張 濤，常永青，武健強

（1. 南京市規(guī)劃局，南京 210006；2. 江蘇省地質調查研究院，南京 210049）

南京河西地區(qū)地面沉降研究

張 濤1，常永青1，武健強2

（1. 南京市規(guī)劃局，南京 210006；2. 江蘇省地質調查研究院，南京 210049）

針對南京河西新城建設過程中出現(xiàn)的嚴重地面沉降問題，開展了系統(tǒng)性的監(jiān)測和地質條件分析研究。該地區(qū)屬長江與秦淮河共同沖積形成的漫灘地質環(huán)境，第四系上部淤泥質粘土十分發(fā)育，其孔隙率高，壓縮性強，對工程活動敏感，是地面沉降的主要貢獻層位。通過綜合各類數(shù)據(jù)資料分析，認為本區(qū)地面沉降是在不良工程地質環(huán)境下進行大規(guī)模城市建設所導致的結果?；诒镜貐^(qū)地面沉降易發(fā)性和對經(jīng)濟社會危害的強弱分析，進行了河西地區(qū)地面沉降的風險評價，對防治地面沉降，保障城市發(fā)展提出了對策建議。

地面沉降；災害；風險；江漫灘；南京

0 前言

地面沉降是一種常見的地質災害現(xiàn)象，其主要危害是地面高程損失，進而引起防洪能力下降，地面漬澇增多，建筑、市政管線設施被損壞。按其成因可分為采水型和建筑荷載型，采水型是指由于超量開采深層地下水引發(fā)的地層壓縮，其影響范圍極廣，危害極大，如墨西哥城、美國德克薩斯州和亞利桑那州等地、我國的長三角平原和華北平原，國內外學者對此展開了廣泛而深入的研究（張阿根等，2002；薛禹群，2003；袁銘等，2016）。建筑荷載型指由于工程建設使地基所承受的附加應力增加而發(fā)生固結壓縮，也稱之為工程性沉降（唐益群等，2007；王媛媛等，2009；徐麗雯等，2015 ）。工程性沉降因關系到工程建設的安全，受到建設者們的高度重視，施工中要進行精確測量和計算，但都只限于具體的建設項目進行討論（柏仇勇等，2001；章昕等，2008；王慶等，2014；譚新根，2015）。對于一個建筑密集的新興城市，因地面建筑荷載疊加引發(fā)的區(qū)域性沉降則是城市管理者們所要考慮的問題。南京河西新城自大規(guī)模開發(fā)建設以來，正面臨著嚴重的地面沉降，從宏觀的角度評價整個城市面臨的這種災害風險顯得十分必要。

1 地質背景條件

河西地區(qū)是一塊瀕臨長江的漫灘地，受長江和秦淮河兩條水系淤積演化而成，“三山半落青天外，二水中分白鷺洲”所描繪的就是當?shù)匾磺Ф嗄暌郧暗木跋蟆Ｗ罱话倌?，隨著長江主河道北移，這塊漫灘逐漸被圍墾開發(fā)，在上世紀末，終于迎來了大規(guī)模的城市化建設。

（1）第四紀地質

區(qū)內基巖面較為平坦，略向江心傾斜，埋深在50～60m間?；诪榘讏紫瞪皫r，因新近紀地層遭受剝蝕，上覆地層均為第四紀中后期沉積。巖性以砂和粘土、粉土為主，分屬沖洪積相和湖沼相。

（2）水文地質

本地區(qū)地下水主要為松散孔隙水類型，按承壓性又可劃分為上部的潛水和深部的承壓水兩個含水層系統(tǒng)。潛水賦存于淺部的粉質粘土中，其與地表水聯(lián)系緊密，水位埋藏淺，一般在1～2m間。承壓水含水層厚20～50m，為中、細砂介質，呈下粗上細的二元河床相巖性結構，在空間上連續(xù)分布，南部地區(qū)相對更為發(fā)育。承壓水與長江、秦淮河水力聯(lián)系密切，互相補給，水資源量豐富，單井涌水量＞1000m3/d，但由于水質差（鐵、錳含量高），基本無開采，多年平均水位埋深在1～3m間波動。

（3）工程地質

本地區(qū)工程地質條件總體欠佳，主要特點是地層松散，承載力低，地下水位埋藏淺，廣泛分布著淤泥質粘土，厚度3～55m，平均22m。淤泥質粘土具有軟土的基本性質：含水量高、孔隙比大、易壓縮、承載力低，對工程建設活動敏感。根據(jù)土體的力學性質及成因，河西地區(qū)工程地質層一般由淺至深可劃分成三大層和十個亞層，其主要指標見下表1。

表1 土體工程地質層物理力學指標一覽表Tab.1 Physical and mechanical properties of soil engineering geological formation

2 地面沉降成因分析

2.1 地面沉降現(xiàn)狀

據(jù)估測，河西地區(qū)地面沉降已有30年歷史，自20世紀80年最早的一批成片集中住宅區(qū)建成后，房屋建筑的沉降、開裂現(xiàn)象引起了人們對河西區(qū)域性地面沉降的關注，當時問題較為突出的片區(qū)有南湖小區(qū)、管子橋、鳳凰西街等地。而進入2000年后，更多住宅區(qū)出現(xiàn)地基下沉，面路開裂，橋面與路面脫離，地下管線斷裂等問題，地面沉降已成為河西城市發(fā)展中不能忽視的地質災害。2005年起，市規(guī)劃局對河西地區(qū)開展了系統(tǒng)性的高等級水準觀測，初步揭示了區(qū)域性地面沉降端倪。

監(jiān)測結果表明，河西地區(qū)普遍存在不同程度的地面沉降，且多年持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展，沒有收斂趨勢。近十年最大累計沉降358.2mm（管子橋南），很多小區(qū)年平均速率大于10mm，如汪家村、長陽花園、杏聚村、所街、南湖三小、茶亭東、積善廣場、康苑新村等地，部分觀測點的沉降動態(tài)如圖1所示。

圖1 地面沉降動態(tài)曲線Fig.1 Land subsidence dynam ic curves

綜合分析所有監(jiān)測數(shù)據(jù)和地質資料后認為，河西地區(qū)普遍沉降超過100mm，其中超過200mm沉降量的區(qū)域面積約34km2。如圖2所示，大于300mm的區(qū)域主要分布于河西北部、河西中部的濱江公園附近、河西南部的油坊橋地鐵站附近。南湖至鳳凰西街一帶原屬湖蕩區(qū)，地基承載力差，20世紀80年代起建設集中住宅小區(qū)，是河西最早集中開發(fā)片區(qū)，其地面沉降歷時也最長，根據(jù)當前10mm/a速率推算，累計沉降已超過300mm。集慶門大街以北、清涼門大街以南及江東中路以東地區(qū)的累計沉降量或已超過400mm，審計學院以北局域范圍的累計沉降量可能達500mm。江山大街和應天大街之間的河西中部地區(qū)的開發(fā)起于2000年后，以高層住宅為主，其建筑采用了深基樁基礎，淺部軟弱地層承受的荷載較輕，又由于該區(qū)域地面沉降歷時短，累計量較小，所監(jiān)測到的數(shù)據(jù)亦顯示沉降量空間分布相對均衡，近10年沉降量多40～80mm間，據(jù)此推測，其累計沉降量在100～300mm間，其中，應天大街—夢都大街和泰山路—廬山路區(qū)間沉降量最小，可能不足100mm。河西南部由于開發(fā)最晚，此前為自然村落環(huán)境，沒有經(jīng)歷大的人類工程活動，地層處于自然固結狀態(tài)，因此，地面沉降最輕微。

圖2 河西地區(qū)地面沉降分布Fig.2 Distribution of land subsidence in Hexi area

2.2 城市建設影響

河西地面沉降與城市建設活動密切相關，沉降幾乎與河西建設同步發(fā)生。目前發(fā)現(xiàn)的沉降最為嚴重的南湖—鳳凰西街一片就是河西最早開發(fā)的片區(qū)。城市建設對淺部地層產(chǎn)生劇烈的擾動，如開挖基坑和地下隧道、增加建筑荷載，這些活動對地面沉降起到了促進作用。近十年來的地鐵建設中所引發(fā)的多起房屋、道路、管線破壞實例，充分證明了其對地面沉降的影響。一些工程觀測記錄也證實了建筑施工對地面沉降的影響，如江山廣場于2012年開建，當年沉降量就達123.2mm，此后逐年減小，2013—2015年的年沉降量分別是64.3mm、13mm、7.5mm。綠博園附近2012—2013年間的道路施工，期間產(chǎn)生沉降達104.6mm，明顯高于工程前后發(fā)生量。油坊橋地鐵站受車站建設施工影響，10年累計沉降309.8mm。

2.3 地下水開采

雖然，本地區(qū)沒有大規(guī)模地下水開采活動，但在基坑開挖過程中必須采取降低地下水位措施。由于地下水位降低，土層中的有效應力增加，進而產(chǎn)生沉降作用。根據(jù)調查，河西地區(qū)基坑降水一般在10 m以上，長期的抽水形成了以工地為中心的大面積水位漏斗，極端環(huán)境下，這種漏斗水位甚至連通承壓含水層，其產(chǎn)生的地面沉降作用將更深遠。

2.4 軟土地層

通過對不同深度地層的沉降觀測，能準確劃分地面沉降在垂向空間的分布。如圖3所示，對長陽花園分層標關鍵層位數(shù)據(jù)進行對比發(fā)現(xiàn)，該點淺部（7.33～4.23 m，相當于填土層）沉降10mm，次淺層（4.23～-32.47 m，淤泥軟質粘土）沉降90mm，深部地層（-32.47 m以下，仍以淤泥軟質粘土為主）沉降約10mm。此外，裕國賓館分層標顯示其80%的沉降量來源于地表以下20 m深度以內的淤泥質粘土地層壓縮，而隨著深度增加，沉降明顯減弱。審計學院的分層標監(jiān)測結果也顯示了類似沉降分布規(guī)律，其地表以下32 m以淺皆為淤泥質粘土，但總沉降量的86%來自淺部約15 m厚（3.1～-11.8 m）地層空間的壓縮。由此可見，河西地區(qū)地面沉降主要集中在上部的軟土層中，也就是淤泥質粘土是地面沉降的主要貢獻層位。

圖3 地面沉降垂向空間分布Fig.3 Distribution of land subsidence in vertical spatial

3 地面沉降風險評價

進入21世紀，人類對可持續(xù)發(fā)展的理解更趨全面，可持續(xù)發(fā)展并不意味著消除環(huán)境災害，而是在有條件地接受環(huán)境問題下發(fā)展，由此“風險”概念被提出來。風險是在一定區(qū)域和給定時段內，由于某一自然災害而引起的人們生命財產(chǎn)和經(jīng)濟活動的期望損失值，相應的風險度表達式為：風險度＝危險度×易損度（孫紹騁；2001；史培軍等，2005）。上述定義與表達式得到國內外許多學者和國際組織機構的認同，已被應用于地質災害研究領域（張梁等，1998；馬寅生等，2004）。

3.1 評價方法

根據(jù)風險基本原理對河西地面沉降進行評價。首先，對地面沉降易發(fā)性和易損性指標分別量化，以0-1區(qū)間進行標度，分：低度、中度和高度三級，如表2所示。其次，基于GIS平臺，把評價區(qū)按100m×100m進行網(wǎng)格化剖分獲得5872個評價單元，在上述量化原則指導下通過線性插值，對每個單元按軟土厚度大小分別賦值。各單元的易損性值大小根據(jù)實際受災體的社會服務功能大小和經(jīng)濟價值適當調整，以體現(xiàn)強弱秩序為要。最后，通過易發(fā)性和易損性指標的乘積運算得到風險值。

表2 易發(fā)性及易損性指標量化表Tab.2 Quantization of proneness and vulnerability index

3.2 易發(fā)區(qū)分布

易發(fā)性表征了災害事件的概率，也可以理解為危險度，易發(fā)性高即危險度高。河西地區(qū)第四系形成時間晚（中更新世以后堆積），處于欠固結狀態(tài)，尤其是淤泥質軟土發(fā)育，其壓縮性強，構成了地面沉降的最大來源。河西沉降現(xiàn)狀反映出，地面沉降嚴重區(qū)多為軟土層相對較厚的區(qū)域，二者具有一致性。本次以河西地區(qū)廣泛分布的淤泥質粘土層為主要依據(jù)，按其發(fā)育厚度進行分類，相應地把河西地區(qū)劃分為三類地面沉降易發(fā)區(qū)。高易發(fā)區(qū)：軟土厚度＞15m；中易發(fā)區(qū)：軟土厚度5～15m；低易發(fā)區(qū)：軟土厚度＜5m。

如圖4所示，河西地區(qū)地面沉降高易發(fā)區(qū)分布于漢中門—集慶門區(qū)間的秦淮河西岸一帶、東寶路以北大部分地區(qū)、棉花堤—上新河、積善新寓—鳳凰西街、青奧村—新城科技園一帶。中部的南苑—奧體中心、雙和園—金洲苑和南部的高廟—永勝村一帶屬低易發(fā)區(qū)；其它地區(qū)被劃為中度易發(fā)區(qū)。

圖4 河西地面沉降易發(fā)性分區(qū)Fig.4 Classif cation of subsidence proneness in Hexi area

3.3 易損性

河西地區(qū)受災體十分復雜，既包括生活其中的人和生物，又包括一切可能因地面沉降而產(chǎn)生破壞的固有設施甚至生態(tài)環(huán)境。地面沉降的易損性可理解為受災體的承災能力，承災能力弱的對象易損性強。根據(jù)土地規(guī)劃，河西用地類型可概括為公用事業(yè)、科技、金融、工業(yè)、居住和綠地，就承災能力而言，公用事業(yè)用地承載著科教、衛(wèi)生、文體、和政府服務功能，是河西新城的核心組成部分，對地面沉降災害最為敏感，一旦受到破壞，將影響整個社會系統(tǒng)的正常運轉?？萍冀鹑跇I(yè)和工業(yè)是支撐河西經(jīng)濟增長的支柱，一直是重點投資建設領域，由于資源高度集中，因此也不能輕易受的安全威脅。居住區(qū)是河西的主體，其經(jīng)歷了數(shù)十年的建設，形成了相對穩(wěn)定的結構，具有一定的承災能力。綠地是建設投資最薄弱區(qū)，主要發(fā)揮生態(tài)功能，對地面沉降的敏感性最差。

3.4 風險分區(qū)特征

圖5 河西地面沉降風險區(qū)分布Fig.5 Distribution of land subsidence risk in Hexi area

河西地區(qū)地面沉降風險評價結果集中在0～0.72之間，平均值0.28，總體屬于中度偏低水平。為了顯示出空間的區(qū)分度，采取標準差法進行重新分類，以0.5倍標準差以內為中等風險區(qū)，即當前平均水平。0.5～1.5倍標準差區(qū)間為高風險區(qū)和低風險區(qū)，1.5倍標準差以上區(qū)間為極高風險區(qū)或極低風險區(qū)。

河西地區(qū)地面沉降風險的空間分布特征較為明顯，結果如圖5所示，其既體現(xiàn)了原生地質條件的脆弱性，又突出了重要地區(qū)社會經(jīng)濟屬性。高度風險區(qū)主要分布于北部和中部，如集慶門—漢中門沿秦淮河西岸區(qū)、南湖小區(qū)—鳳凰西街片區(qū)、清涼門大街以北片區(qū)、漢中門大街—應天大街區(qū)間的江東中路西以片區(qū)、夢都大街以南到友誼路區(qū)間的泰山路以西片區(qū)。其中，奧體中心—國際博覽中心CBD區(qū)、新城科技園以及沿江東北路的商貿中心、醫(yī)院、學校是極高風險區(qū)。沿江地區(qū)、奧體中心北部—南苑新村、江山大街以北的云龍山路附近、河西南部的高廟—蓮花村一線屬低風險區(qū)。

4 地面沉降防治對策

（1）城市規(guī)劃優(yōu)先考慮地質因素

地質環(huán)境與城市發(fā)展密切相關，在工程地質條件差的河西地區(qū)開發(fā)建設，更要優(yōu)先考慮地質因素，開展工程適宜性評估，為潛在風險事故制定預案。在河西南部建設中，應合理利用工程地質條件，適當降低建筑密度，減輕工程活動對地質環(huán)境的影響。江北新區(qū)與河西地區(qū)同屬長江漫灘，地質條件相似，建議在整體開發(fā)之前，對區(qū)內的軟土分布區(qū)進行詳細勘查，評價地基承載力和地面沉降影響，為城市控制性規(guī)劃提供決策依據(jù)。

（2）強化工程施工管理

建設工程往往誘發(fā)短期快速的地面沉降，如果控制不當，還會危害周邊建筑設施的安全，影響城市正常秩序。因此，要特別加強施工質量管理，為河西地區(qū)建立更為嚴格的規(guī)章制度和施工技術要求，以基坑開挖和基坑降水為重點，通過連續(xù)防滲墻、攪拌樁、咬合樁等防滲支護技術控制土體側壓變形和垂向沉降。地面建筑盡量采用深樁基礎，以減小對淺部地層的附加應力，后期可通過細致回填和灌漿改良淺部工程地質條件。以河西地區(qū)為例，開展相關技術經(jīng)驗的總結，進而形成行業(yè)規(guī)范，指導國內相似地質條件區(qū)的工程建設。

（3）繼續(xù)加強地面沉降監(jiān)測

在河西地區(qū)從事城市建設，地面沉降難以避免，在今后還會長期存在，建議進一步加強監(jiān)測工作，優(yōu)化監(jiān)測網(wǎng)絡。按一等水準測量技術規(guī)范進行全區(qū)監(jiān)測，廣泛應用高新監(jiān)測技術，如InSAR監(jiān)測和光纖監(jiān)測，實現(xiàn)有限人力投入下的地面沉降監(jiān)測精度不斷提升和數(shù)據(jù)量不斷增加。在地面沉降高風險區(qū)要增加控制點數(shù)量，密切跟蹤地鐵隧道的沉降和滲水滲砂險情，可應用三維激光掃描技術監(jiān)測隧道形變。在區(qū)域上對潛水和承壓水的觀測孔位進行優(yōu)化，使其相對均勻分布，同時體現(xiàn)層次性。另外，還應部署全區(qū)分層觀測系統(tǒng)，提升信息化水平，建議采用光纖傳感器連續(xù)記錄、實時傳輸?shù)孛娉两祫討B(tài)。

（4）開展地面沉降風險調控

風險調控目標是盡量降低地面沉降速率，減小災害損失，以實現(xiàn)區(qū)域內最優(yōu)化發(fā)展。地面沉降是水土體系內受力平衡破壞的結果，地下水是這一系統(tǒng)中的關鍵因素，也是調控地面沉降的切入點。建議城市管理部門加強對河西地下水環(huán)境系統(tǒng)的保護，堅持海綿城市發(fā)展理念，擴大綠地面積，保持地表水向地下水補給途徑暢通，嚴格控制地下水開采，確保深層地下水的承壓水頭穩(wěn)定不變。同時，努力實現(xiàn)對主要受災體的全方位信息化管理，建立地下管網(wǎng)、城市道路、隧橋房屋建筑等基礎設施數(shù)據(jù)庫，定期更新災情信息和地面荷載分布情況，定量化精準化評價其所受經(jīng)濟損失，輔助編制避災預案。對于包括地鐵隧道在內的大型工程建設，應開展地面沉降風險評價研究，充分論證工期內不同階段其與地面沉降相互作用關系，尋求最優(yōu)化的技術方案。

5 結論

自南京河西大開發(fā)以來，劇烈的城建工程活動誘發(fā)了嚴重的地面沉降地質災害，累計沉降量大于200mm的區(qū)域面積達34km2，占全區(qū)的55.7%，中心區(qū)沉降量可能超過500mm。目前，地面沉降仍處于發(fā)展中，最大年沉降量達35.8mm。地面沉降除受城市建設影響外，還與河西特殊的地質條件密切相關，當?shù)氐谒南禐殚L江和秦淮河的沖積物，結構松散，淺部淤泥質軟土發(fā)育，平均厚度20m，最厚處超過50m，具有高孔隙比和含水量、壓縮性強特點，對工程建設活動敏感，是地面沉降的主要貢獻者。綜合分析地質條件和人類工程建設特點后認為，河西北部地區(qū)相對南部更易發(fā)生地面沉降。此外，結合城市發(fā)展規(guī)劃，預測河西地面沉降風險仍將增長，但空間上會產(chǎn)生分異，河西北部地區(qū)地面沉降災害風險高于中南部地區(qū)，而中南部的災害風險將以CBD商務軸和文體軸沿線最為突出。

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Research on Land Subsidence of Nanjing Hexi Area

ZHANG Tao1, CHANG Yongqing1, WU Jianqiang2

(1. Nanjing Urban Planning Bureau, Nanjing 210006 ; 2. Geological Survey Institute of Jiangsu Province, Nanjing 210049)

A systematic monitoring and analysis of geological conditions was carried out, in order to make clear the land subsidence in the Hexi area of Nanjing. The area is a foodplain deposited by the fow ing streams of the Yangtze River and the Qinhuai River together. The Upper Quaternary System is composed of well-developed muddy clay, w ith high porosity, com pressible ability, sensitive engineering activities, which is the major contribution horizon to land subsidence. By combining various types of data, the f rst land subsidence cumulative distribution was mapped. We believe that the serious land subsidence is due to large-scale urban construction in poor engineering geological condition. After the analysis of land subsidence susceptibility and its harm to economic and social, the land subsidence risk assessment was made for the whole area. Finally, some suggestions were put forward to prevent land subsidence and optim ize the urban’s sustainable development.

Land subsidence; Disaster; Risk; Flood plain of the Yangtze River ; Nanjing

A

1007-1903（2017）02-0023-07

10.3969/j.issn.1007-1903.2017.02.005

中國地質調查局“蘇南現(xiàn)代化建設示范區(qū)綜合地質調查”項目（編號：12120115043201）

張濤（1962- ），男，高工，主要研究方向：測繪發(fā)展、智慧城市時空云平臺、遙感對地觀測、長江中下游漫灘沉降、BIM三維城市模型應用。

武健強（1975- ），男，高工，主要研究方向環(huán)境地質。E-mail：jsgswjq@163.com