上海地區(qū)地面沉降及防治措施的研究現(xiàn)狀與趨勢(shì)

張容國(guó)，楊子凡

(中海興業(yè)(西安)有限公司，陜西 西安 710061)

0 引 言

地面沉降是河口海岸帶城市群中典型的、主要的環(huán)境地質(zhì)問(wèn)題，具有累進(jìn)性和不可逆性，屬于緩變型的城市地質(zhì)災(zāi)害[1]。上海地處長(zhǎng)江三角洲東緣，是我國(guó)發(fā)現(xiàn)地面沉降現(xiàn)象最早、影響最大、危害最深的城市，地面沉降對(duì)其城市發(fā)展建設(shè)的危害主要表現(xiàn)在降低城市防汛能力、影響內(nèi)河航道通航能力、損壞地下管線、威脅城市交通設(shè)施、影響建筑物使用安全等方面[1]。

自1921年第一次觀測(cè)到地面沉降以來(lái)，上海市有關(guān)部門和單位一直對(duì)該地區(qū)地面沉降的發(fā)展情況進(jìn)行系統(tǒng)的觀測(cè)和研究，并采取積極的防治措施。到目前為止，已經(jīng)積累了豐富的觀測(cè)資料、研究成果和防治經(jīng)驗(yàn)。但是，影響上海地區(qū)地面沉降的因素是復(fù)雜多面的。

在1962年“上海市地面沉降研究小組”提交的《上海市地面沉降問(wèn)題研究報(bào)告》中就指出“地下水開采、海平面上升、新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)、靜荷載、動(dòng)荷載、開采天然氣、地下取土、深井出砂、人工填土和黃浦江疏浚等”可能是影響地面沉降的十大因素，并初步得出大量開采地下水是上海地區(qū)地面沉降主要原因的結(jié)論[2]。進(jìn)一步的系統(tǒng)監(jiān)測(cè)與研究發(fā)現(xiàn)地面沉降量與地下水位、地下水開采量之間具有較強(qiáng)的正相關(guān)性，證明地下水開采是當(dāng)時(shí)引起地面沉降的主要原因[2-4]。對(duì)此，逐步采用“壓縮地下水開采量(1963年始)、人工回灌(1965年始)、調(diào)整開采層次(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世紀(jì)70年代和80年代，有關(guān)單位進(jìn)一步加強(qiáng)對(duì)地面沉降基本規(guī)律的研究，初步掌握了不同地質(zhì)結(jié)構(gòu)區(qū)地下水的采灌水量、水位與地面沉降之間的定性及定量關(guān)系，以此來(lái)指導(dǎo)制定每一年的地下水采灌方案。實(shí)踐證明，這一時(shí)期上海市中心城區(qū)的地下水采灌格局基本平衡，地面沉降速率穩(wěn)定在合理的低值[6]。然而20世紀(jì)90年代以后，上海進(jìn)入大規(guī)模城市建設(shè)發(fā)展時(shí)期，同樣的采灌格局(有時(shí)甚至灌大于采)卻不再能遏制地面沉降的新一輪增長(zhǎng)，地面沉降與地下水開采量的相關(guān)性逐漸減弱。工程建設(shè)活動(dòng)，特別是高層超高層建筑、密集建筑群、深基坑開挖與降排水、地鐵隧道施工、高速鐵路建設(shè)等，對(duì)地面沉降的影響引起學(xué)者關(guān)注。隨著研究的深入，發(fā)現(xiàn)上海地區(qū)深層承壓含水層的沉降變形具有滯后特征，傳統(tǒng)土力學(xué)已不能完全解釋其機(jī)理。此外，江浙地區(qū)地面沉降的發(fā)展已逐漸影響到鄰近的部分上海地區(qū)的地面沉降，上海地面沉降與江浙地區(qū)的區(qū)域關(guān)聯(lián)性日漸顯著。對(duì)這些新現(xiàn)象的研究，有的已取得一定成果但尚需深化，有的則尚處于起步階段。

本文在歸納總結(jié)大量前人工作成果的基礎(chǔ)上，綜合描述并分析上海地區(qū)地面沉降及防治措施的研究現(xiàn)狀與趨勢(shì)，探討地下水開發(fā)、地面沉降、工程建設(shè)三者之間的相互影響關(guān)系，為上海市未來(lái)地下水開發(fā)、地面沉降控制及城市可持續(xù)發(fā)展建設(shè)提供一些宏觀的思考。

1 上海工程地質(zhì)與水文地質(zhì)背景

上海地處長(zhǎng)江三角洲前緣河口-濱海平原和太湖湖積平原東緣低地，除西南部零星出露侏羅紀(jì)火山巖低矮殘丘(總面積約2.5 km2)以外，其陸域部分均被第四紀(jì)地層覆蓋，厚度為200～350 m，從西南向東北方向逐漸增大，下伏不同時(shí)代的基巖[1]。作為長(zhǎng)江三角洲的一部分，上海地區(qū)的工程地質(zhì)、水文地質(zhì)條件與整體區(qū)域保持一致性。

(1) 上海第四紀(jì)沉積地層由砂性土層與黏性土層分層交互構(gòu)成，并存在水平向的沉積相變[7]。埋深150 m以淺，為欠固結(jié)～正常固結(jié)的淺海-濱海相和河流三角洲相的黏性土和砂層；150 m以深，由正常固結(jié)～超固結(jié)的河流相的砂層和湖相雜色黏土層組成[8]。

(2) 上海土層可分為16個(gè)工程地質(zhì)層，從上到下依次為表土層、第一砂層、第一硬土層、第一軟土層、第二軟土層、第二硬土層、第二砂層、第三軟土層、第三砂層、第三硬土層、第四砂層、第四硬土層、第五砂層、第五硬土層、第六砂層、第六硬土層，其下由強(qiáng)風(fēng)化基巖逐步過(guò)渡到新鮮基巖；除第六砂層主要分布在北部以外，其余砂層在整個(gè)地區(qū)范圍內(nèi)均有較為穩(wěn)定的分布[9]。

(3) 地下水含水層系統(tǒng)由一個(gè)潛水含水層和五個(gè)承壓含水層構(gòu)成，其中潛水含水層對(duì)應(yīng)于第一砂層，第一～五承壓含水層分別對(duì)應(yīng)于第二～六砂層。這些砂土層中，局部含有一些黏土夾層或透鏡體，但并不影響含水層的連續(xù)性。弱透水層的厚薄不均、缺失且多含砂層透鏡體，使各含水層之間存在一定的水力聯(lián)系：第一承壓含水層與潛水層存在水力聯(lián)系；第一、二、三承壓含水層之間局部存在溝通；第四、五承壓含水層之間局部存在溝通[6]。

2 地面沉降研究的新成果與新趨勢(shì)

上海地區(qū)的地面沉降是伴隨著上海城市現(xiàn)代化建設(shè)的進(jìn)程而發(fā)生、發(fā)展的，在不同的歷史階段，受工業(yè)化程度、城市發(fā)展建設(shè)進(jìn)度及防控政策與措施等影響，表現(xiàn)出不同的階段性特征。龔士良[6]指出：上海地面沉降的發(fā)展歷程，可以1965年為界分為兩大時(shí)期，1921～1965年為沉降發(fā)展期，1966年至今為沉降控制期；期間根據(jù)沉降速率的變化，又可細(xì)分為8個(gè)階段，詳見表1。

表1 上海地面沉降過(guò)程統(tǒng)計(jì)簡(jiǎn)表

結(jié)合上海地區(qū)地面沉降的發(fā)展歷程，本文將從工程建設(shè)對(duì)地面沉降的影響、深部土層沉降滯后效應(yīng)、長(zhǎng)三角地區(qū)沉降區(qū)域關(guān)聯(lián)性這三個(gè)方面進(jìn)行總結(jié)。

2.1 工程建設(shè)對(duì)地面沉降的影響

20世紀(jì)90年代以來(lái)，上海地區(qū)的工程建設(shè)及其影響主要集中在地表以下75 m的深度范圍。在該范圍內(nèi)，普遍分布著以海相沉積環(huán)境為主的飽和、軟弱、孔隙比大的欠固結(jié)黏性土地層，構(gòu)成上海地區(qū)典型的軟土地基結(jié)構(gòu)[3]。根據(jù)太沙基一維固結(jié)理論，工程建設(shè)(如基坑降水、建筑荷載等)將引起土體有效應(yīng)力的增加，從而導(dǎo)致工程影響范圍內(nèi)的土層發(fā)生固結(jié)沉降。因此，許多學(xué)者針對(duì)高層建筑、密集建筑群、深基坑、地鐵隧道等重大工程對(duì)地面沉降的影響開展研究。

高層建筑、密集建筑群對(duì)地面沉降的影響表現(xiàn)為“地面沉降的發(fā)展與建設(shè)規(guī)模總體呈正相關(guān)性”，即：在同一地區(qū)，建筑規(guī)模(如建筑面積、建筑物體量等)越大，地面沉降越大；建筑密度越大，建筑容積率越高，地面沉降越顯著[6,10,11]。同時(shí)，施工方式和進(jìn)度的不同對(duì)地面沉降的影響也有差異：同一建筑群，集中建設(shè)時(shí)較分散建設(shè)時(shí)，地面沉降量為大；施工進(jìn)度越快，沉降量也越大[11]。唐益群等[12]通過(guò)模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬，進(jìn)一步指出距離建筑物1倍基礎(chǔ)寬度范圍內(nèi)的地面沉降大于建筑物本身的沉降，并且密集高層建筑群之間的地表變形存在明顯的沉降疊加效應(yīng)。

20世紀(jì)90年代中后期，城市產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整，部分地段回灌工作受到影響，其地面沉降受地下水開采和密集建筑群荷載(或高層建筑荷載)的雙重影響。一些研究表明[13,14]，地下水開采和建筑荷載對(duì)地面沉降的共同影響呈現(xiàn)出耦合效應(yīng)：即抽水和建筑荷載疊加作用下的地面沉降值小于可比條件下單獨(dú)抽水和單獨(dú)建筑荷載作用下地面沉降值之和，但初期線性疊加效應(yīng)明顯、耦合效應(yīng)較弱，耦合效應(yīng)需隨著時(shí)間的延長(zhǎng)而趨于穩(wěn)定；且耦合效應(yīng)隨著地下水開采層位埋深的變大而減弱。另外，陳正松等[15]利用層次分析法對(duì)影響地面沉降因素的權(quán)重進(jìn)行了綜合分析，認(rèn)為建筑物荷載引起的地面沉降速率遠(yuǎn)小于開采地下水導(dǎo)致的地面沉降速率。

基坑開挖引起周邊土體沉降的原因，一方面在于側(cè)向變形和坑底回彈導(dǎo)致坑外土體損失而引起地面沉降，另一方面是地下水疏干產(chǎn)生的固結(jié)沉降(包括滲透力的壓密作用)[16]。工程實(shí)踐表明，上海地基基坑開挖引起的沉降主要集中在開挖深度1～2倍的平面范圍內(nèi)[17]。隨著基坑深度的不斷突破，它的沉降影響范圍也愈加擴(kuò)大；目前最大的基坑開挖深度已超過(guò)40 m，則上海深基坑工程引起地面沉降的影響范圍已可達(dá)到30～80 m[18]。

地鐵隧道是上海城市軌道交通的重要組成部分。根據(jù)既有工程監(jiān)測(cè)資料反映，地鐵隧道引起的地面沉降中心多分布在軌道交通沿線或鄰近區(qū)域，局部區(qū)段差異沉降非常顯著，最大累計(jì)沉降量超過(guò)300 mm[19]。地鐵隧道建設(shè)過(guò)程中引起的地面沉降較為顯著，一方面是掘進(jìn)卸荷及地層損失導(dǎo)致的沉陷，其沉降大小與地質(zhì)條件及盾構(gòu)施工工藝相關(guān)[20]；另一方面則是車站基坑開挖及工程降水引起。運(yùn)營(yíng)期間，振動(dòng)荷載的長(zhǎng)期影響、地鐵隧道的滲漏、沿線商業(yè)的開發(fā)建設(shè)等對(duì)地面沉降的影響也得到相關(guān)研究，并將日益受到重視。劉明等[21]提出地鐵振動(dòng)影響的壓縮層范圍在10 m左右。鄭永來(lái)等[22]認(rèn)為當(dāng)隧道滲漏速度為0.15 L/(m2·d)時(shí)，隧道最大沉降可達(dá)220 mm。

2.2 深部土層沉降滯后效應(yīng)研究

20世紀(jì)90年代以來(lái)，上海中心城區(qū)的地面沉降伴隨著大規(guī)模城市建設(shè)而進(jìn)入新一輪的增長(zhǎng)期。因此，人們首先注意到工程建設(shè)對(duì)地面沉降的影響。隨著研究的深入，一些學(xué)者發(fā)現(xiàn)，盡管中心城區(qū)依舊保持著“采灌平衡”的格局，但除去淺部由工程建設(shè)引起的沉降增量以外，尚有深部土層的沉降增量顯現(xiàn)。相關(guān)研究結(jié)果揭示[23,24]：第一、第二、第三、第五承壓含水層和第五、第六弱透水層土層變形特征近似于線彈性變形，變形和水位變化基本同步，殘余變形量非常小；第二、第三、第四弱透水層土層變形特征近似于彈塑性變形，有較大殘余壓縮量且存在變形滯后現(xiàn)象；第四承壓含水層土層變形特征較為復(fù)雜，包含上述兩種情況。觀測(cè)數(shù)據(jù)還表明，第四承壓含水層的變形量占總沉降量的比例較大，且含水層變形與水位下降并不同步，表現(xiàn)出“滯后”特征[25]。直觀的原因是地下水開采層次基本轉(zhuǎn)移至第四、第五承壓含水層(尤以第四承壓含水層為主)，但傳統(tǒng)的觀點(diǎn)認(rèn)為水位降低造成弱透水層壓縮變形是導(dǎo)致地面沉降的主要原因，此觀點(diǎn)并不能合理解釋其變形特征[26]。沈水龍等[26]考慮水力梯度變化在砂土層中產(chǎn)生的剪應(yīng)力，從含水層受力機(jī)理的角度解釋含水層持續(xù)變形增大和變形滯后的發(fā)生機(jī)制；同時(shí)，考慮了細(xì)顆粒流失作用對(duì)深層地面沉降的影響及其地面沉降在含水層空間與時(shí)間重分布的發(fā)生機(jī)理。但相關(guān)研究有待進(jìn)一步深入。

2.3 長(zhǎng)三角地面沉降區(qū)域關(guān)聯(lián)性研究

20世紀(jì)80年代以來(lái)，上海郊區(qū)地下水開采利用量開始大幅度增加，地面沉降范圍由中心城區(qū)向郊區(qū)擴(kuò)展，在整個(gè)城市上連片發(fā)展。江蘇省的蘇錫常地區(qū)和浙江省的杭嘉湖地區(qū)毗鄰上海，與上海同處在統(tǒng)一的水文地質(zhì)構(gòu)造單元內(nèi)，地下水含水層系統(tǒng)相互聯(lián)系。盡管在天然條件下長(zhǎng)江三角洲地區(qū)的地下水徑流由上海周邊地區(qū)向上海地區(qū)補(bǔ)給，但如果周邊地區(qū)地下水開采過(guò)量則可能導(dǎo)致地下水補(bǔ)給方向的反轉(zhuǎn)，從而影響上海地區(qū)的地面沉降。同時(shí)，鄰省地區(qū)的地下水開采，將使區(qū)域水位降落漏斗連成一體。事實(shí)上，靠近浙江省的呂巷鎮(zhèn)和興塔鎮(zhèn)，早在20世紀(jì)80年代末期就受到浙江省地面沉降漏斗延伸的影響，形成兩個(gè)小規(guī)模的沉降漏斗；20世紀(jì)90年代以后兩個(gè)小規(guī)模的沉降漏斗發(fā)展連成一片，形成一個(gè)規(guī)模更大的漏斗，并向朱涇鎮(zhèn)方向延伸[6]。與江蘇省鄰近的淞南鎮(zhèn)和婁唐鎮(zhèn)一帶也有同樣的趨勢(shì)。

薛禹群等[27]對(duì)長(zhǎng)江三角洲南部區(qū)域地面的沉降進(jìn)行了模擬研究，但由于缺少浙江地區(qū)足夠多的長(zhǎng)期分層沉降標(biāo)資料，其模擬只涉及蘇錫常地區(qū)和上海地區(qū)。該項(xiàng)研究中，也碰到了“范圍廣、地質(zhì)背景復(fù)雜”和“歷時(shí)長(zhǎng)、水文參數(shù)變量復(fù)雜”等傳統(tǒng)模型所不曾涉及的新問(wèn)題。目前，對(duì)長(zhǎng)三角地區(qū)地面沉降區(qū)域關(guān)聯(lián)性的研究還很少，相關(guān)研究亟待開展。

3 結(jié) 論

通過(guò)上述回顧與分析，對(duì)上海地區(qū)地面沉降的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)歸納如下，并提出相關(guān)建議：

(1) 目前，上海中心城區(qū)的大規(guī)模建設(shè)活動(dòng)基本告一段落，但今后的建設(shè)項(xiàng)目面對(duì)的周邊環(huán)境將更為復(fù)雜；同時(shí)上海郊區(qū)的建設(shè)正在進(jìn)一步推進(jìn)。因此，總結(jié)現(xiàn)有關(guān)于工程建設(shè)對(duì)上海地面沉降影響的研究成果并進(jìn)一步深化探討，仍是十分必要的?？刂泼芗ㄖ簩?duì)上海地面沉降的影響，還需從施工技術(shù)與方案等處著眼和入手。

(2) 地下水開采仍然是上海市地面沉降的主要影響因素，應(yīng)嚴(yán)格實(shí)行地下水取水許可制度，最大限度地壓縮開采量，并保證深層地下水的采灌動(dòng)態(tài)平衡。同時(shí)，在考慮地質(zhì)環(huán)境容量和承載能力前提下，防治沉降速率過(guò)快、累積沉降過(guò)大等災(zāi)害性地面沉降，才是關(guān)注的重點(diǎn)。

(3) 蘇錫常、杭嘉湖地區(qū)對(duì)上海周邊地面沉降的影響已經(jīng)越來(lái)越明顯，整個(gè)長(zhǎng)三角地區(qū)的地面沉降有連成一片的趨勢(shì)，其區(qū)域相關(guān)性日益顯著。應(yīng)積極發(fā)揮政策優(yōu)勢(shì)、開展防治實(shí)踐；打破行政條塊分割，實(shí)現(xiàn)兩省一市在地下水資源開采方面的協(xié)調(diào)合作，實(shí)現(xiàn)區(qū)域地下水資源協(xié)同管理，共同治理長(zhǎng)三角地區(qū)的地面沉降問(wèn)題。