基于三維單元模型的地下空間地質(zhì)適宜性評價

吳 少 元

(福建省廈門地質(zhì)工程勘察院，福建 廈門 361008)

0 引 言

地下空間是重要的新型國土資源，具有不可再生性和不可逆性，一旦開發(fā)，很難循環(huán)利用。同時城市地下空間的開發(fā)利用既要受到地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量制約[1]，又會造成一系列的環(huán)境地質(zhì)、工程地質(zhì)和水文地質(zhì)問題[2]。因此，地質(zhì)適宜性評價是城市地下空間開發(fā)利用的重要環(huán)節(jié)。過去數(shù)年，多數(shù)評價工作均是將地下空間劃分為多個層位，并按照不同層位進行“切片式”評價，其評價過程是將眾多地質(zhì)信息“壓縮”成平面二維，評價過程損失了大量的三維信息[3]，影響了評價結(jié)果的可用性和精細度[4-5]。

近年來，隨著計算機三維可視化、三維地質(zhì)建模等技術(shù)的發(fā)展，三維地質(zhì)模型越來越多地應(yīng)用到城市地下空間開發(fā)地質(zhì)適宜性評價的相關(guān)研究中，但大多數(shù)研究僅局限于對三維地質(zhì)模型進行立體展示，并未實際應(yīng)用于地下空間開發(fā)利用的評價過程中[6]；另有少部分研究通過三維地質(zhì)模型獲取二維評價信息，雖然為傳統(tǒng)的二維綜合評價提供了更為可靠的數(shù)據(jù)支撐[7]，但數(shù)據(jù)在降維過程中已產(chǎn)生較大損失，并未能完全發(fā)揮三維地質(zhì)模型的重要作用。當前，眾多研究已越發(fā)意識到三維地質(zhì)模型對于精細表達地質(zhì)結(jié)構(gòu)的重要意義。在這種背景下，已有部分研究開始針對三維地質(zhì)模型進行三維空間分析，挖掘其內(nèi)涵的三維地質(zhì)特征，并應(yīng)用于地下空間開發(fā)地質(zhì)適宜性三維評價[8-9]。實例研究表明，三維評價方法能夠顯著提高評價結(jié)果在深度方向的分辨率，獲取信息更為豐富和實用的三維評價結(jié)果[8-9]。

在上述研究中，三維單元屬性模型扮演了十分重要的作用，是開展地下空間開發(fā)地質(zhì)適宜性三維評價的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，但目前對于三維單元屬性模型構(gòu)建和應(yīng)用方面的研究和討論還不深入。因此，本文以廈門市馬鑾灣新城南岸片區(qū)為實例，開展了基于多要素三維單元屬性模型的地下空間地質(zhì)適宜性三維評價方法研究，以期獲取更加精細的評價結(jié)果，更好地服務(wù)于該區(qū)城市建設(shè)和可持續(xù)發(fā)展。

1 地質(zhì)背景與數(shù)據(jù)基礎(chǔ)

圖1 研究區(qū)位置及遙感影像

馬鑾灣新城南岸片區(qū)整體地勢為南高北低，由南側(cè)和西側(cè)區(qū)域往東北側(cè)馬鑾灣水域傾斜下降[10]。區(qū)域內(nèi)上部覆蓋第四系松散堆積層，基巖為侏羅系凝灰?guī)r類和燕山早期侵入花崗巖，區(qū)域工程地質(zhì)層組按時代從新到老依次劃分為第四系全新統(tǒng)長樂組、第四系上更新統(tǒng)龍海組、侏羅系上統(tǒng)南園組等；按廈門市標準工程地質(zhì)層組可劃分為6個工程地質(zhì)層和13個亞層，如表1所列。

表1 馬鑾灣新城南岸片區(qū)工程地質(zhì)層組

研究區(qū)內(nèi)含有大量軟土和殘積土，軟土具流變性易造成地基不均勻沉降，殘積土遇水易崩解，且區(qū)域內(nèi)存在大面積填海區(qū)，填土厚度較大且物理力學性質(zhì)差，易造成基坑失穩(wěn)。上述地質(zhì)問題均會影響研究區(qū)地下空間的開發(fā)和利用。

根據(jù)《廈門城市地質(zhì)調(diào)查》(2013年)研究成果，研究區(qū)內(nèi)未見有區(qū)域性活動斷裂分布，也未見有第四紀斷層分布，研究區(qū)地質(zhì)條件總體基本穩(wěn)定，區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造在本區(qū)的體現(xiàn)主要為隱伏基巖中的高傾角裂隙帶，因此本次研究暫不考慮斷裂帶因子的影響。

本研究所采用的數(shù)據(jù)主要為區(qū)域DEM、2 210個鉆孔數(shù)據(jù)和相關(guān)的土工試驗參數(shù)等。在分別對上述鉆孔數(shù)據(jù)和土工試驗數(shù)據(jù)進行整理編錄和標準化后，進行地質(zhì)鉆孔數(shù)據(jù)庫錄入，為三維地質(zhì)模型建立了詳實的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

2 研究方法

研究所采用的方法主要包括三維地質(zhì)建模、三維評價模型構(gòu)建、三維空間分析、三維綜合評價等環(huán)節(jié)，相關(guān)計算在合肥工業(yè)大學研發(fā)的“城市地下空間開發(fā)地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量三維評價系統(tǒng)”[9]中進行。其中，三維單元屬性模型是地質(zhì)數(shù)據(jù)和評價信息的主要載體，也是三維空間分析和綜合評價的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，其貫穿于整個三維評價過程，發(fā)揮著支持核心的作用。三維單元屬性模型具有多要素的特點，其包含的數(shù)據(jù)信息既能夠來源于三維地質(zhì)層組結(jié)構(gòu)模型和二維地質(zhì)數(shù)據(jù)的三維離散單元化表示，也可以來自于土工試驗參數(shù)的三維空間插值結(jié)果；進一步開展三維空間分析及綜合評價的結(jié)果最后也將融入三維單元屬性模型，以服務(wù)于進一步的研究和綜合利用，如圖2所示。

圖2 三維單元屬性模型構(gòu)建流程

2.1 三維單元屬性模型構(gòu)建

研究采用規(guī)則三維結(jié)構(gòu)網(wǎng)格作為三維單元屬性模型的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，并以正六面體單元模型進行圖形化表達。該方法可以方便地對屬性模型進行壓縮存儲，同時具有數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)簡單、索引明晰、適合多源數(shù)據(jù)整合與高速查詢分析等優(yōu)點。

三維單元屬性模型承載的數(shù)據(jù)方面，三維地質(zhì)層組結(jié)構(gòu)模型、屬性模型基于項目組與武漢智圖云起科技有限公司共同研發(fā)的Smart3dmap軟件內(nèi)建的三維隱式建模方法構(gòu)建[11-13]，建模過程融合了本區(qū)2 210個鉆孔的標準化分層等數(shù)據(jù)。在三維地質(zhì)建模后，對結(jié)果進行三維離散單元化處理。在對馬鑾灣南岸片區(qū)開展的相關(guān)評價和研究工作中，三維單元屬性模型共包含有254萬個網(wǎng)格單元，單元尺寸定義為10 m×9 m×2 m。構(gòu)建結(jié)果如圖3所示。

高校每年都要對學校的實驗教學儀器設(shè)備進行評估。學校要成立相關(guān)的評估小組，制定評估體系，每年年底評估小組要對所有儀器設(shè)備的使用情況等進行考核，通過考核評估，發(fā)現(xiàn)問題并解決問題，促進實驗教學的發(fā)展。

圖3 馬鑾灣南岸片區(qū)三維工程地質(zhì)層組結(jié)構(gòu)模型

三維巖土體土工試驗參數(shù)通過三維空間插值方法進行計算，插值結(jié)果輸入三維單元屬性模型。需要注意的是，插值過程中需要以三維單元屬性模型中的三維地質(zhì)層組屬性作為空間約束，以保證插值結(jié)果的可靠性。其中，巖土體三維黏聚力參數(shù)模型如圖4所示。

圖4 馬鑾灣新城南岸片區(qū)巖土體黏聚力參數(shù)三維模型

2.2 地下空間開發(fā)地質(zhì)適宜性三維評價

地下空間開發(fā)地質(zhì)適宜性三維評價首先要對該區(qū)三維評價模型進行構(gòu)建，并利用層次分析法[14]進行確權(quán)；依托三維評價模型，研究基于三維單元屬性模型，運用三維空間統(tǒng)計分析、三維距離場分析等多種三維空間分析方法[8-9，15]對三維評價數(shù)據(jù)進行分析提取，相關(guān)三維評價因子與空間分析方法的對應(yīng)關(guān)系如表2所列；最后，基于三維評價數(shù)據(jù)集，采用多級指數(shù)疊加方法開展三維地質(zhì)適宜性指數(shù)計算和綜合評價等工作[8-9，15]。

2.2.1三維評價模型

基于內(nèi)涵多要素信息的三維單元屬性模型，可以針對不同需求選擇不同的評價因子建立相應(yīng)的三維評價模型，例如地下空間資源量和經(jīng)濟價值、地下空間的安全性、地下空間開發(fā)地質(zhì)適宜性、地下空間工程建造成本等。其中，城市地下空間開發(fā)地質(zhì)適宜性評價是對地下空間開發(fā)所涉及的地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量進行的多因素、多層次綜合性研究工作。其評價結(jié)果可為區(qū)域規(guī)劃、建筑選址、地鐵選線等工作提供地質(zhì)環(huán)境方面的支持和幫助。

本次研究基于三維單元屬性模型，以馬鑾灣南岸片區(qū)為實例，開展城市地下空間開發(fā)地質(zhì)適宜性三維評價研究工作。在綜合分析馬鑾灣南岸片區(qū)地質(zhì)環(huán)境條件的基礎(chǔ)上，結(jié)合地下工程已有研究和建設(shè)經(jīng)驗[16-17]，研究依托于該區(qū)已有的數(shù)據(jù)情況，選擇地形地貌、巖土體工程性質(zhì)、水文地質(zhì)、地質(zhì)結(jié)構(gòu)和特殊土條件[9，18]5個方面的12個評價因子用于構(gòu)建三維評價模型。各評價因子被分級定義為適宜、較適宜、一般適宜、較不適宜4個級別。分級標準參考相關(guān)規(guī)范，如GB50021-2009《巖土工程勘察規(guī)范》、GB50007-2011《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》、JTS133-1-2010《港口巖土工程勘察規(guī)范》等，評價因子及分級標準如表2所列。

表2 城市地下空間開發(fā)地質(zhì)適宜性三維評價因子及分級標準

2.2.2三維評價因子確權(quán)

三維評價因子的確權(quán)工作基于層次分析法開展。研究工作首先組織多位在實例研究區(qū)具有豐富地下工程實踐經(jīng)驗的專家，根據(jù)該區(qū)地質(zhì)條件和以往工程經(jīng)驗，對表2所列的多項三維評價因子進行兩兩對比和打分；之后對打分結(jié)果進行平均并構(gòu)建判斷矩陣，最后基于判斷矩陣計算單個評價因子的權(quán)重并建立權(quán)重矩陣，結(jié)果如表3～9所示。

表3 A-B判斷矩陣及一致性檢驗

表4 B1-C判斷矩陣及一致性檢驗

表5 B2-C判斷矩陣及一致性檢驗

表6 B3-C判斷矩陣及一致性檢驗

表7 B4-C判斷矩陣及一致性檢驗

表8 B5-C判斷矩陣及一致性檢驗

表9 三維評價因子權(quán)重

權(quán)重矩陣的一致性檢驗系數(shù)CR=0.017<0.1，說明滿足一致性條件，可用于進一步的綜合評價研究。從表3中可以看出，壓縮模量、殘積土影響范圍、下伏軟土層厚度對馬鑾灣南岸片區(qū)地下空間地質(zhì)適宜性的影響最大，其次是黏聚力、內(nèi)摩擦角、承壓水影響范圍，而地下水腐蝕性、地質(zhì)層組復(fù)雜度、高程和坡度的影響最小。

2.3 綜合評價模型

地下空間三維評價的綜合評價模型有多種，例如模糊綜合評價、可變模糊集、多級指數(shù)疊加法等等。研究選取基于層次分析法的多級指數(shù)疊加法對馬鑾灣南岸片區(qū)地下空間開發(fā)地質(zhì)適宜性進行評價，多級指數(shù)疊加方法簡單直接，能夠直觀反映各評價因子的影響程度。其公式如下：

(1)

式中：ωij，μij分別為第i個主題層中第j個評價因子的權(quán)重和值；ωi為第i個主題層的權(quán)重。

根據(jù)上文中三維評價因子的分級標準分別將適宜、較適宜、一般適宜、較不適宜所對應(yīng)的分級區(qū)間值賦值為1，2，3，4，在此基礎(chǔ)上利用多級指數(shù)疊加法進行綜合評價。

3 結(jié)果與討論

基于三維單元屬性模型和三維空間分析方法構(gòu)建的三維評價數(shù)據(jù)集如圖5所示。與傳統(tǒng)的二維評價數(shù)據(jù)相比，基于三維空間分析方法獲取的三維評價數(shù)據(jù)能更好地描述地層之間的屬性差異性和三維地質(zhì)適宜性的變化規(guī)律[9]；運用三維空間分析方法，可以更好地提取關(guān)鍵的評價因子，更為充分地利用多維多源地質(zhì)數(shù)據(jù)。

圖5 馬鑾灣新城南岸片區(qū)地下空間開發(fā)地質(zhì)適宜性三維評價數(shù)據(jù)集

基于上述方法計算得到的馬鑾灣新城南岸片區(qū)地下空間開發(fā)地質(zhì)適宜性三維評價結(jié)果如圖6所示，相關(guān)評價結(jié)果也被整合加入三維單元屬性模型?；谌S單元屬性模型，可以獲取地下空間任意位置、任意深度的地質(zhì)適宜性評價結(jié)果。其淺、中、深三部分評價結(jié)果的相關(guān)統(tǒng)計信息也可基于三維單元屬性模型計算獲得(見表10)。

表10 地下空間開發(fā)地質(zhì)適宜性評價結(jié)果統(tǒng)計量

圖6 三維地下空間開發(fā)地質(zhì)適宜性評價結(jié)果

由三維綜合評價結(jié)果可見，馬鑾灣新城南岸片區(qū)地下空間開發(fā)地質(zhì)適宜性總體較好，評價等級以適宜區(qū)和較適宜區(qū)為主，整體適宜區(qū)占比最大，較不適宜區(qū)占比最小。由淺層到深層，適宜區(qū)占比越來越大，適宜性最好的是在-30 m以下的深層。較不適宜區(qū)僅分布在淺層軟土分布、填土層較厚的區(qū)域以及中層距含水層較近的空間區(qū)域。

從淺層的評價結(jié)果可以看出，研究區(qū)淺層空間地質(zhì)一般適宜區(qū)及較不適宜區(qū)占比較大，主要是受巖土物理性質(zhì)、填土層和軟土層的共同影響。由于研究區(qū)存在大面積的圍填海區(qū)域，區(qū)域內(nèi)填土層的厚度集中在4～7 m，局部最深達到15.8 m，較厚的填土層厚度顯著影響了研究區(qū)淺層地下空間開發(fā)地質(zhì)適宜性。此外，淺層空間中軟土在A區(qū)廣泛分布，A區(qū)地質(zhì)結(jié)構(gòu)和特殊土條件較差，但主要影響-5 m以上的地下空間；D區(qū)地質(zhì)適宜性較差的原因主要由于壓縮模量值較低，且地質(zhì)層組復(fù)雜度較高所致，地下空間開發(fā)時地質(zhì)均一性較差，受力不均勻，可能給工程帶來較大設(shè)計和運營風險；由于研究區(qū)為沿海區(qū)域，且地下水位較高，進行明挖法施工時采取的降水等措施可能大幅提高施工費用。在坡度較大的E區(qū)若采用明挖法進行施工，難度大，且極易發(fā)生地表水倒灌等事故。相對而言，B區(qū)地質(zhì)適宜性較好，通過查詢?nèi)S單元屬性模型可知，地質(zhì)適宜性較好的原因是由于該區(qū)具有較好的巖土體的物理力學參數(shù)，巖土體強度較高，穩(wěn)定性較好，因此利于地下工程開發(fā)。

較之淺層，上述A、B、D、E四個區(qū)域在中層的地質(zhì)適宜性相對更為不利。中層地質(zhì)適宜性較差的深度主要集中在-10～-20 m之間，-20 m以下空間地質(zhì)條件顯著趨好。通過查詢?nèi)S單元屬性模型可知，地質(zhì)適宜性較差的原因主要是由于水文地質(zhì)條件較差所致。該研究區(qū)含水層埋深主要分布在-10～-20 m之間，該深度范圍距含水層較近，嚴重影響了地質(zhì)適宜性綜合評價結(jié)果。由于研究區(qū)中層地下水較為發(fā)育，在該層位采用明挖法進行地下工程施工可能會出現(xiàn)管涌和突涌，因此施工時需格外關(guān)注地下工程的基底穩(wěn)定。此外，在該層位中存在大面積軟弱地層和上軟下硬的復(fù)合地層，在此區(qū)域采用盾構(gòu)法進行施工時，需格外注意由于盾構(gòu)掘進姿態(tài)不佳引起的地表塌陷等地質(zhì)災(zāi)害問題。

研究區(qū)基巖埋深較淺，深層區(qū)域廣泛發(fā)育基巖。由于深層的巖土體工程性質(zhì)條件較好，且基巖面埋深變化較小，因此研究區(qū)深層空間呈現(xiàn)整體適宜性較好的特點(A、B區(qū)域地質(zhì)適宜性相對其他區(qū)域較差的原因主要是由于其上覆的工程地質(zhì)層組復(fù)雜度較高所致)。雖然研究區(qū)深層空間整體的地質(zhì)適宜性較好，但較之淺層，深層空間開發(fā)成本和工程難度會明顯提升，因此在開展規(guī)劃和建設(shè)時需要進一步開展綜合分析。

本文研究僅是從地質(zhì)環(huán)境方面對地下空間開發(fā)的地質(zhì)適宜性進行綜合評價，暫未結(jié)合地下工程施工方式進行更為深入的研究。在后續(xù)的研究中，可針對不同施工方式建立相應(yīng)的三維評價模型，充分融合地質(zhì)環(huán)境條件、工程施工方式與費用，為地下空間的開發(fā)利用提供更為經(jīng)濟安全的開發(fā)利用方案。例如，采用明挖法進行施工時，需重點考慮施工深度、地下水埋深以及鄰近建筑物的安全等因素；采用盾構(gòu)法進行施工時，需要考慮盾構(gòu)機的覆土深度，覆土類型以及上軟下硬的復(fù)合地層的影響等。

4 結(jié) 論

(1)多要素三維單元屬性模型能夠充分發(fā)揮多維多源地質(zhì)數(shù)據(jù)和三維地質(zhì)模型的功能和作用，是地下空間開發(fā)地質(zhì)適宜性三維評價的良好載體和數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。實例研究顯示，基于三維單元屬性模型的地下空間開發(fā)地質(zhì)適宜性三維評價方法能夠很好地應(yīng)用于廈門市馬鑾灣新城南岸片區(qū)的三維評價工作，利用評價結(jié)果可以獲得任意深度或空間位置的地質(zhì)適宜性指標，顯著增強了深度方向的可視性和分辨率，信息更為豐富，結(jié)果更為實用。

(2)馬鑾灣新城南岸片區(qū)整體地下空間開發(fā)地質(zhì)適宜性總體較好，全區(qū)以適宜區(qū)和較適宜區(qū)為主，適宜區(qū)占比最大。隨著深度的增加，地質(zhì)適宜性越來越好，但同時伴隨著開發(fā)成本和工程難度明顯提升。在本區(qū)針對深層地下空間開展規(guī)劃和建設(shè)時，需要進一步開展綜合分析，確定更為經(jīng)濟和安全的開發(fā)利用方案。

(3)未來研究可通過融合更為多元的數(shù)據(jù)信息、構(gòu)建更有針對性的三維評價模型，不斷豐富地下三維單元屬性模型的內(nèi)涵，從而使評價結(jié)果更加豐富和準確、更加接近真實地質(zhì)和施工情況，更好地服務(wù)于地下空間的規(guī)劃和建設(shè)工作。