蔡劍韜

（上海地礦工程勘察有限公司，上海 200072）

近十年來(lái)，國(guó)內(nèi)外大中城市常有地面塌陷現(xiàn)象。上海因其脆弱的地質(zhì)環(huán)境條件，在人類(lèi)工程活動(dòng)的影響下，地面塌陷等突發(fā)性地質(zhì)災(zāi)害亦時(shí)有發(fā)生，2016年10月6日，浦東新區(qū)龍陽(yáng)路東方路交叉口道路塌陷面積120m2，整體沉降50cm；2011年10月27日，靜安區(qū)恒豐路長(zhǎng)安路交叉口塌陷面積30m2，塌陷深度2.5m。類(lèi)似案例初步統(tǒng)計(jì)已過(guò)百起（圖1），對(duì)發(fā)生的區(qū)域、時(shí)間、規(guī)模、成因及造成的影響等進(jìn)行了系統(tǒng)性的分析，有以下個(gè)明顯特征：位于外環(huán)線以?xún)?nèi)的靜安、普陀、虹口、楊浦等中心城區(qū)占比約87%；汛期6月至9月是高發(fā)期，占比約40%；地面塌陷面積一般在20m2以?xún)?nèi)，塌陷深度在3.5m以淺；發(fā)生災(zāi)害處淺部土層有砂層分布，且存在排水管道滲流現(xiàn)象或地下空間施工。

圖1 上海市地面塌陷案例分布Fig.1 The ground collapse case distribution in Shanghai

上海市地處長(zhǎng)江三角洲東南前緣，黃浦江和蘇州河流經(jīng)中心城區(qū)，第四紀(jì)松散覆蓋層廣泛分布，軟土層深厚，淺部土層因受古代水流的影響，沉積著厚度不均勻的粉砂和亞砂土層，同時(shí)，本市地下水位高，淺部土層富水性好，在具備：土的顆粒組成中，黏粒含量小于10%，粉砂粒含量大于50%；土的顆粒級(jí)配不均勻系數(shù)Cu小于5；土的天然含水量大于30%；土的孔隙率大于43%等條件時(shí)[1]，稍有動(dòng)水力的作用，極易產(chǎn)生流砂現(xiàn)象[2-3]。

上海市淺部砂層主要分布在崇明、橫沙、長(zhǎng)興三島和沿江、沿海以及岡身一帶，呈現(xiàn)條帶狀分布，頂板埋深約2～4m，厚度約3～16m，吳淞江、黃浦江沿岸厚度變化較大，平均約6m，崇明三島及長(zhǎng)江沿岸厚度大，但變化不大，平均約11m，南匯嘴厚度較大，由西向東逐漸增大，平均約9m。淺部砂層（第②3層）工程地質(zhì)特性對(duì)比詳見(jiàn)表1，可見(jiàn)淺層砂的分布和屬性具有區(qū)域性特點(diǎn)[4-5]，且大部分區(qū)域具備發(fā)生流砂地質(zhì)災(zāi)害的可能。

表1 淺部砂層（主要指②3層）工程地質(zhì)特性對(duì)比Table 1 Comparison of engineering geological characteristicsof shallow sand layer (mainly layer ②3)

淺部砂層的發(fā)育使流砂的產(chǎn)生具備了工程地質(zhì)條件，另一個(gè)必備條件即是動(dòng)水壓力的形成，這與人類(lèi)的地下工程實(shí)踐活動(dòng)密切相關(guān)，如地下空間開(kāi)發(fā)、市政管線的分布等。

因土地資源緊張，地下空間綜合開(kāi)發(fā)利用受到普遍重視，以地下車(chē)庫(kù)、軌道交通等地下交通空間和地下綜合管廊等設(shè)施開(kāi)發(fā)規(guī)模不斷加大。全市地下空間規(guī)模已從2004年的2500萬(wàn)平方米，到2018年已經(jīng)超過(guò)8000萬(wàn)平方米。在地下空間工程建設(shè)和運(yùn)營(yíng)期間，因荷載作用、滲流影響及建設(shè)施工期間的附加應(yīng)力的重新分布等多重因素影響，給地質(zhì)環(huán)境帶來(lái)了較大改變，具備了產(chǎn)生流砂的可能[6-8]。

現(xiàn)代城市地下供排水管網(wǎng)系統(tǒng)四通八達(dá)，上海城市排水管網(wǎng)長(zhǎng)度達(dá)到16000km，供水管網(wǎng)長(zhǎng)度達(dá)到37000km，管徑、材質(zhì)、埋深、接口等形式復(fù)雜多樣，因腐燭、不規(guī)范施工、老化等導(dǎo)致管壁上存在著多樣的結(jié)構(gòu)性缺陷，如錯(cuò)位、破裂、脫節(jié)等，對(duì)排污管道而言，缺陷是地下水滲入管道內(nèi)的通道；對(duì)供水管道而言，又是管內(nèi)有壓水滲漏入管周土層的通道，尤其是排水管道周邊存在粉砂性土?xí)r，動(dòng)水壓力的出現(xiàn)將很容易引起流砂現(xiàn)象。

在上海城市化進(jìn)程中，脆弱的地質(zhì)環(huán)境制約和威脅了城市的安全和可持續(xù)發(fā)展，因流砂災(zāi)害引發(fā)地面塌陷已經(jīng)成為城市發(fā)展要重視的問(wèn)題。隨著風(fēng)險(xiǎn)科學(xué)的發(fā)展，地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)管理是地質(zhì)災(zāi)害防治的新課題，目標(biāo)是綜合考慮地質(zhì)環(huán)境、人為活動(dòng)、經(jīng)濟(jì)社會(huì)等因素，借助計(jì)算機(jī)技術(shù)建立科學(xué)合理、實(shí)用可行的區(qū)域性地質(zhì)災(zāi)害的總體風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)，指導(dǎo)災(zāi)害防控措施的制定，實(shí)現(xiàn)災(zāi)害防治從被動(dòng)防治到主動(dòng)防治、事后防治到事前防治的轉(zhuǎn)變。

1 城市地面塌陷風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃研究

我國(guó)20世紀(jì)90年代開(kāi)始，已有若干地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的理論探討和實(shí)踐嘗試[9-11]，但目前城市流砂地質(zhì)災(zāi)害引發(fā)地面塌陷方面的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估研究較少[12]。本文從流砂風(fēng)險(xiǎn)特征和地面塌陷成因要素等出發(fā)，建立風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)區(qū)劃評(píng)價(jià)，并在如何實(shí)現(xiàn)有效防控和針對(duì)性的開(kāi)展隱患調(diào)查和防控方面，進(jìn)行了探索性研究。

地面塌陷風(fēng)險(xiǎn)是指流砂災(zāi)害發(fā)生的危險(xiǎn)性大小及對(duì)社會(huì)、環(huán)境所造成的危害大小。城市地面塌陷地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生具有突發(fā)性、離散性和破壞性等特點(diǎn)，也因與地質(zhì)環(huán)境條件、地下設(shè)施的分布、經(jīng)濟(jì)社會(huì)條件等有關(guān)而具有區(qū)域性特點(diǎn)，如果防治方法和措施得當(dāng)，災(zāi)害的風(fēng)險(xiǎn)是可控的。為實(shí)現(xiàn)有效預(yù)防，通過(guò)大數(shù)據(jù)的集成和分析，運(yùn)用可靠的算法，從“面”的概念上調(diào)查上海市地面塌陷風(fēng)險(xiǎn)分布情況，由點(diǎn)及面地進(jìn)行地面塌陷風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃的區(qū)域化和等級(jí)化的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)。

1.1 風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的建立

風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別是進(jìn)行評(píng)價(jià)的前提，也是建立評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的基礎(chǔ)。本市地面塌陷成因在高水位條件下的本市淺部砂層分布區(qū)，因地下管道或地下空間等設(shè)施存在引起流砂造成地下土體空洞形成，在降雨、車(chē)輛荷載等多因素的綜合作用下導(dǎo)致了地面塌陷的發(fā)生，其中特殊的工程地質(zhì)、水文地質(zhì)條件是內(nèi)在因素，人為工程活動(dòng)、降雨等為外在因素。綜合災(zāi)害對(duì)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展帶來(lái)的影響，上海地區(qū)地面塌陷風(fēng)險(xiǎn)程度主要取決于兩方面條件：一是災(zāi)害發(fā)生的動(dòng)力條件——包括工程、水文地質(zhì)條件、氣象條件和人為地質(zhì)活動(dòng)。其中工程地質(zhì)、水文地質(zhì)條件包括工程所涉及的土層性質(zhì)、分布特點(diǎn)、地下水的補(bǔ)徑排等；氣象條件主要考察區(qū)域降雨量地表水系情況；人為地質(zhì)動(dòng)力活動(dòng)表現(xiàn)為工程建設(shè)強(qiáng)度，如基坑工程、隧道盾構(gòu)工程、排水管的結(jié)構(gòu)缺陷等。通常情況下，發(fā)生的動(dòng)力條件越充分，災(zāi)害活動(dòng)越強(qiáng)烈，則災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)相應(yīng)越高，該條件稱(chēng)為危險(xiǎn)性。其次，地面塌陷風(fēng)險(xiǎn)的高低與受災(zāi)區(qū)經(jīng)濟(jì)社會(huì)、物質(zhì)資源環(huán)境條件對(duì)災(zāi)害的抵御能力及可恢復(fù)能力相關(guān)，一般而言，條件越復(fù)雜，其對(duì)災(zāi)害的抗御能力及災(zāi)后重建的能力越差，所造成的損失越大，則風(fēng)險(xiǎn)越高。該條件稱(chēng)為易損性。

人為抵御風(fēng)險(xiǎn)能力也是風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)的重要因素。上海市地質(zhì)災(zāi)害的防治采用市區(qū)聯(lián)動(dòng)，屬地化管理的方式，將各區(qū)政府抗風(fēng)險(xiǎn)能力作為人為抵御風(fēng)險(xiǎn)能力，主要包括日常管理能力和應(yīng)急處置能力，通過(guò)建立評(píng)估文件調(diào)查、會(huì)議交流等方式從機(jī)構(gòu)設(shè)置和職責(zé)落實(shí)、防治經(jīng)費(fèi)投入、災(zāi)評(píng)備案、災(zāi)害宣傳、應(yīng)急預(yù)案等方面進(jìn)行評(píng)價(jià)。

地面塌陷的危險(xiǎn)性要素和易損性要素共同決定了其風(fēng)險(xiǎn)程度，要素的評(píng)價(jià)指標(biāo)按照有代表性、少而精、實(shí)用易操作、數(shù)據(jù)易獲取等原則確定，最終構(gòu)建出地面塌陷風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系如圖2所示。

圖2 上海市地面塌陷風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)要素指標(biāo)體系Fig.2 Index system of factors for risk assessment of risk assessment of ground collapse in Shanghai

1.2 風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃評(píng)價(jià)方法

風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃評(píng)價(jià)數(shù)學(xué)模型為風(fēng)險(xiǎn)性=危險(xiǎn)性×易損性，主要包括以下步驟：

（1）對(duì)危險(xiǎn)性要素和易損性要素進(jìn)行權(quán)重計(jì)算。各個(gè)要素對(duì)地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的作用程度是不相同的，各個(gè)要素之間也相互影響，采用模糊數(shù)學(xué)理論中改進(jìn)的層次分析法（AHP法），通過(guò)“三標(biāo)度”法來(lái)確定兩個(gè)要素間的重要性，并逐層比較多種關(guān)聯(lián)因素，最后確定各要素的權(quán)重分配并加以量化，結(jié)果見(jiàn)表2；

表2 各要素排序與權(quán)重Table 2 The ranking and weight of each factor

（2）對(duì)危險(xiǎn)性要素和易損性要素指標(biāo)分級(jí)。利用ARCGIS平臺(tái)對(duì)調(diào)查得到的要素指標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行網(wǎng)格化賦值，各要素指標(biāo)在不同網(wǎng)格區(qū)域取值大小不同，根據(jù)各要素指標(biāo)的具體特征和不同數(shù)值的影響程度分層四級(jí)，見(jiàn)表3。

表3 單網(wǎng)格要素分級(jí)表Table 3 The factor gradation of each grid

（3）按照公式(1)和(2)計(jì)算危險(xiǎn)性值W和易損性值Y，再對(duì)兩者分級(jí)形成分級(jí)指數(shù)I危險(xiǎn)性I易損性；

（4）采用公式(3)，計(jì)算風(fēng)險(xiǎn)度值F，結(jié)果如表4所示，當(dāng)F=1,2,3,4時(shí)，風(fēng)險(xiǎn)度為低（即Ⅳ級(jí)區(qū)）；當(dāng)F=6時(shí)，風(fēng)險(xiǎn)度為中低（即Ⅲ級(jí)區(qū)）；當(dāng)F=8,9時(shí)，風(fēng)險(xiǎn)度為中高（即Ⅱ級(jí)區(qū)）；當(dāng)F=12,16時(shí)，風(fēng)險(xiǎn)度為高（即Ⅰ級(jí)區(qū)）。

其中：AiBj—分別表示危險(xiǎn)性要素指標(biāo)分級(jí)指數(shù)和易損性要素指標(biāo)分級(jí)；

PiQj—分別表示危險(xiǎn)性要素指標(biāo)權(quán)重和易損性要素指標(biāo)權(quán)重；

WY—分別表示危險(xiǎn)性值和易損性值；

FI危險(xiǎn)性I易損性—分別表示風(fēng)險(xiǎn)度值、危險(xiǎn)性分級(jí)指數(shù)、易損性分級(jí)指數(shù)。

1.3 風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃評(píng)價(jià)成果

基于調(diào)查搜集到的數(shù)據(jù)，利用ArcGIS平臺(tái)，經(jīng)過(guò)分析、計(jì)算后，并根據(jù)區(qū)域整體性、等級(jí)連續(xù)性原則，最終形成上海市淺部砂層分布區(qū)隱患風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃，如圖3，淺層砂分布區(qū)域面積約3358 km2，I級(jí)、Ⅱ級(jí)、Ⅲ級(jí)、Ⅳ級(jí)風(fēng)險(xiǎn)區(qū)面積分別約風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃是對(duì)全市因流砂引發(fā)地面塌陷災(zāi)害綜合和全面的評(píng)價(jià)，有利于掌握全市隱患風(fēng)險(xiǎn)分布情況和影響程度，從圖中可以看出，高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)（即圖中紅色區(qū)域）引發(fā)地面塌陷的可能性大，影響程度高，危害嚴(yán)重；主要位于沿黃浦江兩岸的浦東新區(qū)及黃浦區(qū)、靜安區(qū)南部、虹口區(qū)中南部、楊浦區(qū)中部、普陀區(qū)中南部、寶山區(qū)中部、浦東新區(qū)臨港滴水湖及泥城鎮(zhèn)附近、崇明區(qū)政府附近；區(qū)域淺部砂層發(fā)育，含砂層厚度大、流砂特征明顯，地下建設(shè)活動(dòng)頻繁。

表4 風(fēng)險(xiǎn)度值分布情況Table 4 The distribution of risk degree value

圖3 上海市淺部砂層分布區(qū)地面塌陷隱患風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃Fig.3 The risk zoning of ground collapse for the distribution area of shallow sand layer in Shanghai

2 地面塌陷災(zāi)害隱患防控研究

城市地面塌陷地質(zhì)災(zāi)害的成因及影響要素復(fù)雜、破壞性大，已不是一個(gè)單純地質(zhì)問(wèn)題，在城市環(huán)境中，與城市基礎(chǔ)設(shè)施、經(jīng)濟(jì)社會(huì)活動(dòng)等密切相關(guān)，災(zāi)害的防治已經(jīng)成為一項(xiàng)多源性、多維度的工作，僅以地質(zhì)管理部門(mén)的工作范圍與職能并不完全足以應(yīng)對(duì)復(fù)雜的城市地質(zhì)問(wèn)題。通過(guò)調(diào)查研究發(fā)現(xiàn)，為了實(shí)現(xiàn)有效防控，需做好以下幾方面工作：

2.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)體系建設(shè)和風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃的完善

一方面，因城市規(guī)土、市政、水務(wù)、交通、房建等部門(mén)積累了豐富的城市地質(zhì)、城市建設(shè)、市政設(shè)施運(yùn)營(yíng)維護(hù)等方面信息資料，但就地質(zhì)災(zāi)害隱患防治工作方面缺少聯(lián)動(dòng)，有必要加強(qiáng)相互聯(lián)系和協(xié)作，并建立信息聯(lián)動(dòng)機(jī)制，以便及時(shí)獲得相關(guān)數(shù)據(jù)。

另一方面，地面塌陷隱患影響要素的調(diào)查是進(jìn)行災(zāi)害防治的基本工作。地質(zhì)環(huán)境條件是上海地區(qū)地面塌陷發(fā)生的內(nèi)在因素，需要不斷的進(jìn)行淺部土層工程地質(zhì)、水文地質(zhì)條件的調(diào)查研究。對(duì)淺層砂層分布區(qū)（包括埋深、厚度、邊界等），以及黏粒含量、不均勻系數(shù)、孔隙比、滲透系數(shù)等參數(shù)角度進(jìn)行深入調(diào)查，判斷發(fā)生流砂的可能性和程度，分析土性區(qū)域性特點(diǎn)。另外，上海市排水管網(wǎng)信息數(shù)據(jù)（包括分布、屬性、埋深方式、缺陷、修復(fù)等）以及地下空間分布和運(yùn)營(yíng)情況、在建重大地下工程等信息也是需要不斷深入調(diào)查和完善的內(nèi)容。

隨著信息共享機(jī)制的建立和影響要素調(diào)查工作的不斷深入，諸如淺部砂層、排水管線、地下空間、地理國(guó)情等數(shù)據(jù)，處于不斷補(bǔ)充和更新?tīng)顟B(tài)，但數(shù)據(jù)與成果資源存在格式多樣、內(nèi)容分散，存在多源、異構(gòu)等方面問(wèn)題，同時(shí)，不同數(shù)據(jù)間相互關(guān)系不清晰。鑒于防治工作系統(tǒng)性、持續(xù)性的要求，為提高數(shù)據(jù)利用效率，有必要對(duì)地面塌陷防治工作相關(guān)的數(shù)據(jù)和信息進(jìn)行有效整合，通過(guò)數(shù)字化、一體化、規(guī)范化的管理工作，開(kāi)展基礎(chǔ)數(shù)據(jù)體系建設(shè)。并根據(jù)單要素?cái)?shù)據(jù)的更新周期，不斷通過(guò)區(qū)劃方法的改進(jìn)，來(lái)完善風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃和對(duì)潛在隱患進(jìn)行揭露，指導(dǎo)防治工作的開(kāi)展。

2.2 基于大數(shù)據(jù)和風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃的隱患調(diào)查與監(jiān)測(cè)

完善的大數(shù)據(jù)體系和不斷精細(xì)的風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃是揭露隱患的重要手段，針對(duì)不同的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)和重點(diǎn)區(qū)域采用不同的調(diào)查和防控措施。

常見(jiàn)的地面塌陷隱患主要表現(xiàn)為沉陷、空洞、疏松、富水體等，防控重點(diǎn)在于隱患的發(fā)現(xiàn)及發(fā)現(xiàn)之后的跟蹤調(diào)查和監(jiān)測(cè)，這個(gè)過(guò)程一般包括普查、詳查、監(jiān)測(cè)幾個(gè)階段，普查是對(duì)測(cè)區(qū)進(jìn)行全面探測(cè)，確定重點(diǎn)探測(cè)區(qū)；詳查是對(duì)重點(diǎn)探測(cè)區(qū)通過(guò)增加測(cè)線、多頻率天線等方式查明隱患的屬性和邊界，并通過(guò)檢測(cè)、鉆孔驗(yàn)證等方式詳細(xì)了解隱患產(chǎn)生的原因。高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域往往更多的、更容易出現(xiàn)地面塌陷隱患，調(diào)查的比例尺更小，監(jiān)測(cè)的頻率更高，相應(yīng)的調(diào)查和監(jiān)測(cè)手段也更加豐富，現(xiàn)將不同的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)初步劃分為重點(diǎn)調(diào)查區(qū)、次重點(diǎn)調(diào)查區(qū)和一般調(diào)查區(qū)。通過(guò)對(duì)常用的調(diào)查手段進(jìn)行的適用性研究，基本明確主要采用的調(diào)查手段如表5所示。

（1）探地雷達(dá)法

因流砂引發(fā)水土流失，在地表特征出現(xiàn)前往往在土體內(nèi)部先出現(xiàn)空洞、疏松體、富水體等情況，對(duì)于這類(lèi)地下隱患地球物理特性有明顯差異，因此物探探測(cè)是一個(gè)重要的調(diào)查手段，常見(jiàn)方法有探地雷達(dá)、地震映像、高密度電阻率法、瑞雷面波等，不同物探方法有各自的使用條件和解決問(wèn)題的局限性，根據(jù)上海地區(qū)地面塌陷發(fā)生的特點(diǎn)、地質(zhì)條件和城市環(huán)境的復(fù)雜性，探地雷達(dá)法較其余方法有適用性好、探測(cè)效率高等顯著特點(diǎn)。

表5 隱患調(diào)查手段分類(lèi)Table 5 Classification of investigation methods for hidden danger

探地雷達(dá)是一種非破壞性的物探技術(shù)，可以根據(jù)隱患區(qū)域與周?chē)耐翆咏橘|(zhì)在物理性質(zhì)（介電常數(shù)、導(dǎo)電率、磁導(dǎo)率）上存在較大的差異，在連續(xù)剖面上利用相同深度上電磁波經(jīng)過(guò)隱患、障礙物和土層產(chǎn)生的反射波在波形、相位、速度等方面差異，判定隱患的邊界和屬性。探測(cè)深度和分辨率與天線發(fā)射的電磁波頻率有關(guān)，隱患探測(cè)天線頻率一般在100～400 MHz間，高頻信號(hào)分辨率高、但衰減快、可探測(cè)深度較淺，低頻信號(hào)則反之。上海地區(qū)因?yàn)檩^高的地下水位極大的限制了雷達(dá)的探測(cè)深度和精度，400 MHz覆蓋深度不足1.8m，100 MHz也不足4m。

探地雷達(dá)可用于隱患普查和詳查，已實(shí)現(xiàn)從單通道向多通道、二維向三維、人工拖拽向車(chē)載方式轉(zhuǎn)變。國(guó)內(nèi)外有多種車(chē)載三維探地雷達(dá)，通過(guò)多發(fā)多收工作體制，結(jié)合陣列信號(hào)處理技術(shù)，在雷達(dá)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中同時(shí)分別形成平行和垂直于運(yùn)動(dòng)方向的多條測(cè)線，克服了傳統(tǒng)的探地雷達(dá)只能在運(yùn)動(dòng)方向形成一條或多條測(cè)線弊端，再利用車(chē)載方式結(jié)合高精度RTK定位，大大提升了探測(cè)效率，實(shí)現(xiàn)了地下三維信息的實(shí)時(shí)采集。

（2）三維激光掃描方法

在對(duì)地下隱患進(jìn)行探測(cè)的同時(shí)，需要對(duì)隱患地面位移進(jìn)行同步監(jiān)測(cè)，隱患地表的變形一般是比較復(fù)雜的不規(guī)則曲面，傳統(tǒng)的設(shè)置監(jiān)測(cè)點(diǎn)方式對(duì)于曲面的觀測(cè)具有局限性和片面性，不能全面的反應(yīng)地面的變形特征。三維激光掃描技術(shù)是變形測(cè)繪領(lǐng)域一種新興的測(cè)量方法，通過(guò)高速激光掃描的方法采集豐富海量的空間點(diǎn)位信息，并通過(guò)快速實(shí)時(shí)拼接重構(gòu)出地表三維模型，是一種大面積、高分辨率、快速的獲取目標(biāo)表面的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)的非接觸式測(cè)量技術(shù)，有效地避免了傳統(tǒng)的變形監(jiān)測(cè)技術(shù)中的不足，同時(shí)能在隱患區(qū)設(shè)置特征點(diǎn)的方式達(dá)到傳統(tǒng)測(cè)量的效果。

（3）隱患跟蹤監(jiān)測(cè)

對(duì)于普查和詳查階段發(fā)現(xiàn)的隱患，一方面對(duì)進(jìn)行管線檢測(cè)和鉆孔驗(yàn)證，同時(shí)對(duì)隱患進(jìn)行跟蹤監(jiān)測(cè)，通過(guò)探地雷達(dá)和三維激光掃描等手段確定監(jiān)測(cè)區(qū)域，在隱患體及周邊布設(shè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)如圖4，觀測(cè)水位、地表位移、淺部砂層位移等變化趨勢(shì)。進(jìn)入應(yīng)急監(jiān)測(cè)階段時(shí)，為有效、實(shí)時(shí)、高精度監(jiān)測(cè)隱患的變化情況，可利用全站儀棱鏡和靜力水準(zhǔn)儀等手段對(duì)隱患監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行觀測(cè)。

圖4 地下隱患區(qū)域土體位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)平面示意Fig.4 Plane diagram of soil displacement monitoring points at underground hidden danger area

3 地面塌陷隱患調(diào)查監(jiān)測(cè)案例

2019年6月20日晚，上海市氣象局啟動(dòng)暴雨Ⅳ級(jí)應(yīng)急響應(yīng)和并發(fā)布暴雨藍(lán)色預(yù)警，根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃成果和現(xiàn)有的調(diào)查方法，在淺部砂層發(fā)育區(qū)開(kāi)展汛期地面塌陷災(zāi)害調(diào)查工作。在普陀區(qū)大渡河路發(fā)現(xiàn)一處異常點(diǎn)，較正常路面有近23cm落差，與歷史影像數(shù)據(jù)對(duì)比，具有明顯的新的沉陷特征。調(diào)查發(fā)現(xiàn)，隱患處淺部砂層埋深約2.8m，層厚約8.7m，上部②3-1砂質(zhì)粉土，下部為②3-2粉砂，呈松散—稍密狀態(tài)，雨后水位埋深約0.5m，年平均水位埋深約0.7m。該路段地下管線密集，有φ2460mm老舊合流管、φ2200mm新建污水管和φ600mm、φ800mm雨水管等，存在管道變形和滲透等二級(jí)結(jié)構(gòu)性缺陷，并有軌交15號(hào)線大渡河路站至長(zhǎng)風(fēng)公園站間于8月份盾構(gòu)穿過(guò)，發(fā)生流砂引發(fā)水土流失的風(fēng)險(xiǎn)較大，隱患區(qū)域平剖面示意見(jiàn)圖5。

圖5 地下設(shè)施和周邊環(huán)境示意Fig.5 Plan (a) and profile (b) of underground facilities and surrounding environment

針對(duì)這一典型區(qū)域，采用多種方式對(duì)隱患進(jìn)行排查、識(shí)別和監(jiān)測(cè)。首先采用Leica P40三維激光掃描儀對(duì)該隱患區(qū)域地表進(jìn)行兩次監(jiān)測(cè)，探測(cè)成果如圖6。通過(guò)對(duì)9月23日與6月18日的初始基準(zhǔn)圖二維等值線圖疊合分析，圖中兩次方框范圍沉陷區(qū)明顯擴(kuò)大，以道路中央坐標(biāo)位置X=-351,Y=-7191附近區(qū)域舉例，等值線0.15閉合區(qū)域相對(duì)基準(zhǔn)紅色框選區(qū)域顯著增加。借助色值區(qū)域分析，從0.1m到0.15m高程區(qū)域（淺綠色區(qū)域）增多，而淺黃色0.15m區(qū)域增多，面積約2m2。通過(guò)二維等值線疊加分析，清晰而直觀反映出地表沉降趨勢(shì)變化，這正是三維激光掃描功能的體現(xiàn)。

圖6 三維激光掃描成果數(shù)據(jù)二維等值線疊加對(duì)比Fig.6 2D isoline superimposed contrast map of 3D laser scanning data(note: isoline value with red box is June data； frameless isoline value is September data)

再在該隱患路段采用車(chē)載三維探地雷達(dá)進(jìn)行探測(cè)，相關(guān)參數(shù)見(jiàn)表6，探測(cè)成果如圖7所示，水平切片圖中水平向30～36m和43～50m對(duì)應(yīng)于垂直切片圖中豎向5.0～11.0m處和17～24m，時(shí)間0-40ns范圍內(nèi)存在較厚的反射層且形成多次反射波，結(jié)合路面多次修補(bǔ)推測(cè)該區(qū)域存在空隙層隱患。

表6 車(chē)載三維探地雷達(dá)參數(shù)表Table 6 The parameters of on-board 3D ground penetrating radar

圖7 隱患區(qū)的三維雷達(dá)數(shù)據(jù)水平(a)與垂直(b)切片F(xiàn)ig.7 The horizontal slice (a) and vertical slice (b) of on-board 3D-radar data at underground hidden danger area

根據(jù)三維激光掃描初查和三維探地雷達(dá)探測(cè)結(jié)果，確定隱患區(qū)后，對(duì)隱患區(qū)地表沉降、淺部砂層沉降、地下水位、地表裂縫的綜合監(jiān)測(cè)，數(shù)據(jù)如圖8所示，綜合分析以上監(jiān)測(cè)項(xiàng)目存在相互關(guān)聯(lián)性。隱患區(qū)內(nèi)地表和淺部砂層沉降趨勢(shì)明顯；地表周邊出現(xiàn)多處開(kāi)裂，中間隔離帶路沿石懸空裂縫寬度持續(xù)擴(kuò)大，最寬處達(dá)到29mm，裂縫長(zhǎng)度南北兩端均出現(xiàn)持續(xù)開(kāi)裂現(xiàn)象，充分佐證隱患區(qū)呈持續(xù)下沉狀態(tài)；整個(gè)監(jiān)測(cè)周期，地下水位整體呈現(xiàn)持續(xù)降低區(qū)域。

圖8 隱患區(qū)沉降水位裂縫監(jiān)測(cè)曲線Fig.8 Monitoring curve of subsidence, water level and crack in concealed area

綜上，從疑似隱患的發(fā)現(xiàn)識(shí)別到詳查監(jiān)測(cè)等多個(gè)階段，對(duì)地表特征、地下隱患、地表和淺部砂層、地下水位等多對(duì)象，采用了三維車(chē)載探地雷達(dá)、三維激光掃描、測(cè)量機(jī)器人、管線檢測(cè)等多手段，全面細(xì)致地認(rèn)識(shí)并掌握到該路段地面塌陷隱患發(fā)生發(fā)展的過(guò)程和態(tài)勢(shì)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)地面塌陷災(zāi)害的有效預(yù)警。

4 結(jié)論與建議

（1）基于上海地區(qū)已發(fā)生地面塌陷案例的明顯特征，認(rèn)為本市地面塌陷成因在于：在高水位條件下的本市淺部砂層分布區(qū)，因地下管道或地下空間等設(shè)施存在引起流砂造成地下土體空洞形成，在降雨、車(chē)輛荷載等多因素的綜合作用下導(dǎo)致了地面塌陷災(zāi)害的發(fā)生，其中特殊的工程地質(zhì)、水文地質(zhì)條件是內(nèi)在因素，人為工程活動(dòng)、降雨等為外在因素。

（2）從流砂風(fēng)險(xiǎn)特征和地面塌陷成因要素等出發(fā)，建立風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，由“點(diǎn)”及“面”地實(shí)現(xiàn)了地面塌陷風(fēng)險(xiǎn)的區(qū)域化和等級(jí)化的評(píng)價(jià)，相關(guān)成果有助于針對(duì)地面塌陷災(zāi)害的差異化防控，以及災(zāi)害防治從被動(dòng)防治到主動(dòng)防治、事后防治到事前防治的轉(zhuǎn)變。

（3）進(jìn)行地面塌陷影響要素如地質(zhì)條件、地下設(shè)施等深入調(diào)查，建立基礎(chǔ)數(shù)據(jù)體系和進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃的完善和細(xì)化，是實(shí)現(xiàn)城市地面塌陷災(zāi)害的有效防控的前提。

（4）基于大數(shù)據(jù)和風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃的隱患調(diào)查與監(jiān)測(cè)一般采用對(duì)重點(diǎn)區(qū)域進(jìn)行普查和詳查的方式開(kāi)展，從隱患的發(fā)現(xiàn)識(shí)別到詳查監(jiān)測(cè)等多個(gè)階段，對(duì)多對(duì)象綜合采用多種手段認(rèn)識(shí)并掌握地面塌陷隱患發(fā)生發(fā)展的過(guò)程和態(tài)勢(shì)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)地面塌陷災(zāi)害的有效預(yù)警。

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