中国地质调查局 中国地质科学院主办
科学出版社出版

城市深层地下空间地质环境韧性评估模型与应用

苏栋, 黄茂隆, 韩文龙, 陈湘生. 2024. 城市深层地下空间地质环境韧性评估模型与应用[J]. 中国地质, 51(1): 157-169. doi: 10.12029/gc20230104001
引用本文: 苏栋, 黄茂隆, 韩文龙, 陈湘生. 2024. 城市深层地下空间地质环境韧性评估模型与应用[J]. 中国地质, 51(1): 157-169. doi: 10.12029/gc20230104001
SU Dong, HUANG Maolong, HAN Wenlong, CHEN Xiangsheng. 2024. Evaluation model of geological environment resilience in the urban deep underground space and its application[J]. Geology in China, 51(1): 157-169. doi: 10.12029/gc20230104001
Citation: SU Dong, HUANG Maolong, HAN Wenlong, CHEN Xiangsheng. 2024. Evaluation model of geological environment resilience in the urban deep underground space and its application[J]. Geology in China, 51(1): 157-169. doi: 10.12029/gc20230104001

城市深层地下空间地质环境韧性评估模型与应用

  • 基金项目: 国家自然科学基金(52090081,51938008)与深圳市自然科学基金(JCYJ20210324094607020)联合资助。
详细信息
    作者简介: 苏栋,男,1978年生,教授,博士生导师,主要从事岩土与地下工程、韧性地下空间方面的研究;E−mail:sudong@szu.edu.cn
    通讯作者: 韩文龙,男,1991年生,博士,主要从事隧道与地下工程、韧性城市方面的研究;E−mail:hanwl0417@126.com 陈湘生,男,1956年生,教授,博士生导师,中国工程院院士,主要从事隧道与地下工程、韧性城市方面的研究;E−mail:xschen@szu.edu.cn
  • 中图分类号: TU95

Evaluation model of geological environment resilience in the urban deep underground space and its application

  • Fund Project: Supported by the National Natural Science Foundation of China (No. 52090081, No. 51938008), Natural Science Foundation of Shenzhen Municipality (No. JCYJ20210324094607020).
More Information
    Author Bio: SU Dong, born in 1978, professor, doctoral supervisor, engaged in the research of resilient underground space, geotechnical and underground engineering; E-mail: sudong@szu.edu.cn .
    Corresponding authors: HAN Wenlong, born in 1991, Ph.D., engaged in the research of tunneling and underground engineering; E-mail: hanwl0417@126.com CHEN Xiangsheng, born in 1956, professor, doctoral supervisor, member of the Chinese Academy of Engineering, engaged in the research of tunneling and underground engineering; E-mail: xschen@szu.edu.cn.
  • 研究目的

    评估城市深层地下空间地质环境韧性有助于提高城市地下空间开发利用的安全性,减少灾害事件造成的经济损失。

    研究方法

    本文从城市深层地下空间的灾害事件严重度、地质体脆弱性、抵御力、恢复力和适应力等方面出发,建立了城市深层地下空间地质环境韧性多因素综合评估模型,并结合某城市一起突发事件的相关数据对评估模型进行了应用。

    研究结果

    评估模型具有较高操作性和可行性,可在各种复杂地质环境的城市中开展深层地下空间韧性评估工作;所评价灾害事件的严重度为5.601,属严重水平;地质体的暴露性为5.735,灾损敏感性为6.146,脆弱性综合评价结果为35.247,属脆弱地质体;预警能力指数为1.00,防灾能力指数由原来的5.66提高至灾后的7.00,故抵御力综合评价结果由15.38提高至19.02;通过填砂、地下注浆等措施后,恢复力为2.00,且由于地质环境趋于稳定,地质环境适应力综合分析为1.00。

    结论

    若受灾害影响,地质环境韧性水平的演化可分为正常、受灾、抵御、恢复、适应和新的正常水平6个阶段,韧性水平曲线呈现出先减小再增大后趋于稳定,且在受灾和抵御的节点处达到最小值。

  • 加载中
  • 图 1  城市深层地下空间地质环境韧性评估指标体系

    Figure 1. 

    图 2  灾害事件严重度的评估指标

    Figure 2. 

    图 3  地质体脆弱性的评估指标

    Figure 3. 

    图 4  抵御力的评估指标

    Figure 4. 

    图 5  地质体恢复效果示意图

    Figure 5. 

    图 6  陷坑致泵站、音像大楼与鸿宇楼倾斜

    Figure 6. 

    图 7  地质剖面图与风井、地铁隧道、联络通道横截面(据Tan et al., 2021修改)

    Figure 7. 

    图 8  地质环境韧性水平演化曲线

    Figure 8. 

    表 1  韧性水平等级划分

    Table 1.  Classification of toughness levels

    韧性水平<0.050.05~0.10.1~0.40.4~1.0>1.0
    等级极低中等极高
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    表 2  灾害事件影响分级

    Table 2.  Classification of disaster event impact

    严重度指数D1~22~44~66~9
    影响轻微中等严重极严重
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    表 3  地质体脆弱性分级

    Table 3.  Classification of the vulnerability of geological body

    脆弱性<99~3030~50>50
    等级坚固中等脆弱极脆弱
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    表 4  灾害事件严重度计算

    Table 4.  Calculation of disaster event severity

    评估指标 分级标准 赋值量化 分级结果 赋值结果(x 计算权重(w 计算模型
    地面沉降 <0.005 km2小型/0.005~0.1 km2中型/
    0.1~1 km2 大型/>1 km2 特大型
    3/5
    7/9
    0.007 km2 5 0.085 $D = \sum\limits_{i = 1}^{{N_1}} {{w_i}{x_i}} $
    塌陷规模 小型:坑洞1~3处,S≤1 km2
    中型:坑洞4~10处,S≤5 km2
    大型:坑洞11~20处,S≤10 km2
    特大型:坑洞>20处,S>10 km2
    1
    3
    5
    7
    小型 1 0.121
    塌陷剖面形态特征 坛状/井状/漏斗状/碟状/不规则 1/3/5/7/9 漏斗状 5 0.143
    压力水头变化量 <2 m/2~4 m/4~6 m/6~8 m/>10 m 1/3/5/7/9 4.7~6.6 m 7 0.272
    岩土体承载力变化量 −5%/−10%/−30%/−50%/−80% 1/3/5/7/9 −80%以上 9 0.242 计算结果:
    岩爆烈度等级 Ⅰ级/Ⅱ级/Ⅲ级/Ⅳ级 1/3/5/7 无岩爆 0 0.050 D = 5.601
    突水规模 小型/中型/大型/特大型 1/3/5/7 中等突水点 3 0.086
      其中:x为指标赋值结果;w为指标计算权重;N1值暴露性的指标数量。
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    表 5  地质体的脆弱性计算

    Table 5.  Calculation of vulnerability of geological bodies

    评估指标 分级标准 赋值量化 分级结果 赋值结果(x 计算权重(w 计算模型
    暴露性E 在建工程规模 小型/中型/大型 3/5/7 大型 7 0.548 $V = E \cdot M$
    在建工程密度 大/小/无 7/3/0 无在建工程 0 0.211 $ E = \sum\limits_{i = 1}^{{N_2}} {{w_i}{x_i}} $
    $M = \sum\limits_{i = 1}^{{N_3}} {{w_i}{x_i}} $
    压力水头可变
    最大幅度
    <5 m/5~10 m/10~15 m/
    15~20 m/>20 m
    1/3/5
    7/9
    >20 m 9 0.241
    损敏感性M 围岩等级 Ⅰ级/Ⅱ级/Ⅲ级
    Ⅳ级/Ⅴ级、Ⅵ级
    1/3/5
    7/9
    Ⅳ级 7 0.381 计算结果:
    E=5.735,
    M=6.146,
    V=35.247
    岩土体承载力 >500 kPa
    200~500 kPa
    <200 kPa
    3
    5
    7
    <200 kPa 7 0.269
    地层渗透系数 高渗透性/中渗透性/低渗透性 7/5/3 低渗透性 3 0.138
    地层岩性 土体/软硬相间岩/土石混合体较硬岩/硬岩 9/7/5
    3/1
    均由第四纪土体组成,
    无岩石
    9 0.064
    地应力状态 高地应力/中地应力/一般地应力 7/5/3 一般地应力 3 0.067
    含水岩组富水性 极强富水性/强富水性/中等富水性
    弱富水性/微富水性
    9/7/5
    3/1
    中等富水性 5 0.081
      注:x为指标赋值结果;w为指标计算权重;N2值暴露性的指标数量;N3指灾损敏感性指标数量。
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    表 6  抵御力计算

    Table 6.  Calculation of defense

    评估指标 分级标准 赋值量化 分级结果 赋值结果(x 计算权重(w 计算模型
    预警能力Wb 环境监测设施覆盖率/% / / / 100% / $B = {P_{\text{b}}} \times {e^{{W_{\text{b}}}}}$
    预警准确率/% / / / 100% / ${P_{\text{b}}} = \sum\limits_{i = 1}^{{N_4}} {{w_i}{x_i}} $
    防灾能力Pb 防灾资金投入 高/中/低 7/5/3 7 0.524 计算结果:
    Pb= 5.66(7.00),
    Wb = 1.00, B=15.38(19.02)
    应急技术 水平高/中等/水平低 7/5/3 水平高 7 0.141
    防灾效率 高/中/低 7/5/3 3 0.335
    灾时响应效率 高/中/低 7/5/3 7
      注:x为指标赋值结果,w为指标计算权重,N4值防灾能力的指标数量。
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    表 7  恢复力计算

    Table 7.  Calculation of recovery

    一级指标 二级指标 数值 计算模型
    恢复力 损伤的地质体体积 11308.95 m³ $R = \frac{{{V_1}}}{{{V_2}}} \cdot \lg \left( {\frac{{{F_1}}}{{{F_2}}}} \right)$
    加强的地质体体积 20000 m³
    损伤前地质体承载力 100 kPa 计算结果
    加强后地质体承载力 1.2 MPa R=2.09
      注:V1为加强的地质体体积;V2为受灾地质体体积;F1为加强后的地质体承载力;F2为受灾地质体的承载力。
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    表 8  韧性水平计算结果

    Table 8.  Calculation results of toughness leve

    时间初始韧性水平实际韧性水平
    t10.4360.436
    t20.4360.078
    t30.4360.096
    t40.4360.257
    t50.4361.441
    t60.4361.441
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出版历程
收稿日期:  2023-01-04
修回日期:  2023-05-16
刊出日期:  2024-01-25

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