基于三維地質(zhì)模型的西咸新區(qū)地下空間開發(fā)適宜性評價

李 林，曾 磊，董 英，張 戈，朱立峰

（1.中國地質(zhì)調(diào)查局西安地質(zhì)調(diào)查中心，陜西西安 710119；2.自然資源部黃土地質(zhì)災害重點實驗室，陜西西安 710119）

隨著城市化進程的加快，土地資源短缺、能源消耗、交通擁堵、安全防災等令人擔憂的問題已成為城市可持續(xù)發(fā)展的瓶頸，而地下空間資源是人類寶貴的資源，是實施城市立體化開發(fā)，實現(xiàn)城市集約化發(fā)展的重要保障（Li et al.，2012；林良俊等，2017；彭建兵等，2019；葛偉亞等，2021）。近年來，國內(nèi)外學者利用GIS軟件開展了大量的城市地下空間適宜性評價工作（方寅琛等，2017；郝愛兵等，2018；張茂省等，2018；韓博等，2023）。這些研究多數(shù)將地下空間在垂向上根據(jù)深度劃分為不同的層次，每層再以二維平面方式，利用GIS平面分析功能分別計算地下空間適宜性。這種方法沒有考慮地下空間復雜的垂向變化，因而無法滿足越來越精確的地下空間規(guī)劃要求。

三維地質(zhì)模型包括三維空間上精細的力學性質(zhì)參數(shù)及地球物理參數(shù)，利用地質(zhì)建模軟件的三維空間分析功能，將地質(zhì)信息與工程信息結(jié)合起來，從三維空間中提取各種評價要素，可以充分結(jié)合地質(zhì)條件、工程技術條件以及地下空間開發(fā)現(xiàn)狀等各方面因素，對任意深度范圍內(nèi)的地下空間開發(fā)適宜性進行評價，能夠改變以往常規(guī)的地下空間評價模式（譚飛等，2021；孟天宇等，2022；牛學瑤等，2023）。與傳統(tǒng)評價方法相比，三維評價可以更好地描述地下空間資源在不同深度的空間差異，同時評估過程與結(jié)果的立體透明表達也是城市地上地下整體規(guī)劃、地下空間設計建造的重要手段，能夠定性、定量地為地下空間開發(fā)利用提供輔助決策（呂敦玉等，2015；董英等，2020）。

為探討地下空間開發(fā)利用適宜性的三維評價方法，本次研究選取工程地質(zhì)問題較為集中的西咸新區(qū)灃東與灃西新城為典型示范區(qū)（圖1）。針對地下空間三維規(guī)劃的需求，結(jié)合研究區(qū)地質(zhì)地貌背景、工程地質(zhì)特征、水文地質(zhì)條件、不良地質(zhì)作用以及地下空間開發(fā)現(xiàn)狀等特點，建立地下空間開發(fā)地質(zhì)適宜性評價因子體系；以城市地質(zhì)多要素探測成果為基礎，構(gòu)建研究區(qū)三維地質(zhì)模型，利用精細化剖分的評估單元為載體，綜合使用多種三維空間分析方法從模型中定量或定性提取各項指標，并運用層次分析法開展了西咸新區(qū)地下空間開發(fā)適宜性評價。該研究可為西咸新區(qū)地下空間開發(fā)利用與規(guī)劃建設提供支撐，推動西咸新區(qū)地下空間資源科學合理、有序開發(fā)，以達到資源保護優(yōu)先、協(xié)同開發(fā)的開發(fā)利用格局。

圖1 西咸新區(qū)地質(zhì)地貌圖Fig.1 Geological geomorphological map of Xixian New Area

1 研究區(qū)地質(zhì)環(huán)境背景

西咸新區(qū)位于陜西省西安市和咸陽市建成區(qū)之間，規(guī)劃控制面積882 km2（圖1），是關（中）天（水）經(jīng)濟區(qū)的核心區(qū)域。該區(qū)自然生態(tài)環(huán)境較好，經(jīng)濟基礎良好，歷史文化底蘊深厚，區(qū)位優(yōu)勢十分明顯，具備加快發(fā)展的條件和實力。作為首個以創(chuàng)新城市發(fā)展方式為主題的國家級新區(qū)，在起步階段做好地下空間資源開發(fā)利用規(guī)劃，建成和諧有序的現(xiàn)代立體城市，實現(xiàn)土地高效利用，是實現(xiàn)創(chuàng)新城市發(fā)展方式功能定位的重要路徑。

研究區(qū)位于渭河斷陷盆地中部，夾持于秦嶺褶皺系及鄂爾多斯地塊之間，地形簡單完整、平坦， 地勢相對平緩，地貌類型簡單，分為平原、黃土臺塬兩大地貌類型。南北兩側(cè)均受活動斷裂控制。區(qū)內(nèi)有渭河斷裂、涇河斷裂、灃河斷裂和皂河斷裂，均為中晚更新世隱伏活動斷裂，多埋深于40～70 m處。區(qū)內(nèi)第四系分布廣泛，主要成因類型有沖積、洪積、風積、湖積及其過渡類型。巖性則以砂礫、卵石、砂、亞砂土、亞黏土、黃土等為主，厚度變化較大，數(shù)十至數(shù)百米不等。

區(qū)內(nèi)主要開發(fā)利用的含水層是第四系砂、砂卵礫石層，受沉積環(huán)境影響，在不同地貌部位含水層所屬地層時代、巖性、厚度、結(jié)構(gòu)及含水層特征等變化較大。渭河沖洪積平原含水層分布廣泛而連續(xù)，地下水補給條件好，水量較為豐富，其中以渭河漫灘、一、二級階地含水層厚、顆粒粗，富水性強，而黃土臺塬和渭河高階地富水性相對較差，單井涌水量較少。

研究區(qū)內(nèi)有渭河、涇河及灃河經(jīng)過，三條河流在漫長的地質(zhì)歷史時期形成了寬廣的漫灘與階地。漫灘與階地下覆厚層飽和砂土，在強震作用下砂土層有著極強的潛在液化趨勢，會對該地區(qū)各類工程設施安全運營與使用造成嚴重危害。同時，渭河一、二級階地分布有大厚度的濕陷性黃土，會對結(jié)構(gòu)物帶來不同程度的危害，使結(jié)構(gòu)物大幅度沉降、開裂、傾斜，甚至嚴重影響其安全和使用。

另外研究區(qū)范圍內(nèi)具有豐富的歷史文化遺產(chǎn)和人文資源，地上和地下有大量文物古跡，且有不同年代的區(qū)域重疊現(xiàn)象。從文物保護的要求出發(fā)，地下空間利用的工程開挖難度較大，城市地下空間的開發(fā)利用與歷史文物保護的矛盾十分尖銳。

2 三維空間評價指標體系構(gòu)建

2.1 評價指標體系

地下空間的開發(fā)受到多種地質(zhì)環(huán)境因素的制約，科學合理的評價體系是適宜性評價的重要條件。不同地區(qū)各種因素的評價指標、影響程度也不盡相同，因此，在進行地下空間資源開發(fā)利用地質(zhì)適宜性評價時，需要結(jié)合研究區(qū)具體條件，因地制宜地選取評價指標，科學合理地確定指標量化值（黃強兵等，2019；邢懷學等，2022）。

對區(qū)域地質(zhì)環(huán)境條件進行綜合分析，結(jié)合西咸新區(qū)實際地下工程建設經(jīng)驗，篩選出對地下空間開發(fā)有顯著影響的評價因子，并將其歸納為地形地貌背景、水文地質(zhì)條件、工程地質(zhì)特征、不良地質(zhì)作用以及開發(fā)利用現(xiàn)狀等五類（李惠等，2020；閆金凱等，2021；趙銀鑫等，2022；張曉波等，2023）。最終以城市地下空間開發(fā)適宜性評價為目標層；以地質(zhì)地貌背景、工程地質(zhì)特征、水文地質(zhì)條件、不良地質(zhì)作用和開發(fā)利用現(xiàn)狀為準則層；以地貌類型、地震區(qū)劃、河湖濕地、地下水富水性、腐蝕性、巖土體類型、土體強度指數(shù)、活動斷裂、砂土液化、黃土濕陷、地面設施、文物保護區(qū)、地下構(gòu)筑物為指標層，構(gòu)建地下空間開發(fā)地質(zhì)適宜性三維評價指標體系（圖2）。

圖2 評價指標體系圖Fig.2 The evaluation index system of geological suitability

2.2 三維地質(zhì)建模

針對地下空間三維規(guī)劃建設需求，建立多要素三維地質(zhì)模型，在三維空間準確定位地質(zhì)要素的分布及范圍，從三維空間中進行按照任意深度提取地質(zhì)條件因素，可以更好地描述地下空間資源在不同深度的空間差異（李青元等，2016；薛濤等，2021；趙思成等，2022）。

首先在城市已開展的地下空間現(xiàn)狀普查工作基礎上，采用收集資料、實地調(diào)查的方法，查明城市地形地貌、地表水體、地面建筑、重要基礎設施、生態(tài)保護與文物埋藏分布，揭示已有的、在建的及規(guī)劃中的地下構(gòu)筑物現(xiàn)狀分布特征，建立城市地下空間開發(fā)利用現(xiàn)狀檔案，形成實景三維地表景觀模型（圖3a）。

圖3 研究區(qū)多要素三維地質(zhì)模型Fig.3 3D geological models with multiple elements

結(jié)合西咸新區(qū)構(gòu)造特點，綜合運用地質(zhì)調(diào)查、鉆探、物探等多種調(diào)查研究方法，統(tǒng)一地層框架結(jié)構(gòu)與斷裂展布，按照斷裂期次與空間關系劃分為構(gòu)造單元；從鉆孔中提取地層分層信息，從剖面提取地層分界信息，再結(jié)合地質(zhì)專家的先驗知識，分析地層之間的疊覆關系，構(gòu)建研究區(qū)三維地質(zhì)結(jié)構(gòu)模型（李林等，2022）（圖3b、圖3c）。

通過多要素測井技術，提取孔隙度、滲透率、密度等力學參數(shù)和視電阻率、自然伽馬、放射性釷等地球物理參數(shù)，從測井解譯成果中提取巖性數(shù)據(jù)，選擇三維克里金插值方法，建立起研究區(qū)巖性隨機模型（圖3d）。利用測井參數(shù)模擬計算工程地質(zhì)力學參數(shù)、水文地質(zhì)參數(shù)，定位工程建設樁基持力層與軟弱層、地下含水層與隔水層的展布和空間變化特征（李林等，2023），構(gòu)建三維水文地質(zhì)模型（圖3e）和三維工程地質(zhì)屬性模型（圖3f）。

2.3 指標提取與量化

對于指標的提取主要是對定量條件的提取，根據(jù)空間分布在橫向上的影響范圍，以及縱向上下層土體對上層建設影響等，通過三維空間統(tǒng)計、三維插值分析等方法得到評價要素信息，構(gòu)建三維評價數(shù)據(jù)集（表1）。

表1 城市地下空間開發(fā)適宜性評價指標體系Table 1 Evaluation index system of geological suitability for urban underground space development

評價指標的量化取值，應以行業(yè)標準規(guī)范為準，結(jié)合研究區(qū)實際情況，對指標分級賦值，對無法直接量化的指標，采用專家打分法來確定分級。根據(jù)每個評價指標影響程度的大小不同，可將各評價指標劃分為適宜（1.0）、較適宜（0.5）、不適宜（0.0）共3個等級，由此確定了地下空間資源開發(fā)利用的地質(zhì)適宜性評價指標的量化標準（表2）。

表2 評價因子量化分級與權(quán)重Table 2 Quantitative classification and weight of evaluation factors

3 地下空間開發(fā)適宜性評價

3.1 綜合評價

當前，國內(nèi)外學者經(jīng)常采用層次分析法、熵權(quán)法、灰色理論法、模糊綜合評判法等模型進行評價（李鵬岳等，2021a；李鵬岳等，2021b；蔣杰等，2021），其中，層次分析法是應用于地下空間開發(fā)地質(zhì)適宜性評價的最廣泛方法，本文選用層次分析法開展西咸新區(qū)地下空間資源開發(fā)利用地質(zhì)適宜性評價。

各個層次的評價因子對目標層的影響程度不同，表現(xiàn)為權(quán)重不同。采用層次分析法計算各評價指標的權(quán)重，權(quán)重值反映了單項指標對地下空間開發(fā)適宜性影響程度的大小，通過構(gòu)建指標判斷矩陣、計算重要性排序和一致性檢驗，將特征向量歸一化處理后得到各項指標的綜合權(quán)重（表2）。

地下空間開發(fā)適宜性綜合指數(shù)計算公式如下：

式中：H為地下空間開發(fā)適宜性指數(shù)；vkj為第k個準則層中第j個指標的分值；wkj為第k個準則層中第j個指標的權(quán)重；wk為第k個準則層的權(quán)重。

適宜性指數(shù)計算采用單元疊加方式進行，根據(jù)各指標量化分級逐一判斷各單指標等級，并將各指標等級分值與其權(quán)重相乘得到單指標分值，再將各指標分值累加，從而得到綜合適宜性指數(shù)。最終再根據(jù)適宜性評價結(jié)果等級劃分標準（表3），將研究區(qū)評價結(jié)果劃分為適宜、較適宜、不適宜三個等級（胡學祥等，2016）。

表3 地下空間開發(fā)適宜性等級劃分Table 3 Classification of geological suitability for urban underground sapce

當0.7≤S時，為適宜區(qū)。適宜區(qū)指對歷史文物或重要地面工程沒有影響，地質(zhì)環(huán)境條件良好，地下水不發(fā)育，不受不良地質(zhì)作用的影響。當0.3≤S＜0.7時，為較適宜區(qū)。較適宜區(qū)指地質(zhì)環(huán)境條件較好，無明顯軟弱地層、地下水不發(fā)育，在現(xiàn)有經(jīng)濟技術條件下，可通過技術手段處理或控制不良地質(zhì)作用的影響。當S＜0.3時，為不適宜區(qū)。不適宜區(qū)一般位于歷史文物保護區(qū)；或地質(zhì)環(huán)境條件差，有潛在不良地質(zhì)作用，通過技術手段不可控制或很難處理，開發(fā)成本高，經(jīng)濟和社會效益低的區(qū)域。

基于西咸新區(qū)多要素三維地質(zhì)模型，在地質(zhì)結(jié)構(gòu)模型框架下進行網(wǎng)格剖分。根據(jù)研究區(qū)數(shù)據(jù)密度、計算機運行能力等綜合考慮，按照250 m×250 m×1.5 m網(wǎng)格將研究區(qū)精細化剖分，根據(jù)評價指標量化標準對各個指標進行量化賦值，然后逐單元按權(quán)重疊加各指標分值，按適宜性等級劃分標準對分值進行等級劃分，最終得到研究區(qū)三維地下空間開發(fā)利用適宜性評價結(jié)果（圖4）。

圖4 西咸新區(qū)地下空間適宜性三維評價結(jié)果Fig.4 3D evaluation results of geological suitability in Xixian New Area

3.2 評價結(jié)果分析

評價結(jié)果表明：研究區(qū)60 m以淺地下空間開發(fā)利用條件優(yōu)越，地形平坦開闊，地貌類型簡單，各土層物理力學性質(zhì)和承載力總體較好，適宜開發(fā)建設。僅局部地段可能存在活動斷裂影響，河漫灘或低階地區(qū)可能出現(xiàn)砂土液化，引起基坑穩(wěn)定性較差、滲透變形、突（涌）水、地下設施抗浮失效，以及黃土濕陷等不良地質(zhì)問題（王化齊等，2019）。

結(jié)合西安市地下空間開發(fā)利用體系規(guī)劃，將地下0～10 m列為淺層開發(fā)區(qū)，地下10～30 m列為中層開發(fā)區(qū)，地下30～50 m列為深層開發(fā)區(qū)，分別分析地下空間開發(fā)利用的地質(zhì)適宜性（圖5）。

圖5 西咸新區(qū)不同深度地下空間開發(fā)利用適宜性Fig.5 The evaluation results of geological suitability in different depths of underground space in Xixian New Area

淺層（0～10 m）：地下空間不適宜區(qū)主要集中在豐京、鎬京、阿房宮等文物保護區(qū)，昆明池、渭河、灃河漫灘，以及灃河、皂河斷裂兩側(cè)。主要影響因素是文物保護區(qū)、地面水體、活動斷裂等；文物保護是淺層地下空間開發(fā)中首先必須考慮的因素，考慮到其歷史價值、不可移動性以及地下埋藏等特征，在文物保護控制范圍內(nèi)，原則上限制地下空間的開發(fā)。地表水系主要影響水系下方及周邊區(qū)域進行地下工程開挖的安全和施工難度。較適宜區(qū)分布在渭河、灃河一級階地，這些地區(qū)應控制地下水開發(fā)，關注地下水位持續(xù)升高而引發(fā)明水、濕地、地下室浸水、砂土液化、黃土濕陷等環(huán)境地質(zhì)問題；其他區(qū)域均屬于適宜開發(fā)區(qū)，可主要作為倉儲購物、生活娛樂、綜合管廊、停車場等建設空間。

中層（10～30 m）：限制地下空間開發(fā)的主要因素為城市建成區(qū)既有設施及地下構(gòu)筑物，以及灃河、皂河斷裂。高密度建筑區(qū)域，已有地鐵、地下洞室、樁基、人防工程等限制了地下空間開發(fā)利用，采取工程措施進行規(guī)避。較適宜區(qū)分布在灃河、渭河河漫灘及一級階地前緣，這些地區(qū)含水砂層厚度偏大，注意砂土液化、地下空間抗浮失效等環(huán)境地質(zhì)問題，地下空間開發(fā)時應重視底板突水風險，宜作為地下軌道交通、高壓變電站、水處理中心等建設空間。

深層（30～60 m）：地下空間不適宜區(qū)主要受灃河和皂河斷裂影響，注意適當?shù)谋茏尵嚯x即可，進行地下空間開發(fā)應盡量垂直于斷裂帶走向，并采取必要的工程抗震措施。較適宜區(qū)位于研究區(qū)東北部渭河漫灘，主要受地下含水砂層影響，在地下空間開發(fā)利用中應考慮地下水腐蝕、砂卵礫石等因素的影響?？傮w以適宜區(qū)為主，可作為特種工程等戰(zhàn)略基礎設施建設空間。

4 結(jié)論

（1）西咸新區(qū)地下空間的開發(fā)受到多種地質(zhì)環(huán)境因素的制約，結(jié)合研究區(qū)具體條件，選取地貌類型、地震區(qū)劃、河湖濕地、地下水富水性、腐蝕性、巖土體類型、土體強度指數(shù)、活動斷裂、砂土液化、黃土濕陷、地面設施、文物保護區(qū)、地下構(gòu)筑物為指標，構(gòu)建了地下空間開發(fā)地質(zhì)適宜性三維評價指標體系。

（2）通過構(gòu)建西咸新區(qū)灃東灃西新城地表三維實景模型，地質(zhì)構(gòu)造模型、三維水文地質(zhì)模型和三維工程地質(zhì)模型，利用三維精細化剖分的評估單元為載體，運用層次分析法評價模型開展西咸新區(qū)地下空間開發(fā)適宜性評價，能夠定性、定量地為地下空間開發(fā)利用提供輔助決策，為研究區(qū)地下空間資源的合理開發(fā)提供基礎地質(zhì)支撐。

（3）灃東灃西新城地下空間開發(fā)適宜性三維評價結(jié)果表明：研究區(qū)60 m以淺地下空間開發(fā)利用條件優(yōu)越，各土層物理力學性質(zhì)和承載力總體較好，適宜開發(fā)建設。不適宜區(qū)域主要分布在活動斷裂、水體、水源地區(qū)域以及文物保護區(qū)。

（4）研究區(qū)淺部地下空間開發(fā)利用易受文物保護區(qū)、地面水體、活動斷裂影響，中層地下空間受城市建成區(qū)既有設施及地下構(gòu)筑物影響較大，深部地下空間主要受斷裂影響。地下空間資源利用規(guī)劃中地下空間重點開發(fā)區(qū)在開發(fā)利用過程中應該合理規(guī)避活動斷裂區(qū)域、地下水富集等地質(zhì)問題。

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