廈門地質大數據在地下空間規劃評價中的應用

王麗芳

（福建省廈門地質工程勘察院，廈門 361008）

城市地下空間為城市規劃范圍內地表以下的空間。開發利用城市地下空間指在一定時期，基于現有經濟技術，為改善城市環境空間、城市功能容量，而在地表以下進行的生活、工程、生產等項目活動［1］。

廣義上的城市地下空間可分為兩類：其一為戰爭屏障，即為抵御戰爭以減少戰爭傷亡或降低戰爭損失而筑建的大量城市地下掩體，如地下防空洞，地道等；
其二為本文探討的重點，即為改善城市環境功能而修建的工程，如地下商業街，地鐵等。

就第二類地下空間開發利用而言，19世紀中葉英國倫敦建成了世界上第一條地下鐵路工程可作為其起步的標志。隨后在美國、德國、日本等相繼開展城市地下空間開發利用工程［2］。由于日本在地域上具有地狹民豐的特殊性，使得該國在其主要大城市修建了眾多地下鐵路、地下商場、地下街道、跨海交通隧道工程及各種配套設施，建設規模和技術水平已居世界領先地位；
美國雖然幅員遼闊，但其城市密度高度集中，地面空間相對拮據，該國也開展了大規模地下工程建設：道路、商場、文化娛樂館廳、大型供排水系統等。

我國人口密度較大，經濟也正處于快速發展時期，城市建設日新月異［3－7］。由于城市經濟的發展與城市化進程的加速，我國也出現了城市空間容量嚴重不足、城市交通極端擁堵、城市環境日漸惡化、城市土地過度升值等問題，而這些問題都已成為社會經濟發展的攔路虎［8］。為解決城市發展必要性與發展誘發問題突出性地嚴峻矛盾，城市發展需逐漸拓展地下空間，且城市地下空間也能提高城市的總體防災能力［9］。

自20世紀90年代開始，我國不少大城市開展了大規模的地下空間開發工作［10］。同時，北京、上海、廣州及杭州等城市也已在20世紀初規劃了其地下空間的開發利用，能有效指導其地下空間的開發利用［11］。這一系列的工程實踐都為其他城市地下空間的規劃、勘查、設計、施工及管理積累豐富經驗。

廈門市土地面積狹小，且人口密度大，也遭遇了如前文所述的問題和麻煩。為了集約利用城市土地、改善城市交通、美化城市環境、提高城市防護能力（廈門為海防前線）、滿足城市特殊需求，廈門市開展系統的地下空間規劃工作顯得十分必要。雖然廈門市地形地貌復雜，但其地處少地震地帶、且無大的地下溶巖、暗河等；
現階段地下工程技術日臻成熟，也為地下空間規劃的開展提供了強有力的技術支撐；
廈門市人均GDP已超2萬美元，具備地下空間開發的經濟基礎［12］。

2.1 廈門地質背景

廈門市地處我國東南沿海，福建省東南部，九龍江北岸的沿海部分，背靠漳州、泉州平原，瀕臨臺灣海峽，面對金門諸島與臺灣寶島和澎湖列島。城市所在地地貌復雜，主要由構造侵蝕中低山（低山）、侵蝕剝蝕丘陵（低丘）、臺地和堆積沖積階地（洪積扇，沖海積三角洲）與風積砂丘砂垅。廈門市由陸地和島嶼（島嶼星羅棋布，共有大小島嶼、巖礁52個）兩部分組成，地勢總體由北西向南東傾斜。廈門市為地形地貌、地層巖性及地質構造均較復雜的沿海城市。其第四系軟土分布廣，厚度較大，地質結構復雜。開展地下空間工程難度較大。

2.2 廈門地質大數據發展

地質工作是城市建設中的一項重要的基礎性工作，新時代地質工作的服務方向、指導理論和發展動力發生了轉變。發展動力由主要依靠承擔項目向主要依靠科技創新和信息化建設轉變。建設既有“面子”又有“里子”的智慧城市，對地質工作提出了新的、更高的要求。地質大數據平臺是地質成果集成和應用的載體。

2008～2013年，廈門市人民政府與中國地質調查局合作開展了廈門城市地質調查工作，構建了包含城市地質數據庫、三維地質模型、地質信息管理與服務系統等三大部分內容的“廈門三維地質信息管理與服務系統”，并自2013年起，每年對該系統平臺進行更新，對數據庫進行了補充，對三維模型進行了局部更新［13］。

2019～2021年，福建省地礦局和地方配套共出資建設廈門地質大數據服務平臺，對地質數據進行全面整合，開發相關分析評價功能；
以馬鑾灣新城規劃片區為例，實現標準化地質產品動態生成和實時服務；
對接廈門政務云平臺，探索將地質成果融入廈門市地下空間規劃建設、利用與保護全過程管理的應用路徑。廈門地質大數據平臺充分利用云計算、物聯網、大數據等現代信息技術，重構“地上建筑＋地下構筑物＋地質體”地上地下一體化三維模型，實現地質產品動態生成與實時服務。助力地質工作為構建協調發展的城鎮格局、促進城市綠色、低碳、循環、安全、集約、智慧發展提供高效的技術支撐和高質量的解決方案。

2.3 廈門地質大數據成果

地質大數據庫將作為本項目工作的重要數據來源。包括：地理數據庫、野外調查原始資料數據庫、綜合成果數據庫等內容。廈門城市地質數據庫內容涉及基礎地質、工程地質、水文地質、地質災害、礦產地質、地熱、海岸帶類型、生態地球化學等諸多學科方面的內容，數據總量達500G。包括各專業的基礎圖件500多幅，地質鉆孔10萬余個，巖石和土體力學測試指標近75萬條，地下水水質監測數據1 000余條等，構建了廈門地區地質數據電子檔案館，較好地對珍貴的地質數據進行了分類匯總、保存與管理。廈門地質大數據服務平臺經過數據庫資料的不斷充實，三維模型的局部更新，以及對外發布平臺的構建，已經在諸多方面得到良好的應用：如為軌道交通1～10號線，保障房地鐵社區等重點工程，為“廈門市資源環境承載能力評價與預警”專項規劃研究等提供基礎數據與資料的查詢；
建立了地質資料的社會共享平臺，并推動了地學科普事業的發展，使自然資源理念逐漸深入人心。

3.1 廈門城市地下空間規劃開展的基礎

廈門市已具備開展城市地下空間規劃的基礎?；谟械刭|大數據地下空間基礎信息，提高基礎信息使用率，同時，積極開展地下空間適宜性調查、勘探、評價，為合理開發利用提供必要的地質支撐和科學保障。

第一步：整合廈門地質大數據現有地質資料與資源數據

統一標準，整理多年來由城建工程與地下工程而積累的地質結構與資源數據，以求達到資源充分利用。

第二步：通過區域地質測繪，進一步完善基礎地質資料

基于資料整理結果，對精細度及三維可視度都不能滿足規劃要求的部分進行大比例尺區域地質測繪，完善基礎地質資料。對重點地區在原有資料基礎上補充勘探。查明工程地質條件、水文地質條件、環境地質條件，為建立三維立體模型提供基礎。

第三步：用淺層地震、普通電磁法和深層電磁法等查明構造斷裂

構造斷裂是影響地下工程安全至關主要因素，故需重視之。除采用地面測繪、鉆孔資料外，還需用反射地震和電磁勘探等工程物探方法進行尋找、驗證構造斷裂，摸清區內構造斷裂的分布規律，評價區域穩定性，避免重大工程建設的決策失誤，大大地減少重大工程投資風險及人民生命安全和財產損失。

第四步：建立城市地質三維可視化模型

地下空間規劃的結果需要借用可視性較強三維信息進行展示，由傳統紙質介質向數據庫三維可視化顯示系統轉變，詳見圖1所示。將區內巖土層結構、相關物理力學參數、水文地質參數、構造斷裂等轉化為三維立體模型，通過模擬開挖功能，了解開挖過程中的工程地質條件、水文地質條件、斷裂發育程度、巖土層性狀等，實現實用性、通俗性、專業性相結合，實現文、圖、像、表相結合，靜態成果與動態成果相結合。

圖1 城市規劃成果三維地質視圖（地層巖性）

3.2 廈門地下空間開發利用分層評價

基于廈門地質大數據調查結果，對廈門市地下空間開發利用分3個層次進行評價，即淺層（0～10 m）、次淺層（10～30m）和深層（30～50m）。同層次地下空間開發利用可能遇到的工程地質問題不同，其中，淺層和次淺層在地下空間開發過程中可能遇到的主要工程地質問題包括砂土液化、軟土震陷、沉降變形、滲透變形、地基承載力、基坑穩定和圍巖穩定等，深層在地下空間開發過程中可能遇到的主要工程地質問題僅包括地基承載力和圍巖穩定。具體的區域分層評價結果如下：

3.2.1 淺層地下空間開發利用評價

淺層砂土液化嚴重區主要分布于同莊－同安孔廟一帶，其他地段均不產生液化；
軟土震陷嚴重區主要分布于海滄區東嶼村－滄虹路、集美區政府、西柯鎮西洲路一帶，這些區域附件一定范圍為震陷程度中等或低，其他區域均為非震陷區；
沉降變形嚴重區分布較零散，主要分布于沿海一帶的海灣和同莊－同安孔廟一帶，其他第四系覆蓋區域絕大部分為沉降變形中等，島內萬石植物園、狐尾山、仙岳山以及廈門市西側和北側為沉降變形低等分布區；
滲透變形嚴重性區域主要分布于海滄區樣路村、西柯鎮西洲路一帶，其他地段滲透變形均不大或不產生滲透變形；
基坑穩定性低的區域主要分布于同安區丙洲村，其他沿海地帶零星分布，面積小，其他地段第四系覆蓋區域基坑穩定性較高，廈門市北側山區和島內山區基坑穩定性均較好；
圍巖穩定性分布規律與基坑穩定性類似；
地基承載力低的區域主要分布于翔安區內與同安區行政交接帶附近。

3.2.2 次淺層地下空間開發利用評價

次淺層砂土液化嚴重區分布較零散，總面積很小，主要位于沿海以及同安區河流一帶，翔安區東南端區域液化程度較低，其他地段均不產生液化；
軟土震陷嚴重區主要分布于海滄區東嶼村－滄虹路、浦林村、集美區政府、西柯鎮西洲路一帶，翔安區東南端區域軟土震陷較低，其他區域均為非震陷區；
沉降變形嚴重區分布較零散，主要分布于浦林村、同安孔廟一帶，島內也有零星分布，其他第四系覆蓋區域絕大部分為沉降變形中等，島內部分區域及廈門市北側山區為沉降變形低等分布區；
滲透變形嚴重性區域主要分布于海滄區興港路－海滄大道、浦林村、同安孔廟－月龍一帶，島內也有零星分布，翔安區東南側滲透變形程度低，其他地段均不會產生滲透變形；
基坑穩定性低的區域主要分布于浦林村、頂厝一帶，集美、同安和翔安大部分區域以及島內北東側基坑穩定性較高，其他地段基坑穩定性均屬于高；
圍巖穩定性低的區域分布較少，海滄區南側、集美區靠近海滄區一帶及其沿海地帶、翔安區東側和南側等區域圍巖穩定性較高，其他大部分地段圍巖穩定性高；
地基承載力低的區域主要分布于同安區新民鎮、翔安區老鼠嶼、后樹等地，廈門市南側除島內山區、海滄區西側部分區域承載能力高外，其他承載能力中等區，廈門市北側地基承載力均屬于高。

3.2.3 深層地下空間開發利用評價

深層主要為穩定性較好的圍巖，該層區域基巖較堅硬，開發利用成本較高，進度較慢，目前整體開發較少。深層圍巖穩定性低的區域主要分布于廈門市政府、海滄大道、西柯鎮和翔安區老鼠嶼一帶，穩定性程度較高區域零星分布，絕大部分區域穩定性程度高；
地基承載力低的區域主要分布于浦林村一帶，承載能力較高的地段零星分布，其他地段承載能力均高。

3.3 適宜性分區評價方法

建設場地適宜性分區評價從其工程地質條件、構造地質條件、水文地質條件、巖土體工程地質特性與場地不良地質作用進行適宜性評價，選取斷裂帶、孤石發育、砂土液化、軟土震陷、水文地質條件復雜程度、場地環境和地質復雜程度、隧道圍巖分級為主要評價指標，按下表“表1適宜性分區評價指標及計算方法”計算出加權得分，然后對照“表2適宜性分區劃分表”對適宜性進行分區。

表1 適宜性分區評價指標及計算方法

表2 適宜性分區劃分表

3.4 具體案例適宜性分析

以廈門軌道交通3號線為例，介紹地質大數據在地下空間規劃評價的應用。

廈門軌道交通3號線，大概規劃線路詳見圖2，是廈門城市中心向東放射的軌道交通骨干線，構建了本島與翔安區的快速跨海連接通道，連接了思明、湖里和翔安3個區，起于本島廈門火車站，止于翔安蔡厝，正線全長26.5km，共設置21座車站。

圖2 廈門軌道交通3號線示意圖（來自百度地圖）

基于地下空間規劃成果，利用上述的適宜性分區評價方法進行評價，適宜性分析成果見表3。

表3 地鐵3號線建設場地適宜性分區表

分析結果表明，地鐵3號線建設場地適宜性好的累計里程為5.36 km，約占線路總里程的19.41%；
適宜性較好的累計里程為10.48km，約占線路總里程的37.96%；
適宜性較差的累計里程為6.18km，約占線路總里程的22.38%；
適宜性差的累計里程為5.59km，約占線路總里程的20.25%。地鐵3號線建設場地適宜性評價以適宜性較好為主。

以AK6＋250～AK7＋050段為例進行評價。本段AK6＋250～AK7＋050位于工程地質Ⅱ區，場地復雜程度屬中等復雜?，F地面高程為3.3～15.2 m，地面基本平坦－一般傾斜。環境條件復雜程度屬復雜。本段地層變化較大，巖性多變，上部由人工填土、粉質粘土、殘積土構成，其綜合厚度為2.7～10.10m，其下分布巖土層為殘積土及風化基巖帶，其中殘積土及全風化巖底板界面深度為4.20～17.10m，強風化巖底板界面約為32.6～37.9m，而中－微風化巖頂板埋深變化大。預埋深度范圍內，隧道通過地層為殘積土、全風化巖及強風化巖等構成，局部夾風化孤石，地層均勻性差，層面起伏較大。應考慮軟硬結構面接觸問題。線路水文地質條件中等復雜，通過區含水層類型主要為風化孔隙裂隙水及基巖裂隙水，潛水性質，各類地層滲透系數變化較大，富水程度中等－強。隧道圍巖分級AK6＋250～AK6＋900為Ⅴ級，AK6＋900～AK7＋050為Ⅲ級。經評價和計算分析，該段整體適宜性分區加權得分為62分，屬適宜性較差區域。

3.5 應用廈門地質大數據在軌道交通3號線規劃評價的結論和建議

（1）基于軌道交通沿線建設各站點所處位置工程地質條件，結合地區基坑工程建設經驗，軌道交通3號線工程設有的19個站點均可采用明挖的施工手段，部分站點可采用蓋挖法。站間區間段地下空間大部分地段可采用盾構法施工，部分區段需將孤石提前處理才可采用盾構法施工。

（2）廈門軌道交通3號線規劃主要沿著已有主干道路，在島內段局部穿越老城區等建筑物密集區。經廈門地質大數據模型分析該區域建筑以框架或框剪結構為主，多采用樁基礎，其受隧道施工的影響相對較小。

（3）廈門軌道交通3號線島內段道路交通繁忙，車流量大，車輛行駛的動載荷重震動作用較強（尤其重型卡車），易使開挖過程中的隧道圍巖土質松動，造成坍塌等次生地質災害，施工中應注意加強此方面的預防。

（4）由于隧道施工（含引起的地下水位降低）將會引起一定范圍內地層的沉降和側向變形，根據地質條件和隧道施工特點，對隧道施工影響范圍內的建（構）物、地下管線等可能受到的影響作出評估，并提出處理方法。施工中應加強施工影響范圍內不同部位的實時監測工作。

（5）本建設場地適宜性評價方法在廈門軌道交通3號線規劃評價中是適用、有效的，對于其他類似工程可以按照上述思路開展建設場地適宜性評價。

根據城市發展水平和建設實際情況，廈門市通過地質大數據整合現有地質資料與資源數據、完善基礎地質資料、重點地區資料校核及建立三維可視化信息系統而構建得到廈門地質大數據城市地下空間規劃系統，該系統能有效指導其地下空間的開發利用。本文以廈門市軌道交通3號線為例，對地下空間規劃系統進行案例分析，該規劃系統提出了行之有效的建設策略及建議。該系統必定在廈門城市地下空間開發利用中發揮積極的作用。