滬通鐵路項目地質災害危險性多因素風險評估

戚惠民

（上海市地礦工程勘察院，上海 200072）

我國是地質災害最嚴重的國家之一,類型多，范圍廣[1]。在工程建設中，通過對擬建設項目用地地質環境和現有地質災害分析，進行建設用地地質災害危險性評估，可以減少、避免本建設項目和地質環境之間的相互影響，保護人民生命和財產安全，保護生態地質環境，并為地質災害防治提供相關依據[2]。國內外學者在建設項目用地風險評估領域作了大量研究[3-5]。Westen等提出滑坡風險評估技術框架，對Fell 的理論框架的技術細節方面做了更加詳細的補充，形成了比較完整的滑坡風險評估層次及技術流程[6]；孟慶華等在綜合分析承災體易損性評價及風險容許標準注定方法的基礎上，以陜西省鳳縣為例利用ArcGIS軟件和經驗方法進行風險評估和管理，針對區域提出了相應的風險減緩措施[7]。本文綜合考慮建筑工程中地質環境條件和施工控制的影響，提出一種適合工程用地的地質災害多因素風險評估方法，并以滬通鐵路項目為例，驗證其合理性，為地質災害風險的評估方法探索新思路。

1 多因素風險評估方法

設評估空間為 ，每一個評估對象xi包含j個評估因素 ，每一個評估因素有p個評估等級 。為方便起見，每一個因素水平只考慮四個等級：C1=高風險、C2=中等風險、C3=低風險、C4=基本上沒有風險，故評估指標空間 。設 為因素 的單指標測度函數，即 ，則 滿足如下的三個關系式：

本文考慮兩個綜合評估系統：現狀評估系統和預測評估系統，每個評估系統可由一個單指標測度矩陣來表征，分別可表示為：

采用線性類型的單指標測度函數，其在區間 上的函數表達式為：

每一個因素的權重函數由熵值法來確定：

根據建立的權重函數，由下式可以確定評估對象的多指標綜合測度：

由于僅考慮四個評價指標，本文的多指標綜合測度向量為：

待測對象的評估等級使用置信度準則判定。設 為置信度，本文取0.6，當 ，有：

當km滿足時認為xm對象屬于第km級別。

2 工程概況

滬通鐵路項目線路規劃：北起寧啟鐵路的南通站，途經江蘇省南通市及其所轄的通州市、海門市，蘇州市所轄的常熟、太倉、昆山三市，上海市嘉定區和寶山區，引入既有京滬線安亭站和既有北楊支線楊行站；線路經過楊行站后，跨越黃浦江，途經上海市浦東新區和奉賢區，接軌于浦東鐵路I期工程四團站。線路全長約228km(含聯絡線工程3km)，其中江蘇省境內約103km，上海市境內約125km。

本工程建設及運營將對其附近區域的地質環境造成不同程度的改變和影響，從而可能引發和遭受地質災害的影響，同時評估區已有的地質災害(如地面沉降)將作用于工程建設本身，并可能對本工程建設造成不良影響。因此，在地質災害災種確定時，既要考慮本區已經存在的地質災害，還需要根據擬建工程的特點和擬建場地及其周圍的地質環境條件，對工程建設可能引發或遭受的地質災害進行分析[8]。根據評估區所處的地質環境條件、地質災害的發育現狀及發展趨勢，依照上海市工程建設規范《建設項目地質災害危險性評估技術規程》(DGJ 08-2007-2006)，結合擬建工程性質及類似工程經驗，確定本次評估的地質災害災種主要有：邊坡失穩、地基變形、砂土液化、水土突涌、地面沉降、淺層天然氣害、地震。據此對工程做現狀評估和預測評估。

3 現狀評估

對于現狀評估系統，從自然地理特征、基礎地質概況（見圖1）、水文地質條件和工程地質條件四個方面綜合分析[9]，考慮邊坡失穩、地基變形、砂土液化、水土突涌、地面沉降、淺層天然氣害，地震烈度等七個因素做現狀評估。根據前文的四個評價指標，本節的風險評估空間為四個：C1=高風險、C2=中等風險、C3=低風險、C4=基本上沒有風險。

圖1 評估區及鄰近區域基巖地質Fig.1 Bedrock geology of the assessment area and its neighboring areas

3.1 邊坡失穩危險性現狀評估

據現場實地調查，工程沿線分布有長江、黃浦江、練祁河、潘涇、楊盛河等較多河流，其中評估區附近的長江大堤按200年一遇的標準設計，堤頂標高約8.5m，高于長興潮位站最高潮位(5.88m，1997年)，現處于穩定狀態；黃浦江采用樁+擋墻的防汛墻護岸，高出水面高度在1.5～2.5m之間；練祁河、潘涇、楊盛河等河岸大部分為人工砌石岸坡，皆處于自然穩定或人工穩定狀態，評估區內未發現河岸邊坡失穩的現象。確定風險等級為C4。

3.2 地基變形危險性現狀評估

據現場踏勘、調查，擬建工程沿線分布的住宅、工廠企業用房、道路、橋梁、河道護岸結構等基礎一般采用天然地基或樁基，大多處于正常使用狀態，部分地段存在道路路面損壞現象，未發現其它因地基變形而導致建筑物不能正常使用的情況。

另外，本次踏勘時察看了評估區內位于寶山區寶鋼支線鐵路及位于蘆潮港地區的浦東鐵路，上述鐵路均為地面段鐵路。均采用天然路基，由于在施工時采取了有效的地基處理或加固措施，現軌面基本平整，未有因地基變形而導致鐵路不能正常運行的情況發生。確定地面沉降風險等級為C3。

3.3 砂土液化危險性現狀評估

由于評估區抗震設防烈度為7度，必須進行液化判別，區內20m以淺分布有飽和砂質粉土。根據本次收集資料初步判別該兩層均為可液化土層，初步判別擬建場地為輕微液化場地。由于上海地區已有地震烈度均未超過6度，尚未有震動液化的情況發生。

另外經調查，評估區已有基坑工程在開挖施工時，均采取了相應的防護或基坑降、排水措施，未出現砂土滲流液化現象。確定風險等級為C4。

3.4 水土突涌危險性現狀評估

經野外踏勘，評估區現在無深基坑開挖等工程活動；據調查工程沿線建（構）筑物在基坑開挖施工建設時亦無產生水土突涌危害的現象和記錄。確定水土突涌的風險等級為C4。

3.5 地面沉降危險性現狀評估

上海自上世紀20年代初發現地面有下沉跡象，至今已有近百年歷史。據1921～2000年水準測量結果，中心城區平均累計地面沉降量約1.9m，即市區高程平均損失1.9m左右，最大損失可達3.0m左右。與之相伴，迫使市區防汛墻歷經五次加固加高，城區積水危害逐年明顯加重，內河航運更為不暢，市政基礎設施損壞頻繁以致不斷更新調整[10]，既造成了嚴重的經濟損失，又制約了城市的可持續發展。經初步評估，1950～2000年期間，造成經濟損失達數千億元。

上海地面沉降速率和引發機制存在三個轉折點，從上世紀二十年代初期起上海市區地面沉降加速率發展(尤其是1951～1966年間)，1966年起由于全面陸續實施壓縮開采、調整開采層次和人工回灌等三項控沉措施，地面轉向回彈至微沉，沉降控制效果十分顯著，城區地面進入沉降基本控制時期。此前超量集中開采地下水是引發地面下沉的主導因素；但自上世紀八十年代后期開始，因大規模的城市改造與開發建設、產業結構調整、農村飲用水改造及周邊江浙地區經濟發展對地下水資源利用程度提高等綜合作用，地面沉降有加劇趨勢，年均沉降量在10～15mm左右；自2000年至今，受上海市區壓縮地下水開采，并進行地下水的回灌（主要集中在寶山區），地面沉降加速的趨勢已得到遏制。確定地面沉降的風險等級為C3。

3.6 淺層天然氣害危險性現狀評估

淺層氣是地下空間開發可能遇到的地質災害之一。上海地區廣泛發育有淺層天然氣，其分布與地層結構及其成因有著密切的聯系，一般淺層天然氣發育的地區也正是海相層發育的地區。淺層天然氣主要有三個儲氣層系：第一儲氣層系（淺部濱海相儲氣層系）埋深相對較淺，分布也最廣，是工程建設遇到的最多的層系，對工程安全影響最大；第二儲氣層系（中部陸相儲氣層系）一般埋藏深度為30m以下，儲氣層主要為砂層或砂與黏土互層類型，一般呈透鏡體出現，危害次之；而第三儲氣層系（下部濱海—河口相儲氣層系）埋深一般在60m以下，對工程建設一般不會有影響。

根據本次收集鉆孔資料，各勘探孔孔口均未發現有明顯的淺層氣溢出現象，但沿線局部地層具備一定的淺層氣賦存條件，存在淺層氣分布的可能性，有待下一階段進一步查明。

此外，根據收集資料，在上海市長江水域曾發生過因淺層天然氣害導致隧道無法繼續施工的事故。確定淺層天然氣害的風險等級為C3。

3.7 地震危險性現狀評估

上海地區地震記載始于明成化十一年（公元1476年），至解放時的470多年間平均每3年有一次有感地震。但從歷史地震或近期地震的資料來看，在上海市地域范圍內，500多年來，震級最大的為明天啟四年（1624年）震中為原南市區的43/4級地震，給上海造成一定影響的主要都是鄰近地域地震的波及，其中以南黃海至長江口一帶的地震為最甚，其次是江蘇溧陽和蘇州地區的太倉－吳江一帶的地震。無論是上海本地的地震，還是鄰近地域地震的波及，對上海造成地震烈度影響均小于6度。根據地震烈度，地震破壞性可以分為四個等級：0～6度為無感至有感的地震；6～9度為破壞型地震；9～11度為會引起地表環境的破壞，11度以上為毀滅性地震。按國家標準《建筑抗震設計規范》（GB 50011-2010）（2016年版）及上海市工程建設規范《建筑抗震設計規程》（DGJ 08-9-2013）的有關條文判別：場地的抗震設防烈度為7度。

本文只考慮四個評估等級，根據線性單指標測度函數的定義，邊坡失穩、地基變形、砂土液化、水土突涌、地面沉降、淺層天然氣害的單指標測度函數可由圖2表示；地震烈度的單指標測度函數可由圖3表示。

圖2 邊坡失穩、地基變形、砂土液化、水土突涌、地面沉降和淺層天然氣害的單指標測度函數Fig.2 Single index measure function of slope instability, ground deformation, sand liquefaction, soil and water inrush,ground settlement and shallow gas hazards

圖3 地震因素的單指標測度函數Fig.3 Single index measure function of earthquake factor

由七個因素的單指標測度函數，可以建立現狀評估系統的單指標測度矩陣為：

4 預測評估

對于預測評估，考慮人為因素和施工控制的影響，將工程建設引發或加劇邊坡失穩、地基變形、砂土液化、水土突涌、地面沉降、岸帶沖淤、淺層氣害等七個指標作為預測評估系統的評價因素。

4.1 工程建設引發或加劇邊坡失穩危險性評估

根據本工程性質、工程沿線的工程地質、環境地質條件，工程建設引發的邊坡失穩有河岸邊坡失穩、基坑邊坡失穩兩個方面。通過對多個施工現場實例進行分析，本基坑工程施工建設過程中有引發或加劇基坑邊坡失穩的可能，在基坑設計、施工時給予足夠的重視[11]，并采取相應的有效處理措施，以減小或消除基坑邊坡失穩發生的可能。另外，根據工程經驗，對于本工程沿線穿越的河道，其河岸大部分采用人工砌石岸坡，且高度較小，周邊環境簡單，一般無重要的建構筑，預制樁沉入的擠土效應對其影響有限；對于穿越的長江、黃浦江，其岸堤邊坡均筑有防汛大堤（墻），雖然隧道施工時頂部均留有了一定的安全距離，但盾構施工時亦應加強變形監測，并注意盾構推進速度，控制變形量，避免或減輕盾構施工對長江、黃浦江河岸邊坡造成的影響。岸邊坡失穩將會造成其后側地基土變形、建（構）筑物傾斜、坍塌等工程事故，且當主要河流發生邊坡失穩時，將會影響河道排水功能、碼頭運營及通航功能。

綜上，根據本工程建設引發或加劇基坑邊坡失穩、河岸邊坡失穩的可能性及其引發或加劇邊坡失穩對鄰近環境的危害程度綜合分析，綜合確定工程建設引發的邊坡失穩危險性級別為C2。

4.2 工程建設引發或加劇地基變形危險性評估

本工程建設引發或加劇的地基變形主要為路基、黃浦江水底隧道等建設引起或加劇的地基變形。

本工程擬建路基基床厚度為2.5m，在路基荷載作用下，工程建設有引發一定程度地基變形的可能性；此外，雖然本工程本身采取的地基處理措施可預先消除或減少地基變形，但地基處理過程中亦會產生地基變形，并可能會對周圍環境有較大影響。

黃浦江水底隧道工程采用盾構、明挖等施工方法。盾構施工引起周圍一定范圍內的地表變形，盾構穿越的建筑物及地下管線有一定的影響，特別是對長江、黃浦江防汛墻、A30（A20）高架道路及長江沿岸碼頭等構筑物等穩定影響較大，設計、施工時，應采取有效的控制措施，減少盾構施工引起地基變形對周圍環境的影響，根據盾構施工建設引起地基變形的可能性、地基變形的危害程度及對周圍環境的影響程度確定盾構施工建設引發地基變形的危險性級別為中等。

本工程隧道敞開段、暗埋段及工作井附近分布有寶山港務公司廠房及辦公用房、寶鋼研究所、寶鋼支線、道路及地下管線等建（構）筑物，基坑開挖可能會對周圍環境造成一定的不良影響。而基坑施工引發的地基變形量、影響范圍在基坑開挖深度一定的條件下與基坑圍護結構的厚度、插入深度、鄰近地段是否進行地基加固、工程降水等密切相關，在設計時要采取相應的基坑安全驗算并采取相應的技術措施，將工程建設引發鄰近環境地基變形量控制在容許范圍內。

綜上，根據本工程建設引發或加劇地基變形的可能性及其引發或加劇地基變形對工程建設本身和鄰近環境的危害程度綜合分析，綜合確定工程建設引發的地基變形危險性級別為中等，危險性級別為C2。

4.3 工程建設引發或加劇砂土液化危險性評估

本工程基坑施工時有引發滲流液化的可能性，從而對鄰近環境（包括本項目已建工程）造成危害，因而本工程設計、施工時應結合上海地區工程經驗，根據實際工程情況采取適當的工程措施，以避免砂土滲流液化的發生。

根據本工程建設引發砂土液化的可能性及危害程度，并結合工程經驗綜合確定工程建設引發砂土液化的危險性級別為中等，危險性級別為C2。

4.4 工程建設引發水土突涌的危險性預測評估

基坑開挖、隧道掘進過程中下伏承壓（微承壓）含水層，因開挖卸荷，并承受承壓（微承壓）含水層較高的水壓影響，致使基坑、隧道的底部或周邊土層失去應力平衡，而引發的含水層向基坑或隧道內涌水、涌砂。水土突涌一旦發生，大量的涌水、涌砂，掏空周圍土體并引起一定范圍內土體移動，不但對工程本身造成危害，還給周圍環境造成破壞，造成極大的經濟損失和社會影響，根據本工程建設引發水土突涌的可能性及危害程度，并結合工程經驗，綜合確定本工程建設引發水土突涌的危險性級別為中等，危險等級為C2。

4.5 工程建設引發或加劇地面沉降危險性評估

評估區產生地面沉降的原因主要是因為大量開采地下水而引起的。本工程路基及橋梁建設一般不會涉及地下水。

本工程吳淞口隧道工程涉及到基坑降水，有引發或加劇地面沉降的可能[12]。該隧道工程采用盾構法及明挖法施工，明挖段中開挖深度2.7～11m的基坑圍護結構采用水泥攪拌樁或采用SMW工法；基坑開挖深度在11m以上，一般采用地下墻+內支撐進行圍護；工作井圍護結構亦采用地下連續墻，采用明挖施工，開挖深度最大約39.3m。

本工程基坑開挖影響深度范圍內的地下水主要是潛水和微承壓含水層，基坑施工時由于圍護結構的隔水作用，只要保證圍護結構的防滲效果，工程施工對潛水造成影響較小。

根據周圍環境條件、降水對周圍環境影響程度以及工程建設施工工藝，綜合確定工程建設引發或加劇地面沉降的危險性級別為小，危險等級為C4。

4.6 工程建設引發或加劇岸帶沖淤危險性評估

本工程自長江口南港南岸側碼頭前沿及黃浦江吳淞口穿過，工程建設本身不會改變其岸帶沖淤的格局。因此，工程建設引發岸帶沖淤的危險性級別為小,危險等級為C4。

4.7 工程建設引發淺層氣害的危險性預測評估

淺層天然氣是地下空間開發所可能遇到的地質災害之一，在含淺層天然氣土層中進行地下空間施工作業，由于淺層天然氣釋放，可能使隧道產生位移、斷裂，或使基坑失穩，造成無可挽回的重大經濟損失。

現狀評估結果表明，工程沿線局部地層具備一定淺層天然氣賦存的可能性，在本工程地下隧道施工、工作井基坑開挖時有引發淺層氣危害的可能性。本工程工作井、盾構施工前應根據物探資料、勘探資料等，對淺層氣富集地段采取打排氣孔超前釋放巖土體中的天然氣防護措施，以減少或避免淺層天然氣害對工程建設的危害。

根據本工程施工建設引發淺層天然氣害的可能性及其危害程度，并結合工程經驗確定本工程建設引發淺層天然氣害的危險性級別為小，確定危險等級為C4。

工程建設引發或加劇邊坡失穩、地基變形、砂土液化、水土突涌、地面沉降、岸帶沖淤、淺層氣害等七個指標的單指標測度函數可由圖4表示。

圖4 預測評估系統的單指標測度函數Fig.4 Single index measure function of predictive assessment system

由4個因素的單指標測度函數，可以建立預測評估系統的單指標測度矩陣為：

5 綜合評估

地質災害危險性綜合評估是根據現狀評估系統和預測評估系統的評估結果綜合得出的。

由前述的理論方法，對于現狀評估系統和預測評估系統的權重函數矢量可分別計算為：

故現狀評估系統和預測評估系統的多指標綜合測度向量可計算為：

在本文中，置信度取0.6，現狀評估系統和預測評估系統的風險等級可計算為：

通過前述對工程沿線地質災害危險性現狀評估、預測評估，根據工程建設引發或加劇及工程建設本身遭受地基變形、地面沉降、邊坡失穩、砂土液化等地質災害可能性大小及危害程度，確定評估區地質災害危險性等級，結果現狀評估和預測評估，綜合評估結果為風險等級小，其評估結果也被現場結果所證實。

6 結論

本文基于多因素風險評估方法，對滬通鐵路項目工程進行了地質災害危險性現狀評估、預測評估和綜合評估，其評估結果和現場進行了對比，可得出如下結論：

（1）結合工程沿線工程地質條件及本工程建設性質，確定本次評估的地質災害災種主要有地基變形、地面沉降、邊坡失穩和砂土液化等。

（2）現狀評估從自然地理特征、基礎地質概況、水文地質條件和工程地質條件四個方面綜合分析，考慮邊坡失穩、地基變形、砂土液化、水土突涌、地面沉降、淺層天然氣害，地震烈度等七個因素，得出現狀評估的風險等級為C4，即基本上沒有風險。

（3）預測評估考慮人為因素和施工控制的影響，工程建設引發或加劇邊坡失穩、工程建設引發或加劇地基變形、工程建設引發或加劇砂土液化、工程建設引發水土突涌、工程建設引發或加劇地面沉降、工程建設引發或加劇岸帶沖淤和工程建設引發淺層氣害等四個指標作為預測評估系統的評價因素；得出現狀評估的風險等級為C3，評估結果為低風險。

（4）通過前述對工程沿線地質災害危險性現狀評估、預測評估，根據工程建設引發或加劇及工程建設本身遭受遭受地基變形、地面沉降、邊坡失穩、砂土液化等地質災害可能性大小及危害程度，確定評估區地質災害危險性等級，綜合評估結果為風險等級小，其評估結果被滬通鐵路項目進行驗證所證實。