上海地区地面沉降及防治措施的研究现状与趋势

2022-12-11张容国杨子凡

工程与建设 2022年5期

张容国，杨子凡

(中海兴业(西安)有限公司，陕西西安 710061)

0 引言

地面沉降是河口海岸带城市群中典型的、主要的环境地质问题，具有累进性和不可逆性，属于缓变型的城市地质灾害[1]。上海地处长江三角洲东缘，是我国发现地面沉降现象最早、影响最大、危害最深的城市，地面沉降对其城市发展建设的危害主要表现在降低城市防汛能力、影响内河航道通航能力、损坏地下管线、威胁城市交通设施、影响建筑物使用安全等方面[1]。

自1921年第一次观测到地面沉降以来，上海市有关部门和单位一直对该地区地面沉降的发展情况进行系统的观测和研究，并采取积极的防治措施。到目前为止，已经积累了丰富的观测资料、研究成果和防治经验。但是，影响上海地区地面沉降的因素是复杂多面的。

在1962年“上海市地面沉降研究小组”提交的《上海市地面沉降问题研究报告》中就指出“地下水开采、海平面上升、新构造运动、静荷载、动荷载、开采天然气、地下取土、深井出砂、人工填土和黄浦江疏浚等”可能是影响地面沉降的十大因素，并初步得出大量开采地下水是上海地区地面沉降主要原因的结论[2]。进一步的系统监测与研究发现地面沉降量与地下水位、地下水开采量之间具有较强的正相关性，证明地下水开采是当时引起地面沉降的主要原因[2-4]。对此，逐步采用“压缩地下水开采量(1963年始)、人工回灌(1965年始)、调整开采层次(1968年始)”等一系列控制措施，使地面沉降得到有效遏制[5]。此后的20世纪70年代和80年代，有关单位进一步加强对地面沉降基本规律的研究，初步掌握了不同地质结构区地下水的采灌水量、水位与地面沉降之间的定性及定量关系，以此来指导制定每一年的地下水采灌方案。实践证明，这一时期上海市中心城区的地下水采灌格局基本平衡，地面沉降速率稳定在合理的低值[6]。然而20世纪90年代以后，上海进入大规模城市建设发展时期，同样的采灌格局(有时甚至灌大于采)却不再能遏制地面沉降的新一轮增长，地面沉降与地下水开采量的相关性逐渐减弱。工程建设活动，特别是高层超高层建筑、密集建筑群、深基坑开挖与降排水、地铁隧道施工、高速铁路建设等，对地面沉降的影响引起学者关注。随着研究的深入，发现上海地区深层承压含水层的沉降变形具有滞后特征，传统土力学已不能完全解释其机理。此外，江浙地区地面沉降的发展已逐渐影响到邻近的部分上海地区的地面沉降，上海地面沉降与江浙地区的区域关联性日渐显著。对这些新现象的研究，有的已取得一定成果但尚需深化，有的则尚处于起步阶段。

本文在归纳总结大量前人工作成果的基础上，综合描述并分析上海地区地面沉降及防治措施的研究现状与趋势，探讨地下水开发、地面沉降、工程建设三者之间的相互影响关系，为上海市未来地下水开发、地面沉降控制及城市可持续发展建设提供一些宏观的思考。

1 上海工程地质与水文地质背景

上海地处长江三角洲前缘河口-滨海平原和太湖湖积平原东缘低地，除西南部零星出露侏罗纪火山岩低矮残丘(总面积约2.5 km2)以外，其陆域部分均被第四纪地层覆盖，厚度为200～350 m，从西南向东北方向逐渐增大，下伏不同时代的基岩[1]。作为长江三角洲的一部分，上海地区的工程地质、水文地质条件与整体区域保持一致性。

(1) 上海第四纪沉积地层由砂性土层与黏性土层分层交互构成，并存在水平向的沉积相变[7]。埋深150 m以浅，为欠固结～正常固结的浅海-滨海相和河流三角洲相的黏性土和砂层；150 m以深，由正常固结～超固结的河流相的砂层和湖相杂色黏土层组成[8]。

(2) 上海土层可分为16个工程地质层，从上到下依次为表土层、第一砂层、第一硬土层、第一软土层、第二软土层、第二硬土层、第二砂层、第三软土层、第三砂层、第三硬土层、第四砂层、第四硬土层、第五砂层、第五硬土层、第六砂层、第六硬土层，其下由强风化基岩逐步过渡到新鲜基岩；除第六砂层主要分布在北部以外，其余砂层在整个地区范围内均有较为稳定的分布[9]。

(3) 地下水含水层系统由一个潜水含水层和五个承压含水层构成，其中潜水含水层对应于第一砂层，第一～五承压含水层分别对应于第二～六砂层。这些砂土层中，局部含有一些黏土夹层或透镜体，但并不影响含水层的连续性。弱透水层的厚薄不均、缺失且多含砂层透镜体，使各含水层之间存在一定的水力联系：第一承压含水层与潜水层存在水力联系；第一、二、三承压含水层之间局部存在沟通；第四、五承压含水层之间局部存在沟通[6]。

2 地面沉降研究的新成果与新趋势

上海地区的地面沉降是伴随着上海城市现代化建设的进程而发生、发展的，在不同的历史阶段，受工业化程度、城市发展建设进度及防控政策与措施等影响，表现出不同的阶段性特征。龚士良[6]指出：上海地面沉降的发展历程，可以1965年为界分为两大时期，1921～1965年为沉降发展期，1966年至今为沉降控制期；期间根据沉降速率的变化，又可细分为8个阶段，详见表1。

表1 上海地面沉降过程统计简表

结合上海地区地面沉降的发展历程，本文将从工程建设对地面沉降的影响、深部土层沉降滞后效应、长三角地区沉降区域关联性这三个方面进行总结。

2.1 工程建设对地面沉降的影响

20世纪90年代以来，上海地区的工程建设及其影响主要集中在地表以下75 m的深度范围。在该范围内，普遍分布着以海相沉积环境为主的饱和、软弱、孔隙比大的欠固结黏性土地层，构成上海地区典型的软土地基结构[3]。根据太沙基一维固结理论，工程建设(如基坑降水、建筑荷载等)将引起土体有效应力的增加，从而导致工程影响范围内的土层发生固结沉降。因此，许多学者针对高层建筑、密集建筑群、深基坑、地铁隧道等重大工程对地面沉降的影响开展研究。

高层建筑、密集建筑群对地面沉降的影响表现为“地面沉降的发展与建设规模总体呈正相关性”，即：在同一地区，建筑规模(如建筑面积、建筑物体量等)越大，地面沉降越大；建筑密度越大，建筑容积率越高，地面沉降越显著[6,10,11]。同时，施工方式和进度的不同对地面沉降的影响也有差异：同一建筑群，集中建设时较分散建设时，地面沉降量为大；施工进度越快，沉降量也越大[11]。唐益群等[12]通过模型试验和数值模拟，进一步指出距离建筑物1倍基础宽度范围内的地面沉降大于建筑物本身的沉降，并且密集高层建筑群之间的地表变形存在明显的沉降叠加效应。

20世纪90年代中后期，城市产业结构调整，部分地段回灌工作受到影响，其地面沉降受地下水开采和密集建筑群荷载(或高层建筑荷载)的双重影响。一些研究表明[13,14]，地下水开采和建筑荷载对地面沉降的共同影响呈现出耦合效应：即抽水和建筑荷载叠加作用下的地面沉降值小于可比条件下单独抽水和单独建筑荷载作用下地面沉降值之和，但初期线性叠加效应明显、耦合效应较弱，耦合效应需随着时间的延长而趋于稳定；且耦合效应随着地下水开采层位埋深的变大而减弱。另外，陈正松等[15]利用层次分析法对影响地面沉降因素的权重进行了综合分析，认为建筑物荷载引起的地面沉降速率远小于开采地下水导致的地面沉降速率。

基坑开挖引起周边土体沉降的原因，一方面在于侧向变形和坑底回弹导致坑外土体损失而引起地面沉降，另一方面是地下水疏干产生的固结沉降(包括渗透力的压密作用)[16]。工程实践表明，上海地基基坑开挖引起的沉降主要集中在开挖深度1～2倍的平面范围内[17]。随着基坑深度的不断突破，它的沉降影响范围也愈加扩大；目前最大的基坑开挖深度已超过40 m，则上海深基坑工程引起地面沉降的影响范围已可达到30～80 m[18]。

地铁隧道是上海城市轨道交通的重要组成部分。根据既有工程监测资料反映，地铁隧道引起的地面沉降中心多分布在轨道交通沿线或邻近区域，局部区段差异沉降非常显著，最大累计沉降量超过300 mm[19]。地铁隧道建设过程中引起的地面沉降较为显著，一方面是掘进卸荷及地层损失导致的沉陷，其沉降大小与地质条件及盾构施工工艺相关[20]；另一方面则是车站基坑开挖及工程降水引起。运营期间，振动荷载的长期影响、地铁隧道的渗漏、沿线商业的开发建设等对地面沉降的影响也得到相关研究，并将日益受到重视。刘明等[21]提出地铁振动影响的压缩层范围在10 m左右。郑永来等[22]认为当隧道渗漏速度为0.15 L/(m2·d)时，隧道最大沉降可达220 mm。

2.2 深部土层沉降滞后效应研究

20世纪90年代以来，上海中心城区的地面沉降伴随着大规模城市建设而进入新一轮的增长期。因此，人们首先注意到工程建设对地面沉降的影响。随着研究的深入，一些学者发现，尽管中心城区依旧保持着“采灌平衡”的格局，但除去浅部由工程建设引起的沉降增量以外，尚有深部土层的沉降增量显现。相关研究结果揭示[23,24]：第一、第二、第三、第五承压含水层和第五、第六弱透水层土层变形特征近似于线弹性变形，变形和水位变化基本同步，残余变形量非常小；第二、第三、第四弱透水层土层变形特征近似于弹塑性变形，有较大残余压缩量且存在变形滞后现象；第四承压含水层土层变形特征较为复杂，包含上述两种情况。观测数据还表明，第四承压含水层的变形量占总沉降量的比例较大，且含水层变形与水位下降并不同步，表现出“滞后”特征[25]。直观的原因是地下水开采层次基本转移至第四、第五承压含水层(尤以第四承压含水层为主)，但传统的观点认为水位降低造成弱透水层压缩变形是导致地面沉降的主要原因，此观点并不能合理解释其变形特征[26]。沈水龙等[26]考虑水力梯度变化在砂土层中产生的剪应力，从含水层受力机理的角度解释含水层持续变形增大和变形滞后的发生机制；同时，考虑了细颗粒流失作用对深层地面沉降的影响及其地面沉降在含水层空间与时间重分布的发生机理。但相关研究有待进一步深入。

2.3 长三角地面沉降区域关联性研究

20世纪80年代以来，上海郊区地下水开采利用量开始大幅度增加，地面沉降范围由中心城区向郊区扩展，在整个城市上连片发展。江苏省的苏锡常地区和浙江省的杭嘉湖地区毗邻上海，与上海同处在统一的水文地质构造单元内，地下水含水层系统相互联系。尽管在天然条件下长江三角洲地区的地下水径流由上海周边地区向上海地区补给，但如果周边地区地下水开采过量则可能导致地下水补给方向的反转，从而影响上海地区的地面沉降。同时，邻省地区的地下水开采，将使区域水位降落漏斗连成一体。事实上，靠近浙江省的吕巷镇和兴塔镇，早在20世纪80年代末期就受到浙江省地面沉降漏斗延伸的影响，形成两个小规模的沉降漏斗；20世纪90年代以后两个小规模的沉降漏斗发展连成一片，形成一个规模更大的漏斗，并向朱泾镇方向延伸[6]。与江苏省邻近的淞南镇和娄唐镇一带也有同样的趋势。

薛禹群等[27]对长江三角洲南部区域地面的沉降进行了模拟研究，但由于缺少浙江地区足够多的长期分层沉降标资料，其模拟只涉及苏锡常地区和上海地区。该项研究中，也碰到了“范围广、地质背景复杂”和“历时长、水文参数变量复杂”等传统模型所不曾涉及的新问题。目前，对长三角地区地面沉降区域关联性的研究还很少，相关研究亟待开展。