CN117010586A - 一种软土地下空间开发地质适宜性多层次评估方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种软土地下空间开发地质适宜性多层次评估方法，其涉及地质开发技术领域，旨在解决单一准则评估的土地开发适宜性其实并不好，降低了整体评估效果的问题，其技术方案要点是其步骤如下：划分多层次土地，设定评价指标，组合权重计算，根据TOPSIS方法构建地质适宜性评估模型，设置适应性评价平台，根据设定标准构建相应的评价平台，运用信息化手段将实体工程转变为信息采集的主体，以期实现对土层特性数据资源的整合和共享，充分发挥数据的支撑作用，实现地下空间开发地质适宜性评价。达到了多层次多方面评估和风险规避的效果。
Description
技术领域
本发明涉及地质开发技术领域，尤其是涉及一种软土地下空间开发地质适宜性多层次评估方法。
背景技术
地下空间处于地下一定深度，四周被岩土体包围，与工程地质条件、周围环境建设现状、开发设计方案及施工条件等都有十分密切的关系，地下空间作为“新型国土资源”，在改善基础设施、提升空间容量、缓解交通压力等方面，发挥着不可替代的作用，城市空间开发从地面及其浅部向深部延伸已成为地下空间发展的趋势。
研究合适的开发方法对地下空间开发进行合理布局与规划，不仅可以有效保护后备资源，而且能够促进城市地下空间资源的可持续利用，对于地下空间的开发基本在浅层至中层，对于深层的开发比较少。然而，随着城市对空间需求的持续增大，地下空间开发逐渐向深层延伸，深层岩土体工程地质条件对地下空间开发影响较大。
上述中的现有技术方案存在以下缺陷：软土地下空间开发地质适宜性的评估大多是对相同地域的土地使用相同的评估准则，但是不同深度的土地在不同的外界条件下表现出来的开发适宜性是不同，就导致单一准则评估的土地开发适宜性其实并不好，降低了整体的评估效果。
发明内容
本发明的目的是提供一种对土地进行多层次分析的软土地下空间开发地质适宜性多层次评估方法。
为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：
一种软土地下空间开发地质适宜性多层次评估方法，其步骤如下：
S1：划分多层次土地，按照资源开发竖向层次原则，结合地下空间规划需求及地下空间开发利用工程建设经验，评价空间域主要分为浅层空间域，中层空间域和次深层空间域三个层次；
S2：设定评价指标，选取地形地貌条件、工程地质条件、水文地质、地质构造条件和不良地质条件四个指标作为软土地下空间开发地质适宜性的重点指标，将不同层次的土地根据地形地貌条件、工程地质条件、水文地质和不良地质条件筛选出土地进行后续分析；
A1：地形地貌条件，地形地貌条件内部包括有地面标高和地面坡度两个指标；
A2：工程地质条件，工程地质条件内部包括有含水率、密度、孔隙比、液塑限、压缩模量、粘聚力和内摩擦角七个指标；
A3：水文地质，水文地质内部包括有地表水影响、潜水埋深、承压水层顶板埋深和地下水腐蚀性四个指标；
A4：地质构造条件，地质构造条件内部包括有既有结构指标和开发扰动指标，且既有结构指标内部包括有地面空间现状和地下空间现状两个指标，开发扰动指标内部包括地表沉降和结构位移两个指标；
A5：不良地质条件，不良地质条件内部包括有下伏软土层厚度、活动断裂、砂土液化和场地类别四个指标；
S3：组合权重计算，利用层次分析法计算主观权重，利用熵权法、变异系数法、CRITIC方法计算客观权重，最后利用博弈论计算主客观组合权重。利用评价模型综合计算每个评价单元的适宜性程度；
S4：根据TOPSIS方法构建地质适宜性评估模型，通过对空间分析提取得到的评价指标信息进行综合评价进行最终的数据融合，最终实现地下空间开发地质适宜性评价，并构建出地质适宜性综合评价模型，对土地适宜性标准进行设定，等级标准为：不适宜、较不适宜、较适宜和适宜；
S5：设置适宜性评价平台，根据设定标准构建相应的评价平台，运用信息化手段将实体工程转变为信息采集的主体，以期实现对土层特性数据资源的整合和共享，充分发挥数据的支撑作用，实现地下空间开发地质适宜性评价。
进一步的，所述S1中第一为浅层空间域，开发深度为地下0～10m范围内，为当前最广泛利用的空间域；第二为中层空间域，开发深度为地下10～30m范围内，为地铁及主要大型地下设施利用空间域；第三为次深层空间域，开发深度为地下30～50m，为地下物流、地下空间战略储备区。
进一步的，所述S3中主观权重采用层次分析法进行计算：
B1：建立层次结构：地下空间地质适宜性评价指标体系由众多的元素组成，根据其相互间的从属关系，将各个元素进行分层归类，上层次的元素作为准则约束下一层次的相关元素，同一层次的指标相互独立，评价指标体系一般分为三个层次，即目标层A、准则层B和具体指标层C；
B2：构造判断矩阵，当指标层次结构建立完成以后，指标间的从属关系己经确定，依次从方案的目标层到具体指标层，将本层与上一层元素有关的各个元素之间两两相对重要性进行比较，并根据重要程度赋予权重；
B3：计算指标权重，根据构造的判断矩阵，求出其最大特征值以及该特征值所对应的特征向量，所求出的特征向量即为各元素的重要性排序，也就是指标权重；
B4：进行一致性检验，指标重要程度的评价结果偏离很大和判断结果出现自相矛盾这两种情况，这两种情况均会导致判断矩阵的一致性产生偏离，因此需要对所构造的判断矩阵进行一致性检验，判断矩阵通过一致性检验，说明层次排序权值分配合理，否则需对判断矩阵进行修正。
进一步的，所述S3中客观权重采用熵权法进行计算，指标主要包括正向指标和负向指标两种，其中正向指标是指分值越大对评价结果越有利的指标，其中负向指标是指分值越小对评价结果越不利的指标，熵权法是一种基于各评价指标自身数据提供的信息进行分析计算的数学模型。
进一步的，所述S3中组合权重采用博弈论的综合赋权法，博弈论组合权重就是在不同赋权方法所获取的指标权重之间寻找均衡或妥协，使可能的指标权重跟各个基本指标权重之间的各自偏差达到最小。
进一步的，所述S4中采用TOPSIS方法计算可以得到研究区域内不同深度层次的地质适宜性评价等级，TOPSIS计算模型是通过计算评价单元分值与总体评价区域内的最大与最小值之间的距离比重，因此其最终的评价分值是一个相对值，仅用于对比各单元或各层之间的适宜性差。
综上所述，本发明的有益技术效果为：
1、采用了将地下空间开发扰动因素融入，构建适合软土地下空间不同深度层次开发的地质适宜性评价指标体系，充分全面考虑了地质条件、设计因素、施工扰动因素的影响，在规划选线阶段，根据适宜性评价结果尽可能选取相对适宜开发区域，降低开发难度、减轻开发扰动影响，达到了多层次多方面评估的效果；
2、采用地质适宜性评价指标考虑了开发扰动因素，因此可根据适宜性评价结果选取合理的结构形式。如待开发的公路隧道必须穿越地质适宜性较差区域，设计阶段可考虑采用变形控制能力、稳定性更好的结构型式，同时为后续施工提出合理的安全质量控制措施。根据适宜性评价结果，对地下空间开发的规划、设计、施工等环节优化布局提出合理可行建议，同时针对可能存在的地质环境问题提出风险规避建议，为其他类似的工程地质评价提供基础，为地下空间开发工程地质条件适宜性评价指标体系的构建提供思路和借鉴，达到了风险规避的效果。
说明书附图
图1为本发明地下空间地质适宜性评价指标体系示意图；
图2为本发明软土地下空间开发地质适宜性评价流程图。
具体实施方式
以下对结合附图对本发明作进一步详细说明。
一种软土地下空间开发地质适宜性多层次评估方法，其步骤如下：
S1：划分多层次土地，按照资源开发竖向层次原则，结合地下空间规划需求及地下空间开发利用工程建设经验，评价空间域主要分为浅层空间域，中层空间域和次深层空间域三个层次，浅层空间域，开发深度为地下0～10m范围内，为当前最广泛利用的空间域，也是民用建筑与地下服务设施主要利用的空间域，中层空间域，开发深度为地下10～30m范围内，为地铁及主要大型地下设施利用空间域，次深层空间域，开发深度为地下30～50m，为地下物流、地下空间战略储备区；
S2：设定评价指标，选取地形地貌条件、工程地质条件、水文地质、地质构造条件和不良地质条件四个指标作为软土地下空间开发地质适宜性的重点指标，将不同层次的土地根据地形地貌条件、工程地质条件、水文地质和不良地质条件筛选出土地进行后续分析；
A1：地形地貌条件，地形地貌条件内部包括有地面标高和地面坡度两个指标，地面标高：城市地形对城市地下空间开发利用的影响较小，如果地质条件允许且无地质灾害影响，无论何种地形条件都是可以开发地下空间的，但是在暴雨较多的城市，地势低洼地区易形成临时积水区，在山谷及地势低洼的地区，出于预防水灾的考虑，地下空间规划布局的出入口位置的选择、出入口结构以及相应的防排水工程措施应当慎重考虑，一般量化标准需要结合城市的防洪规划，但离江河较远且降雨量较小的内陆城市，可不考虑该指标对地下空间开发的影响，地面坡度：地形条件对城市空间布局、道路走向具有重要影响，对地下空间的开发方式和空间布局走向等也有十分重要的影响，地形坡度对地下空间与地表界面连接的空间形式有重要影响，在平原地形区，地下空间须采用垂直下挖方式施工，与地面空间采用垂直交通方式联系，多采用明挖法，施工难度不高，造价较低，在地形坡度为10％至30％的地区，可采用侧面挖掘的靠坡式地下空间形式，适合丘陵山体较多的城市地区，可采用矿山法、暗挖法等，施工难度一般，但造价相对较高；当地形坡度较大时，宜采用矿山法开发地下空间，局部形成入口，内部岩土体形成洞室结构，要求内部空间必须有足够的岩土体支撑，可用于交通隧道、停车、仓储或个别公共建筑使用，一般来说，施工难度大，造价很高；
A2：工程地质条件，工程地质条件内部包括有含水率、密度、孔隙比、液塑限、压缩模量、粘聚力和内摩擦角七个指标；
(1)含水率
含水率是对软土工程性质影响最大的物理指标之一，一般来说，软土的天然含水率都非常高，大部分软土的天然含水率可以达到30％～70％，随着含水率增大，软土性质会变得更差；
(2)密度
土的密度是一项基本物理指标，其可以间接反映土的密实度、透水性、压缩性等；
(3)孔隙比
孔隙比是土体中的孔隙体积与其固体颗粒体积之比，一般以e表示孔隙比，是说明土体结构特征的指标，一般来说，e值越小，土越密实，压缩性越低；e值越大，土越疏松，压缩性越高，土的压缩性高，表明土体的结构强度差，则土体的压缩量大；
(4)液塑限
液限、塑限是黏性土的重要物理特性指标，反映了土中水对土性质的影响，在工程实际中，液塑限指标的准确取值直接影响到土壤定名和相应土基承载能力的确定，因此，准确测定土壤的液塑限指标对工程具有很重要的意义；
(5)压缩模量
压缩模量作为评估土体压缩性和地基变形的重要因子，在开展建筑物沉降和地基稳定性计算时需要着重注意，在地下工程建设过程中，压缩模量的值一般是在侧限条件下土体固结试验得到的各项参数计算得到的，压缩模量反映的是岩土体抗变形能力的大小，压缩模量越大，岩土体抗变形能力越好内摩擦角；
(6)粘聚力
粘聚力是粘性土的重要力学特性指标，是表征土体抗剪强度的指标之一，在地下工程建设中，土体抗剪强度对于地层及结构稳定性影响很大；
(7)内摩擦角
内摩擦角是影响地下空间开发利用的因素之一，其作为土的摩擦特性，包含在表面粗糙不平的土颗粒之间发生相互滑动时导致的滑动摩擦，和颗粒物在嵌入、连锁和脱离咬合状态移动引起的咬合摩擦，内摩擦角反映的是土体强度，是对工程建筑物承载力大小判断的一项标准，内摩擦角越大，土体强度越高；
A3：水文地质，水文地质内部包括有地表水影响、潜水埋深、承压水层顶板埋深和地下水腐蚀性四个指标；
(1)地表水影响
地表水指的是江、河、湖、海等一切与地下水联系密切的水体，地表水体会对水体及周边地下开发建设的施工难度和工程安全均产生较大的影响，在地表水下进行的地下的开发建设，可想而知，其施工难度是非常大的而且极有可能带来流砂、突涌等现象，尤其是当地下建筑物从地表水体下穿过时，流砂造成的管涌又会引起泥沙及地表水涌入到建筑物当中，这将造成一定的经济损失甚至还有可能引发安全事故，此外，不合理的工程施工建设一定程度上会破坏生态坏境，导致水体污染，由此可知，地表水体对地下空间开发的不利作用较强，但是该作用随着地表水体水平距离和竖向距离的增加而呈现逐渐减轻的趋势；
(2)潜水埋深
潜水对地下空间开发利用的影响主要表现为两种方式：一是在地下工程施工过程中因局部改变地下水流场，可能产生渗流潜蚀突涌和管涌，导致地下水渗漏破坏建筑物结构，影响地下工程围护结构和导致周边环境突发危险性的安全事故；二是地下水对地下结构会产生巨大的托浮作用，如防水措施或抗浮措施不力，可能引发结构破坏，影响其安全运营，换言之，地下潜水埋深越浅，对地下空间的开发利用越不利，反之越有利，所以在地下工程施工中需要降低潜水水位，减小地下水对工程建设的不良影响；
(3)承压水层顶板埋深
水压力会导致地下土层流砂、地基渗透变形，不利于地下工程结构稳定性，承压水中及其上部相邻的土层最易发生流砂和突涌现象，所以承压水埋深越浅、水头压力越大的地区，出现地下水突涌的可能性越大；承压水层埋深越深，对地下空间工程建设影响越小，地下空间开发利用适宜性就越高；
(4)地下水腐蚀性
地下水中含有一些具有侵蚀性的CO2、SO42-、Cl-、H+等元素，当腐蚀性元素含量过多，会腐蚀地下工程建筑混凝土结构物和钢结构，造成相关设备的损坏，降低工程结构的安全性和耐久性；
A4：地质构造条件，地质构造条件内部包括有既有结构指标和开发扰动指标，且既有结构指标内部包括有地面空间现状和地下空间现状两个指标，开发扰动指标内部包括地表沉降和结构位移两个指标，地面空间现状条件主要包括地表建筑、地面道路等已有结构设施，
(1)既有建筑
建筑空间是指由建筑物和构筑物(以下统简称建筑物)占主要成分的城市空间，为了保证现有建筑物的空间领域不被侵犯，以及建筑物地基基础及场地的安全，在建筑物现有空间的一定距离内，地下空间开发受到制约，根据地基基础影响理论，地下空间开发范围一般必须与原有建筑物保持一定的水平距离和垂直距离，竖向影响深度受建筑物层高与地质条件影响；
(2)既有道路
地下空间开发对既有道路会产生一定影响，在规划和施工中就要求既有道路与待开发结构应保持一定距离，在本项目中采用评价单元与既有道路的距离作为一个评价指标，用于考虑既有道路的影响；
地下空间现状主要包括既有地下建筑、建筑基础、地下隧道、地下管线等结构设施，
(1)既有基础；
在进行地质适宜性评价时，需要考虑地面构筑物(如建筑、桥梁等)的基础结构对地下空间开发的影响。既有基础同样作为一种限制地下空间开发的因素，可以用评价单元到既有基础的距离来作为评价指标；
(2)既有隧道
既有隧道同样是地下空间开发的限制因素，在评价中采用评价单元到既有隧道边界的距离来作为评价指标；
(3)既有管线
既有管线对地下空间开发同样有一定限制作用，在评价中也采用评价单元到既有管线的距离来作为评价指标；
(1)地表沉降
通过对不同地层情况下不同形式的地下空间开发进行数值计算，可以得到地下空间开发引起的位移场空间分布，其中，以土体地表沉降最大值作为评价指标。
(2)结构位移
在数值模拟分析中，可以得到地下空间开发工程结构本身的位移场空间分布，以某一评价深度结构位移最大值作为评价指标；
A5：不良地质条件，不良地质条件内部包括有下伏软土层厚度、活动断裂、砂土液化和场地类别四个指标；
(1)下伏软土层厚度
所谓软土是指天然孔隙比大于或等于1.0，且天然含水量大于液限的细粒土，包括淤泥、淤泥质土、泥炭、泥炭质土等，软土会导致地基产生失稳和不均匀变形，这对构筑物的地基要求高，一般来说，软土层越厚，对地下空间的开发越不利，对于不同的城市，软土厚度的量化标准与土质均匀性类似，其对城市地下空间开发的影响程度不会因城市的不同而不同，在三维地质评价中，取值为该点下部的软土层厚度；
软土的主要特点是含水量高、孔隙比大、抗剪强度低、压缩性高、透水性低等，在地下空间开发时易引起地面塌陷或沉降、建筑物开裂、管线断裂等问题，造成较大的经济损失，在地下空间开发过程中软土体承受不规则作用，土体结构被破坏，土的强度降低或土体变成稀释状态，易形成软弱滑动或向两侧挤出现象，使地基稳定性变差，造成土体位移，产生坍塌，此外，软土易发生固结沉降，软土在承受重力作用下，土骨架与土中孔隙水共同承担重力，当重力使孔隙水压力升高，孔隙水随时间逐渐减少，此时土体承受的重力逐渐增大，最终导致软土固结沉降，降低地下空间的安全系数；
总的来说，软土对地下开发的难易程度、安全性及地层变形和沉降都有较大的影响，因此，将软土作为判断岩土体对地下空间开发影响的重要条件；
(2)活动断裂
断裂的垂直差异会对地下管道产生竖向张拉作用，超过其强度时便会破坏管道结构，当断裂破碎带发生水平蠕动时会对建管道造成剪切破坏，断裂破碎带区域，岩体破碎松动，在该区域开发可能发生围岩坍塌掉落，不利于工程建设，同时，断裂现象常反映该地区过去发生过构造运动，发生地震灾害的风险大，若发生地震灾害，对工程建筑物将产生重大破坏，
活动断裂对工程建设的影响主要表现在三个方面：一是断裂错动直通地表，在地面产生位错破坏，位于错带上的建筑，不易用工程措施加以避免；二是断裂活动产生的次生效应，如砂土液化诱发地基失稳具有突发性、不可预见性和极大灾难性的特点等；三是断裂破碎带、裂隙密集，岩体强度低，是良好的地下水富集带，发育软弱夹层，对地下工程施工构成严重安全隐患，如坍塌冒顶及涌水等；
(3)砂土液化
在地震作用下，砂土先产生振动液化，孔隙水压力迅速增加，产生上下水头差和孔隙水自下而上的运动，动水压力推动砂土颗粒向悬浮状态转化，形成渗流液化使砂层变松，若上覆粘土盖层较薄或有裂缝时，有可能出现喷水冒砂现象，并且地震液化还可能发生在粉土中；
(4)场地类别
场地类别是表征场地稳定性的指标，与研究区内的土体性质及覆盖层厚度关联较大，参考抗震设计规范即可计算出场地类别，场地类别在一定程度上可以反映出不同场地条件对地震效应的缓冲程度，基于建筑安全的角度考虑，场地类别对应着不同的基础设计方案，是地表建筑设计规划的重要依据，同样也为地下空间开发利用提供参考；
由于不同的地区，地质条件千差万别，同时研究目的与需求不同，所以每个地区的评价指标体系仅具有参考价值，不具备普适性，地下空间开发涉及到的数据量较大，庞大复杂的评价指标体系会极大程度增加后续分析评价工作的难度，还容易造成指标信息间的重叠，最终导致评价结果质量低、误差大，为了建立规范完善的评价指标体系，本次研究通过对研究区内可能对地下空间开发造成影响的地质条件因素进行分析，基于负面清单法指导，筛选剔除了重叠信息，最终提炼出对研究区地下空间开发真正具有限制性、约束性影响的指标信息，最终确定了各深度层位地下空间的评价指标体系，如表1所示：
表1指标评价深度表
对于浅层地下空间地质条件适宜性评价，选取地形地貌条件、工程地质条件、水文地质条件、地质构造条件及不良地质条件五个因素作为一级评价指标，每个一级指标下，根据影响程度不同又细分成多个二级指标；由于中层和次深层地下空间位于地下15m以下，地形地貌条件对其几乎无影响，所以进行了删减，地表水对次深层地下空间开发影响很小，故从次深层评价指标体系中删减；地下水腐蚀性对中层地下空间的开发几乎没有影响，所以中层和次深层评价指标体系中删减了这项指标；其余相关指标均根据对不同层位的影响程度大小而进行相应调整，指标评价深度层次见图1，图中每个指标下方方框中的S、M、D分别代表浅层、中层、次深层，有颜色填充表示该指标在该评价深度需要考虑。
参照图2，S3：组合权重计算，利用层次分析法计算主观权重，利用熵权法、变异系数法、CRITIC方法计算客观权重，最后利用博弈论计算主客观组合权重。利用评价模型综合计算每个评价单元的适宜性程度；
主观权重采用层次分析法进行计算，层次分析法是一种先分解、后综合的评价方法，其操作简单、层次分明，能够结合定性和定量数据评价，对地质适宜性评价有较好的适用性，同时能够很好地契合地下空间分层开发的理念，该方法的主要步骤如下：
(1)建立层次结构
地下空间地质适宜性评价指标体系由众多的元素组成，根据其相互间的从属关系，将各个元素进行分层归类，上层次的元素作为准则约束下一层次的相关元素，同一层次的指标相互独立，评价指标体系一般分为三个层次，即目标层A、准则层B和具体指标层C，
(2)构造判断矩阵
层次分析法的优势在于，它不是把所有的评价因子放在一起进行单纯的定量比较，而是将各因子两两对比，采用相对重要性来降低不同性质指标间对比的困难，提高准确性，当指标层次结构建立完成以后，指标间的从属关系己经确定，依次从方案的目标层到具体指标层，将本层与上一层元素有关的各个元素之间两两相对重要性进行比较，并根据重要程度赋予权重，通过参考国内外研究成果并咨询专家意见，采用九标度法来阐明指标的重要程度及权重，构造判断矩阵，再对各指标进行量化赋值，九标度法各数字的取值意义如表2所示，
表2九标度法的定义与说明
根据上述所建立的层次结构模型并结合专家的经验评判，相对于A层元素由B层元素两两比较得到判断矩阵，相对于B层各指标Bi，由C层元素两两比较得到判断矩阵，如表3所示：
表3判断矩阵
表格中aij＝Bi/Bj，其含义是A层元素的相关元素中，元素Bi和元素Bj相比对A的影响程度，其影响程度用具体数值表示，数值的大小由元素Bi和元素Bj对A的影响的大小根据九标度法决定，判断矩阵的特征为：判断矩阵是正互反矩阵，且其对角线上的数值均为1，表示相同因素对上一层的影响程度同等重要，
(3)计算指标权重
根据构造的判断矩阵，求出其最大特征值以及该特征值所对应的特征向量，所求出的特征向量即为各元素的重要性排序，也就是指标权重，
计算判断矩阵特征值与特征向量的方法通常包括方根法和和积法两种，
①方根法的计算步骤如下：
a.计算判断矩阵每一行的乘积Mi：
b.计算Mi的n次方根n为判断矩阵的阶数：
c.对向量作归一化处理：
求得的W＝(W1,W2,…,Wn)T即为所求的特征向量，即各指标的权重，
d.计算判断矩阵的最大特征根λmax：
式中，(PW)i表示向量PW的第i个元素：
②和积法的计算步骤如下：
a.将判断矩阵每一列归一化：
b.把每一列经过归一化计算后的判断矩阵按行相加：
c.对向量作归一化处理：
求得的W＝(W1,W2,…,Wn)T即为所求的特征向量，即各指标的权重，
d.计算判断矩阵的最大特征根λmax：
(4)进行一致性检验
通过专家咨询对各因素的重要性进行两两比较，获得的比较结果很有可能发生判断结果不一致的情况，具体可能有两种情况，即指标重要程度的评价结果偏离很大和判断结果出现自相矛盾这两种情况，这两种情况均会导致判断矩阵的一致性产生偏离，因此需要对所构造的判断矩阵进行一致性检验，判断矩阵通过一致性检验，说明层次排序权值分配合理，否则需对判断矩阵进行修正，
通常采用一致性比率CR对判断矩阵的一致性进行检验，一致性比率CR按式10计算：
式中，CR为一致性比率；CI为一致性指标，RI为平均一致性指标，
一致性指标CI按式11计算：
式中，λmax为判断矩阵的最大特征根，n为判断矩阵的阶数，
平均一致性指标RI的值可查表4得到，
表4平均随机一致性指标RI取值
一般情况下，当CR在0.1时，认为判断矩阵的一致性是可以接受的；当CR＞0.1时，认为判断矩阵未通过一致性检验，需对判断矩阵进行适当的分析调整，使判断矩阵最终通过一致性检验；
客权权重计算方法一
使用熵权法确定客权权重，使用熵权法赋权的主要过程如下：
(1)原始数据矩阵进行标准化，假设有m个评价对象，n个评价指标，经过评分后得到的原始数据矩阵为：
由于指标各自种类不同，评分方法各异，因此在进行统计和分析操作之前，需要将量纲统一，实行标准化处理，有利于避免各类数据因其种类不同而对研究结果造成混淆和破坏，指标主要包括正向指标和负向指标两种，其中正向指标是指分值越大对评价结果越有利的指标，其中负向指标是指分值越小对评价结果越不利的指标，
正向指标标准化根据式12计算：
负向指标标准化根据式13计算：
上两式中，max(rj)和min(rj)分别是第j个指标下各评价对象的最大值和最小值，由此得到标准化矩阵X′m×n＝(x′ij)m×n，
(2)计算各指标的信息熵Ej
式中，Ej为第j个指标的信息熵，n为评价指标的数量，x″ij为标准化矩阵中按列归一化的结果：
当x′ij＝0时，lnx″ij没有意义，为避免计算错误，直接令x″ijln x″ij＝0，
(3)计算指标权重
根据以上计算过程可以总结出，熵权法是一种基于各评价指标自身数据提供的信息进行分析计算的数学模型，熵自身不是指评价问题中评价指标的权重，而是在明确评价对象以及各评价指标参数的前提下，各评价指标在竞争意义上的相对激烈程度，从信息论出发来看，熵权表示的是该项评价指标在该评价或决策中能提供有用信息量的多寡，
客权权重计算方法二
使用变异系数法确定客权权重，使用变异系数法赋权的主要过程如下：
(1)对原始数据矩阵Xm×n按式12、13进行标准化处理，得到标准化矩阵X′m×n＝(xi′j)m×n，
(2)计算各指标的平均值
(3)计算各指标的标准差
(4)计算各指标的变异系数
(4)计算指标权重
客权权重计算方法三
使用CRITIC法确定客权权重，使用CRITIC法赋权的主要过程如下：
(1)对原始数据矩阵Xm×n进行标准化处理，
使用z-score方法进行标准化处理，假设标准化后的数据矩阵X′m×n＝(xi′j)m×n，
式中，和σj分别为各指标的平均值和标准差：
(2)计算指标的变异性
用指标的变异系数表示指标的变异性：
(3)计算指标间的冲突性
冲突性反映的是不同指标之间的相关程度，若呈现显著正向性，则冲突性数值越小，指标间的冲突性大小按式25计算：
式中，ηj表示第j个指标与其余指标间的冲突性，rjk表示指标j与指标k之间的相关系数，此处使用皮尔逊相关系数：
(4)计算指标信息承载量
hj＝vjηj (27)
(5)计算指标权重
组合权重采用博弈论的方法进行计算，博弈论思想的目的是对n个指标权重向量的组合系数αi进行优化，使目标权重向量w与各权重向量wi的离差极小化，从而得到最满意的指标权重向量w*，即可导出以下决策模型：
可以看出，上式它是对一组包含多个目标的函数进行最优化，求解它可以获得与n种赋权方法均衡协调的综合权重值，由矩阵的微分性质可知，上述决策模型的最优化一阶导数条件对应的线性方程组为：
根据上式可以求出优化组合权重系数ak，然后经过归一化处理得到线性系数ai*：
最后通过式32计算得出博弈论组合赋权的权重w*：
由以上过程看出，博弈论协调了主客观权重之间的冲突性，取得了主观和客观权重之间的一致性和折衷性，此外，该方法减少了主观权重的随机性，并将客观权重的影响纳入考虑范围中；
S4：根据TOPSIS方法构建地质适宜性评估模型，通过对空间分析提取得到的评价指标信息进行综合评价进行最终的数据融合，最终实现地下空间开发地质适宜性评价工，并构建出地质适宜性综合评价模型对土地适宜性标准进行设定，等级标准为：不适宜、较不适宜、较适宜和适宜,采用TOPSIS法构建地下空间开发地质适宜性评价模型，利用TOPSIS法对各目标对象进行评价的具体过程如下：
(1)将原始数据矩阵Xm×n按式12、式13进行标准化，得到标准化矩阵X′m×n＝(xi′j)m×n，
(2)构建加权评价矩阵，将上一步中得到的标准化矩阵X′m×n与式6-32求得的组合权重矩阵w*相乘得到加权评价矩阵Rm×n：
Rm×n＝X′m×n·w*＝(rij)m×n (33)
(3)确定正理想解和负理想解即每列的最大值和最小值：
(4)计算评价对象与正负理想解之间的距离，此处采用欧式距离：
(5)计算评价对象贴近度：
由上式可知，待评价对象的贴近度ci取值范围为(0,1)，越接近1说明该评价方案距离负理想化目标值越远，该评价对象的适宜性越优；
TOPSIS方法计算得到的结果位于0到1之间，根据计算得到的分数，可将评价结果分为四个范围：(0,0.25]、(0.25,0.5]、(0.5,0.75]以及(0.75,1]，分别对应不适宜、较不适宜、较适宜及适宜四种等级，详述如下：
(1)不适宜
该区域地质环境条件差，除特殊条件下，不适宜进行地下空间的开发，当需要进行地下空间开发时，建议对范围内土体进行改良，并加强后期观测，但会使开发成本大幅增加，开发经济性受到较大影响，
(2)较不适宜
该区域地质环境条件较差，一定程度上不适宜进行大型地下空间工程的建设，地下空间在做好排水和防水措施的同时，地下工程建设时应采取合理的基坑围护和施工工艺，工程难度较高，基坑围护成本较高，不排除在地下空间开发后发生次生灾害的可能，开发经济性受到一定影响，
(3)较适宜
该区域地质环境条件较好，在做好基本防护措施的前提下，可兴建大部分类型的地下工程，工程技术难度较小，常用基坑支护方式有排桩或地下连续墙等，基坑围护成本会稍高，地下空间开发经济性较好，
(4)适宜
该区域地质环境整体条件良好，在自然条件下适宜修建各种形式的深层地下空间工程，施工过程中可采用相对简单的施工工艺及基坑防护措施，工程难度较低，基坑围护成本较低，地下空间开发经济型良好，具有较高的地下空间开发潜力，
S5：设置适应性评价平台，根据设定标准构建相应的评价平台，运用信息化手段将实体工程转变为信息采集的主体，以期实现对土层特性数据资源的整合和共享，充分发挥数据的支撑作用，实现地下空间开发地质适宜性评价；
地质适宜性评价系统程序开发的编码语言使用了主流的node.js、vue.js、Java、JQuery、HTML5、CSS3等，数据库则采用MySQL作为数据库进行数据存储，通过B/S、APP、WebAPI等混合模式进行开发，
程序的服务器端可以为Windows、Linux等主流平台中的一种且支持集群部署，应用支撑软件包含但不限于智能报表设计工具、中间件软件、数据同步工具、数据采集工具，
(一)应用架构及要求
在底层基础建设不变的情况之下，加强支撑层、业务关联层、以及展示层的各项内容：
(1)系统应采用分层的数据架构，保证数据模型的扩展性以及适应性，系统的业务处理功能和数据统计分析功能应设计为相对独立的系统，分别使用独立的云服务器、各自的数据库/数据存储系统，避免互相干扰，业务处理系统产生的数据，根据具体要求的不同，通过分布式消息队列和ETL工具同步或批量导入到数据统计分析系统，
(2)业务处理系统的设计：应遵循J2EE规范，采用开源的轻量级微服务的分布式服务技术框架，具备：服务发现和注册、负载均衡与容错、REST客户端、动态路由、集群配置管理、服务总线、安全控制、任务调度、服务治理、日志管理等功能；实现应用的快速部署和统一运行与管理，
(3)业务处理系统的数据库应部署为集群数据库模式，采用高级别开源关系数据库系统或其它支持云架构部署的主流数据库(投标人须负责采购合适数量的许可)，利用数据读写分离、数据分区、并行查询、Redis缓存等技术提高系统性能和可伸缩性，
(4)数据统计分析系统：利用分布式数据库系统实现大数据系统建设，实现数据定时和实时统计分析计算，实现监测信息的关联分析功能，系统应部署为集群模式，统一管理计算资源，调度各类统计报表和数据挖掘计算分析任务，
(5)模块化设计，各功能模块符合高粘聚、低耦合的特征，
(6)采用通用、成熟、可靠的开发框架和工具组件，核心开发框架应具有开放性，不得采用供货商独有技术，
(7)系统前端采用HTML5/JavaScript技术，能够实现主流浏览器兼容，
(8)采用统一的元数据技术进行设计，在系统建设和运行过程，也必须严格参照元数据标准，
(9)采用符合国家安全要求的VPN传输的部署方式，
(二)性能要求
(1)在处理大数据时不出现内存溢出，具有较好的响应速度，响应时间指用户按下确认键至系统返回成功信息的时间间隔，
(2)系统响应时间(不考虑Internet网络传输条件的情况下，以局域网为基准)，并发数＝500人时，
(3)数据查询响应时间，要求同时支持2000人在线访问<3秒，
(4)报表响应时间(统计分析和汇总)，要求同时支持300人在线访问：80％情况<10秒；90％情况<20秒，
(三)质量要求
(1)可扩展性，系统应提供弹性架构，支持二次开发，系统接口封装良好，提供第三方开发商系统集成接口，
(2)易操作性，提供简洁、美观、直白的用户界面，符合windows标准以及浏览器通用方式，具备中文支持功能，提供向导式系统安装界面，
(3)稳定性，系统全年稳定运行，避免因升级而影响系统正常运行，宕机时间应少于1％，平均故障间隔时间应超过三个月，
(4)准确性，系统要对统计分析结果的正确性和完整性进行验证，并对系统的敏感数据进行特殊处理，
(5)可维护性，系统要专设元数据管理模块，用于统一维护系统的公共数据，系统升级简便，具备错误问题远程分析与排除功能，
(6)可管理性，每个层次、每个对象都应提供标准的管理接口或管理界面；每个构件应提供应用架构总体设计规定的标准外部接口，
(7)安全性，系统应支持数据存储、数据传输、密钥管理等安全功能，提供所有系统操作日志记录，具备防止篡改的审计追踪功能，包括对系统参数、用户数据的增删操作，以及系统登录等其他重要操作，确保系统安全运行，
(8)保障性，在系统因硬件、自然灾害或人为因素造成瘫痪情况下，要预先制定应急方案，可有效应对紧急情况，快速恢复系统运行，
(四)安全性要求
(1)按照信息安全等级保护三级要求进行建设，投标要有具体安全设计方案，
(2)采用统一的认证、用户管理机制，
(3)必须具备完备的安全保护和用户权限管理，必须保证防止非授权用户的侵入，严格禁止除系统管理员及授权用户外的其他用户对原始数据的修改，
(4)所有存贮在数据库中的数据针对不同用户应有严格的处理权限，对普通用户数据属性为只读，对有数据请求的用户提供接口函数以标准SQL语言、ODBC或JDBC等标准接口实现数据访问，对数据维护人员只提供部分表单的修改权限，只有系统管理员有权限修改全部原始数据，但修改后的数据必须保留修改日志，并可调出修改前的数据，
(5)所有数据库用户口令不能在程序中写死，用户根据需要自行修改，
(6)输入信息的合法性检查：用户输入的信息都需要进行合法性检查，超出系统要求之外的内容都被过滤，
(7)对系统数据库中敏感信息进行加密，保护个人隐私信息，不能通过浏览器进行泄露，
并设置适宜性评价模型，该模块对软土地区地下空间开发的适宜性展开评价，主要分为三个模块(评价指标体系，评价指标权重确定，评价模型)，评价指标分为三级，其中：
1)一级指标
目前一级指标包括：地质条件、既有结构、开发扰动，系统中一级指标定义为可自动添加，
2)二级指标
地质条件的一级指标对应的二级指标为：地形地貌、工程地质、水文地质、不良地质，其中支持自动添加二级指标，
既有结构的一级指标对应的二级指标为：距既有隧道距离、距既有基础距离、距既有管线距离、距既有建筑距离、距既有道路距离，支持自动添加二级指标，
开发扰动的一级指标对应的二级指标为：结构位移、土体位移，其中支持自动添加二级指标，
3)三级指标
地形地貌的二级指标对应的三级指标为：地面标高、地面坡度，其中支持自动添加三级指标，
工程地质的二级指标对应的三级指标为：含水率、重度、孔隙比、液性指数、压缩模量、粘聚力、内摩擦角，其中支持自动添加三级指标，
水文地质的二级指标对应的三级指标为：距地表水体距离、潜水埋深、承压水层顶板埋深、地下水腐蚀性，其中支持自动添加三级指标，
不良地质的二级指标对应的三级指标为：下伏软土层厚度、距活动断裂带举距离、砂土液化、场地类别，其中支持自动添加三级指标，
评价模型中各指标权重不固定，可根据上述分析获得各指标的权重，对某一地区的软土地下空间开发适宜性进行评价。
本具体实施方式的实施例均为本发明的较佳实施例，并非依此限制本发明的保护范围，故：凡依本发明的结构、形状、原理所做的等效变化，均应涵盖于本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种软土地下空间开发地质适宜性多层次评估方法，其特征在于：其步骤如下：
S1：划分多层次土地，按照资源开发竖向层次原则，结合地下空间规划需求及地下空间开发利用工程建设经验，评价空间域主要分为浅层空间域，中层空间域和次深层空间域三个层次；
S2：设定评价指标，选取地形地貌条件、工程地质条件、水文地质、地质构造条件和不良地质条件五个指标作为软土地下空间开发地质适宜性的重点指标，将不同层次的土地根据地形地貌条件、工程地质条件、水文地质和不良地质条件筛选出土地进行后续分析；
A1：地形地貌条件，地形地貌条件内部包括有地面标高和地面坡度两个指标；
A2：工程地质条件，工程地质条件内部包括有含水率、密度、孔隙比、液塑限、压缩模量、粘聚力和内摩擦角七个指标；
A3：水文地质，水文地质内部包括有地表水影响、潜水埋深、承压水层顶板埋深和地下水腐蚀性四个指标；
A4：地质构造条件，地质构造条件内部包括有既有结构指标和开发扰动指标，且既有结构指标内部包括有地面空间现状和地下空间现状两个指标，开发扰动指标内部包括地表沉降和结构位移两个指标；
A5：不良地质条件，不良地质条件内部包括有下伏软土层厚度、活动断裂、砂土液化和场地类别四个指标；
S3：组合权重计算，利用层次分析法计算主观权重，利用熵权法、变异系数法、CRITIC方法计算客观权重，最后利用博弈论计算主客观组合权重。利用评价模型综合计算每个评价单元的适宜性程度；
S4：根据TOPSIS方法构建地质适宜性评估模型，通过对空间分析提取得到的评价指标信息进行综合评价进行最终的数据融合，最终实现地下空间开发地质适宜性评价，并构建出地质适宜性综合评价模型对土地适宜性标准进行设定，等级标准为：不适宜、较不适宜、较适宜和适宜；
S5：设置适应性评价平台，根据设定标准构建相应的评价平台，运用信息化手段将实体工程转变为信息采集的主体，以期实现对土层特性数据资源的整合和共享，充分发挥数据的支撑作用，实现地下空间开发地质适宜性评价。
2.根据权利要求1所述的一种软土地下空间开发地质适宜性多层次评估方法，其特征在于：所述S1中第一为浅层空间域，开发深度为地下0～10m范围内，为当前最广泛利用的空间域；第二为中层空间域，开发深度为地下10～30m范围内，为地铁及主要大型地下设施利用空间域；第三为次深层空间域，开发深度为地下30～50m，为地下物流、地下空间战略储备区。
3.根据权利要求1所述的一种软土地下空间开发地质适宜性多层次评估方法，其特征在于：所述S3中主观权重采用层次分析法进行计算：
B1：建立层次结构：地下空间地质适宜性评价指标体系由众多的元素组成，根据其相互间的从属关系，将各个元素进行分层归类，上层次的元素作为准则约束下一层次的相关元素，同一层次的指标相互独立，评价指标体系一般分为三个层次，即目标层A、准则层B和具体指标层C；
B2：构造判断矩阵，当指标层次结构建立完成以后，指标间的从属关系己经确定，依次从方案的目标层到具体指标层，将本层与上一层元素有关的各个元素之间两两相对重要性进行比较，并根据重要程度赋予权重；
B3：计算指标权重，根据构造的判断矩阵，求出其最大特征值以及该特征值所对应的特征向量，所求出的特征向量即为各元素的重要性排序，也就是指标权重；
B4：进行一致性检验，指标重要程度的评价结果偏离很大和判断结果出现自相矛盾这两种情况，这两种情况均会导致判断矩阵的一致性产生偏离，因此需要对所构造的判断矩阵进行一致性检验，判断矩阵通过一致性检验，说明层次排序权值分配合理，否则需对判断矩阵进行修正。
4.根据权利要求1所述的一种软土地下空间开发地质适宜性多层次评估方法，其特征在于：所述S3中客观权重采用熵权法进行计算，指标主要包括正向指标和负向指标两种，其中正向指标是指分值越大对评价结果越有利的指标，其中负向指标是指分值越小对评价结果越不利的指标，熵权法是一种基于各评价指标自身数据提供的信息进行分析计算的数学模型。
5.根据权利要求1所述的一种软土地下空间开发地质适宜性多层次评估方法，其特征在于：所述S3中组合权重采用博弈论的综合赋权法，博弈论组合权重就是在不同赋权方法所获取的指标权重之间寻找均衡或妥协，使可能的指标权重跟各个基本指标权重之间的各自偏差达到最小。
6.根据权利要求1所述的一种软土地下空间开发地质适宜性多层次评估方法，其特征在于：所述S4中采用TOPSIS方法计算可以得到研究区域内不同深度层次的地质适宜性评价等级，TOPSIS计算模型是通过计算评价单元分值与总体评价区域内的最大与最小值之间的距离比重，因此其最终的评价分值是一个相对值，仅用于对比各单元或各层之间的适宜性差。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202310505689.2A CN117010586A (zh) | 2023-09-08 | 2023-09-08 | 一种软土地下空间开发地质适宜性多层次评估方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202310505689.2A CN117010586A (zh) | 2023-09-08 | 2023-09-08 | 一种软土地下空间开发地质适宜性多层次评估方法 |
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|---|---|
| CN117010586A true CN117010586A (zh) | 2023-11-07 |
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|---|---|---|---|
| CN202310505689.2A Pending CN117010586A (zh) | 2023-09-08 | 2023-09-08 | 一种软土地下空间开发地质适宜性多层次评估方法 |
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| Country | Link |
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| CN (1) | CN117010586A (zh) |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117668500A (zh) * | 2024-02-01 | 2024-03-08 | 中化地质矿山总局山东地质勘查院 | 基于gis的城市地下空间资源评估方法 |
| CN117933530A (zh) * | 2023-12-22 | 2024-04-26 | 青海九零六工程勘察设计院有限责任公司 | 一种城市地质调查评价方法 |
| CN117973899A (zh) * | 2024-02-29 | 2024-05-03 | 济南城市建设集团有限公司 | 基于大数据的土地开发与经营信息智能管理系统 |
| CN118071145A (zh) * | 2024-02-27 | 2024-05-24 | 青海九零六工程勘察设计院有限责任公司 | 高寒河谷型城市地下空间利用地质安全风险评价方法 |
-
2023
- 2023-09-08 CN CN202310505689.2A patent/CN117010586A/zh active Pending
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117933530A (zh) * | 2023-12-22 | 2024-04-26 | 青海九零六工程勘察设计院有限责任公司 | 一种城市地质调查评价方法 |
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| CN117668500B (zh) * | 2024-02-01 | 2024-04-30 | 中化地质矿山总局山东地质勘查院 | 基于gis的城市地下空间资源评估方法 |
| CN118071145A (zh) * | 2024-02-27 | 2024-05-24 | 青海九零六工程勘察设计院有限责任公司 | 高寒河谷型城市地下空间利用地质安全风险评价方法 |
| CN117973899A (zh) * | 2024-02-29 | 2024-05-03 | 济南城市建设集团有限公司 | 基于大数据的土地开发与经营信息智能管理系统 |
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