北京地面沉降災(zāi)害評(píng)估指標(biāo)及標(biāo)準(zhǔn)劃分

范曉嶺 張 青

(北京交科公路勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司 北京 100191)

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北京地面沉降災(zāi)害評(píng)估指標(biāo)及標(biāo)準(zhǔn)劃分

范曉嶺 張 青

(北京交科公路勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司 北京 100191)

隨著北京市地鐵工程的大規(guī)模興建，地面沉降災(zāi)害對(duì)其危害逐漸顯現(xiàn)出來(lái)。地鐵線路具有線路長(zhǎng)、規(guī)模大，沿線可能穿越不同的工程和水文地質(zhì)單元。如何在地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性評(píng)估中，科學(xué)、客觀、合理地對(duì)地面沉降災(zāi)害進(jìn)行評(píng)估，就顯得尤為重要。在前人工作的基礎(chǔ)上，建議引入單位沉降速度差異率這一指標(biāo)，與地面累計(jì)沉降量、沉降速度共同作為地鐵等重大線性工程地面沉降地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性評(píng)估的指標(biāo)，闡述各項(xiàng)指標(biāo)值的獲得方法，并對(duì)指標(biāo)進(jìn)行無(wú)量綱化處理，建立相應(yīng)的地災(zāi)評(píng)估方法。

地面沉降；評(píng)價(jià)指標(biāo)；評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)；單位沉降速度差異率

地面沉降是北京市平原區(qū)地質(zhì)災(zāi)害的一個(gè)重要類型，是工程建設(shè)在進(jìn)行地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性評(píng)估工作中的一項(xiàng)重要內(nèi)容，其評(píng)估指標(biāo)的確定應(yīng)以反映地面沉降對(duì)工程危害為基礎(chǔ)。地面沉降最直接的危害就是導(dǎo)致地面下沉、水準(zhǔn)點(diǎn)失準(zhǔn)、地面開裂，間接造成地下井管變形，道路、建(構(gòu))筑物開裂等，在受災(zāi)體破壞形式上主要表現(xiàn)為漸變性破壞。目前常用的有地面累計(jì)沉降量和沉降速度兩個(gè)指標(biāo),但對(duì)不同的工程類型(線狀、點(diǎn)狀、區(qū)域性)、規(guī)模(大、中、小)和地質(zhì)環(huán)境(復(fù)雜、簡(jiǎn)單)，其指標(biāo)的側(cè)重點(diǎn)各不相同，在評(píng)估體系中的權(quán)重也不盡相同，甚至反映不出地面沉降對(duì)工程的具體危害情況。因此,選用合理的指標(biāo)類型，并建立相應(yīng)的評(píng)價(jià)體系，對(duì)評(píng)估結(jié)論的指導(dǎo)性更為重要。

1 評(píng)價(jià)指標(biāo)

目前北京市地面沉降的評(píng)價(jià)指標(biāo)主要有兩種，分別是地面累計(jì)沉降量S和沉降速度V。地面累計(jì)沉降量是對(duì)地面沉降總量最直接的反映，而沉降速度則是對(duì)該區(qū)域沉降快慢的反映，這兩個(gè)指標(biāo)反映了一個(gè)地區(qū)地面沉降的發(fā)展情況，在北京市地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性評(píng)估工作中最為常用，其常用評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)見表1。

這種評(píng)估指標(biāo)在工民建及城市設(shè)施等一些點(diǎn)狀工程中，能夠直接反映地面沉降對(duì)其危害的特點(diǎn)。但隨著北京市地鐵規(guī)劃建設(shè)和城市道路建設(shè)的不斷發(fā)展，地鐵及道路等線性工程，沿途可能穿越不同的地面沉降區(qū)域，地面沉降對(duì)這些線性工程的危害，僅依靠上述兩個(gè)指標(biāo)不能真正反映地面沉降對(duì)其危害的特點(diǎn)。對(duì)于線性工程主要表現(xiàn)在不均勻沉降對(duì)工程的破壞，因此建議引入“單位沉降速度差異率”這一指標(biāo)，它是指單位長(zhǎng)度沉降速度差異，單位為mm/a·km，其值等于兩點(diǎn)的沉降速度之差與兩點(diǎn)距離的比值。

表1 北京地區(qū)地面沉降常用評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)

將地面累計(jì)沉降量S、沉降速度V、單位沉降速度差異率δv等3個(gè)指標(biāo)作為評(píng)估地面沉降災(zāi)害的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。

2 3個(gè)指標(biāo)的獲得

1) 目前，北京市已建立起比較完善的地面沉降觀測(cè)系統(tǒng)，不間斷測(cè)量地面沉降量，并定期向社會(huì)公布，主要以地面累計(jì)沉降量圖的形式發(fā)布。建議以北京市地面沉降觀測(cè)系統(tǒng)為基礎(chǔ)，定期向社會(huì)公布地面累計(jì)沉降量等值線圖，以期能更好地為本市地面沉降評(píng)估工作服務(wù)。

2) 沉降速率為不同年份測(cè)定同一地點(diǎn)的地面累計(jì)沉降量之差與年份之差的比值，該值可以通過(guò)收集不同年份的地面累計(jì)沉降量圖，查詢同一地點(diǎn)不同年份的地面累計(jì)沉降量，取其差值與年份差值的比值，即可獲得該數(shù)據(jù)。

3) 獲得區(qū)域范圍內(nèi)的點(diǎn)沉降速度數(shù)據(jù)后，根據(jù)坐標(biāo)位置，生成沉降速度等值線圖，從該圖中，可以較方便地計(jì)算任意兩點(diǎn)的單位沉降速度差異率(沉降速度等值線圖類似于等高線圖，圖中等值線越密集的地方，說(shuō)明該處的單位沉降速度差異率越大，而由其產(chǎn)生的危害也就越大)。

3 評(píng)價(jià)方法

目前，地面沉降地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性評(píng)估方法常用的是采用地面累計(jì)沉降量和沉降速率2個(gè)指標(biāo)，按照其中單一指標(biāo)所達(dá)到的危險(xiǎn)性等級(jí)進(jìn)行評(píng)估級(jí)別確定。用這種方法未考慮評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)工程的影響程度，在具體評(píng)估工作中，因工程類型、規(guī)模和地質(zhì)環(huán)境的不同，采用的評(píng)估方法和標(biāo)準(zhǔn)不能準(zhǔn)確表述其危險(xiǎn)性等級(jí)[1]。如地面累計(jì)沉降量對(duì)點(diǎn)狀工程的影響可以根據(jù)區(qū)域沉降的特點(diǎn)進(jìn)行一定的基礎(chǔ)沉降預(yù)留，其危險(xiǎn)性評(píng)定可適當(dāng)降低；對(duì)線狀工程來(lái)講，沉降速率即使很小，但如果全線沉降速率變化差異較大，其對(duì)線路的危害也不容忽視。

結(jié)合以往的研究成果，建議選用地面累計(jì)沉降量S、沉降速度V、單位沉降速度差異率δv等3個(gè)指標(biāo)，根據(jù)評(píng)估過(guò)程對(duì)不同工程、不同規(guī)模、不同重要性工程的影響側(cè)重點(diǎn)，采用層次分析法，確定3個(gè)指標(biāo)在評(píng)價(jià)中的權(quán)重，并對(duì)各個(gè)指標(biāo)進(jìn)行量化，建立相應(yīng)的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)[2]。依據(jù)經(jīng)驗(yàn)對(duì)其中的各個(gè)指標(biāo)進(jìn)行危險(xiǎn)性分級(jí)，做無(wú)量綱處理，將各個(gè)指標(biāo)的計(jì)算數(shù)值和權(quán)重值的乘積求和，計(jì)算其危險(xiǎn)性指數(shù)。

文章采用前人在地面沉降危險(xiǎn)性分級(jí)量化分析研究中確定的權(quán)重分配，3個(gè)主要沉降特征的權(quán)重值：地面累計(jì)沉降量為0.12，沉降速率為0.31，單位沉降速度差異率為0.55。

4 評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

地鐵建設(shè)一般對(duì)沉降量控制相對(duì)較為嚴(yán)格，地面沉降評(píng)估指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)的確定應(yīng)以地鐵工程對(duì)沉降量的要求劃定。但目前在地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性對(duì)地鐵工程的評(píng)估中并沒(méi)有建立起統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。本文中地面累計(jì)沉降量、沉降速度兩個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)依然采用北京市常用評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)于單位沉降速度差異率，結(jié)合相關(guān)設(shè)計(jì)單位對(duì)沉降差異的控制要求，建議采用以下標(biāo)準(zhǔn)，綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)見表2。

表2 地鐵工程地面沉降災(zāi)害評(píng)價(jià)指標(biāo)

注：表中的“計(jì)算數(shù)值”是將用于評(píng)價(jià)的3個(gè)指標(biāo)統(tǒng)一無(wú)量綱化，例如某點(diǎn)的地面累計(jì)沉降量、沉降速度、單位沉降沉降速度差異率分別為350 mm、18 mm/a，5 mm/a·km，其對(duì)應(yīng)的計(jì)算數(shù)值采用內(nèi)插法計(jì)算分別為3.5、9.1、7.2。

表3 地鐵工程地面沉降災(zāi)害危險(xiǎn)性大小分級(jí)

結(jié)合各評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重分配以及表2中“計(jì)算數(shù)值”的分配原則，建立其評(píng)判地面沉降災(zāi)害危險(xiǎn)性大小的標(biāo)準(zhǔn)，即將各個(gè)指標(biāo)的計(jì)算數(shù)值和權(quán)重值表3 地鐵工程地面沉降災(zāi)害危險(xiǎn)性大小分級(jí)危險(xiǎn)性計(jì)算數(shù)值危險(xiǎn)性大小分級(jí)≤3危險(xiǎn)性小3～10危險(xiǎn)性中等≥10危險(xiǎn)性大

結(jié)合各評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重分配以及表2 中“計(jì)算數(shù)值”的分配原則，建立其評(píng)判地面沉降災(zāi)害危險(xiǎn)性大小的標(biāo)準(zhǔn)，即將各個(gè)指標(biāo)的計(jì)算數(shù)值和權(quán)重值的乘積求和，建立分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)見表3。

5 工程實(shí)例

5.1 工程概況

北京地鐵6號(hào)線一期工程位于北京市中部，呈東西走向，分布于海淀區(qū)、西城區(qū)、東城區(qū)、朝陽(yáng)區(qū)和通州區(qū)5個(gè)區(qū)。線路起于昆玉河西岸的五路站，東至通州新城，至草房站結(jié)束,全長(zhǎng)30.1 km，共設(shè)車站22座。

5.2 沿線地面沉降概況

地鐵6號(hào)線一期工程橫穿東八里莊—大郊亭沉降中心(星火路站位于沉降中心附近)。該沉降中心為北京市新近形成的5個(gè)較大沉降區(qū)之一，從1959年到2005年，中心累計(jì)沉降量已達(dá)850 mm左右，中心沉降速率在18 mm/a左右。

項(xiàng)目為線狀工程，長(zhǎng)度較大，故各區(qū)間沉降量、沉降速率均有所不同。截至2005年，線路起點(diǎn)至北海公園站，基本沒(méi)受到地面沉降的影響；北海公園站—東四站沉降量為50～100 mm，沉降速率≤2.5 mm/a；東四站—朝陽(yáng)門站沉降量在100～200 mm，沉降速率為2.5～5 mm/a；朝陽(yáng)門站—呼家樓站沉降量在200～250 mm，沉降速率為5～7.5 mm/a；呼家樓—草房站沉降量≥300 mm，沉降速率≥7.5 mm/a。

5.3 評(píng)估過(guò)程

本文收集了北京市1999年和2005年的地面累計(jì)沉降量[3]，以線路兩側(cè)各1 km為界作為研究范圍(為方便劃分網(wǎng)格，局部研究范圍可能大于1 km)，沿線路走向間隔1.0 km，垂直線路走向間隔0.5 km，應(yīng)用地面累計(jì)沉降量圖計(jì)算各網(wǎng)格交叉點(diǎn)的1999年和2005年的地面累計(jì)沉降量，并求得各交叉點(diǎn)的沉降速度，據(jù)此生成地面沉降速度等值線圖。根據(jù)地面沉降速度等值線圖，計(jì)算單位沉降速度差異率，生成單位沉降速度差異率等值線圖。地面累計(jì)沉降量等值線圖、沉降速度等值線圖、單位沉降速度差異率等值線圖分別見圖1～3。

圖1 2005年地面累計(jì)沉降量等值線圖

圖2 1999—2005年地面沉降速度等值線圖

以單元格為單位，分別計(jì)算單元格內(nèi)的平均地面累計(jì)沉降量、沉降速度及單位沉降速度差異率，應(yīng)用權(quán)重分配值和無(wú)量綱處理方法分別計(jì)算地面沉降危害性數(shù)值，計(jì)算結(jié)果見圖4，應(yīng)用表4的劃分標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)北京地鐵6號(hào)線進(jìn)行地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性等級(jí)劃分。

圖3 1999—2005年單位沉降速度差異率等值線圖

圖4 地面沉降危險(xiǎn)性指數(shù)等值線圖

5.4 評(píng)估結(jié)果及分析

1) 當(dāng)采用地面累計(jì)沉降量S、沉降速度V和單位沉降速度差異率δv判斷地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性等級(jí)時(shí)，南鑼鼓巷站—青年路站段地災(zāi)危險(xiǎn)性指數(shù)為3～10，長(zhǎng)度為10.6 km，占評(píng)估長(zhǎng)度41%，地災(zāi)評(píng)估級(jí)別為中等。褡(褳坡站)黃(渠站)區(qū)間中點(diǎn)至黃(渠)常(營(yíng))區(qū)間中點(diǎn)地災(zāi)危險(xiǎn)性指數(shù)為10～12，長(zhǎng)度為1.6 km，占評(píng)估長(zhǎng)度6%，地災(zāi)評(píng)估級(jí)別為大，其余路段地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性為小級(jí)。評(píng)估結(jié)果見表4、圖4和圖5。

表4 不同指標(biāo)下地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性評(píng)級(jí)

圖5 不同指標(biāo)地面沉降危險(xiǎn)性評(píng)級(jí)

2) 當(dāng)采用地面累計(jì)沉降量S和沉降速度V進(jìn)行地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性評(píng)估時(shí)，本線路的評(píng)估結(jié)果主要受沉降速度V的影響，評(píng)估結(jié)果中路段累計(jì)長(zhǎng)度與采用3個(gè)指標(biāo)時(shí)相近，但范圍有較大變化，說(shuō)明單位沉降速度差異率δv指標(biāo)的引入對(duì)評(píng)估范圍及結(jié)果有較大影響。

3) 當(dāng)采用地面累計(jì)沉降量和沉降速率2個(gè)指標(biāo)，按照其中單一指標(biāo)所達(dá)到的危險(xiǎn)性等級(jí)進(jìn)行危險(xiǎn)性評(píng)估，結(jié)果同沉降速度V；當(dāng)引入單位沉降速度差異率δv后，其評(píng)價(jià)結(jié)果較2個(gè)指標(biāo)危險(xiǎn)性評(píng)估級(jí)別明顯偏大，且沉降速度原為危險(xiǎn)性大的路段，評(píng)價(jià)結(jié)果顯示為小級(jí)，說(shuō)明該段雖然沉降速度較大，但是其單位沉降速度差異率較小，地面沉降對(duì)地鐵的建設(shè)可通過(guò)基礎(chǔ)埋置補(bǔ)償方式進(jìn)行預(yù)防，地面沉降評(píng)估危險(xiǎn)性相對(duì)較小。另外，采用3個(gè)指標(biāo)通過(guò)權(quán)重分配時(shí)，其3個(gè)指標(biāo)評(píng)估重疊區(qū)域，地災(zāi)評(píng)估級(jí)別普遍為中等至大級(jí)。

4) 評(píng)估中采用的指標(biāo)無(wú)量綱處理，有助于進(jìn)行地災(zāi)評(píng)估的量化評(píng)定，為地災(zāi)評(píng)估的分級(jí)創(chuàng)造條件。但受量化分級(jí)上限確定和各個(gè)指標(biāo)在評(píng)估中權(quán)重的影響，其單一指標(biāo)對(duì)地災(zāi)評(píng)估級(jí)別的確定和對(duì)評(píng)估線路的危害影響容易降低。如地面累計(jì)沉降量指標(biāo)評(píng)定位于危險(xiǎn)性大的界線時(shí)，受權(quán)重影響，其評(píng)定結(jié)果可能為中等。

5) 評(píng)價(jià)的精度同單元網(wǎng)格的劃分有一定關(guān)系，建議累計(jì)地面沉降、沉降速率和單位沉降速度差異率變化較大位置的網(wǎng)格可適當(dāng)加密，以保證評(píng)價(jià)的精度。

6 結(jié)論

1) 隨著北京市地鐵建設(shè)的不斷展開，地面沉降對(duì)地鐵等重大線性工程的影響越來(lái)越明顯。地面累計(jì)沉降量和沉降速度作為目前常用的評(píng)價(jià)指標(biāo)，已不能較全面反映地面沉降對(duì)其的影響，因此建議引入單位沉降速度差異率這一指標(biāo)。

2) 以北京地鐵6號(hào)線一期工程為例，采用地面累計(jì)沉降量S、沉降速度V和單位沉降速度差異率δv等3個(gè)指標(biāo)，按照指標(biāo)權(quán)重的不同進(jìn)行地面沉降地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性評(píng)估分級(jí)。通過(guò)對(duì)比常規(guī)評(píng)價(jià)結(jié)果，表明單位沉降速度差異率δv指標(biāo)的引入對(duì)線性工程影響較大，可以作為其中一個(gè)重要指標(biāo)進(jìn)行評(píng)估。

3) 以地面累計(jì)沉降量S、沉降速度V和單位沉降速度差異率δv等3個(gè)指標(biāo)建立的地面沉降危險(xiǎn)性分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)僅是從收集的數(shù)據(jù)和資料得到的經(jīng)驗(yàn)性數(shù)據(jù)，以此應(yīng)用在全市范圍內(nèi)的地鐵地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性評(píng)估，其分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)還有待進(jìn)一步的完善和提高。

[1] 王國(guó)良，李桂玲，地面沉降危險(xiǎn)性分級(jí)量化分析 [J].城市地質(zhì)，2007,2(2)：19-26.

[2] 王國(guó)良.層次分析法在地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性評(píng)估中的應(yīng)用[C].西部探礦工程，2006(9)：286-288.

[3] 趙守生，劉明坤，周毅.北京市地面沉降監(jiān)測(cè)網(wǎng)建設(shè)[J].城市地質(zhì)，2008，3(3)：40-44.

(編輯：郝京紅)

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

范曉嶺，男，碩士，高級(jí)工程師，注冊(cè)土木工程師(巖土)，主要從事工程地質(zhì)和地質(zhì)災(zāi)害防治方面的工作，2729717596@qq.com

U231

A

1672-6073(2016)04-0089-04