4 3D evaluation results of UUS development density of the study area

綜合地下空間開(kāi)發(fā)密度與不良體質(zhì)體對(duì)于基坑的影響機(jī)制，通過(guò)屬性模型節(jié)點(diǎn)運(yùn)算計(jì)算出基坑地下空間開(kāi)發(fā)地質(zhì)安全風(fēng)險(xiǎn)結(jié)果（圖5）.

圖5 研究區(qū)內(nèi)基坑地下空間開(kāi)發(fā)地質(zhì)安全風(fēng)險(xiǎn)三維評(píng)價(jià)結(jié)果Fig.5 3D geological safety risk evaluation result for foundation pit UUS development of the study area

（2）承災(zāi)體位為隧道的地質(zhì)安全風(fēng)險(xiǎn)三維評(píng)價(jià)

綜合地下空間開(kāi)發(fā)密度與不良體質(zhì)體對(duì)于隧道的影響機(jī)制，通過(guò)屬性節(jié)點(diǎn)運(yùn)算可計(jì)算出隧道地下空間開(kāi)發(fā)地質(zhì)安全風(fēng)險(xiǎn)結(jié)果（圖6）。

圖6 研究區(qū)隧道工程地質(zhì)安全風(fēng)險(xiǎn)三維評(píng)價(jià)結(jié)果Fig.6 3D geological safety risk evaluation result for tunnel engineering geology of the study area

在模型評(píng)價(jià)結(jié)果的基礎(chǔ)上，可以通過(guò)模擬隧道選線，疊加地質(zhì)結(jié)構(gòu)模型，對(duì)于潛在的地鐵線路進(jìn)行推演評(píng)價(jià)（圖7）。

圖7 布爾運(yùn)算所得到的模擬隧道選線風(fēng)險(xiǎn)性三維評(píng)價(jià)結(jié)果Fig.7 3D riskiness of simulated tunnel routing obtained by Boolean operation method

上述結(jié)果充分顯示本文歸納的地下空間地質(zhì)安全風(fēng)險(xiǎn)三維評(píng)價(jià)方法流程能夠較好地應(yīng)用于地下空間地質(zhì)安全風(fēng)險(xiǎn)三維定量評(píng)價(jià)工作。本文獲得的評(píng)價(jià)結(jié)果具有三維屬性，可以方便獲取任意空間位置和區(qū)間的地質(zhì)安全風(fēng)險(xiǎn)綜合評(píng)價(jià)結(jié)果，更好地查看和分析地下空間內(nèi)部的地質(zhì)適宜性變化特征，并且通過(guò)三維空間分析功能更易于各指標(biāo)要素的三維評(píng)價(jià)信息的挖掘。因此相對(duì)傳統(tǒng)平面二維評(píng)價(jià)結(jié)果具有更好的精度和實(shí)用性，表現(xiàn)也更加直觀，適合城市地下空間的立體規(guī)劃和評(píng)價(jià)，能有效地為地下空間規(guī)劃提供詳細(xì)的評(píng)價(jià)結(jié)果和依據(jù)，節(jié)省開(kāi)發(fā)成本以及降低開(kāi)發(fā)風(fēng)險(xiǎn)。

4 結(jié)論

針對(duì)城市地下空間地質(zhì)安全風(fēng)險(xiǎn)三維評(píng)價(jià)的實(shí)際需要，本文通過(guò)融合多種定量化的三維方法技術(shù)，建立了一套較為完善的城市地下空間地質(zhì)安全三維評(píng)價(jià)方法及流程，并以南京江北新區(qū)作為實(shí)例開(kāi)展了地下空間地質(zhì)安全風(fēng)險(xiǎn)三維評(píng)價(jià)的研究工作，取得了如下幾點(diǎn)主要結(jié)論：

（1）本文基于地質(zhì)數(shù)據(jù)具有的三維屬性，從三維視角建立了城市地下空間地質(zhì)安全風(fēng)險(xiǎn)三維評(píng)價(jià)方法體系，為相應(yīng)城市地區(qū)開(kāi)展地下空間地質(zhì)安全風(fēng)險(xiǎn)三維評(píng)價(jià)提供方法流程。

（2）本文以南京江北新區(qū)為研究實(shí)例，基于所建立的三維評(píng)價(jià)方法體系，完成了區(qū)內(nèi)地下空間地質(zhì)安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)結(jié)果的計(jì)算。實(shí)例評(píng)價(jià)結(jié)果顯示其能夠有效指導(dǎo)三維空間統(tǒng)籌地下基礎(chǔ)設(shè)施的布局，提升地下基礎(chǔ)設(shè)施對(duì)地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)的防御能力。

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