寧波市工程性地面沉降成因分析及防治對策研究

趙團芝，侯艷聲，胡新鋒

（寧波市地質環境監測站，浙江·寧波 315042）

寧波市工程性地面沉降成因分析及防治對策研究

趙團芝，侯艷聲，胡新鋒

（寧波市地質環境監測站，浙江·寧波 315042）

隨著城市化建設進程的加快，工程性地面沉降已逐漸成為濱海軟土地區地面沉降的主導因素，并進而影響港口城市工程建設和發展。2000年以來，寧波相繼開展了工程性地面沉降調查，建立工程性地面沉降監測網，并開展了工程性地面沉降特性和機理研究。本文基于寧波市地面沉降現狀，從地層結構、軟土的工程特性、主要壓縮沉降層、地面沉降與建筑容積率的相關性及工程性沉降機理分析等方面，對工程性地面沉降的成因進行詳細分析，工程建設活動及第一軟土組壓縮變形是產生工程性沉降的主要原因。針對寧波市地面沉降的新特征，從專項監測、機理分析及預測預警、淺層地下水人工回灌、防控管理及長效機制方面，探討工程性地面沉降防治對策，綜合防控工程性地面沉降發生發展，促進國際港口城市建設與地質環境協調發展。

工程建設；軟土地層；工程性地面沉降；成因分析；防治對策

東南沿海是我國地面沉降發育嚴重的地區［1，2］，按照形成的主要成因分為超采地下水而產生的地面沉降、工程性地面沉降［3］。由于大型工程建設而誘發的地面沉降效應，近年來在大城市的地面沉降發生發展中居重要比重［4］。上海城市化進程初期，地面沉降量、地下水位、地下水開采量之間具有較強的相關性，但隨著城市建設的發展，地面沉降與地下水開采量的相關性逐漸減弱［5］。嚴學新等分析了上海城區建筑密度與地面沉降的關系，建筑規模及其增長速度直接導致工程性地面沉降同步增長，建筑密度越大，建筑容積率越高，地面沉降越顯著［6］；施偉華等分析了市政工程建設對地面沉降的影響，總結了建設工程施工對地基沉降的影響有五種應力模式：彈性半無限空間體表面的荷載、半無限空間體的挖方卸荷工程、井點降水工程、盾構及隧道施工和往復動力荷載及沖擊荷載等，認為市政工程產生地面沉降在整個環境地面沉降中占居比例越來越大，應引起政府部門的充分認識［7］。

20世紀90年代以來，大規模的高層建筑建設、地下空間開發利用和其他重大工程設施的建設、運行等工程建設活動逐漸成為上海、廣州等大城市新的地面沉降影響因素［8，9］。工程性地面沉降的顯現，一方面對工程建成后產生影響，另一方面也加劇了區域性地面沉降的發展。危害城市防洪排澇，增加城市建設和運行成本，不利于海綿城市建設。國內的專家學者對工程建設活動引起的地面沉降進行了相關研究，唐益群等探討了不同建筑容積率因素對上海軟土地區密集建筑群區工程性地面沉降的影響規律［10］；張弘懷等對寧波平原地面沉降全耦合數值模擬進行了研究，建立了參數隨應力應變變化的地下水開采和區域建筑荷載雙重作用下的全耦合動態地面沉降方程，并預測了2012～2015年地面沉降發展趨勢［11］；吳建中等開展了將應用成熟的深部承壓含水層地下水人工回灌技術引入淺部含水層中，為淺層地下水人工回灌技術在防治工程性地面沉降中推廣應用奠定基礎［12］。本文基于地面沉降現狀，對寧波軟土地區工程性地面沉降特征進行詳細分析，并提出工程性地面沉降防治的對策與建議。

1　地面沉降現狀及危害

1.1地面沉降現狀

由于超量開采地下水，寧波市于1965年首次發現地面沉降，在1985年沉降中心的沉降速率達35.3mm/a的極值。1986年起，寧波市政府采取地下水限制開采、地下水人工回灌等措施，沉降中心的沉降速率明顯放緩，降至2006年的6.9mm/a，地下水開采引起的地面沉降得到基本控制。

20世紀90年代以來，社會經濟快速發展促進寧波城市化建設進入快速發展期［13］。2002年以來，中心城區面積從73.5km2擴大到300km2以上，城市化率達到70%，城市規模擴大4倍多。大規模的工程建設活動誘發了以地面沉降為主要形式的環境地質問題，在中心城區形成了鄞州中心區、東部新城—國家高新區、鎮海新城開發區、江北洪塘—莊橋、鄞州集士港—望春、東錢湖旅游度假區等多個工程性沉降漏斗區，并有擴大連片的趨勢，工程建設的地面沉降效應逐漸凸顯。2009年以來，寧波市在中心城區開展了系統的工程性地面沉降調查，主要調查密集高層建筑群、重大基礎設施、綜合交通工程、地下空間開發利用和舊城改造等工程活動引起的地面沉降，掌握工程性地面沉降空間分布。根據工程性地面沉降調查結果，初步建立了工程性地面沉降監測網，并開展了7期工程性地面沉降監測，積累了第一手的監測資料。

鄞州中心區開發建設全面啟動始于2002年，規劃面積33km2，經過13年的開發建設，城市主體功能趨于成熟。大型商務區、文化商業綜合區、休閑住宅區等密集建筑群建成，使得鄞州中心區建筑物的密集化程度較高，產生了以鄞州中心區為中心的工程性地面沉降。雖然該區城市建設趨于飽和，地面沉降速率逐漸放緩，但監測數據顯示該中心年沉降速率達到20mm/a（見圖1（a））。東部新城作為寧波未來政治經濟文化和商業中心，2012年全面啟動8.45km2核心區開發建設，城市建設規模向高、大、重、深方向發展，寧波建設高度不斷被刷新，高層建筑群數量急劇增多，深基坑的數量越來越多，基坑開挖深度和開挖面積越來越大，同時，高層建筑群的密集化導致相鄰基坑施工的現象也越來越多，由此加劇了工程性地面沉降的發生發展（見圖1（b）。

圖1　寧波市典型地區沉降監測點歷時曲線Fig.1　Duration curve of subsidence monitoring points in type regions of Ningbo city

1.2地面沉降危害

地面沉降是一種累進性地質災害，給寧波濱海平原防洪排澇、土地利用、城市規劃建設、航運交通等造成嚴重危害。尤其是低海拔的平原地區海平面上升與地面沉降疊加，其影響更為嚴重［14］。寧波軟土地區地面沉降危害主要表現在：（1）排澇工程效能降低。興建于上世紀80年代的王隘新村、潛龍社區等老小區，使用天然地基坐落在淺部軟土層中，產生了嚴重的地面沉降，造成排水不暢，成為城市內澇多發易發的地段。（2）地面高程、水位標高失真，影響濱海平原防洪調度。位于沉降漏斗中心的三江口防洪堤岸，受地面沉降影響，已經連續3次加高了3.84m。（3）影響城市規劃建設。投入運營的軌道交通1、2號線，產生的地面沉降危害愈加明顯，造成沿線中山路等交通干道及市政管網破損，影響交通通行，不得不進行加高維修。在城市化建設中，地下空間開發利用可以緩解建設用地緊張，但必然會受到地面沉降的制約，影響國際港口城市建設和發展。

2　工程性地面沉降成因分析

2.1地層結構

寧波平原在多次海陸變遷中，發育一套復雜的陸相、海陸交互相沉積物。第四系厚度在平原區為85～100m，市區一帶厚約90m，向濱海遞增至120m。50m以淺地層，是海相與陸相黏性土互層，主要是第一軟土層、第一硬土層和第二軟土層及第二硬土層，構成軟硬土相間的地層結構；50m以下為陸相堆積，以沖積砂、砂礫與沖湖積黏性土互層，主要是第Ⅰ含水組（含第三硬土層）、第四硬土層、第Ⅱ含水組，構成了粗細相間的地層結構。這種海陸交互式沉積環境決定了寧波平原的水文地質、工程地質特征。

2.2軟土的工程特性

寧波平原地表以下50m范圍內廣泛分布軟弱的黏性土地層，主要是第一軟土組和第二軟土層。其中，第一軟土組土層組成主要是①2層（mQ43）、②2、②3層（mQ4

2），土質主要為淤泥、淤泥質黏土和淤泥質粉質黏土。根據淺部軟土的物理力學性質指標統計分析（見表1），寧波軟土主要呈現高天然含水率、高壓縮性、低抗剪性、低滲透性等特點。20m以淺飽和的淤泥質軟土工程性質不良并具有明顯流變特性，同時，該區段范圍又是寧波地下工程、基礎施工及地下空間開發利用最為頻繁和集中的部位，受軟土自身理化性質影響，工程建設不可避免產生以地面沉降為主要表現形式的環境地質問題。

表1　寧波平原淺部軟土層的物理力學指標統計Table 1　Physical-mechanic indices of the shallow soft soils in Ningbo plain

2.3主要壓縮沉降層

寧波市分層沉降標監測資料表明，在1985年寧波城區地下水開采量達到極大值時，年沉降量為35.3mm，第一軟土組沉降量為16.8mm，第二軟土層及第二硬土層、第三硬土層和第四硬土層等土層沉降量為17.5mm，分別占總沉降量的47.6%、49.6%。1986～2002年，隨著城區地下水計劃開采與人工回灌，第二軟土層及第二硬土層、第三硬土層和第四硬土層等土層沉降量逐漸減緩，至2002年，累計沉降量為63.6mm，占總累計沉降量31.8%，而第一軟土組沉降量在地面沉降量中所占比例呈明顯上升趨勢（見圖2），累計沉降量達133.8mm，占總累計沉降量66.9%。根據2003～2015年期間沉降中心各土層沉降量統計（見表2）可知，第一軟土層累計沉降量達到107.5mm，單位土層厚度沉降量為5.18mm，其厚度只占第四系總厚度的22.1%，而沉降量占總沉降量的97.91%，并且第一軟土組與地面總沉降量的沉降歷時曲線基本一致（見圖3）。因此，寧波市工程性地面沉降發生在第一軟土組的地層。

圖2　1985～2002年寧波第一軟土組沉降量占總地面沉降量百分比Fig.2　Percentage of the first soft soil group in total land subsidence from 1985 to 2002 in Ningbo city

表2　寧波市沉降中心區分層沉降量統計Table 2　Statistics about each layer’s ground subsidencs quantity of subsidence center in Ningbo city

2.4建筑容積率

在現狀和未來城市中，高層建筑以及密集建筑群建設的荷載特征主要反映在建筑容積率上，容積率決定影響荷載的大小。對寧波市中心城區三維地圖中建筑物數據矢量化，計算繪制寧波中心建成區建筑容積率（如圖4），通過對比分析圖5發現，在建筑容積率出現峰值部位，累積沉降量、沉降速率均出現峰值，說明累積沉降量、沉降速率與建筑容積率之間相關性較強。在城市化建設中，建筑面積和建筑容積率的增大意味著對地基影響荷載的增加，使得淺部軟土層的有效應力增加，從而使土層壓縮變形產生地面沉降。

圖3　2003～2015年寧波第一軟土組與地面總沉降的沉降歷時曲線Fig.3　Subsidence duration curve of the first soft soil group and the total land subsidence in 2003～2015 in Ningbo city

圖4　寧波中心城區建筑容積率分布Fig.4　Distribution of the building volume rate in center area of Ningbo city

圖5　寧波市建筑容積率與累積沉降量及沉降速率對應關系Fig.5　Histogram of cumulative settlement， subsidence rate and volume rate in Ningbo city

2.5工程性沉降機理

寧波軟土地面沉降的發生發展與軟土體特殊的結構、性質和人類工程經濟活動有關。軟土由于天然含水量高、孔隙比大、壓縮性高、透水性差和承載力低等特點，其壓縮變形成為濱海平原軟土地區特有的環境工程地質災害［15］。工程建設導致的地面沉降主要在淺部工程活動相對頻繁和集中的地層中，軟土層本身存在蒸發固結、自重固結、有機質氧化、土體蠕動等作用容易產生土體變形。在自重固結沉降未完全的軟土地區進行工程開發建設，人為地加快軟土的排水固結—壓縮沉降過程，因軟土土質、厚度及上部荷載的不均勻，就會造成地面不均勻沉降。工程建設產生的地面沉降大小和影響范圍與工程建設的規模、工程進度、施工工藝、工程密集程度等密切相關，影響因素復雜。單個工程建設是局部的，產生的地面沉降影響范圍較小，而當工程建設密集時，產生局部疊加效應，導致區域性地面沉降。隨著寧波城市軌道交通“三主三輔”六條線的建設和運營，城市地下空間開發利用日益普遍，將加劇工程性地面沉降的發生發展，影響港口城市建設。

3　工程性地面沉降防治對策

寧波市地面沉降的誘發因素已經由過去地下水超采逐漸過渡到現在的工程建設活動。工程性地面沉降和超采地下水產生的地面沉降的成因機理不同，呈現出各自的沉降特點、發生發展歷史，需要采取不同的防控對策。

3.1開展工程性沉降專項監測

在監測對象上，將密集高層建筑群、基坑工程、快速干道、軌道交通、過江隧道等各類工程對象納入工程性地面沉降監測網，逐步建立工程性地面沉降全要素監測；在監測區域上，重點監測工程對象周邊3～6倍基坑開挖深度的區域范圍，掌握工程性地面沉降空間分布形態；在監測時間上，將目前單個工程的沉降監測從建設期順延至運行期，掌握工程對象運行期對地面沉降的影響，形成建設期和運行期長序列的地面沉降發育規律，為工程性地面沉降理論研究及防控措施提供基礎數據。

3.2加強工程性地面沉降預測預警體系建設

系統地分析城市大面積荷載、基坑開挖及降水、沉樁、軌道交通盾構法施工等各類工程建設引發地面沉降的影響因素，選擇在沉降速率、建筑容積率較大典型區塊，建立軟土工程性沉降模型［16］，探討沉降機理和發育規律。深入分析工程性地面沉降對海綿城市建設、城市防洪防汛、生態環境建設的危害，開展地面沉降危險性及風險性管理區劃，建立軟土地區工程性地面沉降預測預警系統，合理確定不同分區的地面沉降控制指標，通過對重要城市功能區或重大工程建設區設置地面沉降預警值，避免或減少工程性地面沉降發生發展。

3.3開展工程性地面沉降預防控制技術研究

在城市化快速推進中，寧波地區形成了多個工程性沉降漏斗，已經影響了市政管網、過江隧道等生命線的運營安全。嘗試將深部承壓含水層中應用成熟的地下水人工回灌技術引入淺部含水層中，根據淺部含水層地層結構及水動力條件，改進地下水人工回灌工藝流程，通過城區24眼淺層地下水監測井、分層標組和水準點監測，分析評價淺層地下水人工回灌技術控制地面沉降的實際效果，及時總結淺層地下水人工回灌技術在防治工程性沉降中推廣應用的可行性及適用性。

3.4建立地面沉降防治長效機制

借鑒上海、天津等地控制地面沉降的管理辦法，盡快制定并頒布實施寧波市地面沉降防治管理辦法，從政策法規層面，進一步明確專項規劃的編制、組織機構的設置、專項經費的落實等，保障地面沉降防治各項工作落實到位，切實將地面沉降綜合防治工作納入整個城市防災減災工作體系中，促進城市建設與地區地質環境協調發展。

3.5加強城市建設中的地面沉降防控管理

發改、國土資源、建設、規劃、水利、交通等部門要研究建立工程設計、施工建設、運行和地面沉降防范的管理制度和技術標準，在工程立項、土地報批時，按照國家有關規定，進一步規范建設項目地質災害危險性評估，將地面沉降防治貫穿于建設項目的立項、設計、施工建設及運行管理的全過程。重要市政、交通、水利等工程建設項目要預先制定項目所在區域的地面沉降綜合防治方案，落實防治措施，最大限度降低基坑降水、地下空間開發、大面積堆載等工程建設對地面沉降產生的影響，有效遏制城市建設工程性地面沉降發生、發展勢頭。

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Engineering-related land subsidence in Ningbo city: An analysis of its causes and countermeasures

ZHAO Tuan-Zhi, HOU Yan-Sheng, HU Xin-Feng
（Ningbo Monitoring Station for Geological Environment， Zhejiang Ningbo 315042， China）

With the accelerated process of urbanization， engineering related land subsidence has gradually become the dominant factor in land subsidence in coastal soft soil areas. This kind of land subsidence， in turn， affects engineering and construction， and the development of the port city. Since 2000， Ningbo city has carried out a survey of engineering land subsidence， established a monitoring network for it， and carried out research on its characteristics and mechanisms. Based on the present state of land subsidence in Ningbo city， the causes of engineering land subsidence， including the stratum structure， the engineering properties of soft soil， the compression of subsidence layers， the relationship between land subsidence and building capacity rate， and also the mechanism of engineering subsidence are analyzed in detail in this study . Engineering construction activity， and the compressive deformation of the first soft soil group， are the main reasons for engineering subsidence. According to the newly understood characteristics of land subsidence in Ningbo city， based on monitoring and mechanism analysis， preventative measures for the control of engineering land subsidence， including forecasts and early warning systems， and artificial recharging of shallow groundwater， are discussed.We discuss how the occurrence and development of engineering land subsidence are prevented and controlled， to promote the development of this international port city with attention to its geological environment.

engineering construction； soft soil layer； engineering land subsidence； cause analysis； prevention countermeasure

P642.26

A

2095-1329（2016）03-0060-05

10.3969/j.issn.2095-1329.2016.03.014

2016-09-01

2016-09-16

趙團芝（1982-），男，碩士，工程師，主要從事城市環境地質研究.

電子郵箱: zhaotuanzhi@163.com

聯系電話: 0574-87956352

中國地質調查局地質調查項目