李紅昌，查甫生，康 博

(合肥工業(yè)大學(xué) 資源與環(huán)境工程學(xué)院,合肥 230009)

一、引 言

地下空間是指地表以下一定范圍內(nèi)的巖土體占用或包圍的空間。城市地下空間作為城市空間資源的重要組成部分，對其進行合理開發(fā)可有效緩解城市用地緊張并減少由此產(chǎn)生的交通擁擠、環(huán)境污染、生態(tài)惡化等問題，從而有助于實現(xiàn)城市土地資源集約化使用和城市可持續(xù)發(fā)展[1]。城市地下空間作為一種受地質(zhì)環(huán)境、經(jīng)濟實力和技術(shù)水平制約的自然空間，會隨著城市的發(fā)展被逐漸開發(fā)利用。目前，地下空間已被廣泛應(yīng)用于社會生活，如地鐵、地下停車場、地下商場和地下倉庫等。

然而地下空間在開發(fā)過程中存在許多問題。為避免地下空間被無序開發(fā)和浪費資源，有必要在地下空間管理中建立一套完整的城市地下空間評估指標(biāo)體系，來引導(dǎo)地下空間的合理開發(fā)[2]。本文主要從兩個角度評估城市地下空間，一是從城市經(jīng)濟和發(fā)展?fàn)顩r評估其開發(fā)必要性；二是從區(qū)域條件評估其適宜性。

南通市位于江蘇省東南部，長江三角洲北翼，據(jù)江海之匯，扼南北之喉，是中國首批對外開放的14個沿海城市之一。隨著蘇通大橋、滬崇蘇大通道、通滬鐵路等重大工程的建設(shè)，南通市的經(jīng)濟得到迅猛發(fā)展，隨之而來的則是一系列由于城市空間拓展所引發(fā)的“城市綜合癥”，嚴重影響和制約了南通市的現(xiàn)代化進程。因此，南通市開發(fā)地下空間迫在眉睫?；诠P者建立的地下空間評估指標(biāo)體系，本文對南通市地下空間開發(fā)必要性和適宜性作出了評估。南通市為濱海城市，軟土分布較為廣泛，當(dāng)開挖軟土層時勢必擾動周圍土體，容易造成地表沉降和周邊土體滑移?，F(xiàn)有技術(shù)也能解決這些問題，如采用分區(qū)卸荷、鋼支撐軸力伺服系統(tǒng)、設(shè)置隔離樁等方法，但使用這些方法勢必增加開發(fā)地下空間成本，因此在工程地質(zhì)條件中加入了軟土層厚度這一指標(biāo)。

二、評估指標(biāo)體系構(gòu)建的原則與方法

(1) 指標(biāo)體系構(gòu)建原則 第一，客觀真實性原則。選取的指標(biāo)都是客觀存在且能真實反映地下空間開發(fā)的必要性和適宜性。第二，系統(tǒng)層次性原則。指標(biāo)體系具有層次性，能從不同的層次和方面反映實際情況。同層次的指標(biāo)之間又相互影響和聯(lián)系，構(gòu)成一個完整的系統(tǒng)。第三，全面避重性原則。選取的指標(biāo)體系能全面地反映城市地下空間情況，而且避免出現(xiàn)重復(fù)和相似指標(biāo)。第四，因地制宜性原則。選取指標(biāo)時要根據(jù)目標(biāo)區(qū)域的實際情況，選擇那些最能反映地下空間資源實際情況和特點的指標(biāo)。第五，定性與定量相結(jié)合原則。考慮到評估對象的復(fù)雜性，指標(biāo)體系涉及面廣，必然存在無法量化的指標(biāo)，這時要采用一些主觀評價指標(biāo)進行定性評估。

(2) 指標(biāo)體系構(gòu)建及權(quán)重計算方法 考慮到指標(biāo)體系具有層次性且存在無法量化的指標(biāo)，本文采用模糊層次分析法(Fuzzy Analytic Hierarchy Process，F(xiàn)AHP)構(gòu)建指標(biāo)體系。模糊層次分析法是一種運用模糊數(shù)學(xué)原理解決層次分析法中指標(biāo)比較模糊缺陷的方法。

該方法的主要思想是將復(fù)雜問題分解為若干層次和若干因素，對兩兩指標(biāo)之間的重要程度做出比較判斷，建立判斷矩陣，通過計算判斷矩陣的最大特征值以及對應(yīng)的特征向量，就可以得出不同方案重要性程度的權(quán)重，為最佳方案的選擇提供依據(jù)[3]。FAHP的關(guān)鍵環(huán)節(jié)是建立判斷矩陣，判斷矩陣是否科學(xué)、合理直接影響到FAHP的效果[4]。然而檢驗判斷矩陣是否具有一致性十分困難。若判斷矩陣不具有一致性，還需要對判斷矩陣進行若干次的調(diào)整和檢查，使其具有一致性，這又增加了工作量和工作難度。為解決這些問題，我們引入模糊數(shù)學(xué)原理，構(gòu)造模糊互補矩陣。

模糊數(shù)學(xué)評價是由美國控制論專家查德于1965年提出的，它引入模糊數(shù)學(xué)中的“隸屬度”，用隸屬函數(shù)對具有模糊性的指標(biāo)進行處理[5]。模糊數(shù)學(xué)評價用隸屬函數(shù)將評價結(jié)果以量化的結(jié)果表現(xiàn)出來，更加清楚直觀。使用模糊數(shù)學(xué)構(gòu)造模糊一致矩陣可以簡化運算過程，大大減小工作難度和工作量。

三、指標(biāo)體系的構(gòu)成

FAHP將分析決策問題的有關(guān)元素分解成目標(biāo)層、準(zhǔn)則層及指標(biāo)層，構(gòu)建一個層次結(jié)構(gòu)模型，有利于對復(fù)雜決策問題的本質(zhì)、影響因素及其內(nèi)在關(guān)系等進行深入分析，并利用一定的定量信息，使決策的思維過程數(shù)學(xué)化并最終求解問題[6-7]。

本文結(jié)合前人研究，從社會經(jīng)濟條件和區(qū)域條件兩個方面構(gòu)建評價城市地下空間開發(fā)的必要性和適宜性的指標(biāo)體系。準(zhǔn)則層主要包括：發(fā)展水平、交通狀況、市政設(shè)施狀況、城市防災(zāi)需求、地質(zhì)構(gòu)造、地形、不良地質(zhì)與地質(zhì)災(zāi)害、水文地質(zhì)條件、巖土體條件、豎向深度、地下空間環(huán)境。指標(biāo)通過參考大量相關(guān)文獻和咨詢相關(guān)行業(yè)專家確定，包括2個目標(biāo)層、11個準(zhǔn)則層和28個指標(biāo)。具體如表1所示。

表1 城市地下空間評估指標(biāo)體系

具體闡釋如下：

第一，城市地下空間的開發(fā)與它的發(fā)展水平密切相關(guān)。人口狀況、土地狀況和經(jīng)濟狀況直接關(guān)系一個城市開發(fā)地下空間的迫切程度。越是經(jīng)濟發(fā)達和人口密集的城市越迫切需要開發(fā)城市地下空間。而人均GDP能反映一個城市的經(jīng)濟發(fā)展水平，人均占地面積能反映人口密度，人均地下空間面積可以反映城市地下空間的發(fā)展水平和開發(fā)情況。

第二，交通是城市功能中最活躍的因素，順暢和便捷的交通系統(tǒng)給城市發(fā)展注入活力，而一旦交通阻滯和環(huán)境惡化就會使城市生活受到巨大影響和制約[8]。隨著城市的發(fā)展，道路擁擠、停車難等問題也日漸嚴重，而開通地鐵、開發(fā)地下停車場等措施可以很好地緩解這些問題。交通的方便快捷是衡量一個城市運轉(zhuǎn)效率高低的重要指標(biāo)?？紤]到合理性和可操作性，本文選取Tomtom Congest Index(CI)作為指標(biāo)，該指標(biāo)以出行時間比為核心，反映實際出行時間比自由流情況出行增加的時間比例[9]。

第三，市政設(shè)施狀況。城市市政設(shè)施，如自來水的供應(yīng)設(shè)施、雨水管道、污水管道、供氣設(shè)施等一般都埋設(shè)于地下，是地下空間資源的一部分。開發(fā)城市地下空間需要考慮已有的及將來需要的市政設(shè)施。

第四，城市防災(zāi)需求。災(zāi)害主要分為自然災(zāi)害和戰(zhàn)爭災(zāi)害。自然災(zāi)害具有突發(fā)性和不確定性，因此對城市危害比較大；戰(zhàn)爭災(zāi)害在一定程度上具有預(yù)知性，可以提前做好準(zhǔn)備、減少損失，如防空洞的建設(shè)。城市的災(zāi)害防御是城市現(xiàn)代化建設(shè)不可忽視的重要任務(wù)，開發(fā)利用地下空間資源可以有效減輕各類災(zāi)害。

第五，地質(zhì)構(gòu)造。在地質(zhì)構(gòu)造中，褶皺和斷層破壞了原有巖體的整體性和完整性，對地下空間工程建設(shè)影響較大。褶皺核部因為長期受到水平圍巖的壓力，較易產(chǎn)生裂隙，破壞了巖體的完整性，降低了巖體強度。斷層的斷裂帶巖層破碎，巖體穩(wěn)定性降低，可能導(dǎo)致塌方。

第六，地形。在地形高低起伏較大的城市，如果地下空間出入口建在地勢較低的區(qū)域容易發(fā)生雨水倒灌，造成很大損失，因此將歷年雨洪淹沒深度和雨洪淹沒設(shè)防等級納入指標(biāo)體系。

第七，不良地質(zhì)與地質(zhì)災(zāi)害。我國是地質(zhì)災(zāi)害比較嚴重的國家，其中崩塌、地裂縫、地面沉降和地震對地下空間威脅較大，因此在地下空間開發(fā)時有必要將這些因素考慮在內(nèi)。軟土層的厚度也是影響地下空間開發(fā)的一個重要因素，存在較厚軟土層時會大大增加開發(fā)成本，特別是沿海和長江附近的城市軟土分布十分廣泛。南通是濱海城市，因此開發(fā)地下空間前考慮軟土層厚度十分必要。

第八，地下水是地下空間的重要環(huán)境影響物質(zhì)和生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)。地下水類型的復(fù)雜程度、埋深、滲透系數(shù)、入滲補給系數(shù)和腐蝕性等都會對地下空間的規(guī)劃布局和開發(fā)利用產(chǎn)生很大影響。同時，地下空間的開發(fā)也可能對地下水的運動起到阻礙作用，影響該區(qū)域的水循環(huán)，進而影響該地區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)。

第九，巖石和土體是城市地下空間的環(huán)境物質(zhì)和載體。由于巖石和土體的成分和形成環(huán)境不同，其工程性質(zhì)有很大差異。不同類型與質(zhì)量的巖土在開挖過程中難度不同，其要求也不同。例如砂類土具有透水性強、壓縮性低、壓縮速度快、內(nèi)摩擦角大、抗剪強度較高等特點，是開發(fā)地下空間的理想場所，但需要做防水處理。而粘性土具有壓縮速度慢、壓縮量大、內(nèi)摩擦角較小等特點，其地基承載力低，變形量大，不利于地下空間的開發(fā)。因此巖土類型與質(zhì)量對地下工程的整體安全性和經(jīng)濟性至關(guān)重要。

第十，隨著深度的增加，土壓力和水壓力也逐漸增大，工程地質(zhì)和水文地質(zhì)條件越來越復(fù)雜，地下空間的開發(fā)難度也越來越大。在進行地下空間開發(fā)之前需要查明該地區(qū)深度對應(yīng)力的影響。如果隨著深度增加應(yīng)力增加很快，則說明往深處開發(fā)的難度越大，投資越大，經(jīng)濟效益越低。

第十一，地下空間環(huán)境對地下空間的開挖和建成后的適宜性都有很大影響。因為地下空間是相對封閉的空間，其空氣流通性較差，高二氧化碳濃度可能對人體產(chǎn)生危害，不利于施工和建成后的利用。同時水土中的污染物含量和放射性強度也會對人體產(chǎn)生危害，因此查明水土中的污染物含量和放射性強度也是很有必要的。

四、權(quán)重的確定

前面已經(jīng)介紹，本文是用FAHP確認指標(biāo)的權(quán)重。使用此方法不僅可以提高權(quán)重的準(zhǔn)確性而且還能大大減少計算量。由文獻[10]可知模糊互補矩陣和模糊一致矩陣的定義和性質(zhì)[10]。

模糊層次分析法在確定指標(biāo)時步驟如下[11]：

設(shè)指標(biāo)集U={U1,U2,…,Un}，需要確定其權(quán)重向量w=(w1,w2,…,wn)。根據(jù)FAHP法，指標(biāo)間的重要性標(biāo)度如下頁表2所示。

表2 0.1-0.9標(biāo)度法

根據(jù)表2可得模糊互補矩陣：

(1)

其中，rij表示第i個指標(biāo)比第j個指標(biāo)的重要標(biāo)度。將矩陣R按行求和得：

R'=(r1,r2,…,rn)T

(2)

(3)

不論模糊互補判斷矩陣是否滿足一致性，都可以使用(3)式計算指標(biāo)權(quán)重[12]。

通過查閱文獻和專家打分的方法得到數(shù)據(jù)并計算結(jié)果，得到整個指標(biāo)體系的權(quán)重結(jié)果如表3所示：

表3 地下空間指標(biāo)體系與權(quán)重

續(xù)表

本指標(biāo)體系和其它指標(biāo)體系[13-15]相比具有如下優(yōu)勢[13-15]：

體系上，指標(biāo)體系更廣更全面，從社會經(jīng)濟條件和區(qū)域條件兩個方面建立框架，囊括了影響地下空間開發(fā)的主要因素，不僅可以評估地下空間開發(fā)的必要性而且可以評估開發(fā)的適宜性。準(zhǔn)則層選取對地下空間影響較大的因素，在確定指標(biāo)層時盡量選用可量化的指標(biāo)，提高評估的準(zhǔn)確性。

權(quán)重上，使用模糊層次分析法不僅可以提高定性指標(biāo)的評估準(zhǔn)確性而且可以大大減少計算量。在進行同一準(zhǔn)則層的指標(biāo)間對比時參考了相關(guān)文獻并咨詢了相關(guān)專家的意見，保證了權(quán)重的客觀、真實和準(zhǔn)確性。

五、南通市地下空間評估

南通市地區(qū)地勢平坦，地面高程一般在2.5-4米，向東微傾，上面覆蓋200-300米厚的第四紀沖積物，為海、陸交互沖積形成，砂性土、粘性土交互成層，由深到淺呈韻律狀組成，因此工程地質(zhì)條件和水文地質(zhì)條件較為復(fù)雜，本指標(biāo)體系重點關(guān)注地下空間開發(fā)中的工程地質(zhì)條件和水文地質(zhì)條件，因此以南通市為例較為合適。

要對某城市地下空間進行評估除了先建立一個指標(biāo)體系外還需要一個評估標(biāo)準(zhǔn)，具體可見表4。

表4 城市地下空間評估標(biāo)準(zhǔn)

續(xù)表

根據(jù)指標(biāo)體系和評估標(biāo)準(zhǔn)可以建立一個數(shù)學(xué)模型，計算的結(jié)果可以直觀反映城市地下空間開發(fā)必要性和適宜性。

(4)

其中，K表示總分；Xi表示第i個指標(biāo)權(quán)重；Yi表示第i個指標(biāo)的評分，評估等級劃分見表5。

表5 評估結(jié)果等級劃分

綜上，第一，南通市地下空間開發(fā)必要性評估。根據(jù)南通市2018年統(tǒng)計年鑒和相關(guān)資料可計算得知總分K為0.76，因此，南通市開發(fā)地下空間是非常有必要的。

第二，南通市地下空間開發(fā)適宜性評估。根據(jù)南通市鉆孔資料，用GMS建立一個三維地質(zhì)模型，對南通市0-50米深度地下空間進行評估，最后將評估結(jié)果輸入得到如下成果圖(圖1)。

圖1 南通市地下空間適宜性評估結(jié)果

在南通市范圍內(nèi)，適宜開發(fā)區(qū)面積約473平方公里，占5.75%，主要位于海安縣，該地區(qū)經(jīng)濟發(fā)達、地質(zhì)條件良好，可用于建設(shè)地鐵、地下街、地下停車場、地下商業(yè)娛樂區(qū)及地下公用設(shè)施等；較適宜開發(fā)區(qū)面積約4 844平方公里，占58.86%，主要位于如皋市、如東縣和啟東市北部，該地區(qū)經(jīng)濟發(fā)達但地質(zhì)條件一般，可用于建設(shè)地鐵、地下停車場、地下公用設(shè)施等；較不適宜開發(fā)區(qū)面積約1 287平方公里，占15.64%，主要位于南通市區(qū)、通州區(qū)和海門區(qū)南部，該地區(qū)經(jīng)濟發(fā)達但地質(zhì)條件較差，可用于建設(shè)地下人行通道等；不適宜開發(fā)區(qū)面積約1 625平方公里，占19.75%，主要為鐵路附近，根據(jù)《鐵路運輸安全保護條例》的相關(guān)規(guī)定，將鐵路兩側(cè)各50米的范圍劃分為不適宜開發(fā)區(qū)，不建議進行開發(fā)和建設(shè)。

六、結(jié) 語

總之，城市發(fā)展面臨或?qū)⒁媾R的人口增加，交通擁擠、地價上漲和環(huán)境污染等問題，使得地下空間的開發(fā)日益重要，但地下空間在開發(fā)中存在一些亟待解決的問題。為避免地下空間被無序開發(fā)和浪費，需要建立一套評估指標(biāo)體系來引導(dǎo)地下空間的合理開發(fā)。本文提出了構(gòu)建指標(biāo)體系的原則與方法，基于這些原則和方法構(gòu)建了城市地下空間評估指標(biāo)體系。其中著重考慮了工程地質(zhì)條件對地下空間開發(fā)適宜性的影響，其所占權(quán)重也最大。最后以南通市為例，結(jié)合其城市特點，考慮了軟土層厚度對開發(fā)適宜性的影響，并對其地下空間開發(fā)必要性和適宜性進行了評估。結(jié)果顯示：南通市開發(fā)地下空間非常有必要，開發(fā)潛力十分巨大，大部分區(qū)為較適宜開發(fā)區(qū)。