北京地面沉降灾害评估指标及标准划分

范晓岭 张 青

(北京交科公路勘察设计研究院有限公司 北京 100191)



北京地面沉降灾害评估指标及标准划分

范晓岭 张 青

(北京交科公路勘察设计研究院有限公司 北京 100191)

随着北京市地铁工程的大规模兴建，地面沉降灾害对其危害逐渐显现出来。地铁线路具有线路长、规模大，沿线可能穿越不同的工程和水文地质单元。如何在地质灾害危险性评估中，科学、客观、合理地对地面沉降灾害进行评估，就显得尤为重要。在前人工作的基础上，建议引入单位沉降速度差异率这一指标，与地面累计沉降量、沉降速度共同作为地铁等重大线性工程地面沉降地质灾害危险性评估的指标，阐述各项指标值的获得方法，并对指标进行无量纲化处理，建立相应的地灾评估方法。

地面沉降；评价指标；评价标准；单位沉降速度差异率

地面沉降是北京市平原区地质灾害的一个重要类型，是工程建设在进行地质灾害危险性评估工作中的一项重要内容，其评估指标的确定应以反映地面沉降对工程危害为基础。地面沉降最直接的危害就是导致地面下沉、水准点失准、地面开裂，间接造成地下井管变形，道路、建(构)筑物开裂等，在受灾体破坏形式上主要表现为渐变性破坏。目前常用的有地面累计沉降量和沉降速度两个指标,但对不同的工程类型(线状、点状、区域性)、规模(大、中、小)和地质环境(复杂、简单)，其指标的侧重点各不相同，在评估体系中的权重也不尽相同，甚至反映不出地面沉降对工程的具体危害情况。因此,选用合理的指标类型，并建立相应的评价体系，对评估结论的指导性更为重要。

1 评价指标

目前北京市地面沉降的评价指标主要有两种，分别是地面累计沉降量S和沉降速度V。地面累计沉降量是对地面沉降总量最直接的反映，而沉降速度则是对该区域沉降快慢的反映，这两个指标反映了一个地区地面沉降的发展情况，在北京市地质灾害危险性评估工作中最为常用，其常用评估标准见表1。

这种评估指标在工民建及城市设施等一些点状工程中，能够直接反映地面沉降对其危害的特点。但随着北京市地铁规划建设和城市道路建设的不断发展，地铁及道路等线性工程，沿途可能穿越不同的地面沉降区域，地面沉降对这些线性工程的危害，仅依靠上述两个指标不能真正反映地面沉降对其危害的特点。对于线性工程主要表现在不均匀沉降对工程的破坏，因此建议引入“单位沉降速度差异率”这一指标，它是指单位长度沉降速度差异，单位为mm/a·km，其值等于两点的沉降速度之差与两点距离的比值。

表1 北京地区地面沉降常用评估标准

将地面累计沉降量S、沉降速度V、单位沉降速度差异率δv等3个指标作为评估地面沉降灾害的评价标准。

2 3个指标的获得

1) 目前，北京市已建立起比较完善的地面沉降观测系统，不间断测量地面沉降量，并定期向社会公布，主要以地面累计沉降量图的形式发布。建议以北京市地面沉降观测系统为基础，定期向社会公布地面累计沉降量等值线图，以期能更好地为本市地面沉降评估工作服务。

2) 沉降速率为不同年份测定同一地点的地面累计沉降量之差与年份之差的比值，该值可以通过收集不同年份的地面累计沉降量图，查询同一地点不同年份的地面累计沉降量，取其差值与年份差值的比值，即可获得该数据。

3) 获得区域范围内的点沉降速度数据后，根据坐标位置，生成沉降速度等值线图，从该图中，可以较方便地计算任意两点的单位沉降速度差异率(沉降速度等值线图类似于等高线图，图中等值线越密集的地方，说明该处的单位沉降速度差异率越大，而由其产生的危害也就越大)。

3 评价方法

目前，地面沉降地质灾害危险性评估方法常用的是采用地面累计沉降量和沉降速率2个指标，按照其中单一指标所达到的危险性等级进行评估级别确定。用这种方法未考虑评价指标对工程的影响程度，在具体评估工作中，因工程类型、规模和地质环境的不同，采用的评估方法和标准不能准确表述其危险性等级[1]。如地面累计沉降量对点状工程的影响可以根据区域沉降的特点进行一定的基础沉降预留，其危险性评定可适当降低；对线状工程来讲，沉降速率即使很小，但如果全线沉降速率变化差异较大，其对线路的危害也不容忽视。

结合以往的研究成果，建议选用地面累计沉降量S、沉降速度V、单位沉降速度差异率δv等3个指标，根据评估过程对不同工程、不同规模、不同重要性工程的影响侧重点，采用层次分析法，确定3个指标在评价中的权重，并对各个指标进行量化，建立相应的评价标准[2]。依据经验对其中的各个指标进行危险性分级，做无量纲处理，将各个指标的计算数值和权重值的乘积求和，计算其危险性指数。

文章采用前人在地面沉降危险性分级量化分析研究中确定的权重分配，3个主要沉降特征的权重值：地面累计沉降量为0.12，沉降速率为0.31，单位沉降速度差异率为0.55。

4 评价标准

地铁建设一般对沉降量控制相对较为严格，地面沉降评估指标标准的确定应以地铁工程对沉降量的要求划定。但目前在地质灾害危险性对地铁工程的评估中并没有建立起统一的标准。本文中地面累计沉降量、沉降速度两个评价指标依然采用北京市常用评价标准，对于单位沉降速度差异率，结合相关设计单位对沉降差异的控制要求，建议采用以下标准，综合评价指标见表2。

表2 地铁工程地面沉降灾害评价指标

注：表中的“计算数值”是将用于评价的3个指标统一无量纲化，例如某点的地面累计沉降量、沉降速度、单位沉降沉降速度差异率分别为350 mm、18 mm/a，5 mm/a·km，其对应的计算数值采用内插法计算分别为3.5、9.1、7.2。

表3 地铁工程地面沉降灾害危险性大小分级

结合各评价指标的权重分配以及表2中“计算数值”的分配原则，建立其评判地面沉降灾害危险性大小的标准，即将各个指标的计算数值和权重值表3 地铁工程地面沉降灾害危险性大小分级危险性计算数值危险性大小分级≤3危险性小3～10危险性中等≥10危险性大

结合各评价指标的权重分配以及表2 中“计算数值”的分配原则，建立其评判地面沉降灾害危险性大小的标准，即将各个指标的计算数值和权重值的乘积求和，建立分级标准见表3。

5 工程实例

5.1 工程概况

北京地铁6号线一期工程位于北京市中部，呈东西走向，分布于海淀区、西城区、东城区、朝阳区和通州区5个区。线路起于昆玉河西岸的五路站，东至通州新城，至草房站结束,全长30.1 km，共设车站22座。

5.2 沿线地面沉降概况

地铁6号线一期工程横穿东八里庄—大郊亭沉降中心(星火路站位于沉降中心附近)。该沉降中心为北京市新近形成的5个较大沉降区之一，从1959年到2005年，中心累计沉降量已达850 mm左右，中心沉降速率在18 mm/a左右。

项目为线状工程，长度较大，故各区间沉降量、沉降速率均有所不同。截至2005年，线路起点至北海公园站，基本没受到地面沉降的影响；北海公园站—东四站沉降量为50～100 mm，沉降速率≤2.5 mm/a；东四站—朝阳门站沉降量在100～200 mm，沉降速率为2.5～5 mm/a；朝阳门站—呼家楼站沉降量在200～250 mm，沉降速率为5～7.5 mm/a；呼家楼—草房站沉降量≥300 mm，沉降速率≥7.5 mm/a。

5.3 评估过程

本文收集了北京市1999年和2005年的地面累计沉降量[3]，以线路两侧各1 km为界作为研究范围(为方便划分网格，局部研究范围可能大于1 km)，沿线路走向间隔1.0 km，垂直线路走向间隔0.5 km，应用地面累计沉降量图计算各网格交叉点的1999年和2005年的地面累计沉降量，并求得各交叉点的沉降速度，据此生成地面沉降速度等值线图。根据地面沉降速度等值线图，计算单位沉降速度差异率，生成单位沉降速度差异率等值线图。地面累计沉降量等值线图、沉降速度等值线图、单位沉降速度差异率等值线图分别见图1～3。

图1 2005年地面累计沉降量等值线图

图2 1999—2005年地面沉降速度等值线图

以单元格为单位，分别计算单元格内的平均地面累计沉降量、沉降速度及单位沉降速度差异率，应用权重分配值和无量纲处理方法分别计算地面沉降危害性数值，计算结果见图4，应用表4的划分标准，对北京地铁6号线进行地质灾害危险性等级划分。

图3 1999—2005年单位沉降速度差异率等值线图

图4 地面沉降危险性指数等值线图

5.4 评估结果及分析

1) 当采用地面累计沉降量S、沉降速度V和单位沉降速度差异率δv判断地质灾害危险性等级时，南锣鼓巷站—青年路站段地灾危险性指数为3～10，长度为10.6 km，占评估长度41%，地灾评估级别为中等。褡(裢坡站)黄(渠站)区间中点至黄(渠)常(营)区间中点地灾危险性指数为10～12，长度为1.6 km，占评估长度6%，地灾评估级别为大，其余路段地质灾害危险性为小级。评估结果见表4、图4和图5。

表4 不同指标下地质灾害危险性评级

图5 不同指标地面沉降危险性评级

2) 当采用地面累计沉降量S和沉降速度V进行地质灾害危险性评估时，本线路的评估结果主要受沉降速度V的影响，评估结果中路段累计长度与采用3个指标时相近，但范围有较大变化，说明单位沉降速度差异率δv指标的引入对评估范围及结果有较大影响。

3) 当采用地面累计沉降量和沉降速率2个指标，按照其中单一指标所达到的危险性等级进行危险性评估，结果同沉降速度V；当引入单位沉降速度差异率δv后，其评价结果较2个指标危险性评估级别明显偏大，且沉降速度原为危险性大的路段，评价结果显示为小级，说明该段虽然沉降速度较大，但是其单位沉降速度差异率较小，地面沉降对地铁的建设可通过基础埋置补偿方式进行预防，地面沉降评估危险性相对较小。另外，采用3个指标通过权重分配时，其3个指标评估重叠区域，地灾评估级别普遍为中等至大级。

4) 评估中采用的指标无量纲处理，有助于进行地灾评估的量化评定，为地灾评估的分级创造条件。但受量化分级上限确定和各个指标在评估中权重的影响，其单一指标对地灾评估级别的确定和对评估线路的危害影响容易降低。如地面累计沉降量指标评定位于危险性大的界线时，受权重影响，其评定结果可能为中等。

5) 评价的精度同单元网格的划分有一定关系，建议累计地面沉降、沉降速率和单位沉降速度差异率变化较大位置的网格可适当加密，以保证评价的精度。

6 结论

1) 随着北京市地铁建设的不断展开，地面沉降对地铁等重大线性工程的影响越来越明显。地面累计沉降量和沉降速度作为目前常用的评价指标，已不能较全面反映地面沉降对其的影响，因此建议引入单位沉降速度差异率这一指标。

2) 以北京地铁6号线一期工程为例，采用地面累计沉降量S、沉降速度V和单位沉降速度差异率δv等3个指标，按照指标权重的不同进行地面沉降地质灾害危险性评估分级。通过对比常规评价结果，表明单位沉降速度差异率δv指标的引入对线性工程影响较大，可以作为其中一个重要指标进行评估。

3) 以地面累计沉降量S、沉降速度V和单位沉降速度差异率δv等3个指标建立的地面沉降危险性分级标准仅是从收集的数据和资料得到的经验性数据，以此应用在全市范围内的地铁地质灾害危险性评估，其分级标准还有待进一步的完善和提高。

[1] 王国良，李桂玲，地面沉降危险性分级量化分析 [J].城市地质，2007,2(2)：19-26.

[2] 王国良.层次分析法在地质灾害危险性评估中的应用[C].西部探矿工程，2006(9)：286-288.

[3] 赵守生，刘明坤，周毅.北京市地面沉降监测网建设[J].城市地质，2008，3(3)：40-44.

(编辑：郝京红)

Assessment Index and Standard of Ground Subsidence Disaster in Beijing

Fan Xiaoling Zhang Qing

(Jiaoke Transport Consultants Ltd., Beijing 100191)

In recent years, with the large-scale construction of subway projects in Beijing, the harm of ground subsidence has gradually manifested themselves. Subway lines are long lines, and of large scales and may cross different engineering and hydrogeological units, and even different land subsidence areas.Thus,it is particularly important to assess ground subsidence scientifically, objectively and rationally in geological hazard assessment. On the basis of the previous work, this article suggests introducing the index of “Variability of Unit Settling Velocity”, together with accumulative ground settlement, and settling velocity as the ground subsidence geological hazard assessment index in subway and major engineering projects to establish the method of disaster evaluation.

ground subsidence; evaluation index; assessment criterion; variability of unit settling velocity

10.3969/j.issn.1672-6073.2016.04.020

2015-07-25

2015-08-13

范晓岭，男，硕士，高级工程师，注册土木工程师(岩土)，主要从事工程地质和地质灾害防治方面的工作，2729717596@qq.com

U231

A

1672-6073(2016)04-0089-04