3D suitability evaluation of underground space development and utilization in Zhongshan City of Guangdong Province
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摘要:
研究目的 地下空间资源是重要的国土资源，为了将地下空间资源保护好、开发好，进行地下空间资源开发利用适宜性评价十分必要。
研究方法 基于Python、Paraview软件，通过双线性插值方法和层次分析法实现了中山市−100～0 m全地下空间域的适宜性三维评价。评价模型采用了8192个钻孔数据，建立了标贯击数、含水率、内摩擦角、压缩模量、抗压强度5个单因数的三维数据，此外提取了岩土条件、水文地质条件、不良地质条件、资源敏感性、开发利用价值等作为主体层的21个单因素二维数据，通过变权思想实现了三维和二维数据的耦合计算。
研究结果 建立了中山全市地下−100～0 m分析空间域，并将空间域划分为1.28亿个单元，每个单元赋予了21个单因子属性值，通过层次分析法和双线性插值实现了中山市地下空间适宜性三维评价，最后通过paraview实现可视化。
结论 中山市地下空间开发利用适宜性总体较好，对于基坑与桩基础工程适宜良及以上占比88%，对于隧道工程适宜性良及以上占比83.5%。
Abstract:Objective Underground space resources are important national resources. For the scientific and rational protect and develop them, it is necessary to conduct suitability evaluations for the development and utilization of underground space resources.
Method Based on Python and Paraview software, the 3D suitability evaluation of −100～0 m underground space of Zhongshan city was realized by bilinear interpolation method and analytic hierarchy process. The data of 8192 bore holes was collected and analyzed, and five 3D data of single factor (spt blow count, water content, internal friction angle, compression modulus and compressive strength) was obtained. In addition, the geotechnical conditions, hydrogeological conditions, adverse geological conditions, resource sensitivity and development value were selected as theme layer, them contain 21 signal factor 2D data. The coupling calculation of 2D and 3D data is realized based on the variable weight method.
Results The spatial domain of the underground −100~0 m in Zhongshan city was established an analyzed, and the spatial domain was divided into 128 million units, each of which is assigned 21 single factor attribute values. Then, a three−dimensional evaluation of the suitability of underground space in Zhongshan city through AHP and bilinear interpolation, and finally visualized it through Paraview software.
Conclusions The suitability of development and utilization of the underground space of Zhongshan City is overall good, with more than 88% area suitable for foundation pit and pile foundation projects, and more than 83.5% area suitable for tunnel projects.
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Key words:
- Zhongshan City /
- underground space /
- suitability /
- 3D evaluation
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表 1 评价指标及权重分配（基坑与桩基础工程）
Table 1. Evaluation indicators and weight allocation (excavation and pile foundation engineering)
主题层（B） 主题层权重 指标层（C） 指标层权重 0~15 m 15~30 m 30~50 m 50~100 m 地形地貌B1 0.0583 地形坡度C1 1.0000 1.0000 1.0000 1.0000 岩
土
体
条
件
B2土体条件（土体分布区域） 0.1382 标贯击数C2 0.3038 0.3038 0.3038 0.3038 含水量C3 0.0730 0.0729 0.0729 0.0729 摩擦角C4 0.3116 0.3116 0.3116 0.3116 压缩模量C5 0.3116 0.3116 0.3116 0.3116 岩体条件（岩体分布区域） 0.1381 中风化基岩面埋深C6 0.3108 0.3108 0.3108 0.3108 基岩面起伏C7 0.1958 0.1958 0.1958 0.1958 岩石抗压强度C8 0.2003 0.2003 0.2003 0.2003 基岩岩性C9 0.2931 0.2931 0.2931 0.2931 水文地质条件B3 0.0545 地下水富水性C10 0.4270 0.4270 0.4270 0.4270 地下水腐蚀性C11 0.5730 0.5730 0.5730 0.5730 不良地质条件B4 0.1351 淤泥质软土厚度12 0.6500 0.5500 0.2500 0.1500 透水性砂土厚度C13 0.2500 0.200 0.0500 0.0500 古河道卵砾石厚度C14 0.0500 0.1500 0.6000 0.6000 风化类岩土厚度C15 0.0500 0.1000 0.1000 0.2000 资源环境敏感性B5 0.0586 应急水源地分布C16 0.1700 0.1700 0.1000 0.1000 地质遗迹分布C17 0.3000 0.3000 0.2000 0.1000 固体矿产及矿泉水资源分布C18 0.2900 0.3500 0.4900 0.5300 地热资源分布C19 0.0800 0.1300 0.2100 0.2700 大型地表水体分布C20 0.1600 0.0500 0.0000 0.0000 安全性B6 0.2856 地下空间利用现状C21 0.3900 0.3900 0.3900 0.3900 地质灾害发育情况C22 0.1900 0.1500 0.0500 0.0500 断裂构造稳定性C23 0.4200 0.4600 0.5600 0.5600 开发利用价值B7 0.1316 单位面积GDPC24 0.3425 0.3425 0.3425 0.3425 人流密度C25 0.3895 0.3895 0.3895 0.3895 土地利用类型C26 0.268 0.268 0.268 0.268 
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表 2 单因素评价分级标准
Table 2. Evaluation grading standards of the single factor
评价指标 分级标准 Ⅰ（1分） Ⅱ（2分） Ⅲ（3分） Ⅳ（4分） 地形坡度/° >20 10~20 5~10 <5 标贯击数/击 <10 10~15 15~30 >30 含水率/% >40 30~40 20~30 <20 内摩擦角/° <5 5~20 20~30 >30 压缩模量/MPa <3 3~5 5~7 >7 中风化基岩面埋深/m >45 30~45 15~30 <15 中风化基岩面起伏/° >2.0 1.5~2.0 1.0~1.5 <1.0 岩石抗压强度/MPa <5 5~15 15~30 >30 基岩岩性 火山碎屑岩 沉积砂岩 混合岩 花岗岩 地下水富水性 中等—丰富 / 贫乏 极贫乏 地下水腐蚀性 弱 / / 无 淤泥质软土厚度/m >30 20~30 10~20 <10 透水性砂土厚度/m >10 5~10 2~5 <2 古河道卵砾石厚度/m >15 10~15 5~10 <5 风化类岩土厚度/m >24 16~24 8~16 <8 应急水源地分布 二级保护区 准保护区 / 非保护区 地质遗迹分布 保护区 / / 非保护区 固体矿产及矿泉水资源分布 矿区 / / 非矿区 地热资源分布 矿区 / / 非矿区 大型地表水体分布 水库 河流 / 非分布区 地下空间利用现状（利用率） >20% 10%~20% 5%~10% <5% 地质灾害发育情况 高易发区 中易发区 低易发区 非易发区 断裂构造稳定性 一级断裂 二级断裂 小微断裂 非断裂带 单位面积GDP 低 较低 较高 高 人流密度 低 较低 较高 高 土地利用类型 生态用地 基本农田 一般耕地 建设用地
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表 3 单因素评价分级比例
Table 3. Evaluation statistics of single factor
项 目 分级比例 Ⅰ（差） Ⅱ（中） Ⅲ（良） Ⅳ（优） 地形坡度 0.8% 1.1% 1.7% 96.3% 标贯击数 6.5% 2.8% 11.4% 79.3% 含水量 34.6% 48.6% 16.6% 0.2% 摩擦角 24.4% 45.2% 30.2% 0.2% 压缩模量 39.1% 21.1% 36.2% 3.6% 中风化基岩面埋深 9.2% 48.8% 28.8% 13.2% 基岩面起伏 4% 4% 11.3% 80.7% 岩石抗压强度 5.6% 12.7% 69.0% 12.8% 基岩岩性 1.0% 30.0% 18.8% 50.2% 地下水富水性 23.3% / 57.9% 18.8% 地下水腐蚀性 80.1% / / 19.9% 淤泥质软土厚度 4.5% 8.4% 26.8% 60.3% 透水性砂土厚度 0.4% 1.0% 6.8% 91.8% 古河道卵砾石厚度 0.9% 8.1% 14.8% 76.2% 风化类岩土厚度 10.8% 52.2% 32.1% 4.9% 应急水源地分布 2.9% 2.4% / 94.7% 地质遗迹分布 5.9% / / 94.1% 矿产矿泉资源 1.0% / / 99.0% 地热资源分布 大型地表水体分布 0.4% 13.2% / 86.4% 地下空间利用现状 19.1% 14.1% 19.5% 47.3% 地质灾害发育情况 2.2% 35.7% 44.2% 17.9% 断裂构造稳定性 7.1% 6.0% 5.9% 81.0% 单位面积GDP 36.9% 38.7% 11.8% 12.6% 人流密度 48.5% 35.7% 12.8% 3.0% 土地利用类型 6.9% 25.3% 40.1% 27.2%
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表 4 基坑与桩基础工程适宜性分级评价统计结果
Table 4. Statistical of suitability evaluation of excavation foundation engineering
空间范围/m 占比/% Ⅰ（差） Ⅱ（中） Ⅲ（良） Ⅳ（优） −100~0 0.7 11.3 74.4 13.6 −15~0 0.9 14.4 69.3 15.4 −30~−15 0.9 12.5 70.6 16.0 −50~−30 0.6 10.2 75.7 13.5 −100~−50 0.6 10.4 76.6 12.4
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表 5 隧道工程适宜性分级评价统计
Table 5. Statistical of suitability evaluation of tunnel engineering
空间范围/m 占比/% Ⅰ（差） Ⅱ（中） Ⅲ（良） Ⅳ（优） −100~0 1.0 15.5 70.8 12.7 −15~0 1.2 22.5 61.9 14.3 −30~−15 1.2 19.4 64.4 14.9 −50~−30 0.9 13.8 72.8 12.5 −100~−50 1.0 13.0 74.5 11.6
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表 6 地下空间开发利用适宜性区划分区说明
Table 6. Description of suitability zoning for underground space development and utilization
适宜性分级 占 比 分 区 说 明 优级区 21.1% Ⅳ-1~Ⅳ-8 主要位于五桂山及南朗镇一带，地质条件好，已开发地下空间有限，同时地质灾害不明显，
可考虑进行深入地下空间开发良级区 60.7% Ⅲ-1 地质条件较好，分布范围广，可进行大范围开发 中级区 18.2% Ⅱ-1 主要位于港口镇和民众镇，本区软土较厚，适合做深层地下空间开发，如深基础等，
不宜仅进行浅层地下空间开发Ⅱ-2 主要受断裂带影响，对于重要的或大型的地下空间开发应注意避开以上地区，或采取有效的抗震措施 Ⅱ-3 位于坦洲西部，本区存在较厚的透水性砂土及一级断裂，透水性对基坑开挖影响很大，不宜进行大规模基坑开挖，此外本区中（微）风化岩顶面埋深超过80 m，对于建设桩基础建设要求较高 Ⅱ-4 位于东凤镇和小榄镇，本区主要存在问题是风化类岩土体较厚、古河道卵砾石较厚，
因此无论是以明挖还是盾构开挖方式进行地下空间开发其施工成本均较高Ⅱ-5 主要受断裂带影响，对于重要的或大型的地下空间开发应注意避开以上地区，或采取有效的抗震措施 Ⅱ-6 位于横栏镇，该区软土较厚，中风化面以上土体较厚，岩石抗压强度较低 Ⅱ-7 中风化面以上土体较厚，有湿地保护区 Ⅱ-8 软土较厚，中风化面以上土体较厚 Ⅱ-9 主要受断裂带影响，对于重要的或大型的地下空间开发应注意避开以上地区，或采取有效的抗震措施
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