城市地下空間地質安全風險三維評價方法與實踐

王 睿，竇帆帆，李云峰，葛偉亞

（1.中國地質調查局南京地質調查中心，江蘇南京 210016；2.自然資源部城市地下空間探測評價工程技術創新中心，江蘇南京 210016；3.江蘇第二師范學院地理科學學院，江蘇南京 210016）

0 引言

目前我國已經進入了工業化時代，城市化擴張放緩、基礎設施更新和改造、精細化城市建設成為主要發展方向（馬力，2014）。在這個背景下，城市地下空間開發的重要性進一步被凸顯：其在優化城市空間利用，減少對地表生態系統的破壞；承擔交通、供水、排水等基礎設施的更新與升級；減少地表建筑密度，提升公共空間質量，提升城市居民舒適度；提升城市的抗災能力和安全保障水平；豐富城市的文化、商業和旅游資源，增加城市吸引力等方面發揮著不可替代的作用（程光華等，2019）。

然而當前我國城市，尤其是特大城市普遍面臨著區域地殼穩定性、地質災害、水資源供給安全和生態安全風險（衛萬順等，2018），而地下空間作為城市重要的基礎設施，蘊藏著地質風險。很多城市地質安全問題都會直接或間接地作用到城市地下空間，造成重大損失乃至直接威脅到城市正常運行。此外，廣泛的研究表明，人類活動是誘發城市地面塌陷等工程地質災害的重要因素之一（馮永，2009；張泰麗等，2011；蔡劍韜，2019），而地下空間的開發建設在其中占相當大的比例。因此，在后城市化階段的當前，識別與評價城市地下空間的地質安全風險，指導地下空間規劃與設計，對城市長久安全運營的意義是重大的。

本文通過總結城市地下空間地質安全風險的類型、地質誘因與核心評價指標，以及傳統二維評價的局限性，系統提出了一套城市地下空間地質安全風險三維評價的技術方法體系，并通過南京某地的實例進行分析討論。

1 城市地下空間地質安全風險概述

地下空間地質安全風險可以定義為：地下空間建設和運行期間受不良地質條件和作用威脅的可能性和嚴重程度（孫建平，2018）。以往學界對于地下空間地質安全風險這一概念的討論相對較少，重點關注的是針對地下空間建設時的開發適宜性、施工風險等（袁鋼等，2012；雷升祥等，2021）。然而，站在城市發展與長期運行的角度上來看，地下空間地質安全風險并不僅僅是建設過程中常見的基坑工程風險，還需要考慮長期性影響地下空間安全運營的地面沉降等問題，以及地下空間建設使用全周期本身對于地質安全風險擾動所引發的安全風險問題，例如地下水位水質的變化、管線滲漏引發的地面塌陷等。

1.1 城市地下空間安全風險類型

地下空間地質安全風險涉及活動斷裂、地面沉降、崩滑流地質災害、地面塌陷、其他不良工程地質條件、洪澇等多方面。

我國幅員遼闊，各類城市分布在不同的地貌區域內，具有不同地質背景和地質結構條件，在不同地區、不同地下空間開發形式與深度表現不同。

根據彭建兵等（2019）、程光華等（2019）等的研究成果，結合當前我國地下空間開發現狀（田野等，2020），把我國典型特大城市根據制約城市地下地質結構的地質條件、城市地下空間開發需求和潛力建立了城市地下空間地質結構與不良地質要素如下表1所示：

表1 典型城市地質結構與城市地下空間不良地質要素Table 1 Typical urban geological structure and undesirable geological elements of urban underground space （UUS）

不同的地質條件作用于不同深度地下空間可能誘發的潛在地下空間地質安全風險不同?？偟膩碚f，地質動力活動或地質安全風險異常變化是主要成因，其中地質動力活動主要包括地殼運行和地震等；地質安全風險異常變化以人類的地下工程建設活動改變原有地質安全風險且趨于不利方向發展為主。在多數情況下是二者協同作用引起的，地面塌陷、巖爆、坑道突水、突泥、砂土液化等地質災害主要是與工程不良地質、水文地質和地質構造條件復雜有關。

地下空間地質安全風險主要還包括地下承壓水突涌、砂土液化、因暴雨導致水土流失進而引發市政管線破裂和地表沉降、天然氣噴逸、地震等自然因素引起的災害，以及地下施工擾動等人為因素引起的災害。主要原因是地下地質條件不清、老化管線等人工構筑物情況和條件不明、設計施工方法不當等。城市地下空間地質災害與場地的工程地質、水文地質條件和可能采用的施工工藝、工法等緊密相關。

城市地下空間長期運營過程中的地質安全風險主要有地層坍塌、隆起、突涌、滲漏、變形、沉降等，與巖溶、采空區、地裂縫、斷裂帶、空洞、地下水、流沙、軟土等致災不良地質情況有關。

1.2 城市地下空間安全風險地質成因及影響模式

一是構造活動區域，斷層破碎帶工程性質較差，透水性強，在開發過程中容易引起地面沉降變形和涌水事故，在施工過程中遇到斷裂帶，會導致嚴重的塌方、涌水和泥石流等災害?；顢鄬涌赡苷T發構造地震，在飽和粉土、砂土區，地震導致砂土液化，施工過程中易出現基坑邊坡坍塌、隧道圍巖變形破壞，運營過程中易導致隧道和相關設施變形破壞。平原區隱伏活動斷裂兩盤的水平或垂直的移動都會對地下空間造成拉裂、變形甚至破壞，對于跨斷裂建設的地下空間，如地下隧道、重要市政管線、地下綜合管廊等，會造成極大破壞。在構造活動強烈的硬質巖中開發地下空間會積蓄高地應力，容易發生巖爆問題。

二是特殊土發育區，軟土普遍具有高含水率、高壓縮性、強流變性、觸變性和流動性，地基承載力低，易于壓縮變形，且沉降持續時間較長；在基坑和隧道開挖過程中，降排水和支護較為困難，基坑邊坡和隧道圍巖易變形破壞，同時還會引起周邊建筑物開裂、地面變形破壞。液化土層（砂土）經歷短暫的震動過程會完全喪失抗剪強度和承載能力，給地下工程建設造成十分不利的影響。在卵礫石層中開挖基坑和隧道時，容易產生塌落、坍塌、涌水。

三是有害氣體發育區，氡氣屬于放射性氣體，常沿斷裂、破碎帶等地質薄弱部位富集，并沿這些部位由地下深部向大氣擴散，可沿各種縫隙進入地下空間，達到一定濃度，會對人體造成傷害。汞氣在土壤中普遍存在，如果地下汞的含量超標，對地下空間的開發同樣不利。地下淺層氣在開發過程中如果遇到泄露，達到一定濃度會引發火災事故。

結合上述研究成果，與地下空間開發及運營中易發的災害類型（陳志龍，2023），本文系統歸納了地下空間地質安全風險類型及地質成因，如下表2所示。

表2 地下空間地質安全風險類型及地質成因Table 2 Types of UUS geological safety risks and geological origin

以江蘇省城市為例：自2015年以來，江蘇省地下空間的地質災害呈現了先減少后增加的趨勢。主要表現為地面塌陷、坑道突水、突泥和砂土液化等情況。這一現象的主要原因是江蘇省內南京、無錫、徐州、蘇州等城市大力推進地下空間的開發利用，特別是地下軌道交通、綜合管廊和大型地下綜合體的建設。工程建設不可避免地面臨各種復雜地質條件，特別是易發生地質災害的砂土和軟土等情況。此外，2015年中央政府強調加快推進地下空間開發利用，提高城市地下空間資源利用率，導致2016年地質災害次數上升。然而，隨著人們對地下空間使用安全意識的增強和預防措施的完善，到2018年全國地下空間地質災害發生逐年減少。自2019年開始，以地鐵為主導的城市軌道交通迅速發展，帶來了新一輪地下空間地質災害發生次數的增加。

地面沉降和塌陷曾是江蘇省最大的地下空間地質安全風險，尤其是在蘇錫常地區和蘇北沿海平原區。主要原因是江蘇省復雜的地下水文地質條件和地下水開采活動共同作用。到2016年底，江蘇沿海地區200 km2以上的沉降面積達1.4萬km2，最大沉降量超過700 mm。但自2016年后，隨著多年來地下水禁采工作逐步推進，江蘇省地面沉降速率顯著減緩，甚至出現了一些地區地面抬升的情況。地下水位開始回升，超采區域大部分地區的地下水位回升至限制采水位，對地下空間地質安全風險起到了很大的減緩作用。所以地下空間地質安全風險的識別是動態、發展的。

2 城市地下空間地質安全風險三維評價方法

隨著地下空間地質調查評價工作的進一步推進，對地下空間資源三維立體化、精細化利用已成為當前的重點。由于地下空間地質安全風險處于一個復雜的系統，因此評價需要全面考慮多種指標要素的影響。只利用單指標要素進行地下空間地質安全風險評價并不是最為合理的評價方式，建立起多元多維數據的融合模式，深入挖掘數據間內蘊的特征和聯系，基于更多知識儲備和科學依據對地下空間地質安全風險質量與數量進行更為詳細地分析與評價，應當成為當前城市地下空間地質安全風險評價研究工作的總體思路。

現階段，由于以往技術條件限制，當前的地下空間地質安全風險評價研究主要集中在二維環境下開展。其實現過程通常是將地下空間體積按照開發深度層次劃分為三到四個垂向部分，然后基于二維GIS平臺并以采用平面柵格或矢量單元為載體，結合水文、工程等二維多元信息從不同深度整合各種評價要素的特征值，運用一定的綜合評價模型以二維平面模型（圖層形式）參與最終評價結果的計算，其全過程完全基于二維環境下開展（Zhou et al.， 2019；江思義等，2019；秦品瑞等，2019；蔣杰等，2021）。

然而，地下空間地質安全風險評價實際上是一個將三維空間對象基于三維評價單元提取數據信息，并經分析后再三維可視化表達的復雜過程?；诙S平面空間的地下空間地質安全風險評價將地下空間劃分為多個層位，并按照不同層位進行“切片式”評價的方式忽略了評價中所需的地質信息、地下構筑物等多元信息在空間上具有三維屬性的特征，具有三維屬性的評價數據被投影至二維平面空間會損失大量的三維信息，顯著影響評價結果的精細程度，并且其最終評價結果僅具有平面成果，深度方向分辨率太低則影響評價結果的實用性和應用范圍，具有很大程度的不確定性，因此無法滿足未來地下空間的立體精細規劃和開發需要。因此，隨著計算機三維技術的發展與前人研究的積累，城市地下空間地質安全風險評價研究工作逐步從二維轉向三維（李鵬岳等，2021；譚飛等，2021；田聰等，2021；吳立新等，2022），國內外部分專家學者已開始探索結合三維GIS、空間信息技術、三維地質建模技術以及一定的綜合評價模型開展地下空間地質安全風險定量評價研究，近年來在國內外也均取得了一定成果，并不斷加強相關研究與實踐（Hou et al.， 2016；葉菁等，2016；方寅琛等，2017； Dou et al.，2021， 2022；薛濤等，2021；奚悅等，2022）。

考慮到地下空間地質安全評價研究的復雜性以及涉及領域的廣泛性，本文針對其中涉及的關鍵方法技術進行介紹。

2.1 三維地質建模

城市地下三維地質模型不僅作為地下復雜地層結構的客觀反映，也是本文進行后續三維評價指標體系構建、三維空間分析和定量綜合評價等環節的重要載體。因此，可動態更新的高精度城市地下三維地質模型是進行有效地下空間地質安全風險三維定量評價的前提條件。而高精度的三維地質模型的構建離不開合理的建模方法，現階段眾多三維地質建模方法可大致分為基于輪廓線的顯式三維地質建模方法以及近年來發展成熟的基于插值等勢面的隱式三維地質建模方法。

基于輪廓線的顯式三維地質建模方法在城市三維地質建模早期占據主導地位，涌現了如Surpac、Micromine、3Dmine、Datamine等優秀的顯式三維地質建模商業軟件，并發展了多種針對不同數據源的顯式地質建模方法。然而，這類方法一方面在地下多元數據融合方面均較為有限，很難將不同方向、不同類型、不同范圍的多元數據同時用于地下復雜結構模型構建。另一方面，當建模完成后需要加入新的鉆孔或地質（解譯）剖面數據時，即便是針對較小范圍的地質結構進行更新，顯式地質建模過程都需要針對整個或部分區域重新進行，大量重復性人機交互操作費時費力，嚴重影響了地質建模的實際應用效率。

近年來，一種可以將觀測數據和地質知識結合在一起，采用“隱式”途徑建模的方法得到了長足的發展。由于該方法通過一個隱式函數的等值面建立地質界面，即在三維標量場中以地質年代序列作為基礎，以地質、地球物理推斷界線和產狀作為幾何約束追蹤網格或四面體網格獲得的一系列等值面代表地質界面，所以稱之為隱式界面建模方法（Hillier et al.， 2014）。經過十余年的發展，隱式三維地質建模相關方法逐步發展成熟，目前已能夠較好地滿足數據的動態更新、多元數據融合等需求，也能夠在少量地質觀測數據約束下對三維地質模型進行構建，并且建模結果合理準確，因此越來越受到地質工作者的關注（Vollgger et al.， 2013）。

目前，常見的基于地質知識的隱式三維建模軟件有EVS、Geomodeller、GIS3D、Leapfrog等，其中性能最強也最為成熟的軟件是由美國C Tech公司適用于地球科學領域的高級可視化分析工具開發的EVS隱式三維地質建模軟件。該軟件可以充分利用多種地質觀測和解譯數據，數據種類包括鉆孔編錄、數字高程模型、平面圖、地質（解譯）剖面、遙感圖像等。該方法軟件不必拘束于地質數據的方向、尺度和方位，其內含的建模方法能夠融合大量多尺度、多元地質信息進行三維地質建模，也能夠在少量地質觀測數據約束下對三維地質模型進行構建。其主要流程包括構建地層層序、鉆孔數據轉化、創建三維地層模型、創建三維屬性模型等，建立的模型能夠真實反映了地質構造形態、構造關系及地質體內部屬性變化規律，對于尖滅、透鏡體、斷層及溶洞具有很好的處理能力。EVS三維地質建模軟件目前已被廣泛應用于地下空間及其相關領域（楊云峰，2020；周念清等，2020；劉順昌等，2021；蘇學斌等，2021）。將該軟件的相關地質建模功能應用于針對城市地下空間復雜地質安全風險開展三維地質建模工作，具有十分良好的發展前景。

2.2 三維評價指標體系構建

相比傳統的二維評價指標體系，在三維地質模型融入評價過程的支持下，三維評價指標體系最顯著的特點是可以考慮更多的評價指標來更好地描述地下空間復雜的地質安全風險，充分反映地下空間中復雜地質安全風險的三維空間結構特征和屬性特征，如地質體的空間結構特點、軟硬差異界面特征、上下伏土體的工程地質特征等，也進一步豐富地下空間地質安全風險評價結果的內涵。地下空間地質安全風險三維評價指標體系的一般流程包括：

三維評價指標識別與機理分析：首先明確地下空間地質安全風險所評價的內容與目標。不同的評價內容和評價目標，其構建的評價指標具有一定的差異?；诖?，需要對評價對象進一步開展深入系統地綜合分析和挖掘，梳理其特點、關鍵問題、影響因素的作用機理及其彼此之間的聯系等。然后在大量搜集和整理國內外相關的評價指標基礎上，基于三維視角從共性和特殊性的角度對評價指標進一步歸納總結，按其內在因果、隸屬等邏輯關系進行目標分解，并對分解產生的各層次目標確定相應的評價指標，建立多層次多方面的評價指標體系。

三維評價指標初選：根據已歸納的評價指標體系和評價指標構建原則，利用三維地質模型初步分析評價區內地下地質情況并對地下空間開發關鍵地質層組進行有效識別，同時結合研究區實際背景特點并綜合專家的經驗與知識，初步構建符合研究區實際特點的三維評價指標體系。

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三維評價指標體系篩選與優化：采用數理統計、數據挖掘等方法對已初選的評價指標體系進一步篩選，并綜合運用剔除、合并、替換等方式進行優化設計，對三維評價指標體系進一步修改完善。

三維評價指標量化分級：針對地質要素三維空間分布特征及其對地下空間開發利用的影響，結合現有相關規范標準和實際工程經驗，并參考周邊城市地下空間相關研究成果進行定性或定量三維評價指標的分類量化。

2.3 三維空間分析

空間分析是從空間數據中獲取有關地學對象的空間位置、分布、形態、形成和演變等信息的分析技術，其主要基于空間數據和空間模型的聯合分析來分離挖掘空間目標的潛在信息。在地下空間地質安全風險評價研究中，以往傳統的空間分析方法主要針對于二維空間，主要采用平面柵格或矢量數據結構開展相關分析計算。由于運用較早，其在方法技術上也較為成熟。這些方法主要包括疊加分析方法（Makana et al.，2016）、地形分析方法（劉家男等，2021）、插值分析方法（蔣杰等，2021；李鵬岳等，2021）等。而針對三維環境下的空間分析方法則有較大不同，其在數據結構上主要采用規則六面體的三維柵格數據結構開展評價信息的定量提取，空間分析方法也較為簡單，目前主要包括針對土工試驗、地下水監測等離散點數據的三維空間插值方法（薛濤等，2021）、用于描述評價指標要素影響范圍及程度的三維距離場分析方法（葉菁等，2016；Hou et al.， 2016）以及用于地下空間潛在資源量計算的三維布爾運算分析方法（方寅琛等，2017）等。

三維空間分析作為充分融合、分析和挖掘三維地質模型等多元數據內蘊信息的重要手段，為地下空間地質安全風險三維定量評價提供了更多的評價信息支撐（Dou et al.， 2021）。從三維的角度定量描述城市地下空間開發與地質安全風險的相互制約關系，將直接決定著地下空間地質安全風險三維定量評價工作的成敗。

三維空間統計分析可以深入了解地下關鍵地質要素屬性特征的變化規律和復雜程度（竇帆帆等，2021）。本文的三維空間統計方法包含有三維地質體深度分析、三維地質體厚度分析以及三維地質體復雜度分析法等。主要涉及用來針對垂向深度方向上地質層組單要素評價復雜度、下臥軟土（硬土）層厚度、含水層厚度等的空間統計計算。

三維地質體表面分析主要用于定量分析三維地質體表面形態，獲取三維地質體表面特征的基本形態及參數。主要包括三維坡度分析、三維起伏度分析、差異地質界面分析等。

針對距離影響特征的不同，三維空間距離分析可分為三維距離場分析和三維拓展分析兩種。三維距離場分析是定量化地獲取目標對象對周邊環境影響范圍和程度的重要分析手段。在實際的地下空間開發利用中，活動斷裂、含水層、不良地質體等評價指標在一定距離影響范圍內往往制約著地下空間開發的難度和規模。對于某些評價指標要素，運用三維距離場分析并不能很好地描述其影響范圍或特征，例如地形坡度對于一定垂向深度范圍內的地下空間開發產生的影響描述。因此需采用一種能夠刻畫和度量上述距離影響特征的方法。針對上述情況，本文采用三維拓展分析方法將特征塊體單元的數值在三維空間中按照一定規則賦予其他塊體單元。

三維空間插值方法主要基于三維離散點數據，通過對相關數據的空間結構和分布規律進行相應分析，以已知數據為基礎實現對未知位置屬性的預測。地下空間空間插值屬性數據的主要來源有土工試驗以及地下監測數據等。

結合前人研究成果及上文的評價指標體系和三維空間分析方法，本文系統建立了城市地下空間地質安全風險評價指標及方法，如下表3所示。

表3 城市地下空間地質安全風險評價指標及方法Table 3 Indicators and methods for geological safety risk evaluation for UUS

2.4 綜合評價模型

綜合評價模型是指通過將多個評價指標值“合成”為一個整體性的綜合評價值的數學模型或算法，由評價指標賦權模型和評價數學模型兩部分組成。由于不同城市地區在評價環境上存在一定差異，各種綜合評價模型的特點及適用情況也各不相同，因此進行評價時尚未有固定搭配的評價指標賦權模型和評價數學模型，具體綜合評價模型的選擇應根據評價目標、指標特性及研究區實際背景特點等方面靈活選取。

2.4.1 評價指標賦權模型

在地下空間地質安全風險評價中，評價指標權重是對各評價指標間相對重要程度的一種衡量，直接影響著評價結果的準確程度。如何更好地確定指標權重一直是國內外相關學者研究的熱點?，F階段國內外以層次分析法、專家打分法（德爾菲法）及其結合為代表的主觀賦權方法在指標賦權方法上占據大多數，比例高達83%，例如，江思義等（2019）結合專家打分與層次分析法對影響桂林市地下空間開發利用適宜性的地質安全風險指標進行權重的計算。同時，一些學者采用傳統熵權法、粗糙集法等客觀賦權方法對評價指標權重進行了分析計算，例如，黃靜莉和王清（2015）根據粗糙集理論對長春市地下空間巖土體屬性進行了重要性評估并獲得了相應權重。此外，隨著研究的不斷深入，簡單的組合賦權方法（馬邦闖等，2020）和變權賦權方法（何陽等，2021）也開始出現在地下空間地質安全風險評價指標賦權實踐中，地下空間地質安全風險指標賦權方法體系已逐漸形成了多種類的指標賦權方法。

2.4.2 評價數學模型

近年來，國內外眾多專家學者圍繞地下空間地質安全風險評價數學模型開展了富有成效的研究。綜合指數法、模糊綜合評判法、灰色關聯分析法以及可拓法等諸多模型已相繼應用于多個城市或地區的地下空間地質安全風險評價，其中綜合指數法與模糊綜合評價法比例最高。上述兩種模型由于其模型較為簡單、計算便捷，因此在國內外得到廣泛應用。例如，眾多專家學者基于綜合指數疊加方法，分別開展了蘇州、成都、西安、廣州、濟南、三亞、銀川、昆明、伯明翰等城市地下空間地質安全風險評價；基于模糊綜合評判法分別評價了北京、武漢、南京、合肥、長沙、溫州、寧波、南寧等城市地下空間地質安全風險質量。此外，胡寧（2012）運用可拓法評價鄭州市地下空間開發利用的適宜性并提出了相應合理對策；葉菁等（2016）結合可變模糊集方法，對佛山市東平新城進行地下空間資源質量評價，有效降低了評價等級人為劃分的不確定影響。蔣杰等（2021）采用灰色關聯分析法對南昌市地下空間開發的地質適宜性開展了評價研究，為其地下空間規劃的編制提供了相應的技術支撐。

3 案例研究

3.1 研究區概況

南京江北新區研究區位于長江西北側，總面積200 km2。地勢向西北逐漸升高。第四系松體分布廣、層厚大，呈內疊式、交錯式或超覆式沉積，發育2～3個沉積旋回?？蓜澐?5個工程地質層。區內特殊土體主要為易液化砂土、軟土、富水砂礫石層。

區內淤泥多呈流動-流塑狀態，不能承受較大的荷載，具有低強度、高含水率、高壓縮性等不良工程特性。土層厚度大、分布廣，和砂土構成極不利的工程地質剖面結構。透水砂土則以松散為主，富含地下水，易液化，是主要含水層，透水性較好?；娱_挖排水改變地下水流場時，飽和松散粉細砂易于產生流砂、管涌現象，誘發地面沉陷。同時，卵礫石層富水性高，卵石粒徑5～20 cm，成分以石英為主，未盾構掘進的不良地層。

南京江北新區作為南京市內重點開發與規劃建設區域，未來發展潛力巨大，因此研究區的地下空間開發利用將會進一步滿足未來城市發展需要。然而，研究區地質結構較為復雜，地下空間開發利用受到地質條件優劣的制約，易液化砂土、軟土、富水砂礫石層等不僅給地下工程建設帶來許多難題且容易產生災害性的環境巖土工程問題。

對于地下空間開發主要的潛在風險為：

① 軟土導致的基坑變形風險；

② 施工降水導致的地面沉降風險；

③ 粉土層基坑流砂管涌風險；

④ 富水砂卵石層隧道掘進卡刃風險；

⑤ 粉土層管線滲漏導致的地面塌陷風險。

3.2 三維地質模型構建

結合EVS三維地質建模軟件建模流程，以研究區內工民建、地質調查等鉆孔資料、平剖面地質圖件等多元地學數據為基礎，完成區內高精度三維地質結構模型構建（圖1，縱向放大比例為20倍）。

圖1 研究區地層結構模型Fig.1 3D stratum model of the study area

3.3 地下空間地質安全風險要素表征

針對江北新區實際地質背景，研究構建了區內地下空間地質安全風險三維評價指標體系，并采用自主開發的城市地下空間地質安全風險三維評價軟件（竇帆帆等，2021）中的多項空間數據分析方法對三維評價要素進行了提取。圖2為采用三維表面分析方法計算的區內軟土層標高。圖3為采用三維距離場分析方法計算的軟土層影響范圍。

圖2 研究區內軟土層標高Fig.2 Elevation of soft soil layers in the study area

圖3 研究區軟土層影響范圍三維距離場Fig.3 3D distance of soft soil layers in the study area

3.4 地下空間地質安全風險三維評價

基于提取得到的三維地質安全風險要素表征信息，研究利用層次分析法和多級指數疊加法及不同空間算法對多元地學數據進行融合，針對不同評價對象定量計算了區內三維地質安全風險程度，并依此對其進一步分析。

（1）承災體為工程基坑的地質安全風險三維評價

基于現有地下空間開發的建筑及深度數據進行三維拓展分析，得到江北新區地下空間開發密度評價結果（圖4）。

圖4 研究區地下空間開發密度三維評價結果Fig.4 3D evaluation results of UUS development density of the study area

綜合地下空間開發密度與不良體質體對于基坑的影響機制，通過屬性模型節點運算計算出基坑地下空間開發地質安全風險結果（圖5）.

圖5 研究區內基坑地下空間開發地質安全風險三維評價結果Fig.5 3D geological safety risk evaluation result for foundation pit UUS development of the study area

（2）承災體位為隧道的地質安全風險三維評價

綜合地下空間開發密度與不良體質體對于隧道的影響機制，通過屬性節點運算可計算出隧道地下空間開發地質安全風險結果（圖6）。

圖6 研究區隧道工程地質安全風險三維評價結果Fig.6 3D geological safety risk evaluation result for tunnel engineering geology of the study area

在模型評價結果的基礎上，可以通過模擬隧道選線，疊加地質結構模型，對于潛在的地鐵線路進行推演評價（圖7）。

圖7 布爾運算所得到的模擬隧道選線風險性三維評價結果Fig.7 3D riskiness of simulated tunnel routing obtained by Boolean operation method

上述結果充分顯示本文歸納的地下空間地質安全風險三維評價方法流程能夠較好地應用于地下空間地質安全風險三維定量評價工作。本文獲得的評價結果具有三維屬性，可以方便獲取任意空間位置和區間的地質安全風險綜合評價結果，更好地查看和分析地下空間內部的地質適宜性變化特征，并且通過三維空間分析功能更易于各指標要素的三維評價信息的挖掘。因此相對傳統平面二維評價結果具有更好的精度和實用性，表現也更加直觀，適合城市地下空間的立體規劃和評價，能有效地為地下空間規劃提供詳細的評價結果和依據，節省開發成本以及降低開發風險。

4 結論

針對城市地下空間地質安全風險三維評價的實際需要，本文通過融合多種定量化的三維方法技術，建立了一套較為完善的城市地下空間地質安全三維評價方法及流程，并以南京江北新區作為實例開展了地下空間地質安全風險三維評價的研究工作，取得了如下幾點主要結論：

（1）本文基于地質數據具有的三維屬性，從三維視角建立了城市地下空間地質安全風險三維評價方法體系，為相應城市地區開展地下空間地質安全風險三維評價提供方法流程。

（2）本文以南京江北新區為研究實例，基于所建立的三維評價方法體系，完成了區內地下空間地質安全風險評價結果的計算。實例評價結果顯示其能夠有效指導三維空間統籌地下基礎設施的布局，提升地下基礎設施對地質風險的防御能力。

附中文參考文獻

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