張容國，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]。上海地處長江三角洲東緣，是我國發(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年第一次觀測到地面沉降以來，上海市有關(guān)部門和單位一直對該地區(qū)地面沉降的發(fā)展情況進(jìn)行系統(tǒng)的觀測和研究，并采取積極的防治措施。到目前為止，已經(jīng)積累了豐富的觀測資料、研究成果和防治經(jīng)驗。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《上海市地面沉降問題研究報告》中就指出“地下水開采、海平面上升、新構(gòu)造運(yùn)動、靜荷載、動荷載、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)時引起地面沉降的主要原因[2-4]。對此，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，以此來指導(dǎo)制定每一年的地下水采灌方案。實(shí)踐證明，這一時期上海市中心城區(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)展時期，同樣的采灌格局(有時甚至灌大于采)卻不再能遏制地面沉降的新一輪增長，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，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，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，下伏不同時代的基巖[1]。作為長江三角洲的一部分，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)由一個潛水含水層和五個承壓含水層構(gòu)成，其中潛水含水層對應(yīng)于第一砂層，第一～五承壓含水層分別對應(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

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個階段，詳見表1。

表1 上海地面沉降過程統(tǒng)計簡表

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)對地面沉降的影響、深部土層沉降滯后效應(yīng)、長三角地區(qū)沉降區(qū)域關(guān)聯(lián)性這三個方面進(jìn)行總結(jié)。

2.1 工程建設(shè)對地面沉降的影響

20世紀(jì)90年代以來，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)者針對高層建筑、密集建筑群、深基坑、地鐵隧道等重大工程對地面沉降的影響開展研究。

高層建筑、密集建筑群對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，施工方式和進(jìn)度的不同對地面沉降的影響也有差異：同一建筑群，集中建設(shè)時較分散建設(shè)時，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]通過模型試驗和數(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)需隨著時間的延長而趨于穩(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，最大累計沉降量超過300 mm[19]。地鐵隧道建設(shè)過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)營期間，振動荷載的長期影響、地鐵隧道的滲漏、沿線商業(yè)的開發(fā)建設(shè)等對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]提出地鐵振動影響的壓縮層范圍在10 m左右。鄭永來等[22]認(rèn)為當(dāng)隧道滲漏速度為0.15 L/(m2·d)時，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，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)入新一輪的增長期。因此，人們首先注意到工程建設(shè)對地面沉降的影響。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，考慮了細(xì)顆粒流失作用對深層地面沉降的影響及其地面沉降在含水層空間與時間重分布的發(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，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，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，形成兩個小規(guī)模的沉降漏斗；20世紀(jì)90年代以后兩個小規(guī)模的沉降漏斗發(fā)展連成一片，形成一個規(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。

薛禹群等[27]對長江三角洲南部區(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)。該項研究中，也碰到了“范圍廣、地質(zhì)背景復(fù)雜”和“歷時長、水文參數(shù)變量復(fù)雜”等傳統(tǒng)模型所不曾涉及的新問題。目前，對長三角地區(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

通過上述回顧與分析，對上海地區(qū)地面沉降的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢歸納如下，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)活動基本告一段落，但今后的建設(shè)項目面對的周邊環(huán)境將更為復(fù)雜；同時上海郊區(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ι虾５孛娉两档挠绊?，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態(tài)平衡。同時，在考慮地質(zhì)環(huán)境容量和承載能力前提下，防治沉降速率過快、累積沉降過大等災(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)對上海周邊地面沉降的影響已經(jīng)越來越明顯，整個長三角地區(qū)的地面沉降有連成一片的趨勢，其區(qū)域相關(guān)性日益顯著。應(yīng)積極發(fā)揮政策優(yōu)勢、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，共同治理長三角地區(qū)的地面沉降問題。