最终稿（已按专家意见修改）地下空间与工程学报 - 基于AHP的地下

第 卷 第 期 地 下 空 间 与 工 程 学 报 Vol. 2009年 月 Chinese Journal of Underground Space and Engineering .2009

基于AHP的地下空间开发利用适宜性评价

彭建1,2 柳昆1,2 郑付涛3 李晓军2 彭芳乐1,2

（1同济大学地下空间研究中心，上海 200092，2同济大学地下建筑与工程系，上海 200092，

3常州市规划设计院，常州，213003）

摘要：地下空间是城市的重要自然资源，其开发利用适宜性评价是编制城市地下空间规划的重要基础条件。本文针对城市地下空间资源开发利用影响因素的多源复杂性问题，以岩土工程勘察原始数据为基础，采用层次分析法和专家问卷调查法，选择多目标线性加权函数法数学模型，建立了一套适用于某地级市地下空间开发利用适宜性分区的评价模型，且利用ArcGIS叠加生成了最终适宜性评价图,旨在为后续的地下空间规划提供理论依据。

关键词：地下空间开发利用；适宜性；层次分析法；评价模型；ArcGIS 中图分类号： 文献标识码： 文章编号：

Evaluation for the Suitability of Underground Space Exploitation

and Utilization Based on AHP

PENG Jian1,2, LIU Kun1,2, ZHENG Futao3 ,LI Xiaojun2, PENG Fangle1,2,

(1 Research Centre for Underground Space of Tongji University)

(2 Underground Construction and Engineering Department of Tongji University)

(3 Changzhou City Planning and Design Institute)

Abstract: Underground space is one of important natural resources. The evaluation of the suitability of its exploitation and utilization is significant and one of basic conditions of constituting planning of urban underground space. This paper, aiming at multi-fountainhead and complex problems of influencing factors of underground space exploitation and utilization, based on the production of geotechnical engineering investigation, adopts analytical hierarchy process (AHP) and expert questionnaire survey method. Furthermore, it selects mathematic model of multi-targets linear weighted function method, and sets up evaluation model of zoning of the suitability of one city’s underground space exploitation and utilization, and gets the final evaluation figure of the suitability with ArcGIS, for the purpose of providing theoretic warranties for planning of underground space.

Key words: Underground Space Exploitation and Utilization (USEU), suitability, AHP, evaluation model；ArcGIS

收稿日期： 第一作者简介：彭建（1985.7-），男，四川安岳人，硕士研究生，主要从事地下空间开发利用规划及其研究。E-mail：pj53129544@163.com 通讯作者简介：彭芳乐，男，1965年生，江西萍乡人，教授，博士生导师.，主要从事岩土力学、基础工程及地下空间与工程等方面的研究工作。E-mail: pengfangle@tongji.edu.cn 基金项目：国家“十一五”科技支撑计划项目（2006BAJ27B02） 地 下 空 间 与 工 程 学 报 第 卷

1 引言

近年来，伴随着城市社会与经济的快速发展，城市中心区的交通、环境、用地紧缺等问题也越来越突出。因此，为了缓解这些城市矛盾，从根本上解决城市的交通、环境、用地紧缺等问题，开发利用城市地下空间已势在必行。开发利用地下空间，就首先要制订科学的地下空间开发利用规划；保障其有序合理的健康发展，就需要充分尊重地下空间作为自然资源的基本属性。因此，在认清目前地下空间资源开发利用过程中存在问题的前提下，对未开发的地下空间资源做出科学的评价，确定出满足城市发展需要的地下空间开发利用适宜性的分布情况就势在必行。

地下空间开发利用的适宜性评价是指在对地下空间资源的地质、水文、地形及地下空间开发利用现状等条件进行分析和研究的基础上，地下空间开发利用的工程难度的总体判断和分类，目的是为地下空间开发利用总体规划和详细规划的编制提供依据。

2 层次分析法

对多源复杂影响因素作用的地下空间开发利用进

行评价，必须解决评价要素的不同属性、不同度量标准、不同定性与定量标准等的统一化和规范化问题，一般应对复杂因素构成的整体问题进行层次分解和重新构造，建立多目标的综合评价指标体系和模型，从而指导和规范地下空间资源评价的内容和过程，提高其作为规划编制和资源开发战略制定依据的科学性。在这一指导思想下，本文采用基于层次分析法的思路分析和构造地下空间资源评价模型和体系。

层次分析法（analytical hierarchy process，AHP）由美国运筹学家、匹兹堡大学教授萨蒂于1980年作为一种管理工具为处理多目标环境问题而引进的[1]

。工作程序如下。

(1)确定判断矩阵。确定参与定权的环境因子后，可以基本上按照专家打分法的步骤进行。① 对所评价的地质环境进行过较长时间研究并有一定认识的技术人员组成的专家组，向他们详细说明判断矩阵的概念、含义，以及判断的方法。② 列出所有评价因子的判断矩阵表格，按评价因子个数确定表格的列与行数。③ 发给每个参与评价者一份上述表格，按④～⑧反复核对、填写，直至没有成员进行变动为止。④ 要求每个成员按T．L．Saaty 1—9-标度(如表1)两两比较后得出各自的判断矩阵。⑤ 要求所有的成员对各自的判断矩阵进行核实，看是否能反映自己的看法，如果发现

有不妥之处，应重新构造判断矩阵，直至满意为止。⑥ 把每个成员的表格集中起来，综合专家组成员构造的判断矩阵为综合判断矩阵，并将其公布至全体成员征求意见。⑦ 专家组成员若有意见，则请其修改自己构造的判断矩阵。⑧ 集中修改过的判断矩阵，再综合后将其公布至全体成员征求意见，直至所有的专家对综合判断矩阵没有意见为止，求得的判断矩阵即为最

终判断矩阵[2]

。

表1 层次分析定权法的判断矩阵标度及其含义 Table 1 Identification and meaning of judging matrix in the

expert-analytic hierarchy weighting process

标度 含义 1 表示两个因素相比．具有同等重要性 3 表示两个因素相比，一个比另一个稍微重要 5 表示两个因素相比，一个比另一个明显重要 7 表示两个因素相比，一个比另一个强烈重要 9 表示两个因素相比，一个比另一个极端重要 2，4，6，上述两相邻判断之中值，表示重要性判断之间的过渡

8 性

倒数 因素i与j比较判断得到bij , 因素j与i比较判断得到

bji =1/bij

(2)层次分析法确定权值。先假设有一同阶正则向量A，使得存在XA??maxA，解此特征方程所得的A经正规化后即为各评价因子的权值。由于客观事物的复杂及对事物认识的片面性，构造的判断矩阵不一定是一致性矩阵(也不强求是一致性矩阵)，但当偏离一致性过大时，会导致一些问题的产生。因此得到?max后，还需进行一致性和随机性检验。检验公式为 CI??max?nCIn?1，

CR?RI， (1) 式中：CI为一致性指标；?max为最大特征根； n为矩阵阶数； RI为平均随机一致性指标，取值见表2；CR为随机一致性比率．只有当CR?0.10时，判断矩阵才具有满意的一致性，所获取值才比较合理[3]

。

表2 层次分析法的平均随机一致性指标值

Table 2 Average stochastic consistent index in the analytic

hierarchy process

矩阵阶数(n) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 平均随机一致性指标

值RI

0.00 0.00 0.52 0.89 1.11 1.25 1.35 1.40 1.45

3 评价模型

3.1 总体评价数学模型

根据层次分析法的基本原则，对地下空间开发利用适宜性评价，可采用多目标线性加权函数建立评价的总体数学模型，见(2)式。

2009年第 期 彭建，等：基于层次分析法和ArcGIS的地下空间开发利用适宜性评价

m S???n??AB?ii?Cj， (2)

j?1?i?1?式中：

S为评价目标总得分（0?S?1）；Ai为第i个单项指

标的量化分值；Bi为第i个单项指标的权重；Cj为第j个主题

的权重。

3.2 指标体系

在对地下空间资源开发利用难度及费用的分析基础上，初拟评价指标体系，再通过专家问卷调查的方法对评价指标体系进行修正和完善，最终确定城市地下空间开发利用适宜性评价的指标体系，如图1。 地面标高 地形地貌 地面坡度 地基土均匀性 工程地质 地基承载力 潜水埋深 地下 承压水水头绝对标高 空间水文地质 开发承压水层顶板埋深 利用地下水腐蚀性 影响 因 素 地面沉降 环境地质 滑坡崩塌 活动断裂 地震地质 砂土液化 地下空间基础及其影响范围 开发利用

现状 既有地下建筑物 图1 城市地下空间开发利用适宜性评价指标体系[4][5][6][7]

Fig.1 Index system of evaluation for the suitability of urban USEU

3.3 指标的量化

（1）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。在山谷及其地势低洼的地区，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[8]

。结合某地级市防洪规划，指标量化如表3-a。

（2）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。指标量化如表3-b。

（3）地基土均匀性

土层越均匀，地下空间开发的难度相对就越低，故地下空间在同一土层或压缩模量接近的相邻土层中开发就更理想。故对地基土均匀性的优劣用相邻土层

压缩模量的方差进行分级，根据规范[9]

量化如表3-c。

（4）地基承载力

土体和岩体是城市地下空间存在的环境介质，因此地下空间的开发利用与地基承载力有很大的关系。土体的承载力越大，地下空间开发利用的支护措施就相对更简单，地下结构更稳定。影响岩层地基承载力的工程性质主要是岩石强度。岩石的强度越高，承载力越大；但强度过高，岩石的挖掘难度也会增大，使

工程开挖费用提高[10]

。

根据该地级市城市总体规划之地下空间开发利用规划，本文把地基承载力分为浅层（0～-20m）、中层（-20～-40m）、深层（-40m以下）。由于深层地下空间不是规划期内地下空间开发的重点区域，故对之不做研究。同时由于普通区域地基承载力分布图是描述某一标高上而不是一区间内的土层地基承载力的分布情况，故对浅层、中层各层土的地基承载力按土层厚度求加权平均值，以衡量浅层和中层的总体地基承载力，量化如表3-d。

（5）潜水埋深

潜水对地下空间开发利用的影响主要表现为如下两种方式：一是在地下工程施工(基坑开挖)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，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[11]

。故在地下工程施工中需要降低潜水水位（也可采取防水帷幕等其他措施），换言之，地下潜水埋深越浅，对地下空间的开发利用越不

地 下 空 间 与 工 程 学 报 第 卷

利，反之越有利。根据地下空间竖向布局规划[12]

，可量化如表3-e。

（6）承压水水头绝对标高

当地下工程如基坑下部有承压水存在，且施工开挖减小含水层上覆不透水层的厚度到一定程度时，承压水的水头压力就可能冲破不透水层，甚至顶裂或冲毁基坑底板，造成突涌现象。基坑突涌将会破坏地基

强度，造成基坑失稳，给施工带来很大困难[13]

。故承压水水头压力将是影响地下空间开发利用适宜性的重要指标。结合该城市具体情况，按照承压水水头绝对标高划分等级，量化如表3-f。

（7）承压水层顶板埋深

承压水中及其上部相邻的土层最易发生流砂和突涌现象，这将对工程将造成极大的损失。在工程中常以注浆等方法提高安全指数，故承压水层顶板埋深越大，地下空间开发利用适宜性就越高。量化如3-g。

（8）地下水腐蚀性

由于地下水所含有的具有侵蚀性的CO2?2、SO4、

Cl?、H?等介质对混凝土结构物和钢结构及设备的

腐蚀破坏比较明显，故在工程上经常要对地下水的腐蚀性进行评价[10]

。量化如表3-h。

（9）地面沉降

地面沉降是一种环境地质灾害。在地下工程的施工中，它是由于人为开采地下水而造成地层压密变形，从而导致区域地面高程下降的地质现象。地面沉降主要包括地层初始应力状态的改变引起的地表沉降和土体的固结沉降。地面沉降可能造成周围建筑及管线的剪应力增大，致使建筑或管线断裂。另外由于地质条件的差异或者排水量的不同还可能会造成地层的不均匀沉降，而地层的不均匀沉降亦会造成建筑物的倾斜，

影响其正常使用[10]

。故地面沉降也会影响地下空间开发利用的适宜性。判别地面沉降等级的主要指标是累积沉降量和沉降速率。量化如表3-i。

（10）滑坡崩塌

滑坡崩塌都是地质灾害的主要形式，在危险区不宜建设地下空间（由于该城市不存在泥石流等其他地质灾害现象，故不考虑之）。量化如表3-j。

（11）活动断裂

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，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。量化如表3-k。

（12）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[10]

。很显然砂土液化是地下空间开发利用的不良因素。根据液化等级，量化如表3-l。

（13）基础及其影响范围

根据该城市新区某地块的地下空间开发利用现状调研成果可知，区域内非天然地基的建筑界限内以下的范围直接判定为地下空间不适宜开发区；区域内天然地基的建筑界限内以下的范围直接判定地下空间浅层为不适宜区，而中层为可开发区，但要受前面十二个因素的影响。故不作量化。

（14）既有地下建筑物

该新区地块内的既有地下建筑物分为建筑附建式地下室和公共地下停车库。它及其下部空间直接判定为不适宜开发区。故不作量化。

表3 地下空间开发利用适宜性指标量化

Table 3 Index qualification for the suitability of USEU a

地面标高 ≥3.9m

＜3.9m 评分

1 0

b

地面坡度 0～10% 10% ～30% 30%～50% ≥50%

评分 1 0.67 0.33 0 c

土层均匀性 浅层 均匀 不均匀 中层 均匀 不均匀 评分

1

0

d

地基承载力 浅层 ≥180kpa 130～180kpa 0～130kpa 中层 ≥180kpa 130～180kpa 0～130kpa 岩体强度 60～90Mpa

≥90Mpa或30～60Mpa

0～30Mpa

评分

1

0.5

0

e

潜水埋深 ≥6m 4～6m 2～4m 0～2m 评分 1 0.67 0.33 0 f

承压水水头绝对标高 ＜0m ≥ 0m

评分 1 0 g

承压水层顶浅层 ≥20m 14～20m 8～14m 0～8m

板埋深 中层 ≥40m 34～40m 28～34m 0～28m

评分 1 0.67 0.33 0 h

地下水腐蚀性 弱 中 强 评分

1 0.5 0 2009年第 期 彭建，等：基于层次分析法和ArcGIS的地下空间开发利用适宜性评价 i

地面沉降 轻微 较轻 较重 严重

评分 1 0.67 0.33 0 j

滑坡崩塌 安全区 轻微危险区 轻度危险区 中、高度危险区 评分 1 0.67 0.33 0 k

活动断裂 活动断裂带影响范围外 活动断裂带影响范围内

评分 1 0 l

砂土液化 无 轻微 中等 严重

评分

1 0.67 0.33 0 3.4 权重参数的确定

构造判断矩阵，通过以上研究，且经过专家调查进行提取，确定主题层（地形地貌、工程地质、水文地质、环境地质、地震地质）的判断矩阵如下： ?11/31/511/3?? 31/311?V??1??53133??， (3) ?311/311????311/311??各个主题层内的指标相应的判断矩阵如下：

V?11?1???11?，

(4) ? V3??2??1， (5) ?1/31???11/31/33??V3115?3????3115?， (6) ??1/31/51/51??V?11/3?4??， (7) ?31??V?11/3?5??， (8) ?31??其中，Vi表示第i个主题层内各个指标对应的判断矩阵。而地下空间开发利用现状是将来地下空间开发利用的限制因素，在此作为不适宜条件扣除，不受其他因素影响，不设定判断矩阵。

根据各个判断矩阵，可以求出各个主题层及指标层的权重，如表4。

3.5 评价结果等级的划分

根据评价模型计算结果S的大小对地下空间开发利用的适宜性进行等级划分，根据城市特点采用分值区间平均分配的原则，如表5。

表4 主题层及指标层权重 Table 4 The weights of theme and index

主题层

权重

指标层 权重 综合权重 地地形地貌 0.0627 地面标高 0.5 0.03135 下地面坡度 0.5 0.03135 空工程地质 0.1645

地基土均匀性 0.25 0.04113 间地基承载力 0.75 0.12338 开地下潜水埋深 0.1523 0.06759 发水文地质 0.4438

承压水水头 0.3899 0.17304 利承压水层顶板埋深 0.3899 0.17304 用地下水腐蚀性 0.0679 0.03013 影环境地质 0.1645 地面沉降 0.75 0.12338 响滑坡崩塌 0.25 0.04113 因地震地质 0.1645

活动断裂 0.75 0.12338 素

砂土液化

0.25 0.04113

表5 评价结果等级划分

Table 5 Rank classification of evaluated results 评价得分 0.75～1 0.5～0.75 0.25～0.5 0～0.25

评价等级 一级 二级 三级 四级 表中：一级：地下空间开发利用适宜区；二级：地下空间开发利用较适宜区；三级：地下空间开发利用较不适宜区；四级：地下空间开发利用不适宜区。

4 模型应用

以该新区地块为实例进行分析，评价模型以地理信息系统（GIS）作为评价操作运算的载体，确保地下空间资源评价的准确和高效。

工作流程如下： （1）建立评价模型和指标体系。即采用多目标线性加权函数建立评价的总体数学模型，如（2）式。

（2）收集原始资料，并整理成评价模型需要的可用数据。其间涉及一定工作量的图件矢量化。

（3）对评价范围进行单元划分。研究区域内勘探钻孔间距较大，但考虑到建筑基础影响范围，计算选择10×10m网格。

（4）录入各个影响指标的属性，如表6。

表6 某城市新区某地块实例分析

Table 6 Analysis of one area of one city’s new town 序号 指标

数据来源

指标内容

1 地面标高 地形图

区域地面多数在防洪设

计标高3.9m以上

2 地面坡度 地形图 区域坡度均小于10% 3 地基土均匀各层土工程特性指区域分布图，分为浅层和

性 标 中层

4 地基承载力

各层土工程特性指区域分布图，分为浅层和

标 中层

5 地下潜水埋

深 地下水位分布图 均在2m左右

6 承压水水头

绝对标高 地下水位分布图

1m 7

承压水层顶板埋深 地下水位分布图

区域分布图，分为浅层和

中层

地 下 空 间 与 工 程 学 报 第 卷 8 地下水腐蚀地下水腐蚀性评价

性 成果

弱

9 地面沉降

历年地面沉降记录轻微（累积沉降量和沉降

数据 速率）

10 滑坡崩塌 滑坡危险性评价成

果

安全区

11 活动断裂 地震地质资料 无

12 砂土液化 场地和地基地震效

应勘察成果 无

13 基础

地形图、基础调研

资料

14

既有地下建既有地下建筑分布

筑 图

（5）计算数学模型。根据（2）式计算各个网格的分值。

（6）输出结果，并通过人工干预，得到最终地下空间开发利用适宜性分区图，如图2。

图2 某城市新区某地块地下空间开发利用适宜性评价 Fig.2 Evaluation for the suitability of USEU of one area of one

city’s new town

5 结论

（1）影响地下空间开发利用适宜性的因素总体上分为地形地貌、工程地质、水文地质、环境地质、地震地质以及地下空间开发利用现状六个主题层，但指标层、指标的量化以及权重是会因城市的不同而不同。本文是以某地级市为例而选取了十四个因素，进而对

指标进行量化，并确定其权重。

（2）本文采用层次分析法和ArcGIS对地下空间开发利用适宜性进行评价与传统的主导因素评价法相比较，其优点是考虑的因素更全面，叠加效率更高， 故评价相对更为合理、科学。

（3）本文地下空间开发利用适宜性评价是从岩土工程勘察原始数据出发，这不同于以往的直接以地质

评价图为出发点的评价。笔者认为，地下空间开发利用的适宜性评价从分析区域的原始勘察数据出发更加准确、合理。

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