上海地面塌陷研究與風(fēng)險防控探討

付棟

隨著我國城市現(xiàn)代化建設(shè)進(jìn)程加快，城市基礎(chǔ)建設(shè)、房地產(chǎn)開發(fā)高速發(fā)展，全國城市地面塌陷發(fā)生的頻率越發(fā)變高。與傳統(tǒng)地質(zhì)災(zāi)害不同，城市市政道路塌陷與人類活動和地質(zhì)發(fā)育特征息息相關(guān)，發(fā)生狀態(tài)更為多變、復(fù)雜，城市地質(zhì)環(huán)境安全面臨新的挑戰(zhàn)。

北京、武漢、深圳等城市已就地面塌陷開展了一系列調(diào)查研究工作，北京市尚側(cè)重于“點”上的研究，包括塌陷隱患點探測方法技術(shù)、數(shù)值與物理模擬、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)編制等；武漢市著眼于工程建設(shè)對巖溶塌陷的誘發(fā)影響，從“面”上出發(fā)，已初步建立控制武漢市8 條巖溶條帶的“基礎(chǔ)監(jiān)測網(wǎng)”、塌陷易發(fā)區(qū)和工程建設(shè)集中區(qū)的“重點監(jiān)測網(wǎng)”、在工程建設(shè)場地及周邊影響范圍內(nèi)或工程運行期間的“運營監(jiān)測網(wǎng)”等三層次監(jiān)測網(wǎng)；深圳則“點面結(jié)合”，在采用探測檢測手段進(jìn)行普查的基礎(chǔ)上，全市域范圍內(nèi)針對較高風(fēng)險點推行群測群防。國內(nèi)學(xué)者亦對塌陷開展了廣泛研究，研究成果主要體現(xiàn)在塌陷成因機(jī)理、塌陷隱患調(diào)查技術(shù)、塌陷風(fēng)險評價方法等方面。

上海人口規(guī)模在我國位居第一，承擔(dān)著探索超大規(guī)模城市治理現(xiàn)代化的使命，城鎮(zhèn)規(guī)模的不斷擴(kuò)大增加了城市地質(zhì)環(huán)境的脆弱性。分析新形勢下上海城市道路塌陷問題必須結(jié)合上海城市地質(zhì)特點，構(gòu)建集“成因機(jī)理分析、風(fēng)險區(qū)劃、隱患綜合調(diào)查、隱患致災(zāi)程度評價”于一體的風(fēng)險防控體系，對于提升塌陷災(zāi)害風(fēng)險防控能力具有重要意義。

基礎(chǔ)地質(zhì)條件

淺部砂層（②3層）是發(fā)生地面塌陷的必要條件。上海市中心城區(qū)（外環(huán)以內(nèi)）淺部砂層主要分布于蘇州河沿岸（以北岸為主）、上?；疖囌镜貐^(qū)、蘇州河與黃浦江交界處、五角場地區(qū)等區(qū)域。埋深變化不大，頂板埋深2～4m；厚度變化較大，吳淞江、黃浦江沿岸厚度變化平均約6m。土性一般為粉土、粉砂，呈飽和、松散—稍密狀態(tài)，黏粒含量小而粉砂粒含量大，不均勻系數(shù)相對較小，黏聚力小而內(nèi)摩擦角較大，孔隙率和天然含水量較大，滲透系數(shù)較小，排水條件較差，具備發(fā)生滲透變形和地面塌陷災(zāi)害的地層條件。其埋藏分布如圖1 所示，典型剖面如圖2 所示。

圖1 淺部砂層（②3層）埋藏分布圖

圖2 淺部砂層（②3層）分布區(qū)典型地質(zhì)剖面圖

地面塌陷風(fēng)險防控現(xiàn)狀

近幾年來，據(jù)不完全統(tǒng)計，上海市發(fā)生近百起地面塌陷，外環(huán)線以內(nèi)的靜安、普陀、虹口、楊浦等中心城區(qū)占比較大，汛期6—9 月是高發(fā)期。因自然因素引發(fā)的地面塌陷主要有三種類型：排水管道結(jié)構(gòu)缺陷引發(fā)的地面塌陷，暗洪等地基不密實引發(fā)的地面塌陷，濱海堤岸區(qū)地基不密實引發(fā)的地面塌陷。因人為活動引發(fā)的地面塌陷主要有三種類型：基坑工程引發(fā)的地面塌陷、盾構(gòu)工程引發(fā)的地面塌陷、盾構(gòu)施工擾動區(qū)土體加固不密實引發(fā)的地面塌陷。其中，位于市政道路下方的排水管道結(jié)構(gòu)缺陷引發(fā)的塌陷具有突發(fā)性、離散性、隱蔽性等特點，一旦發(fā)生對交通和人民生命財產(chǎn)的安全造成較大威脅。

因此，聚焦市政道路地面塌陷問題，開展地面塌陷成因機(jī)理調(diào)查，建立風(fēng)險評價指標(biāo)體系并進(jìn)行地面塌陷風(fēng)險區(qū)劃，在風(fēng)險較高區(qū)域利用綜合手段對隱患體進(jìn)行綜合調(diào)查，最后對于發(fā)育較穩(wěn)定的隱患點開展致災(zāi)程度評價并入庫管理，具有十分重要的意義。

（一）塌陷成因機(jī)理

地面塌陷的形成有“內(nèi)在因素”和“外在因素”，“內(nèi)在因素”主要為上海市廣泛分布的淺部砂層這一特殊地質(zhì)條件，由于地下水位高且大氣降水補(bǔ)給呈飽和狀態(tài)，易產(chǎn)生滲流液化和震動液化等不良工程地質(zhì)現(xiàn)象，為地下水土流失提供了物質(zhì)基礎(chǔ)；“外在因素”主要為地下空間或管道缺陷，為水土流失提供通道，當(dāng)掏空垮落帶發(fā)展到一定規(guī)模時，剛性路面不足以支撐路面荷載而發(fā)生變形失穩(wěn)，直至斷裂，從而發(fā)生地面塌陷。

（二）塌陷風(fēng)險區(qū)劃

依托GIS 平臺，通過大數(shù)據(jù)的集成和分析，運用可靠的算法，進(jìn)行地面塌陷的區(qū)域化、等級化的風(fēng)險評價，完善基礎(chǔ)要素和評價指標(biāo)體系，形成“上海市淺部砂層分布區(qū)地面塌陷隱患風(fēng)險度評價圖”（圖3），區(qū)劃將上海市淺部砂層分布區(qū)劃分為四個地面塌陷風(fēng)險區(qū)域，針對不同的風(fēng)險等級和重點區(qū)域采用不同的調(diào)查和防控措施。還結(jié)合降雨等重要致災(zāi)因素，形成汛期等重點時段的風(fēng)險區(qū)劃（圖4），風(fēng)險分布的變化帶來防控措施的變化，大大提高了災(zāi)害預(yù)防的針對性。

圖3 地面塌陷隱患風(fēng)險度評價圖（非汛期）

圖4 地面塌陷隱患風(fēng)險度評價圖（汛期）

（三）塌陷隱患綜合調(diào)查

由于地面塌陷具有突發(fā)性和區(qū)域分散性等特點，為提高隱患調(diào)查的針對性和有效性，構(gòu)建“地面塌陷隱患綜合調(diào)查網(wǎng)絡(luò)”，包括“普查網(wǎng)、詳查網(wǎng)、監(jiān)測網(wǎng)”，并從“空間”和“時間”兩個維度對隱患進(jìn)行綜合調(diào)查與動態(tài)跟蹤。

“空間”上由風(fēng)險區(qū)劃所示四個等級的風(fēng)險區(qū)指引，通過人工巡查、隱患區(qū)探測和隱患點監(jiān)測等綜合調(diào)查手段，確定隱患點位置；“時間”上表現(xiàn)為從巡查到探測、再到監(jiān)測，調(diào)查頻次的不斷加密，實現(xiàn)對隱患發(fā)生發(fā)展規(guī)模的動態(tài)把控（圖5）。

圖5 地面塌陷隱患綜合調(diào)查網(wǎng)絡(luò)示意圖

依托綜合調(diào)查手段，研究制定地面塌陷隱患調(diào)查工作指南，并有效上報多處地面塌陷隱患，向市政管理部門發(fā)出隱患告知，其中幾處較大隱患得到了妥善處置，保障了交通安全運行。

（四）隱患致災(zāi)程度評價

根據(jù)塌陷隱患的排查成果，構(gòu)建單個隱患點的“致災(zāi)程度評價體系”（圖6），將未上報處理的隱患進(jìn)行入庫管理。評價體系分為隱患基礎(chǔ)信息、地質(zhì)和水文條件、人為工程活動三個序列，每個序列的指標(biāo)分為三級。圖6 中括號里的數(shù)值為該項指標(biāo)的總分，將三級指標(biāo)評分后對每個二級指標(biāo)進(jìn)行評分計算，完成一級指標(biāo)的評分。

將隱患基礎(chǔ)信息、地質(zhì)和水文條件、人為工程活動三個要素指標(biāo)由“隱患發(fā)育程度”和“隱患發(fā)展影響”兩個方面表征，隱患基礎(chǔ)信息用來反映“隱患發(fā)育程度”，地質(zhì)和水文條件、人為工程活動用來反映“隱患發(fā)展影響”，通過加權(quán)計算，分別得出“隱患發(fā)育程度”和“隱患發(fā)展影響”的百分制分值并對其進(jìn)行分級，分級標(biāo)準(zhǔn)見表1。

表1 隱患發(fā)育程度及發(fā)展影響分級標(biāo)準(zhǔn)

綜合考慮隱患發(fā)育程度和發(fā)展影響兩個因素的分級結(jié)果，形成隱患致災(zāi)程度分級，等級從高到低分為Ⅰ級、Ⅱ級、Ⅲ級（表2），對應(yīng)隱患點致災(zāi)程度為嚴(yán)重、較嚴(yán)重和不嚴(yán)重。對于Ⅰ級致災(zāi)程度嚴(yán)重的隱患點，列為重點關(guān)注對象，必要時及時向市政管理部門告知隱患。

表2 隱患點風(fēng)險度分級表

（五）小結(jié)

上海市地面塌陷風(fēng)險防控構(gòu)建了“成因機(jī)理分析—風(fēng)險區(qū)劃—隱患綜合調(diào)查—隱患致災(zāi)程度評價”的災(zāi)害預(yù)防體系，由“面”到“點”逐步確定隱患范圍，大大提高了地面塌陷隱患排查與識別的效率，提升了地面塌陷災(zāi)害風(fēng)險防范能力。但各方市政管理部門的數(shù)據(jù)共享機(jī)制與多源異構(gòu)數(shù)據(jù)的同一化管理均有待進(jìn)一步優(yōu)化，新形勢對上海市地面塌陷災(zāi)害防治工作提出了更高要求。

問題與思考

（一）塌陷機(jī)理研究方面

對城市地面塌陷進(jìn)行成因機(jī)理分析及分類，是城市地面塌陷預(yù)防、探測、治理、研究的基礎(chǔ)和關(guān)鍵問題之一，而城市之間的區(qū)域地質(zhì)背景、工程地質(zhì)水文地質(zhì)問題、地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育程度等不盡相同。目前，上海市道路塌陷的成因機(jī)理研究僅側(cè)重于歸納總結(jié)、土體的物理力學(xué)特性研究和數(shù)值模擬。而模型試驗可以更為直觀地研究水力管線內(nèi)水體流速與侵蝕發(fā)展的關(guān)系以及不同影響因素對侵蝕發(fā)展?fàn)顟B(tài)的影響，對于上海市廣泛分布的淺部砂層和較高的地下水位這種特殊地層結(jié)構(gòu)，可以考慮利用現(xiàn)場試驗或小規(guī)模模型試驗探索地下水滲流場和土體變形之間的關(guān)系，更為直觀地研究管道滲漏對地下空洞發(fā)展規(guī)律的影響，為完善深部土體監(jiān)測手段提供實踐依據(jù)。

（二）隱患排查方面

傳統(tǒng)地質(zhì)災(zāi)害的風(fēng)險評價綜合考慮地質(zhì)環(huán)境、人為活動、經(jīng)濟(jì)社會等因素，利用科學(xué)算法指導(dǎo)災(zāi)害防控措施的制定，與其不同的是，城市塌陷災(zāi)害的人為活動因素表現(xiàn)得更為突出。目前上海市道路塌陷風(fēng)險評價指標(biāo)體系初步用“人為抵御風(fēng)險能力”中的“日常管理能力”和“應(yīng)急處置水平”等因素來考慮城市管理者的管理能力對塌陷風(fēng)險分布的影響，但由于道路塌陷的發(fā)生涉及市交通委、市水務(wù)局、市住建委等多個部門，各方統(tǒng)籌協(xié)調(diào)的防治責(zé)任制度有待建立，如何將以上評價因素根據(jù)防治責(zé)任主體進(jìn)行定量化評價還有待進(jìn)一步研究。

更為重要的是，在隱患識別與排查過程中，無論是能夠提供差異化防控建議的“風(fēng)險區(qū)劃”，還是指導(dǎo)調(diào)查排查工作開展的“工作指南”等，都依托大量的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，而該數(shù)據(jù)是隨著基礎(chǔ)地質(zhì)、氣象氣候、人為工程活動、經(jīng)濟(jì)社會條件等的變化而不斷發(fā)生變化的。若能在市級層面上進(jìn)行多源異構(gòu)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的同一化管理，進(jìn)而篩選、調(diào)用與融合，提高數(shù)據(jù)的有效利用率，便能夠極大地提高隱患排查的時效性和針對性。

各塌陷防治責(zé)任主體之間若能夠基于部門協(xié)同的原則，建立數(shù)據(jù)共享機(jī)制，打破數(shù)據(jù)要素市場壁壘，有助于數(shù)據(jù)多向流動。隱患排查數(shù)據(jù)成果亦可反饋至城市建設(shè)主體，為相關(guān)決策提供方向。

（三）風(fēng)險防控方面

在技術(shù)層面上，現(xiàn)有研究通過區(qū)劃和排查手段的結(jié)合初步實現(xiàn)了塌陷的差異化防控，但依舊面臨塌陷隱患入庫管理與調(diào)用、致災(zāi)程度評估和跟蹤監(jiān)測預(yù)警等一系列難題，相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)與工作流程有待進(jìn)一步研究。

在管理層面上，隨著塌陷災(zāi)害防治關(guān)口的前移，工程建設(shè)的市政管理部門落實主體責(zé)任、政府部門落實監(jiān)管責(zé)任、政府技術(shù)支撐單位落實風(fēng)險告知責(zé)任，構(gòu)建跨行業(yè)、跨部門的市級協(xié)調(diào)平臺，對深化地面塌陷風(fēng)險防控具有十分重要的意義。

結(jié)語

通過對地面塌陷開展成因機(jī)理、風(fēng)險區(qū)劃、隱患綜合調(diào)查、隱患點致災(zāi)程度評價等系統(tǒng)性研究，初步構(gòu)建了上海地面塌陷風(fēng)險防控體系，提高了隱患排查的效率，為市政管理部門及時消除路面塌陷隱患提供有力技術(shù)支撐。

但城市精細(xì)化管理對地面塌陷防治工作提出了更高要求，需進(jìn)一步加強(qiáng)災(zāi)害成因機(jī)理、發(fā)生發(fā)展規(guī)律等基礎(chǔ)理論研究，探索隱患探測、監(jiān)測預(yù)警的新方法新手段，完善市區(qū)聯(lián)動、部門協(xié)同的防治責(zé)任體系。搭建集“風(fēng)險區(qū)劃基礎(chǔ)數(shù)據(jù)”與“隱患點信息”于一體的大數(shù)據(jù)平臺，在基礎(chǔ)調(diào)查、科技創(chuàng)新、聯(lián)防聯(lián)控中尋求增強(qiáng)城市韌性的方法與途徑，最大程度保障城市安全運行。