济南市莱芜城区地下空间资源潜力开发适宜性评价研究

郭 鹏,秦文静

(山东省第一地质矿产勘查院,山东 济南 250100)

0 引言

济南市莱芜区位于齐鲁大地腹地,是山东省重要的原煤、铁矿石生产基地和钢铁工业基地。随着城市化进程的逐年推进,城市发展速度逐年增快,城区范围不断外扩。特别是2018年济南市原莱芜市区划调整,莱芜区、钢城区划归济南市管辖,给莱芜区的城市发展带来了新的机遇,这些都极大地推动城市化水平的提高。与此同时,越来越拥挤的城市、越来越显得脆弱的各类城市基础设施需要更多的空间,城市地下空间开发利用己经成为提高城市容量、缓解城市交通、改善城市环境的重要手段[1-3]。因此,开展地下空间资源开发潜力调查评价研究工作,查清城区地下空间资源现状及开发潜力,对服务城市高质量可持续发展及下一步城市向“纵深”发展具有重要意义。

1 地下空间开发利用现状

从现状条件来看,莱芜城区地下空间资源开发程度总体上不高,利用程度一般,主要利用类型分为三类,主要为地下市政管线及基础设施建设;其次为多高层建筑物地下室,人防工程也是开发利用的另外一种方式。

1.1 地下市政管线及设施

莱芜城区开发建设历史悠久,地下管线埋设错综复杂,遍布大街小巷,主要以供电、给排水等市政管线及设施为主,此类地下空间开发利用深度主要分布在地面以下0～15 m范围之内,开发类型复杂,分布杂乱,开发过程中没有形成统一规划,对下一层地下空间开发建设造成一定影响。

1.2 高层建筑地下室

随着近年来城市建设的快速发展,莱芜区城区高层建筑普遍建有地下室,主要是地下仓储和地下停车场,以地下1～2层为主,基坑地下开挖深度一般5～15 m。最大利用深度20 m左右,主要集中在莱芜中心城区及东部高新技术开发区。

1.3 人防工程

莱芜高新会展中心广场、区政府广场等均为地下人防工程,是莱芜区重点建设项目,战时能为人员掩蔽和战备物资库,此外,现在开发的高层商用、住宅用高楼均设置地下人防工程。人防工程平时兼具一定的社会功能,近年来开发的地下工程大多数是为了满足城市商业、停车以及其他公共设施的需要,最大利用深度不大于20 m,主要部分在城市中心城区、东部高新技术开发区,见图1。如高新会展中心广场、区政府广场、凤城大街尚座地下购物广场等。

图1 济南市莱芜区已开发地下空间工程分区

2 城市地下空间资源开发地质评价的理论

与方法

影响地下空间资源开发利用的因素较多,且影响程度不同,各个因素的影响程度难以准确衡量。本次采用模糊数学方法,将众多的因素通过隶属度函数来实现模糊界限的确定,实现影响因素和场地适宜性好坏程度之间的转换,解决因子权重值的赋值问题,得到了最可能接近实际情况的评价结果。

2.1 评价指标体系及权重的确定

影响地下空间开发的地质环境因素众多,因此需要根据所研究区域的地质条件,综合分析选取对地下空间开发具有重要影响的因素[4-6]。根据莱芜城区地质环境现状特点,按层次分级、重要性分序、抓主、淡次的原则,选取场工程地质条件、水文地质条件、地质环境条件及人类工程活动等4个主控因子,断裂构造、岩性组合等10个二级因子作为地下空间工程建设适宜性评价指标。构建莱芜区地下空间资源多层次评价体系((AHP法)[7-11],见表1和表2。

表1 评价指标及评价量化方法

2.2 评价模型

2.2.1 数学模型

A·R=B

(1)

式中:A为参加评价因子的权重归一化处理后构成的1×m阶行矩阵;R为各单因子评价行矩阵组成的m×n阶关系矩阵;B为综合评判结果,是一个1×n阶行矩阵。

2.2.2 计算隶属度,确定模糊关系矩阵R

各评价因子对各级别的的隶属函数为:

(2)

式中:Y1、Y2、Y3、Y4为评价因子四个级别的隶属度;S1、S2、S3、S4为评价因子四个级别的标准值。

2.2.3 计算权重,建立行矩阵A

莱芜城区地下空间开发建设适宜性评价工作,由于区内地质条件各要素差别较大,不同的评价因子对地质环境质量的影响程度不一,所以应正确的确定不同的评价因子权重,只有正确的确定不同评价因子的权重,才能对工程建设适宜性作出合理的分析评价。

各个评价因子权重首先将各个因素条理化、层次化。分析系统中各因素之间的关系,构造出一个层次分析的结构模型。

用超标加权法计算各评价因子的权重,公式为:

Wi=Xi/Si

(3)

式中:Wi为某因子的权重;Xi为i因子的实测值;Si为i因子各级标准值的平均值,即:Wi=1/4(Si1+Si2+Si3+Si4)

由于计算出的权重可能出现大于1的情况,因此可作归一化处理,公式为:

(4)

2.2.4 模糊矩阵的运算

模糊矩阵复合运算的方法常用的有以下3种:

1)“主因素突出型”,即M(∧,∨ )模型;

2)“半主因素突出型”即M(·,∨ )模型;

3)“加权平均型”,即M(·,+)模型。

本次评价过程中二级评价采用半主因素突出模型,一级评价采用加权平均模型。

通过建立单因子评价矩阵及权值分配矩阵,可得二级评价结果分别为:

B1= A1:R1=(b11,b12,b13,b14,b15)

B2= A2:R2=(b21,b22,b23,b24,b25)

B3= A3:R3=(b31,b32,b33,b34,b35)

B4= A4:R4=(b41,b42,b43,b44,b45)

以上三组评价结果可组合成一级评价矩阵为:

一级评价因子权重向量为:A=(a1,a2,a3,a4)

采用“加权平均型”,即M(·,+)运算方法,可求得评价结果E

E=A*B=(e1,e2,e3,e4,e5)

然后,模糊质量指数(FQI)采用公式(4)计算得出。

(5)

式中:j为等级数,k为参数,k=2,3,4,…

这样模糊质量指数实际上反映了评价单元工程建设适宜性的好坏,FQI值越大,工程建设适宜性越差,分区标准为:

地下空间开发建设适宜性优区 FQI=1

地下空间开发建设适宜性良区 1

地下空间开发建设适宜性中等区 2

地下空间开发建设适宜性差区 3

采用计算机编程进行模糊运算,运用栅格数据处理方法对评价区进行剖分,每个单元面积为1 km×1 km,运用MAPGIS软件自动生成FQI等值线图,然后进行适宜性分区。

3 地下空间潜力开发适宜性分析评价

在分别对0～30 m(浅层)、30～100 m(次浅层)、100～200 m (深层)地下空间地质环境条件进行单因子评价的基础上,通过图层叠加分析,形成整体地下空间潜力开发适宜性评价结果。最后,对综合图进行必要的后处理(聚类、去除奇异值等),最终生成济南市莱芜区、钢城区中心城区地下空间潜力开发适宜性分区图,各分区结果见图2。

图2 地质环境适宜性分区柱状图

图3 浅层地下空间适宜性分区(0～30 m)

图4 莱芜区城市规划区地质剖面图

图5 次浅层地下空间适宜性分区(30～100 m)

图6 深层地下空间适宜性分区(100～200 m)

3.1 浅层地下空间适宜性分区(0～30 m)

3.1.1 地下空间开发建设适宜性优区

主要分布在莱芜区东北部、南部山前平原区。该区域第四系厚度较薄,一般小于5 m,基岩基本裸露,岩土层以粘土、碎石土、花岗岩为主,莱芜区南部山前下部为寒武系灰岩。其围岩稳定性及工程力学性质良好;水文地质方面,富水性较弱,地下水无腐蚀性,地表水体影响较小,地下水位埋深不大;无地表及地下人类工程已开发地下工程的影响。

3.1.2 地下空间开发建设适宜性良区

主要分布在莱芜区西北部及东南部。该区岩土层以粘土、粉质粘土、寒武系灰岩为主,其围岩稳定性及工程力学性质较好,相对于地下空间开发来说是较好的岩土层。该区第四系厚度一般为5～10 m,工程地质条件简单,围岩稳定性较好,无软土分布,富水性中等或弱,地表水体影响较小,地下水位埋深相对较小,无地面塌陷等地质灾害的影响。

3.1.3 地下空间开发建设适宜性中等区

主要分布于莱芜区中部,区内30 m埋深处,岩土层多以第四系粉质粘土、砂层及古近系泥岩、砂质泥岩为主,岩石属软岩,易干裂,围岩稳定性相对较差。区内含水层主要以第四系孔隙水为主,富水性较弱,地下水位埋深一般在5～20 m,地下水不存在腐蚀性,无地质灾害发育。但在城区内受人类工程活动的地表建筑及已开发的地下空间(已建高层建筑、防空设施和需保护建筑等)的影响较大,部分已规划使用,再次开发受限,因此将该区划为适宜性中等区。

3.1.4 地下空间开发建设适宜性差区

主要分布在汶河南岸的南冶-牛泉镇一带、汶河北部的原北埠煤矿、张家洼铁矿开采区范围内、城区周边的公清、孟家庄一带岩溶塌陷分布区以及东北部受莱芜盆地弧形断裂影响区域。主要影响因素为矿山开采形成的地下采空区以及岩溶塌陷易发区,均对地下空间工程影响较大;受莱芜盆地弧形断裂以及孙祖-铜冶店等大断裂影响,影响范围内岩石较为破碎,工程地质条件相对比较复杂,地层分布不均匀。该区域内地下空间资源开发过程中应进行详细调查,采用物理勘探和工程详勘工作,详细查明岩溶发育及地下采空分布情况,具体的部分部位和规模、强度,并采取相应的工程措施进行预防。

3.2 次浅层地下空间适宜性分区(30～100 m)

3.2.1 地下空间开发建设适宜性优区

主要分布在莱芜区东北部、南部山前平原区。该区域第四系厚度较薄,基岩基本裸露,岩土层以粘土、碎石土、花岗岩为主,莱芜区南部山前下部为寒武系灰岩。其围岩稳定性及工程力学性质良好;水文地质方面,富水性较弱,地下水无腐蚀性,地表水体影响较小,地下水位埋深不大;无地表及地下人类工程已开发地下工程的影响。

3.2.2 地下空间开发建设适宜性良好区

主要分布在莱芜区西北部及东南部。30～100 m由于埋深较大,受地表水体影响较小,所以,莱芜区孝义河及北部赢汶河两侧划为适宜性良好区;该区岩土层以粘土、粉质粘土、古近系泥岩砾岩、页岩,寒武系灰岩为主,其围岩稳定性及工程力学性质较好,相对于地下空间开发来说是较好的岩土层,该区第四系厚度一般为5～10 m,工程地质条件简单,围岩稳定性及工程力学性质较好,富水性中等或弱,地下水位埋深相对较小,无地面塌陷等地质灾害的影响。

3.2.3 地下空间开发建设适宜性中等区

主要分布于莱芜区城区中部地区。区内30～100 m埋深处,岩土层多以第四系粉质粘土、砂层及古近系泥岩、砂质泥岩为主,工程地质条件较差,稳定性相对较差。地下水类型以以孔隙水为主,富水性弱,30～100 m深度地表水体基本无影响,地下水不存在腐蚀性,无地质灾害发育。在城区内零散分布地下人防工程及高程建筑,地下空间现状开发程度相对较大,桩基埋深大于30 m,受人类工程活动的地表建筑及已开发的地下空间的影响较大,将该区划为适宜性中等区。

3.2.4 地下空间开发建设适宜性差区

主要分布在汶河南岸的南冶-牛泉镇一带、汶河北部的原北埠煤矿、张家洼铁矿开采区范围内、城区周边的公清、孟家庄一带岩溶塌陷分布区以及东北部受莱芜盆地弧形断裂影响区域。主要影响因素为矿山开采形成的地下采空区以及岩溶塌陷易发区,均对地下空间工程影响较大;受莱芜盆地弧形断裂以及孙祖-铜冶店等大断裂影响,影响范围内岩石较为破碎,工程地质条件相对比较复杂,地层分布不均匀。该区域内地下空间资源开发过程中应进行详细调查,采用物理勘探和工程详勘工作,详细查明岩溶发育及地下采空分布情况,具体的部分部位和规模、强度,并采取相应的工程措施进行预防。

3.3 深层地下空间适宜性分区(100～200 m)

3.3.1 地下空间开发建设适宜性优区

主要分布在莱芜区东南部、东北部平原区。该区域为基岩出露区,莱芜区东南部100 m以下为白垩系、侏罗系的玄武岩、安山岩,莱芜区南部山前下部为寒武系灰岩,其围岩稳定性及工程力学性质良好;水文地质方面,富水性较弱,地下水无腐蚀性,地表水体影响较小,地下水位埋深不大;无地表及地下人类工程已开发地下工程的影响。

3.3.2 地下空间开发建设适宜性良好区

主要分布在莱芜区中部及北部区域。100～200 m深度受地表水体影响较小;该区岩土层以粘土、粉质粘土、古近系泥岩砾岩、页岩,其围岩稳定性及工程力学性质较好,相对于地下空间开发来说是较好的岩土层,该区第四系厚度一般为5～10 m,工程地质条件简单,围岩稳定性及工程力学性质较好;富水性中较弱,地下水位埋深相对较小;100 m以下受已开发地下空间影响程度较小;无地面塌陷等地质灾害的影响。

3.3.3 地下空间开发建设适宜性中等区

主要分布在莱芜区城西公清一带及孟家庄。莱芜区岩溶塌陷发育深度一般在2～50 m以浅,100～200 m深度受岩溶塌陷影响程度较小,但工程建设中一定程度上仍会受到其影响,因此本次将莱芜区公清一带、孟家庄一带岩溶塌陷影响区划为适宜性中等区。

3.3.4 地下空间开发建设适宜性差区

主要分布在汶河南岸的南冶-牛泉镇一带、汶河北部的原北埠煤矿、张家洼铁矿开采区范围内以及东北部受莱芜盆地弧形断裂影响区域。莱芜区属我省矿业开发较早地区,采煤层主要在-200～-500 m,铁矿采深一般在-300～-500 m,局部更深层。矿山企业开采区内易产生地面塌陷,均对地下空间工程建设产生较大影响;受莱芜盆地弧形断裂以及孙祖-铜冶店等大断裂影响,影响范围内岩石较为破碎,工程地质条件相对比较复杂,地层分布不均匀,地下空间建设适宜性较差,地下空间开发建设也受到限制。该区域内地下空间资源开发过程中应进行详细调查,采用物理勘探和工程详勘工作,详细查明地下采空分布情况,具体的部分部位和规模、强度,并采取相应的工程措施进行预防。

4 讨论及建议

(1)济南市莱芜城市规划区地下空间开发利用总体程度不高,主要环境地质问题为岩溶塌陷及地下开采矿山引发的采空塌陷。

(2)采用层次分析法分别对济南莱芜城市规划区浅层、次浅层及深层地下空间资源开发适宜性进行了评价,受岩溶塌陷及采空塌陷影响,优良地下空间资源主要分布在城区东北部。南部高庄街道煤矿、西北部鲁中铁矿分布区及城西公清、孟家庄一带岩溶塌陷易发区受地质环境影响,开发过程中应进行充分论证。

(3)建议今后在地下空间开发建设过程中,建立“地上地籍图—地下地籍图—地质图”的有机结合,进一步满足地下空间规划建设和管理需要。