厦门地质大数据在地下空间规划评价中的应用
时间：2023-02-02 14:45:07 来源：柠檬阅读网 本文已影响 人 
王丽芳
（福建省厦门地质工程勘察院，厦门 361008）
城市地下空间为城市规划范围内地表以下的空间。开发利用城市地下空间指在一定时期，基于现有经济技术，为改善城市环境空间、城市功能容量，而在地表以下进行的生活、工程、生产等项目活动［1］。
广义上的城市地下空间可分为两类：其一为战争屏障，即为抵御战争以减少战争伤亡或降低战争损失而筑建的大量城市地下掩体，如地下防空洞，地道等；
其二为本文探讨的重点，即为改善城市环境功能而修建的工程，如地下商业街，地铁等。
就第二类地下空间开发利用而言，19世纪中叶英国伦敦建成了世界上第一条地下铁路工程可作为其起步的标志。随后在美国、德国、日本等相继开展城市地下空间开发利用工程［2］。由于日本在地域上具有地狭民丰的特殊性，使得该国在其主要大城市修建了众多地下铁路、地下商场、地下街道、跨海交通隧道工程及各种配套设施，建设规模和技术水平已居世界领先地位；
美国虽然幅员辽阔，但其城市密度高度集中，地面空间相对拮据，该国也开展了大规模地下工程建设：道路、商场、文化娱乐馆厅、大型供排水系统等。
我国人口密度较大，经济也正处于快速发展时期，城市建设日新月异［3－7］。由于城市经济的发展与城市化进程的加速，我国也出现了城市空间容量严重不足、城市交通极端拥堵、城市环境日渐恶化、城市土地过度升值等问题，而这些问题都已成为社会经济发展的拦路虎［8］。为解决城市发展必要性与发展诱发问题突出性地严峻矛盾，城市发展需逐渐拓展地下空间，且城市地下空间也能提高城市的总体防灾能力［9］。
自20世纪90年代开始，我国不少大城市开展了大规模的地下空间开发工作［10］。同时，北京、上海、广州及杭州等城市也已在20世纪初规划了其地下空间的开发利用，能有效指导其地下空间的开发利用［11］。这一系列的工程实践都为其他城市地下空间的规划、勘查、设计、施工及管理积累丰富经验。
厦门市土地面积狭小，且人口密度大，也遭遇了如前文所述的问题和麻烦。为了集约利用城市土地、改善城市交通、美化城市环境、提高城市防护能力（厦门为海防前线）、满足城市特殊需求，厦门市开展系统的地下空间规划工作显得十分必要。虽然厦门市地形地貌复杂，但其地处少地震地带、且无大的地下溶岩、暗河等；
现阶段地下工程技术日臻成熟，也为地下空间规划的开展提供了强有力的技术支撑；
厦门市人均GDP已超2万美元，具备地下空间开发的经济基础［12］。
2.1 厦门地质背景
厦门市地处我国东南沿海，福建省东南部，九龙江北岸的沿海部分，背靠漳州、泉州平原，濒临台湾海峡，面对金门诸岛与台湾宝岛和澎湖列岛。城市所在地地貌复杂，主要由构造侵蚀中低山（低山）、侵蚀剥蚀丘陵（低丘）、台地和堆积冲积阶地（洪积扇，冲海积三角洲）与风积砂丘砂垅。厦门市由陆地和岛屿（岛屿星罗棋布，共有大小岛屿、岩礁52个）两部分组成，地势总体由北西向南东倾斜。厦门市为地形地貌、地层岩性及地质构造均较复杂的沿海城市。其第四系软土分布广，厚度较大，地质结构复杂。开展地下空间工程难度较大。
2.2 厦门地质大数据发展
地质工作是城市建设中的一项重要的基础性工作，新时代地质工作的服务方向、指导理论和发展动力发生了转变。发展动力由主要依靠承担项目向主要依靠科技创新和信息化建设转变。建设既有“面子”又有“里子”的智慧城市，对地质工作提出了新的、更高的要求。地质大数据平台是地质成果集成和应用的载体。
2008～2013年，厦门市人民政府与中国地质调查局合作开展了厦门城市地质调查工作，构建了包含城市地质数据库、三维地质模型、地质信息管理与服务系统等三大部分内容的“厦门三维地质信息管理与服务系统”，并自2013年起，每年对该系统平台进行更新，对数据库进行了补充，对三维模型进行了局部更新［13］。
2019～2021年，福建省地矿局和地方配套共出资建设厦门地质大数据服务平台，对地质数据进行全面整合，开发相关分析评价功能；
以马銮湾新城规划片区为例，实现标准化地质产品动态生成和实时服务；
对接厦门政务云平台，探索将地质成果融入厦门市地下空间规划建设、利用与保护全过程管理的应用路径。厦门地质大数据平台充分利用云计算、物联网、大数据等现代信息技术，重构“地上建筑＋地下构筑物＋地质体”地上地下一体化三维模型，实现地质产品动态生成与实时服务。助力地质工作为构建协调发展的城镇格局、促进城市绿色、低碳、循环、安全、集约、智慧发展提供高效的技术支撑和高质量的解决方案。
2.3 厦门地质大数据成果
地质大数据库将作为本项目工作的重要数据来源。包括：地理数据库、野外调查原始资料数据库、综合成果数据库等内容。厦门城市地质数据库内容涉及基础地质、工程地质、水文地质、地质灾害、矿产地质、地热、海岸带类型、生态地球化学等诸多学科方面的内容，数据总量达500G。包括各专业的基础图件500多幅，地质钻孔10万余个，岩石和土体力学测试指标近75万条，地下水水质监测数据1 000余条等，构建了厦门地区地质数据电子档案馆，较好地对珍贵的地质数据进行了分类汇总、保存与管理。厦门地质大数据服务平台经过数据库资料的不断充实，三维模型的局部更新，以及对外发布平台的构建，已经在诸多方面得到良好的应用：如为轨道交通1～10号线，保障房地铁社区等重点工程，为“厦门市资源环境承载能力评价与预警”专项规划研究等提供基础数据与资料的查询；
建立了地质资料的社会共享平台，并推动了地学科普事业的发展，使自然资源理念逐渐深入人心。
3.1 厦门城市地下空间规划开展的基础
厦门市已具备开展城市地下空间规划的基础。基于有地质大数据地下空间基础信息，提高基础信息使用率，同时，积极开展地下空间适宜性调查、勘探、评价，为合理开发利用提供必要的地质支撑和科学保障。
第一步：整合厦门地质大数据现有地质资料与资源数据
统一标准，整理多年来由城建工程与地下工程而积累的地质结构与资源数据，以求达到资源充分利用。
第二步：通过区域地质测绘，进一步完善基础地质资料
基于资料整理结果，对精细度及三维可视度都不能满足规划要求的部分进行大比例尺区域地质测绘，完善基础地质资料。对重点地区在原有资料基础上补充勘探。查明工程地质条件、水文地质条件、环境地质条件，为建立三维立体模型提供基础。
第三步：用浅层地震、普通电磁法和深层电磁法等查明构造断裂
构造断裂是影响地下工程安全至关主要因素，故需重视之。除采用地面测绘、钻孔资料外，还需用反射地震和电磁勘探等工程物探方法进行寻找、验证构造断裂，摸清区内构造断裂的分布规律，评价区域稳定性，避免重大工程建设的决策失误，大大地减少重大工程投资风险及人民生命安全和财产损失。
第四步：建立城市地质三维可视化模型
地下空间规划的结果需要借用可视性较强三维信息进行展示，由传统纸质介质向数据库三维可视化显示系统转变，详见图1所示。将区内岩土层结构、相关物理力学参数、水文地质参数、构造断裂等转化为三维立体模型，通过模拟开挖功能，了解开挖过程中的工程地质条件、水文地质条件、断裂发育程度、岩土层性状等，实现实用性、通俗性、专业性相结合，实现文、图、像、表相结合，静态成果与动态成果相结合。
图1 城市规划成果三维地质视图（地层岩性）
3.2 厦门地下空间开发利用分层评价
基于厦门地质大数据调查结果，对厦门市地下空间开发利用分3个层次进行评价，即浅层（0～10 m）、次浅层（10～30m）和深层（30～50m）。同层次地下空间开发利用可能遇到的工程地质问题不同，其中，浅层和次浅层在地下空间开发过程中可能遇到的主要工程地质问题包括砂土液化、软土震陷、沉降变形、渗透变形、地基承载力、基坑稳定和围岩稳定等，深层在地下空间开发过程中可能遇到的主要工程地质问题仅包括地基承载力和围岩稳定。具体的区域分层评价结果如下：
3.2.1 浅层地下空间开发利用评价
浅层砂土液化严重区主要分布于同庄－同安孔庙一带，其他地段均不产生液化；
软土震陷严重区主要分布于海沧区东屿村－沧虹路、集美区政府、西柯镇西洲路一带，这些区域附件一定范围为震陷程度中等或低，其他区域均为非震陷区；
沉降变形严重区分布较零散，主要分布于沿海一带的海湾和同庄－同安孔庙一带，其他第四系覆盖区域绝大部分为沉降变形中等，岛内万石植物园、狐尾山、仙岳山以及厦门市西侧和北侧为沉降变形低等分布区；
渗透变形严重性区域主要分布于海沧区样路村、西柯镇西洲路一带，其他地段渗透变形均不大或不产生渗透变形；
基坑稳定性低的区域主要分布于同安区丙洲村，其他沿海地带零星分布，面积小，其他地段第四系覆盖区域基坑稳定性较高，厦门市北侧山区和岛内山区基坑稳定性均较好；
围岩稳定性分布规律与基坑稳定性类似；
地基承载力低的区域主要分布于翔安区内与同安区行政交接带附近。
3.2.2 次浅层地下空间开发利用评价
次浅层砂土液化严重区分布较零散，总面积很小，主要位于沿海以及同安区河流一带，翔安区东南端区域液化程度较低，其他地段均不产生液化；
软土震陷严重区主要分布于海沧区东屿村－沧虹路、浦林村、集美区政府、西柯镇西洲路一带，翔安区东南端区域软土震陷较低，其他区域均为非震陷区；
沉降变形严重区分布较零散，主要分布于浦林村、同安孔庙一带，岛内也有零星分布，其他第四系覆盖区域绝大部分为沉降变形中等，岛内部分区域及厦门市北侧山区为沉降变形低等分布区；
渗透变形严重性区域主要分布于海沧区兴港路－海沧大道、浦林村、同安孔庙－月龙一带，岛内也有零星分布，翔安区东南侧渗透变形程度低，其他地段均不会产生渗透变形；
基坑稳定性低的区域主要分布于浦林村、顶厝一带，集美、同安和翔安大部分区域以及岛内北东侧基坑稳定性较高，其他地段基坑稳定性均属于高；
围岩稳定性低的区域分布较少，海沧区南侧、集美区靠近海沧区一带及其沿海地带、翔安区东侧和南侧等区域围岩稳定性较高，其他大部分地段围岩稳定性高；
地基承载力低的区域主要分布于同安区新民镇、翔安区老鼠屿、后树等地，厦门市南侧除岛内山区、海沧区西侧部分区域承载能力高外，其他承载能力中等区，厦门市北侧地基承载力均属于高。
3.2.3 深层地下空间开发利用评价
深层主要为稳定性较好的围岩，该层区域基岩较坚硬，开发利用成本较高，进度较慢，目前整体开发较少。深层围岩稳定性低的区域主要分布于厦门市政府、海沧大道、西柯镇和翔安区老鼠屿一带，稳定性程度较高区域零星分布，绝大部分区域稳定性程度高；
地基承载力低的区域主要分布于浦林村一带，承载能力较高的地段零星分布，其他地段承载能力均高。
3.3 适宜性分区评价方法
建设场地适宜性分区评价从其工程地质条件、构造地质条件、水文地质条件、岩土体工程地质特性与场地不良地质作用进行适宜性评价，选取断裂带、孤石发育、砂土液化、软土震陷、水文地质条件复杂程度、场地环境和地质复杂程度、隧道围岩分级为主要评价指标，按下表“表1适宜性分区评价指标及计算方法”计算出加权得分，然后对照“表2适宜性分区划分表”对适宜性进行分区。
表1 适宜性分区评价指标及计算方法
表2 适宜性分区划分表
3.4 具体案例适宜性分析
以厦门轨道交通3号线为例，介绍地质大数据在地下空间规划评价的应用。
厦门轨道交通3号线，大概规划线路详见图2，是厦门城市中心向东放射的轨道交通骨干线，构建了本岛与翔安区的快速跨海连接通道，连接了思明、湖里和翔安3个区，起于本岛厦门火车站，止于翔安蔡厝，正线全长26.5km，共设置21座车站。
图2 厦门轨道交通3号线示意图（来自百度地图）
基于地下空间规划成果，利用上述的适宜性分区评价方法进行评价，适宜性分析成果见表3。
表3 地铁3号线建设场地适宜性分区表
分析结果表明，地铁3号线建设场地适宜性好的累计里程为5.36 km，约占线路总里程的19.41%；
适宜性较好的累计里程为10.48km，约占线路总里程的37.96%；
适宜性较差的累计里程为6.18km，约占线路总里程的22.38%；
适宜性差的累计里程为5.59km，约占线路总里程的20.25%。地铁3号线建设场地适宜性评价以适宜性较好为主。
以AK6＋250～AK7＋050段为例进行评价。本段AK6＋250～AK7＋050位于工程地质Ⅱ区，场地复杂程度属中等复杂。现地面高程为3.3～15.2 m，地面基本平坦－一般倾斜。环境条件复杂程度属复杂。本段地层变化较大，岩性多变，上部由人工填土、粉质粘土、残积土构成，其综合厚度为2.7～10.10m，其下分布岩土层为残积土及风化基岩带，其中残积土及全风化岩底板界面深度为4.20～17.10m，强风化岩底板界面约为32.6～37.9m，而中－微风化岩顶板埋深变化大。预埋深度范围内，隧道通过地层为残积土、全风化岩及强风化岩等构成，局部夹风化孤石，地层均匀性差，层面起伏较大。应考虑软硬结构面接触问题。线路水文地质条件中等复杂，通过区含水层类型主要为风化孔隙裂隙水及基岩裂隙水，潜水性质，各类地层渗透系数变化较大，富水程度中等－强。隧道围岩分级AK6＋250～AK6＋900为Ⅴ级，AK6＋900～AK7＋050为Ⅲ级。经评价和计算分析，该段整体适宜性分区加权得分为62分，属适宜性较差区域。
3.5 应用厦门地质大数据在轨道交通3号线规划评价的结论和建议
（1）基于轨道交通沿线建设各站点所处位置工程地质条件，结合地区基坑工程建设经验，轨道交通3号线工程设有的19个站点均可采用明挖的施工手段，部分站点可采用盖挖法。站间区间段地下空间大部分地段可采用盾构法施工，部分区段需将孤石提前处理才可采用盾构法施工。
（2）厦门轨道交通3号线规划主要沿着已有主干道路，在岛内段局部穿越老城区等建筑物密集区。经厦门地质大数据模型分析该区域建筑以框架或框剪结构为主，多采用桩基础，其受隧道施工的影响相对较小。
（3）厦门轨道交通3号线岛内段道路交通繁忙，车流量大，车辆行驶的动载荷重震动作用较强（尤其重型卡车），易使开挖过程中的隧道围岩土质松动，造成坍塌等次生地质灾害，施工中应注意加强此方面的预防。
（4）由于隧道施工（含引起的地下水位降低）将会引起一定范围内地层的沉降和侧向变形，根据地质条件和隧道施工特点，对隧道施工影响范围内的建（构）物、地下管线等可能受到的影响作出评估，并提出处理方法。施工中应加强施工影响范围内不同部位的实时监测工作。
（5）本建设场地适宜性评价方法在厦门轨道交通3号线规划评价中是适用、有效的，对于其他类似工程可以按照上述思路开展建设场地适宜性评价。
根据城市发展水平和建设实际情况，厦门市通过地质大数据整合现有地质资料与资源数据、完善基础地质资料、重点地区资料校核及建立三维可视化信息系统而构建得到厦门地质大数据城市地下空间规划系统，该系统能有效指导其地下空间的开发利用。本文以厦门市轨道交通3号线为例，对地下空间规划系统进行案例分析，该规划系统提出了行之有效的建设策略及建议。该系统必定在厦门城市地下空间开发利用中发挥积极的作用。
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