佛山市瓷海國際陶瓷城地面沉降成因分析

歐智德　鄒杰

要：佛山市瓷海國際陶瓷城自2008年起出現(xiàn)地面沉降現(xiàn)象，隨著周邊人類工程活動增多，地面沉降現(xiàn)象日趨嚴重。結(jié)合研究區(qū)地質(zhì)背景，并運用InSAR地表形變監(jiān)測技術，從自然因素和人類工程活動兩方面研究了該地區(qū)地面沉降的形成原因。結(jié)果表明，引起地面沉降的內(nèi)部物質(zhì)條件為填土和軟土的壓密固結(jié)，尤其是軟土分布廣、厚度大、埋藏淺，為地面沉降的發(fā)育提供了重要貢獻;而InSAR時序分析結(jié)果揭示了研究區(qū)地面沉降速率均在周邊地下工程施工期間出現(xiàn)明顯加快現(xiàn)象，故誘發(fā)和加劇地面沉降的主要外部因素為周邊工程抽排地下水。

關鍵詞：地面沉降;成因分析;軟土;抽排地下水;InSAR

Cause analysis on land subsidence in Cihai International Ceramic City，

Foshan City

OU? Zhide， ZOU? Jie

（Foshan Geological Bureau of Guangdong Province （Foshan Geological Disaster Emergency Rescue Technology Center of Guangdong Province）， Foshan 528000， China）

Abstract： Land subsidence appeared in Cihai International Ceramic City of Foshan in 2008. With the increase of human engineering activities， land subsidence has become increasingly serious since then. According to the geological nature of the study area and applying the InSAR surface deformation monitoring technology， this paper studies the causes of land subsidence in this area from two aspects： natural factors and human engineering activities. The results show that the internal material conditions that caused the land subsidence are compacted consolidation of filled soil and soft soil， especially the soft soil with wide distribution， large thickness and shallow burial， which provides an important contribution to the development of land subsidence. InSAR time series analysis results reveal that the land subsidence rate in the study area significantly accelerated during the construction of surrounding underground projects. Therefore， the main external factor that exacerbated land subsidence was the drainage of groundwater resulted from surrounding projects.

Keywords： land subsidence; cause analysis; soft soil; drainage of groundwater; InSAR

地面沉降是因自然因素和人類工程活動引發(fā)松散地層壓縮所導致的地面高程降低的地質(zhì)現(xiàn)象。隨著城市化進程的加快和人類工程活動的加劇，它已成為一個全球性的地質(zhì)環(huán)境問題和城市發(fā)展過程中的“慢性病”，是一種不可補償?shù)挠谰眯原h(huán)境和資源損失（鄭銑鑫等，2002）。

近年來，佛山市禪城區(qū)社會經(jīng)濟快速發(fā)展，城鎮(zhèn)化高速推進，由于自然和人類工程活動的影響，已逐步出現(xiàn)了不同規(guī)模的地面沉降現(xiàn)象。其中，位于禪城區(qū)南莊鎮(zhèn)的瓷海國際陶瓷城自2008年起緩慢出現(xiàn)了地面沉降現(xiàn)象，隨著周邊人類工程活動日趨增多，地面沉降的影響范圍逐漸擴大、沉降程度逐漸加劇，已導致區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)墻體開裂、道路呈波狀起伏以及市政地下管線損壞等一系列問題。

為此，本文結(jié)合研究區(qū)地質(zhì)背景，并借助InSAR地表形變監(jiān)測技術，從自然因素和人類工程活動兩方面研究了該地區(qū)地面沉降的形成原因，為制定合理的地面沉降地區(qū)災害防治措施以及城市建設規(guī)劃提供依據(jù)。

1 研究區(qū)地質(zhì)背景

研究區(qū)面積約1.02 km2，位于珠江三角洲腹地，地貌類型為沖積平原，地勢平坦開闊，地面高程為1.50～4.80 m。區(qū)內(nèi)原為魚塘、耕地，現(xiàn)狀地表多已硬底化，建筑物較密集，交通路網(wǎng)發(fā)達，人類工程活動頻繁，主要為道路修筑、商鋪與住宅建設、基坑開挖、地下軌道交通建設、場地回填與平整等（圖1）。

區(qū)內(nèi)地表普遍為人工填土（Qml）覆蓋，下部土層依次分為第四紀海陸交互沉積層（Qmc）和殘積層（Qel），厚度5.80～30.00 m，下伏基巖為古近紀華涌組（E2h）的“紅層”碎屑沉積巖（圖2）。第四紀海陸交互沉積層（Qmc）巖性主要由淤泥、淤泥質(zhì)土組成，局部地段分布有不連續(xù)的粉質(zhì)黏土和中砂。其中淤泥和淤泥質(zhì)土屬于典型的軟土類型，廣泛分布于區(qū)內(nèi)，頂面標高-0.40～-1.88 m，多屬地表型，層厚1.00～27.70 m

（多為20.00～24.00 m），厚度變化非常大。二者呈流塑狀，具壓縮性高，容許承載力低，容易產(chǎn)生觸變、流變和不均勻沉降，易引發(fā)地面沉降等地質(zhì)災害。

2 地面沉降現(xiàn)狀

2.1 地面調(diào)查特征

根據(jù)地面調(diào)查成果，區(qū)內(nèi)各處地面沉降量有所差異，歷年（2008—2019年）累計沉降量為2～500 mm。從圖3可見，研究區(qū)地面沉降空間分布總體具有“北大南小”的特征，即北部地面沉降量大，南部地面沉降量較小，主要沉降區(qū)域位于北部以及中部地帶，面積約0.22 km2，最大沉降量為500 mm。

區(qū)內(nèi)地面沉降表征現(xiàn)象主要為：建筑物外墻與路面接縫部位開裂、建筑物墻體開裂、建筑物內(nèi)部地面下沉、人行道呈波狀起伏、路面開裂、市政地下管線損壞等（圖4）。

2.2 InSAR測量特征

InSAR監(jiān)測資料（監(jiān)測時間2013—2019年）顯示（圖5），區(qū)內(nèi)地面形變（圖中紅色PS點）主要分布在陶瓷城北部靠主干公路一側(cè)，局部分布在研究區(qū)南側(cè)中部廠房處。InSAR地表形變速率分布特征與地面沉降量空間分布特征（圖3）基本吻合。

3 地面沉降成因分析

地面沉降現(xiàn)象是一個復雜的、有多種因素綜合疊加作用下發(fā)生的幅度較大的地面高程垂直下降的不良地質(zhì)現(xiàn)象（陶蕓等，2014），引起地面沉降的因素包括了自然地質(zhì)因素和人為因素。地面沉降可以由單一因素誘發(fā)，而更多情況下是由幾種因素綜合作用的結(jié)果。綜合分析區(qū)內(nèi)工程地質(zhì)條件及周邊人類工程概況，區(qū)內(nèi)地面沉降的形成主要與地質(zhì)條件（第四系人工填土、軟土）以及人類工程活動密切相關。

3.1 人工填土

區(qū)內(nèi)原地貌多為魚塘、河涌和耕地，在進行工程建設時需進行平整填土，且填土量較多，區(qū)內(nèi)填土平均厚度為2.85 m，最大厚度為4.70 m。由于填土結(jié)構較松散，均勻性較差，具有孔隙比大、壓縮性較高、密實度不高、強度低等特點，屬中壓縮性土，在垂直荷載作用下較易產(chǎn)生壓縮而引起地面沉降。一般新近填土未進行壓密處理，將會產(chǎn)生較大的自重壓密固結(jié)作用，在未完成自然重壓固結(jié)之前，土體結(jié)構松散，沉降量一般較高，且承載力較低，不能作為基礎持力層。此外，填土的厚度、密實度不均勻亦較易導致地面出現(xiàn)不均勻沉降。

3.2 軟土

區(qū)內(nèi)軟土較為發(fā)育，厚度為1.0～27.7 m，平均厚度為15.0 m，厚度變化較大，頂板埋深1.2～5.5 m，平均埋深3.1 m，埋藏較淺。軟土類型主要為淤泥、淤泥質(zhì)土，呈灰色、深灰色，飽和，流塑，淤泥類土具有天然含水率高，孔隙率大，高壓縮性，固結(jié)程度差，工程性質(zhì)差等特點。因此，區(qū)內(nèi)軟土一方面在自身重力的作用下，孔隙水壓力將逐漸減小，在土層達到完全固結(jié)之前，必然會引起地面沉降;另一方面在外荷載或地下水位下降等作用下易產(chǎn)生沉陷和剪切變形，對場地的穩(wěn)定性影響較大。

聯(lián)合分析區(qū)內(nèi)軟土與地面沉降空間分布特征可知（圖6），軟土具有“北厚南薄”的空間分布特征，即陶瓷城北部（靠近主干道路一側(cè)）軟土厚度大，往南軟土厚度逐漸降低，該分布特點與地面沉降空間分布基本吻合。由此表明，地面沉降量與軟土厚度大小存在正相關關系，即軟土厚度越大，地面沉降量越大。

3.3 人類工程活動

大量研究表明（劉海濤等，2014;施鳳春等，2019;王鳳林等，2009;王媛媛等，2009;劉杜娟，2004），抽排地下水是誘發(fā)和加劇地面沉降最主要的外部因素，深基坑及隧道開挖時抽排地下水的工程活動往往會加劇建筑物的沉降速率（黃健民等，2012;黃健民等，2013）。研究區(qū)內(nèi)及周邊人類工程活動強烈，存在較多地下建筑工程（基坑、地鐵隧道等），主要有綠島廣場與綠島青年薈基坑工程、興發(fā)—東鵬—箭牌大廈基坑工程、地鐵2號線軌道與地鐵站。上述地下工程在施工過程中需要抽排地下水，從而導致砂層、淤泥層壓密、砂土等細小顆粒流失，使地面產(chǎn)生不均勻沉降。

本文選取了區(qū)內(nèi)沉降較為嚴重的4座建筑物（編號：B2、B3、C2、C5，位置見圖1）的InSAR監(jiān)測時序數(shù)據(jù)（監(jiān)測時段：2013年2月17日—2019年9月26日），并根據(jù)各工程基坑或隧道盾構施工時間，對監(jiān)測時段分為7個時間段（表1），以此探討地下建筑工程與地面沉降的關系以及沉降時序發(fā)展規(guī)律。4座建筑物的沉降歷史曲線（時間序列曲線）如圖7所示。

如圖7所示，4棟建筑物的沉降速率隨著周邊基坑、地鐵站和隧道工程的開展，均出現(xiàn)了不同程度的加快現(xiàn)象。2013年2月—6月，4棟建筑物均以恒定、緩慢速率發(fā)生沉降。2013年6月—12月，興發(fā)與綠島廣場地塊基坑施工期間，4棟建筑物沉降速率均有所增大。2014年1月—2015年11月，4棟建筑物沉降速率有所減緩，但仍以恒定速率持續(xù)下沉，期間速率波動較小。2015年11月—2017年3月，地鐵站施工期間，沉降速率出現(xiàn)逐漸增大趨勢，最大沉降速率出現(xiàn)在2017年1月—5月。2017年3月—2018年6月，地鐵2號右線和左線盾構施工期間，沉降速率呈現(xiàn)先增大后減緩再增大的來回波動現(xiàn)象，具體表現(xiàn)為：2017年3月—5月，沉降速率急劇增大;2017年5月—2018年1月沉降減緩并出現(xiàn)輕微回彈抬升，初步分析該現(xiàn)象可能由于地鐵站和隧道止水后，地下水位回升導致建筑物輕微抬升;2018年1月—6月，沉降速率再次增大。2018年6月—2019年9月，4棟建筑物繼續(xù)以近似恒定速率發(fā)生沉降，個別沉降速率有輕微增長，截至監(jiān)測期末，暫未有明顯減緩趨勢。

通過進一步提取4棟建筑物7個時間段的平均沉降速率信息（表2），均可發(fā)現(xiàn)興發(fā)與綠島廣場地塊基坑施工期間、地鐵站和地鐵隧道盾構施工期間的平均沉降速率相對施工前（2013年2月—6月以及2014年1月—2015年11月）的平均沉降速率較大，尤其是地鐵站施工期間，其沉降速率是2013年2月—6月沉降速率的1.7～3.8倍。另外整個監(jiān)測期內(nèi)，4棟建筑物最大沉降速率均出現(xiàn)在2017年1月—5月（表3），該時間段正好處于地鐵站開挖與地鐵隧道盾構施工階段，沉降速率均超過90 mm·a-1，最高可達111.3 mm·a-1，是2013年2月—6月沉降速率的4～9倍。

綜上所述，瓷海國際陶瓷城在2013年6月前沉降速率緩慢、勻速，隨后由于先后受到周邊基坑、地鐵站和地鐵隧道盾構施工（施工過程均存在地下水降水工程）的影響，區(qū)域內(nèi)多座建筑物出現(xiàn)不同程度的沉降加速現(xiàn)象，尤其是2017年1月—5月，地鐵站開挖與隧道盾構施工疊加期間，沉降速率達到了監(jiān)測期內(nèi)的最高峰。因此，周邊基坑、地鐵站和地鐵隧道的抽排地下水工程與區(qū)內(nèi)地面沉降現(xiàn)象存在重大關聯(lián)，是誘發(fā)和加劇地面沉降的主要原因。

4 地面沉降發(fā)展趨

為探討研究區(qū)地面沉降發(fā)展趨勢，本文收集了研究區(qū)場地勘察資料（廣東佛山地質(zhì)工程勘察院，2007），并以區(qū)內(nèi)軟土發(fā)育地段的ZK2（位于陶瓷城北東部）鉆孔數(shù)據(jù)為代表，計算研究區(qū)地面沉降最大值，ZK2鉆孔各土層相關物理力學性質(zhì)指標數(shù)據(jù)見表4。計算方法為GB 50007-2011《建筑地基基礎設計規(guī)范》（5.3.5節(jié)）中的應力面積分層總和法，計算公式為，

外部荷載主要考慮建筑物靜荷載（假設建筑物荷載為60 kPa），計算結(jié)果：研究區(qū)地面沉降最大值為1092.9 mm，位于陶瓷城北東部。

目前陶瓷城北東部地面沉降量為500 mm，尚未達到該區(qū)域理論計算的最大沉降值。由于一方面前期工程建設過程抽排地下水對周邊的影響仍會長期持續(xù);另一方面陶瓷城南部城中村可能因城市更新改造規(guī)劃的需要，未來將會開展大量新建工程，當中不乏基坑降排水工程。因此，在未來周邊工程建設過程中，研究區(qū)地面沉降現(xiàn)象仍將繼續(xù)發(fā)展，其沉降速度主要受地下工程降水活動的影響。

5 結(jié)論及防治建議

5.1 結(jié)論

（1）研究區(qū)地面沉降的形成主要是地質(zhì)條件和人類工程活動兩方面綜合作用的結(jié)果。其中填土、軟土為引發(fā)地面沉降的內(nèi)部物質(zhì)條件，尤其是區(qū)內(nèi)軟土分布廣、厚度大、埋藏淺，為地面沉降的發(fā)育提供了重要貢獻。通過InSAR監(jiān)測資料佐證分析，研究區(qū)地面沉降速率均在基坑、地鐵站、地鐵隧道施工期間出現(xiàn)明顯加快現(xiàn)象。因此，周邊工程抽排地下水是誘發(fā)和加劇地面沉降的主要外部因素。

（2）目前研究區(qū)地面沉降量尚未達到理論計算的最大沉降值，未來在周邊工程建設過程中，研究區(qū)地面沉降現(xiàn)象仍將繼續(xù)發(fā)展。

5.1 防治建議

（1）嚴格控制建設工程的基坑降水量，防止地下水水位大幅度持續(xù)下降，控制地下水降落漏斗規(guī)模。

（2）建立研究區(qū)地面沉降監(jiān)測網(wǎng)絡，開展地下水動態(tài)變化長期觀測，建立分層標、大地水準監(jiān)測網(wǎng)，為控制地面沉降的研究和防治工作提供基礎數(shù)據(jù)。

（3）定期開展基于InSAR技術的地表沉降探測工作，盡可能收集和整理近年來的遙感影像，結(jié)合誘發(fā)形變的各類地質(zhì)要素及人類工程活動，定期對研究區(qū)地面沉降速率、沉降歷史及趨勢進行綜合分析。

（4）加強宣傳教育，讓城市可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略深入人心，充分認識到因不合理抽排地下水帶來地面沉降災害的嚴重性和危害性。

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