上海地區地面沉降及防治措施的研究現狀與趨勢

張容國，楊子凡

(中海興業(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、主要的環境地質問題，具有累進性和不可逆性，屬于緩變型的城市地質災害[1]。上海地處長江三角洲東緣，是我國發現地面沉降現象最早、影響最大、危害最深的城市，地面沉降對其城市發展建設的危害主要表現在降低城市防汛能力、影響內河航道通航能力、損壞地下管線、威脅城市交通設施、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，上海市有關部門和單位一直對該地區地面沉降的發展情況進行系統的觀測和研究，并采取積極的防治措施。到目前為止，已經積累了豐富的觀測資料、研究成果和防治經驗。但是，影響上海地區地面沉降的因素是復雜多面的。

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、新構造運動、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地面沉降主要原因的結論[2]。進一步的系統監測與研究發現地面沉降量與地下水位、地下水開采量之間具有較強的正相關性，證明地下水開采是當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70年代和80年代，有關單位進一步加強對地面沉降基本規律的研究，初步掌握了不同地質結構區地下水的采灌水量、水位與地面沉降之間的定性及定量關系，以此來指導制定每一年的地下水采灌方案。實踐證明，這一時期上海市中心城區的地下水采灌格局基本平衡，地面沉降速率穩定在合理的低值[6]。然而20世紀90年代以后，上海進入大規模城市建設發展時期，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性逐漸減弱。工程建設活動，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、高速鐵路建設等，對地面沉降的影響引起學者關注。隨著研究的深入，發現上海地區深層承壓含水層的沉降變形具有滯后特征，傳統土力學已不能完全解釋其機理。此外，江浙地區地面沉降的發展已逐漸影響到鄰近的部分上海地區的地面沉降，上海地面沉降與江浙地區的區域關聯性日漸顯著。對這些新現象的研究，有的已取得一定成果但尚需深化，有的則尚處于起步階段。

本文在歸納總結大量前人工作成果的基礎上，綜合描述并分析上海地區地面沉降及防治措施的研究現狀與趨勢，探討地下水開發、地面沉降、工程建設三者之間的相互影響關系，為上海市未來地下水開發、地面沉降控制及城市可持續發展建設提供一些宏觀的思考。

1 上海工程地質與水文地質背景

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，上海地區的工程地質、水文地質條件與整體區域保持一致性。

(1) 上海第四紀沉積地層由砂性土層與黏性土層分層交互構成，并存在水平向的沉積相變[7]。埋深150 m以淺，為欠固結～正常固結的淺海-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～超固結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，其下由強風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范圍內均有較為穩定的分布[9]。

(3) 地下水含水層系統由一個潛水含水層和五個承壓含水層構成，其中潛水含水層對應于第一砂層，第一～五承壓含水層分別對應于第二～六砂層。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系：第一承壓含水層與潛水層存在水力聯系；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

上海地區的地面沉降是伴隨著上海城市現代化建設的進程而發生、發展的，在不同的歷史階段，受工業化程度、城市發展建設進度及防控政策與措施等影響，表現出不同的階段性特征。龔士良[6]指出：上海地面沉降的發展歷程，可以1965年為界分為兩大時期，1921～1965年為沉降發展期，1966年至今為沉降控制期；期間根據沉降速率的變化，又可細分為8個階段，詳見表1。

表1 上海地面沉降過程統計簡表

結合上海地區地面沉降的發展歷程，本文將從工程建設對地面沉降的影響、深部土層沉降滯后效應、長三角地區沉降區域關聯性這三個方面進行總結。

2.1 工程建設對地面沉降的影響

20世紀90年代以來，上海地區的工程建設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，普遍分布著以海相沉積環境為主的飽和、軟弱、孔隙比大的欠固結黏性土地層，構成上海地區典型的軟土地基結構[3]。根據太沙基一維固結理論，工程建設(如基坑降水、建筑荷載等)將引起土體有效應力的增加，從而導致工程影響范圍內的土層發生固結沉降。因此，許多學者針對高層建筑、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為“地面沉降的發展與建設規?？傮w呈正相關性”，即：在同一地區，建筑規模(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，集中建設時較分散建設時，地面沉降量為大；施工進度越快，沉降量也越大[11]。唐益群等[12]通過模型試驗和數值模擬，進一步指出距離建筑物1倍基礎寬度范圍內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。

20世紀90年代中后期，城市產業結構調整，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出耦合效應：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抽水和單獨建筑荷載作用下地面沉降值之和，但初期線性疊加效應明顯、耦合效應較弱，耦合效應需隨著時間的延長而趨于穩定；且耦合效應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重進行了綜合分析，認為建筑物荷載引起的地面沉降速率遠小于開采地下水導致的地面沉降速率。

基坑開挖引起周邊土體沉降的原因，一方面在于側向變形和坑底回彈導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生的固結沉降(包括滲透力的壓密作用)[16]。工程實踐表明，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[17]。隨著基坑深度的不斷突破，它的沉降影響范圍也愈加擴大；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。根據既有工程監測資料反映，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域，局部區段差異沉降非常顯著，最大累計沉降量超過300 mm[19]。地鐵隧道建設過程中引起的地面沉降較為顯著，一方面是掘進卸荷及地層損失導致的沉陷，其沉降大小與地質條件及盾構施工工藝相關[20]；另一方面則是車站基坑開挖及工程降水引起。運營期間，振動荷載的長期影響、地鐵隧道的滲漏、沿線商業的開發建設等對地面沉降的影響也得到相關研究，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]認為當隧道滲漏速度為0.15 L/(m2·d)時，隧道最大沉降可達220 mm。

2.2 深部土層沉降滯后效應研究

20世紀90年代以來，上海中心城區的地面沉降伴隨著大規模城市建設而進入新一輪的增長期。因此，人們首先注意到工程建設對地面沉降的影響。隨著研究的深入，一些學者發現，盡管中心城區依舊保持著“采灌平衡”的格局，但除去淺部由工程建設引起的沉降增量以外，尚有深部土層的沉降增量顯現。相關研究結果揭示[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??；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象；第四承壓含水層土層變形特征較為復雜，包含上述兩種情況。觀測數據還表明，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，表現出“滯后”特征[25]。直觀的原因是地下水開采層次基本轉移至第四、第五承壓含水層(尤以第四承壓含水層為主)，但傳統的觀點認為水位降低造成弱透水層壓縮變形是導致地面沉降的主要原因，此觀點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生的剪應力，從含水層受力機理的角度解釋含水層持續變形增大和變形滯后的發生機制；同時，考慮了細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生機理。但相關研究有待進一步深入。

2.3 長三角地面沉降區域關聯性研究

20世紀80年代以來，上海郊區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向郊區擴展，在整個城市上連片發展。江蘇省的蘇錫常地區和浙江省的杭嘉湖地區毗鄰上海，與上海同處在統一的水文地質構造單元內，地下水含水層系統相互聯系。盡管在天然條件下長江三角洲地區的地下水徑流由上海周邊地區向上海地區補給，但如果周邊地區地下水開采過量則可能導致地下水補給方向的反轉，從而影響上海地區的地面沉降。同時，鄰省地區的地下水開采，將使區域水位降落漏斗連成一體。事實上，靠近浙江省的呂巷鎮和興塔鎮，早在20世紀80年代末期就受到浙江省地面沉降漏斗延伸的影響，形成兩個小規模的沉降漏斗；20世紀90年代以后兩個小規模的沉降漏斗發展連成一片，形成一個規模更大的漏斗，并向朱涇鎮方向延伸[6]。與江蘇省鄰近的淞南鎮和婁唐鎮一帶也有同樣的趨勢。

薛禹群等[27]對長江三角洲南部區域地面的沉降進行了模擬研究，但由于缺少浙江地區足夠多的長期分層沉降標資料，其模擬只涉及蘇錫常地區和上海地區。該項研究中，也碰到了“范圍廣、地質背景復雜”和“歷時長、水文參數變量復雜”等傳統模型所不曾涉及的新問題。目前，對長三角地區地面沉降區域關聯性的研究還很少，相關研究亟待開展。

3 結 論

通過上述回顧與分析，對上海地區地面沉降的研究現狀和發展趨勢歸納如下，并提出相關建議：

(1) 目前，上海中心城區的大規模建設活動基本告一段落，但今后的建設項目面對的周邊環境將更為復雜；同時上海郊區的建設正在進一步推進。因此，總結現有關于工程建設對上海地面沉降影響的研究成果并進一步深化探討，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，應嚴格實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平衡。同時，在考慮地質環境容量和承載能力前提下，防治沉降速率過快、累積沉降過大等災害性地面沉降，才是關注的重點。

(3) 蘇錫常、杭嘉湖地區對上海周邊地面沉降的影響已經越來越明顯，整個長三角地區的地面沉降有連成一片的趨勢，其區域相關性日益顯著。應積極發揮政策優勢、開展防治實踐；打破行政條塊分割，實現兩省一市在地下水資源開采方面的協調合作，實現區域地下水資源協同管理，共同治理長三角地區的地面沉降問題。