中国工程地质评价现状分析

马 震，陈 彭*，王家松，柳富田

(1.中国地质调查局天津地质调查中心，天津 300170；2.华北地质科技创新中心，天津 300170)

工程地质评价作为工程地质调查中主要的工作内容，在支撑城镇化、重大工程、基础设施等规划建设中发挥着至关重要的作用，并且在分析人类工程活动受地质条件的制约、划分地质工程环境条件优劣以及评价工程建设所带来的影响中扮演着重要的角色。特别是近几十年，工程地质理论的丰富、信息化技术的进步，都推动了工程地质评价从定性走向定量。虽然评价的精度越来越高，评价的针对性越来越强，评价的划分越发详细，评价的方法越来越多样化，但长时间以来针对中国工程地质评价系统性的研究工作却存在缺失。通过明确工程地质评价概念、归纳评价方法、梳理评价内容、阐释特殊地区工程地质评价特点，总结评价中存在的问题，提出合理化建议，为今后的工程地质调查工作奠定良好的理论基础。

1 工程地质评价概念

当前，中国工程地质调查历经长足的发展，取得了丰硕的成果，工作方法更加合理，技术手段更加先进，加之与地质灾害调查、环境地质调查、城市地质调查的深度融合，使得其逐渐发展成为更复杂更全面的综合性地质调查工作。不仅如此，工作目标也由最初的为工程建设选址转变成为重大工程、基础设施建设和新型城镇化发展提供基础性、先行性支撑服务。工程地质评价作为工程地质调查的重要组成部分，是关乎调查成果优劣的重要因素，近些年来也被赋予了更为丰富的内涵。

《工程地质术语(GB/T 14998—1993)》中将“工程地质评价”定义为：根据工程建筑的要求和勘查成果，通过分析和计算对研究区工程地质条件和问题进行的定量和定性的评价[1]。评价上突出了岩土力学、地质学的理论，是对地质条件能否满足工程建设需求的判断。随着工程地质调查的发展，不仅工程地质评价的内涵愈发宽泛，而且各类工程地质综合评价也在调查工作中得到广泛应用。目前主要常见的工程地质评价包括以下几个方面。

(1)工程地质条件评价。在进行具体工程建筑设计、施工过程中，对所在地区的工程地质条件进行调查研究，经综合分析作出的全面评估，以确保工程的安全和经济上的合理[2]。

(2)工程建设适宜性评价。基于对地形地貌、水文、工程地质和水文地质、不良地质作用和地质灾害的综合分析和评判，得出规划区工程建设适宜程度[3]。

(3)工程地质环境质量评价。以合理利用、保护、改善地质环境为目标，研究地质环境在人类工程活动下的影响，评价地质环境工程建设的优劣程度[4]。

除上述常见的综合评价外，还出现了城市建设地质环境适宜性评价[5]、工程建设地质环境适宜性评价[6]以及工程地质稳定性评价[7]等其他评价，工程地质评价的应用范围更加广泛。21世纪以来，学者们从地震学[8]、水利工程学[9]、土木工程学[10]不同的学科角度对工程地质评价进行了新的诠释，从含义上补充强调了评价方法的经验性、地质环境的综合性以及工程建设的影响性等方面的内容。研究认为，工程地质评价狭义上是指定性判断工程地质条件能否满足工程建设活动的需求；广义上是指在分析影响工程地质环境各种因素的基础上，判别工程建设活动与地质环境相互制约、相互影响的关系，对工程条件的优劣性、工程建设的可行性、地质环境的适宜性以及建设活动的影响性等进行的综合研判。

2 文献分析

利用表达式“SU=工程地质评价 OR SU=工程建设适宜性评价 OR SU=工程地质环境评价 OR SU=工程适宜性评价 OR SU=工程地质条件评价”在知网上进行检索，如图1所示，结果表明，1979—2020年中国以“工程地质评价”为主题发表的论文数量为571篇，其中核心期刊刊载104篇。从图1看，在数量上2000年之前论文年发表量始终在个位数，之后逐年上升，至2009年发表量达32篇，其后10年间年发表量在30篇上下，2014年达到峰值34篇。从发展趋势图可推断出工程地质评价在2000年之前处于起步阶段，2000—2009年间处于发展阶段，自2010年至今处于成熟阶段；从发表内容上看，与工程地质建设适宜性评价相关的文献204篇，与工程地质环境评价相关的文献151篇，与工程地质评价相关的文献131篇，与工程地质条件评价相关的文献46篇。由不同评价内容的文献数量，可反映出工程地质建设适宜性评价成为近年来工程地质评价工作的研究热点。

3 常用工程地质评价方法

目前，在工程地质评价中最常用的方法是以构建评价指标体系为基础，筛选评价指标、选取数学模型并计算分区，最终实现结果的图像化。而评价方法的差异性主要体现在4个方面：评价体系构建的层级数、指标因子的选取、指标权重的确定以及选用的数学模型。以如何确定因子权重、选用何种数学模型为依据，划分评价方法。

图1 工程地质评价类论文献表年度趋势Fig.1 Annual trend of engineering geological evaluation papers

3.1 利用指标权重的评价方法

3.1.1 以层次分析法确定权重

该方法是通过建立评价指标层次结构模型，构建两两比较判断矩阵，通过计算一致性指标(CI)和一致性比率(CR)，以此来确定指标权重。其可操作性强、应用简洁方便。确定指标权重后，通常采用的数学模型有两种：综合指数模型和模糊数学模型。

综合指数模型，是基于统计指数理论的数学方法。它将复杂的工程地质环境系统进行分解，转化成一系列的工程地质环境指数，通过指标权重叠加计算，得出整个工程地质环境系统的评价指数综合值，最终实现工程地质环境的分区评价，在计算过程中应用最多的方法是加权平均法。

针对郑州[11-12]、西安[13]、宜宾[14]、曲靖[15]、曹妃甸[16]、廊坊北三县[17]、安阳田市镇[18]、铜川新区[19]、郴州中心城[20]等地区，学者们利用综合指数模型开展工程地质环境与工程建设适宜性评价。以层次分析法确定权重，采用综合指数模型进行工程地质综合评价是目前最广泛、成熟度最高的方法。但该方法存在构建判断矩阵困难、人为因素导致评价结果出现差异化、评价结果多以定性为主的缺点。

模糊数学模型，是基于隶属度理论用以解决各种不能给出定量描述的、难以量化的模糊性问题的数学方法。通过确定评价集和因子集，计算隶属度，依据层次分析法确定的权重系数，构成合成矩阵，计算每个评价单元的级别，从而对整个区域按评价集进行分区。在评价过程中，通常选用梯形分布隶属函数进行计算。

针对青岛[21]、唐山[22-23]、九江[24]、西安[25]、珠江口[26]、莱州湾[27]、金沙江[28]、环胶州湾地区[29]、渭南市富平县[30]、天津滨海新区[31]等地区，学者们利用模糊数学模型针对工程地质环境、工程地质适宜性以及工程地质条件开展评价。以层次分析法确定权重，采用模糊数学模型进行工程地质综合评价，既考虑到指标因子的层次性，又可以使评价标准和指标因子的不确定性得以体现，最终得到定性和定量相结合的结果，在一定程度上，提高了评价精度，使结果更客观，更真实。此外，该方法还有很强的扩展性。但其更适用于具有工作基础的地区，并且隶属函数难确定，评价因子间易重复，都是应用此方法时需解决的技术难题。

3.1.2 以经验试算法确定指标权重

该方法是基于地区经验，从典型到一般，从局部到整体，根据指标因子对工程地质环境、建设适宜性的影响大小进行确定。其主要步骤是，依据经验先给定一组权重系数，对代表性的评价单元进行运算，逐步修正，最终得出满足所选评价单元评价结果的权重系数。此类方法，常用的数学模型也是综合指数模型与模糊数学模型。

针对银川市[32]、关中城市群、绍兴中心城区[33]，学者们以经验试算法确定权重，利用综合指数模型进行工程建设适宜性、工程地质环境评价。针对曹妃甸地区[34]，抚顺市城区[35]、胶州湾地区[36]、汉中市略阳县[37]，学者们以经验试算法确定权重，利用模糊数学模型进行相应评价。

除上述两种确定权重的方法外，还有专家打分法、熵权定值法等，但应用较少。

3.2 聚类分析法

聚类分析法的本质是计算各指标的相似程度，将相似的归为一类，不相似的归为另一类。其计算过程通常分为3个步骤：①数据标准化消除不同指标量纲的影响；②计算距离以判断指标间的差异性；③进行模型的求解与分析。在聚类分析中存在多种并类方法，采用不同方法并类的结果是一致的，区别在于并类的距离，进而导致评价的结果不尽相同。而采用何种并类法得出的评价结果更为真实客观，至今没有相应的标准。通常采用不同并类法比较结果的差异，或根据工程地质环境背景结合相关经验选取合适的并类法。目前，在工程地质评价中应用最多的是系统聚类分析法。此类方法模型直观、操作简单、结论形式简明，但在样本数量较大时难以获取聚类结果，并且不易发现非凸形簇，或大小差别很大的簇，会影响评价结果的准确性。

王晋霞[38]对北京奥运公园、王珊珊[39]对镇江市、苏会民[40]对曹妃甸滨海新城都是以不同深度的切面承载力标准值和桩基持力层埋深作为主要评价指标，利用聚类分析法评价工程地质环境与工程地质建设适宜性。肖海龙[41]对北京亦庄，徐波[42]对青海平安地区分别评价地壳稳定性、场地稳定性、地基稳定性等单因素，利用结果采用聚类分析法，分析评价工程建设适宜性。

3.3 BP神经网络法

BP(反向传播)神经网络法的本质是由输入到输出的映射，它由接受信息的输入层、判别决策的输出层以及存储信息的中间层组成。同层神经元不存在联系，不同层神经元用权值表征连接程度。其方法步骤包括：选择不同层节点与算法的，确定评价单元指标值，选择评价样本，数据的规范化，网络训练以及网络验证。该方法具有较强的容错性和数据融合能力，但由于算法的本质为梯度下降法，而所要优化的目标函数又非常复杂，因此，这使得BP算法低效[43]。许多学者对BP算法进行了改进，其中Levenberg-Marquardt(LM)算法是诸多算法中收敛速度最快、鲁棒性最好的[44]。王明生等[45]利用该算法建立了工程地质综合评价模型，李相然等[46]利用BP神经网络对城市工程地质环境综合评价进行了深入研究。陈建平[47]在汉中市西乡县、韩世芹[48]在石家庄市利用改进后的BP神经网络法，对工程地质环境进行了综合评价。

除上述3类工程地质综合评价方法外，还有通过分析沉积环境，以土体力学性质为依据，根据地貌单元进行工程地质分区，评价工程地质条件的方法。该方法较适用于平原区工程地质调查评价工作，最直接地反映区域工程地质条件的优劣。目前在京津冀协同发展区、雄安新区、环渤海经济带的工程地质评价中已被广泛使用。此外，李继明[49]在义乌、于俊杰等[50]在镇江扬中、闫韶兵[51]在青岛利用该方法进行了区域工程地质评价研究。

4 特殊地区的工程地质评价

在工程地质调查评价中，常见的特殊地区包括：冻土地区、黄土地区、红层地区以及岩溶地区。

4.1 冻土地区工程地质评价

受冻土地区工程地质勘查难度大、工作手段有限等因素的制约，新中国成立初期中国学者主要解决了勘察技术方法上的难题[52]。随着物探技术的发展，探地雷达、瞬变电磁、浅层地震折射等方法在冻土区调查中得到了广泛应用[53-54]。调查手段的多样、调查精度的提升，使得中国在大兴安岭[55]、青藏高原[56]等冻土地区的工程地质研究工作更加深入。从而确定了冻土区工程地质分区原则[57]，即以地形地貌、冻土类型、冻土分布特征以及植被变化等为依据，制定了工程地质评价内容，包括冻土物理特性、不良地质现象、地下水和地下冰赋存特征等[58]。此外，明确了冻土的融沉性和热稳定性是影响其工程地质条件的重要因素。近年来，在柴木铁路、214国道等线性工程建设中运用突变级数法评价冻土地区工程地质条件得到了推广使用[59-60]，该方法具有可操作性强、实用性好、准确性高的优点。

4.2 黄土地区工程地质评价

20世纪50年代中期，中国借鉴苏联的经验探索性地开展了黄土地区工程地质评价研究[61]。随着南水北调工程、三峡建设工程、以及铁路建设等各项重大工程的开展，黄土地区的工程地质调查工作在陕西、甘肃、河北、河南等地相继开展。根据调查区地貌、岩土体类型划分工程地质区[62]，再通过物理力学参数计算黄土湿陷性评价工程地质条件优劣[63]，成为评价黄土地区工程地质条件的主要方法。目前学者们[64-65]普遍认为黄土地区工程地质评价内容应包括黄土类型判别、湿陷性评价、承载力评价、边坡稳定性评价以及地基性质变化预测等。

4.3 红层岩土地区工程地质评价

中国分布中新生代红层面积约826 389 km2，20世纪80年代，有学者对中国红层的分布、岩石学特征、地貌发育与形态特点进行了详细论述[66]。由于红层岩土中的可溶成分在水作用下容易发生岩溶、腐蚀、渗流等物理化学问题，这就决定了其工程地质性能相对较差。物质结构组成、水岩作用、风化作用以及地质构造等因素共同成为影响红层岩土工程地质条件的主客观因素。因此在红层岩土地区工程地质调查中，通常根据红层岩土的分布特征、结构特征、岩土力学性质与水理性质、风化带厚度等特征进行工程地质条件评价[67-71]。

4.4 岩溶地区工程地质评价

中国岩溶种类多、分布广，尤以湘西、鄂西、贵州、广西、滇东、川东较为集中[72]。在岩溶地区，岩溶塌陷是主要的工程地质问题，其多发于暗河或大的渗流通道上部及构造断裂处[73]。此外，水库渗漏、地基稳定性差、岩溶涌水、水库诱发地震、岩溶浸没以及边坡稳定等也都是常见的工程地质问题。由于岩溶地区地质条件极为复杂，在区内进行工程地质评价存在两种方式：一种是针对岩溶发育的条件、发展过程以及岩溶分布特点等分析研究[74]，评价工程地质条件；另一种是以影响工程的各种地质因素作为定性评价指标[75]，采用合适的数学方法，通过定性指标定量化来对重大工程选址的合理性进行分析评价，并提出合理化建议。此外，还有学者针对岩溶地区的地基稳定性[76-77]、地下工程的影响性开展评价工作[78]。

5 问题与建议

5.1 存在的问题

工程地质评价中不仅涵盖了地球科学中的诸多学科，还涉及了力学、测绘科学、土木建筑工程学、环境科学等多个领域，具有极强的综合性。因评价的侧重点、切入点不同，导致评价的方法模型存在差异。但无论评价对象、评价方法有何不同，评价的过程均包含5方面的内容：基础数据的收集与整理；评价指标体系的选择与构建；评价因子权重的确定；数学模型的选择与计算；评价分区结果的分析与应用。通过对前人研究成果的分析研究，总结出工程地质评价中尚存在的问题：

5.1.1 工程地质评价尚未形成完整的科学体系

目前，工程地质评价内容多种多样，评价理论及评价方法也是层出不穷，尚未形成一套完整科学体系。在评价方法的选择上，更多的是由研究者的主观意愿决定的。“经验判断”通常又是指标体系建立、评价因子选取以及权重确定的主要依据。学者们对工程地质条件和地质环境影响因素的认知不统一，导致对如何建立指标体系、选用哪些因子以及权重大小确定等方面存在差异。即便在同一研究区，不同学者的评价结果存在差异，不同结果间也很难进行比对分析，因此建立完善的工程地质评价科学体系，成为工程地质评价研究的首要问题。

5.1.2 工程地质评价结果量化程度不高

中国工程地质评价中多采用定性分析的方法对各工程地质区段进行分类定级。而定性评价并不能客观量化各区段在工程建设适宜性方面的差异，为服务城镇化以及重大工程建设，客观科学地探索1套适用于不同地区的工程地质定量化综合评价方法显得十分必要。

5.1.3 工程地质评价的创新性不强

工程地质评价的内容从最初对工程地质条件的单一评判，逐渐发展成涵盖了工程地质、环境地质、城市地质以及灾害地质的综合评价，但评价本身是基于对工程地质条件、地质环境条件的分析计算，而工程建成后对地质环境所带来的影响，以及未来几十年地质环境变化趋势的预测评价相对薄弱。此外，评价结果现阶段以二维平面化呈现为主，工程地质评价的三维可视化研究略显不足。因此，加强工地活动影响性评价研究，将三维工程地质建模技术引入工程地质评价，成为工程地质评价创新的重要抓手。

5.1.4 工程地质评价过于依赖计算机技术

在工程地质评价中，许多评价方法过于依赖数学模型、计算机技术，从而忽略了人类活动与工程地质环境之间相互作用规律的研究。对评价结果定性分析重视不足，通常仅仅揭示分区规律，而更深层次的地质背景原因未能充分说明。指标的选取以及指标间相互关系的研究也不够深入，更重要的是评价结果的科学性研究，缺失严重，使得最终成果难以有效指导实际工作。因此，加强地质背景研究，深入分析人类工程活动的影响，重视评价结果的科学性分析，成为提高工程地质评价精度，以及现阶段的工作重点。

5.2 建议

工程地质评价是多学科、多领域相互交叉、相互融合，极具现实意义和应用价值的应用科学。在今后的研究中，建议从3个方面加强评价工作。

5.2.1 工程地质评价应突出综合性

随着工程地质评价目标的精细划分，评价因子越来越多，指标模型的构建、评价因子的选取以及相关数据分析的复杂程度越来越高，这对评价研究提出了更高要求。从支撑服务角度出发，工程地质评价从单一目标走向多目标综合评价成为发展的必然趋势。基于GIS(地理信息系统)的数据与空间分析技术，大幅提升了统计信息与空间信息的处理能力，海量数据的多渠道获取等都为实现多目标综合评价提供了相应的技术保障。通过综合评价可以更好地掌握基于地质环境与人类活动背景下的工程地质空间特征，为社会经济的可持续发展提供重要的决策信息。因此，构建集现状评价、影响预测于一体的综合工程地质评价模型，将是今后发展的重要方向之一。

5.2.2 数据分析应加强融合性

在地质大数据的背景下，工程地质学与其他学科的交叉研究得到了大力发展。通过地质云3.0等地质信息平台，遥感、调查、钻探、测试等数据的获取更加便捷。工程地质评价中的数据分析方法综合了自然地理、基础地质、生态环境、统计学等相关学科方法，评价结果通过计算机强大的运算功能得以实现。而将人工智能中的核心机器学习方法运用到工程地质评价中，打破传统的数理模型方法计算，更深程度地挖掘影响工程地质环境的数据信息，势必会成为今后评价发展的趋势，一旦这种人机交互综合研究法得以应用，其在区域工程地质评价上的优势得到凸显。基础数据的多源融合、相互补充，为工程活动的影响性和预测性分析提供了新的数据平台，为提高预测精度提供了数据与技术的保证。

5.2.3 突出评价结果的实用性

工程地质评价的目标是为重大工程建设和城镇化发展提供技术支撑与决策依据，因此用评价结果来指导区域规划是调查评价工作的最终落脚点。而它的实用性主要体现在依据工程地质评价结果对区域进行科学划分并提出合理化建议，为规划建设提供重要的地质服务信息。将工程地质评价结果直接服务于国土空间规划、土地资源的治理与管控以及区域的可持续发展，将成为今后工程地质评价价值体现的重要形式。