宁波市工程性地面沉降成因分析及防治对策研究

赵团芝，侯艳声，胡新锋

（宁波市地质环境监测站，浙江·宁波 315042）

宁波市工程性地面沉降成因分析及防治对策研究

赵团芝，侯艳声，胡新锋

（宁波市地质环境监测站，浙江·宁波 315042）

随着城市化建设进程的加快，工程性地面沉降已逐渐成为滨海软土地区地面沉降的主导因素，并进而影响港口城市工程建设和发展。2000年以来，宁波相继开展了工程性地面沉降调查，建立工程性地面沉降监测网，并开展了工程性地面沉降特性和机理研究。本文基于宁波市地面沉降现状，从地层结构、软土的工程特性、主要压缩沉降层、地面沉降与建筑容积率的相关性及工程性沉降机理分析等方面，对工程性地面沉降的成因进行详细分析，工程建设活动及第一软土组压缩变形是产生工程性沉降的主要原因。针对宁波市地面沉降的新特征，从专项监测、机理分析及预测预警、浅层地下水人工回灌、防控管理及长效机制方面，探讨工程性地面沉降防治对策，综合防控工程性地面沉降发生发展，促进国际港口城市建设与地质环境协调发展。

工程建设；软土地层；工程性地面沉降；成因分析；防治对策

东南沿海是我国地面沉降发育严重的地区［1，2］，按照形成的主要成因分为超采地下水而产生的地面沉降、工程性地面沉降［3］。由于大型工程建设而诱发的地面沉降效应，近年来在大城市的地面沉降发生发展中居重要比重［4］。上海城市化进程初期，地面沉降量、地下水位、地下水开采量之间具有较强的相关性，但随着城市建设的发展，地面沉降与地下水开采量的相关性逐渐减弱［5］。严学新等分析了上海城区建筑密度与地面沉降的关系，建筑规模及其增长速度直接导致工程性地面沉降同步增长，建筑密度越大，建筑容积率越高，地面沉降越显著［6］；施伟华等分析了市政工程建设对地面沉降的影响，总结了建设工程施工对地基沉降的影响有五种应力模式：弹性半无限空间体表面的荷载、半无限空间体的挖方卸荷工程、井点降水工程、盾构及隧道施工和往复动力荷载及冲击荷载等，认为市政工程产生地面沉降在整个环境地面沉降中占居比例越来越大，应引起政府部门的充分认识［7］。

20世纪90年代以来，大规模的高层建筑建设、地下空间开发利用和其他重大工程设施的建设、运行等工程建设活动逐渐成为上海、广州等大城市新的地面沉降影响因素［8，9］。工程性地面沉降的显现，一方面对工程建成后产生影响，另一方面也加剧了区域性地面沉降的发展。危害城市防洪排涝，增加城市建设和运行成本，不利于海绵城市建设。国内的专家学者对工程建设活动引起的地面沉降进行了相关研究，唐益群等探讨了不同建筑容积率因素对上海软土地区密集建筑群区工程性地面沉降的影响规律［10］；张弘怀等对宁波平原地面沉降全耦合数值模拟进行了研究，建立了参数随应力应变变化的地下水开采和区域建筑荷载双重作用下的全耦合动态地面沉降方程，并预测了2012～2015年地面沉降发展趋势［11］；吴建中等开展了将应用成熟的深部承压含水层地下水人工回灌技术引入浅部含水层中，为浅层地下水人工回灌技术在防治工程性地面沉降中推广应用奠定基础［12］。本文基于地面沉降现状，对宁波软土地区工程性地面沉降特征进行详细分析，并提出工程性地面沉降防治的对策与建议。

1　地面沉降现状及危害

1.1地面沉降现状

由于超量开采地下水，宁波市于1965年首次发现地面沉降，在1985年沉降中心的沉降速率达35.3mm/a的极值。1986年起，宁波市政府采取地下水限制开采、地下水人工回灌等措施，沉降中心的沉降速率明显放缓，降至2006年的6.9mm/a，地下水开采引起的地面沉降得到基本控制。

20世纪90年代以来，社会经济快速发展促进宁波城市化建设进入快速发展期［13］。2002年以来，中心城区面积从73.5km2扩大到300km2以上，城市化率达到70%，城市规模扩大4倍多。大规模的工程建设活动诱发了以地面沉降为主要形式的环境地质问题，在中心城区形成了鄞州中心区、东部新城—国家高新区、镇海新城开发区、江北洪塘—庄桥、鄞州集士港—望春、东钱湖旅游度假区等多个工程性沉降漏斗区，并有扩大连片的趋势，工程建设的地面沉降效应逐渐凸显。2009年以来，宁波市在中心城区开展了系统的工程性地面沉降调查，主要调查密集高层建筑群、重大基础设施、综合交通工程、地下空间开发利用和旧城改造等工程活动引起的地面沉降，掌握工程性地面沉降空间分布。根据工程性地面沉降调查结果，初步建立了工程性地面沉降监测网，并开展了7期工程性地面沉降监测，积累了第一手的监测资料。

鄞州中心区开发建设全面启动始于2002年，规划面积33km2，经过13年的开发建设，城市主体功能趋于成熟。大型商务区、文化商业综合区、休闲住宅区等密集建筑群建成，使得鄞州中心区建筑物的密集化程度较高，产生了以鄞州中心区为中心的工程性地面沉降。虽然该区城市建设趋于饱和，地面沉降速率逐渐放缓，但监测数据显示该中心年沉降速率达到20mm/a（见图1（a））。东部新城作为宁波未来政治经济文化和商业中心，2012年全面启动8.45km2核心区开发建设，城市建设规模向高、大、重、深方向发展，宁波建设高度不断被刷新，高层建筑群数量急剧增多，深基坑的数量越来越多，基坑开挖深度和开挖面积越来越大，同时，高层建筑群的密集化导致相邻基坑施工的现象也越来越多，由此加剧了工程性地面沉降的发生发展（见图1（b）。

图1　宁波市典型地区沉降监测点历时曲线Fig.1　Duration curve of subsidence monitoring points in type regions of Ningbo city

1.2地面沉降危害

地面沉降是一种累进性地质灾害，给宁波滨海平原防洪排涝、土地利用、城市规划建设、航运交通等造成严重危害。尤其是低海拔的平原地区海平面上升与地面沉降叠加，其影响更为严重［14］。宁波软土地区地面沉降危害主要表现在：（1）排涝工程效能降低。兴建于上世纪80年代的王隘新村、潜龙社区等老小区，使用天然地基坐落在浅部软土层中，产生了严重的地面沉降，造成排水不畅，成为城市内涝多发易发的地段。（2）地面高程、水位标高失真，影响滨海平原防洪调度。位于沉降漏斗中心的三江口防洪堤岸，受地面沉降影响，已经连续3次加高了3.84m。（3）影响城市规划建设。投入运营的轨道交通1、2号线，产生的地面沉降危害愈加明显，造成沿线中山路等交通干道及市政管网破损，影响交通通行，不得不进行加高维修。在城市化建设中，地下空间开发利用可以缓解建设用地紧张，但必然会受到地面沉降的制约，影响国际港口城市建设和发展。

2　工程性地面沉降成因分析

2.1地层结构

宁波平原在多次海陆变迁中，发育一套复杂的陆相、海陆交互相沉积物。第四系厚度在平原区为85～100m，市区一带厚约90m，向滨海递增至120m。50m以浅地层，是海相与陆相黏性土互层，主要是第一软土层、第一硬土层和第二软土层及第二硬土层，构成软硬土相间的地层结构；50m以下为陆相堆积，以冲积砂、砂砾与冲湖积黏性土互层，主要是第Ⅰ含水组（含第三硬土层）、第四硬土层、第Ⅱ含水组，构成了粗细相间的地层结构。这种海陆交互式沉积环境决定了宁波平原的水文地质、工程地质特征。

2.2软土的工程特性

宁波平原地表以下50m范围内广泛分布软弱的黏性土地层，主要是第一软土组和第二软土层。其中，第一软土组土层组成主要是①2层（mQ43）、②2、②3层（mQ4

2），土质主要为淤泥、淤泥质黏土和淤泥质粉质黏土。根据浅部软土的物理力学性质指标统计分析（见表1），宁波软土主要呈现高天然含水率、高压缩性、低抗剪性、低渗透性等特点。20m以浅饱和的淤泥质软土工程性质不良并具有明显流变特性，同时，该区段范围又是宁波地下工程、基础施工及地下空间开发利用最为频繁和集中的部位，受软土自身理化性质影响，工程建设不可避免产生以地面沉降为主要表现形式的环境地质问题。

表1　宁波平原浅部软土层的物理力学指标统计Table 1　Physical-mechanic indices of the shallow soft soils in Ningbo plain

2.3主要压缩沉降层

宁波市分层沉降标监测资料表明，在1985年宁波城区地下水开采量达到极大值时，年沉降量为35.3mm，第一软土组沉降量为16.8mm，第二软土层及第二硬土层、第三硬土层和第四硬土层等土层沉降量为17.5mm，分别占总沉降量的47.6%、49.6%。1986～2002年，随着城区地下水计划开采与人工回灌，第二软土层及第二硬土层、第三硬土层和第四硬土层等土层沉降量逐渐减缓，至2002年，累计沉降量为63.6mm，占总累计沉降量31.8%，而第一软土组沉降量在地面沉降量中所占比例呈明显上升趋势（见图2），累计沉降量达133.8mm，占总累计沉降量66.9%。根据2003～2015年期间沉降中心各土层沉降量统计（见表2）可知，第一软土层累计沉降量达到107.5mm，单位土层厚度沉降量为5.18mm，其厚度只占第四系总厚度的22.1%，而沉降量占总沉降量的97.91%，并且第一软土组与地面总沉降量的沉降历时曲线基本一致（见图3）。因此，宁波市工程性地面沉降发生在第一软土组的地层。

图2　1985～2002年宁波第一软土组沉降量占总地面沉降量百分比Fig.2　Percentage of the first soft soil group in total land subsidence from 1985 to 2002 in Ningbo city

表2　宁波市沉降中心区分层沉降量统计Table 2　Statistics about each layer’s ground subsidencs quantity of subsidence center in Ningbo city

2.4建筑容积率

在现状和未来城市中，高层建筑以及密集建筑群建设的荷载特征主要反映在建筑容积率上，容积率决定影响荷载的大小。对宁波市中心城区三维地图中建筑物数据矢量化，计算绘制宁波中心建成区建筑容积率（如图4），通过对比分析图5发现，在建筑容积率出现峰值部位，累积沉降量、沉降速率均出现峰值，说明累积沉降量、沉降速率与建筑容积率之间相关性较强。在城市化建设中，建筑面积和建筑容积率的增大意味着对地基影响荷载的增加，使得浅部软土层的有效应力增加，从而使土层压缩变形产生地面沉降。

图3　2003～2015年宁波第一软土组与地面总沉降的沉降历时曲线Fig.3　Subsidence duration curve of the first soft soil group and the total land subsidence in 2003～2015 in Ningbo city

图4　宁波中心城区建筑容积率分布Fig.4　Distribution of the building volume rate in center area of Ningbo city

图5　宁波市建筑容积率与累积沉降量及沉降速率对应关系Fig.5　Histogram of cumulative settlement， subsidence rate and volume rate in Ningbo city

2.5工程性沉降机理

宁波软土地面沉降的发生发展与软土体特殊的结构、性质和人类工程经济活动有关。软土由于天然含水量高、孔隙比大、压缩性高、透水性差和承载力低等特点，其压缩变形成为滨海平原软土地区特有的环境工程地质灾害［15］。工程建设导致的地面沉降主要在浅部工程活动相对频繁和集中的地层中，软土层本身存在蒸发固结、自重固结、有机质氧化、土体蠕动等作用容易产生土体变形。在自重固结沉降未完全的软土地区进行工程开发建设，人为地加快软土的排水固结—压缩沉降过程，因软土土质、厚度及上部荷载的不均匀，就会造成地面不均匀沉降。工程建设产生的地面沉降大小和影响范围与工程建设的规模、工程进度、施工工艺、工程密集程度等密切相关，影响因素复杂。单个工程建设是局部的，产生的地面沉降影响范围较小，而当工程建设密集时，产生局部叠加效应，导致区域性地面沉降。随着宁波城市轨道交通“三主三辅”六条线的建设和运营，城市地下空间开发利用日益普遍，将加剧工程性地面沉降的发生发展，影响港口城市建设。

3　工程性地面沉降防治对策

宁波市地面沉降的诱发因素已经由过去地下水超采逐渐过渡到现在的工程建设活动。工程性地面沉降和超采地下水产生的地面沉降的成因机理不同，呈现出各自的沉降特点、发生发展历史，需要采取不同的防控对策。

3.1开展工程性沉降专项监测

在监测对象上，将密集高层建筑群、基坑工程、快速干道、轨道交通、过江隧道等各类工程对象纳入工程性地面沉降监测网，逐步建立工程性地面沉降全要素监测；在监测区域上，重点监测工程对象周边3～6倍基坑开挖深度的区域范围，掌握工程性地面沉降空间分布形态；在监测时间上，将目前单个工程的沉降监测从建设期顺延至运行期，掌握工程对象运行期对地面沉降的影响，形成建设期和运行期长序列的地面沉降发育规律，为工程性地面沉降理论研究及防控措施提供基础数据。

3.2加强工程性地面沉降预测预警体系建设

系统地分析城市大面积荷载、基坑开挖及降水、沉桩、轨道交通盾构法施工等各类工程建设引发地面沉降的影响因素，选择在沉降速率、建筑容积率较大典型区块，建立软土工程性沉降模型［16］，探讨沉降机理和发育规律。深入分析工程性地面沉降对海绵城市建设、城市防洪防汛、生态环境建设的危害，开展地面沉降危险性及风险性管理区划，建立软土地区工程性地面沉降预测预警系统，合理确定不同分区的地面沉降控制指标，通过对重要城市功能区或重大工程建设区设置地面沉降预警值，避免或减少工程性地面沉降发生发展。

3.3开展工程性地面沉降预防控制技术研究

在城市化快速推进中，宁波地区形成了多个工程性沉降漏斗，已经影响了市政管网、过江隧道等生命线的运营安全。尝试将深部承压含水层中应用成熟的地下水人工回灌技术引入浅部含水层中，根据浅部含水层地层结构及水动力条件，改进地下水人工回灌工艺流程，通过城区24眼浅层地下水监测井、分层标组和水准点监测，分析评价浅层地下水人工回灌技术控制地面沉降的实际效果，及时总结浅层地下水人工回灌技术在防治工程性沉降中推广应用的可行性及适用性。

3.4建立地面沉降防治长效机制

借鉴上海、天津等地控制地面沉降的管理办法，尽快制定并颁布实施宁波市地面沉降防治管理办法，从政策法规层面，进一步明确专项规划的编制、组织机构的设置、专项经费的落实等，保障地面沉降防治各项工作落实到位，切实将地面沉降综合防治工作纳入整个城市防灾减灾工作体系中，促进城市建设与地区地质环境协调发展。

3.5加强城市建设中的地面沉降防控管理

发改、国土资源、建设、规划、水利、交通等部门要研究建立工程设计、施工建设、运行和地面沉降防范的管理制度和技术标准，在工程立项、土地报批时，按照国家有关规定，进一步规范建设项目地质灾害危险性评估，将地面沉降防治贯穿于建设项目的立项、设计、施工建设及运行管理的全过程。重要市政、交通、水利等工程建设项目要预先制定项目所在区域的地面沉降综合防治方案，落实防治措施，最大限度降低基坑降水、地下空间开发、大面积堆载等工程建设对地面沉降产生的影响，有效遏制城市建设工程性地面沉降发生、发展势头。

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Engineering-related land subsidence in Ningbo city: An analysis of its causes and countermeasures

ZHAO Tuan-Zhi, HOU Yan-Sheng, HU Xin-Feng
（Ningbo Monitoring Station for Geological Environment， Zhejiang Ningbo 315042， China）

With the accelerated process of urbanization， engineering related land subsidence has gradually become the dominant factor in land subsidence in coastal soft soil areas. This kind of land subsidence， in turn， affects engineering and construction， and the development of the port city. Since 2000， Ningbo city has carried out a survey of engineering land subsidence， established a monitoring network for it， and carried out research on its characteristics and mechanisms. Based on the present state of land subsidence in Ningbo city， the causes of engineering land subsidence， including the stratum structure， the engineering properties of soft soil， the compression of subsidence layers， the relationship between land subsidence and building capacity rate， and also the mechanism of engineering subsidence are analyzed in detail in this study . Engineering construction activity， and the compressive deformation of the first soft soil group， are the main reasons for engineering subsidence. According to the newly understood characteristics of land subsidence in Ningbo city， based on monitoring and mechanism analysis， preventative measures for the control of engineering land subsidence， including forecasts and early warning systems， and artificial recharging of shallow groundwater， are discussed.We discuss how the occurrence and development of engineering land subsidence are prevented and controlled， to promote the development of this international port city with attention to its geological environment.

engineering construction； soft soil layer； engineering land subsidence； cause analysis； prevention countermeasure

P642.26

A

2095-1329（2016）03-0060-05

10.3969/j.issn.2095-1329.2016.03.014

2016-09-01

2016-09-16

赵团芝（1982-），男，硕士，工程师，主要从事城市环境地质研究.

电子邮箱: zhaotuanzhi@163.com

联系电话: 0574-87956352

中国地质调查局地质调查项目