上海地區地面塌陷風險評價及其隱患防控研究

蔡劍韜

（上海地礦工程勘察有限公司，上海 200072）

近十年來，國內外大中城市常有地面塌陷現象。上海因其脆弱的地質環境條件，在人類工程活動的影響下，地面塌陷等突發性地質災害亦時有發生，2016年10月6日，浦東新區龍陽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，靜安區恒豐路長安路交叉口塌陷面積30m2，塌陷深度2.5m。類似案例初步統計已過百起（圖1），對發生的區域、時間、規模、成因及造成的影響等進行了系統性的分析，有以下個明顯特征：位于外環線以內的靜安、普陀、虹口、楊浦等中心城區占比約87%；汛期6月至9月是高發期，占比約40%；地面塌陷面積一般在20m2以內，塌陷深度在3.5m以淺；發生災害處淺部土層有砂層分布，且存在排水管道滲流現象或地下空間施工。

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

上海市地處長江三角洲東南前緣，黃浦江和蘇州河流經中心城區，第四紀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，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%；土的顆粒級配不均勻系數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[1]，稍有動水力的作用，極易產生流砂現象[2-3]。

上海市淺部砂層主要分布在崇明、橫沙、長興三島和沿江、沿海以及岡身一帶，呈現條帶狀分布，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）工程地質特性對比詳見表1，可見淺層砂的分布和屬性具有區域性特點[4-5]，且大部分區域具備發生流砂地質災害的可能。

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

淺部砂層的發育使流砂的產生具備了工程地質條件，另一個必備條件即是動水壓力的形成，這與人類的地下工程實踐活動密切相關，如地下空間開發、市政管線的分布等。

因土地資源緊張，地下空間綜合開發利用受到普遍重視，以地下車庫、軌道交通等地下交通空間和地下綜合管廊等設施開發規模不斷加大。全市地下空間規模已從2004年的2500萬平方米，到2018年已經超過8000萬平方米。在地下空間工程建設和運營期間，因荷載作用、滲流影響及建設施工期間的附加應力的重新分布等多重因素影響，給地質環境帶來了較大改變，具備了產生流砂的可能[6-8]。

現代城市地下供排水管網系統四通八達，上海城市排水管網長度達到16000km，供水管網長度達到37000km，管徑、材質、埋深、接口等形式復雜多樣，因腐燭、不規范施工、老化等導致管壁上存在著多樣的結構性缺陷，如錯位、破裂、脫節等，對排污管道而言，缺陷是地下水滲入管道內的通道；對供水管道而言，又是管內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時，動水壓力的出現將很容易引起流砂現象。

在上海城市化進程中，脆弱的地質環境制約和威脅了城市的安全和可持續發展，因流砂災害引發地面塌陷已經成為城市發展要重視的問題。隨著風險科學的發展，地質災害風險管理是地質災害防治的新課題，目標是綜合考慮地質環境、人為活動、經濟社會等因素，借助計算機技術建立科學合理、實用可行的區域性地質災害的總體風險評價，指導災害防控措施的制定，實現災害防治從被動防治到主動防治、事后防治到事前防治的轉變。

1 城市地面塌陷風險區劃研究

我國20世紀90年代開始，已有若干地質災害風險評估的理論探討和實踐嘗試[9-11]，但目前城市流砂地質災害引發地面塌陷方面的風險評估研究較少[12]。本文從流砂風險特征和地面塌陷成因要素等出發，建立風險評價指標體系，進行風險等級區劃評價，并在如何實現有效防控和針對性的開展隱患調查和防控方面，進行了探索性研究。

地面塌陷風險是指流砂災害發生的危險性大小及對社會、環境所造成的危害大小。城市地面塌陷地質災害的發生具有突發性、離散性和破壞性等特點，也因與地質環境條件、地下設施的分布、經濟社會條件等有關而具有區域性特點，如果防治方法和措施得當，災害的風險是可控的。為實現有效預防，通過大數據的集成和分析，運用可靠的算法，從“面”的概念上調查上海市地面塌陷風險分布情況，由點及面地進行地面塌陷風險區劃的區域化和等級化的風險評價。

1.1 風險評價指標體系的建立

風險識別是進行評價的前提，也是建立評價指標體系的基礎。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，因地下管道或地下空間等設施存在引起流砂造成地下土體空洞形成，在降雨、車輛荷載等多因素的綜合作用下導致了地面塌陷的發生，其中特殊的工程地質、水文地質條件是內在因素，人為工程活動、降雨等為外在因素。綜合災害對經濟社會發展帶來的影響，上海地區地面塌陷風險程度主要取決于兩方面條件：一是災害發生的動力條件——包括工程、水文地質條件、氣象條件和人為地質活動。其中工程地質、水文地質條件包括工程所涉及的土層性質、分布特點、地下水的補徑排等；氣象條件主要考察區域降雨量地表水系情況；人為地質動力活動表現為工程建設強度，如基坑工程、隧道盾構工程、排水管的結構缺陷等。通常情況下，發生的動力條件越充分，災害活動越強烈，則災害風險相應越高，該條件稱為危險性。其次，地面塌陷風險的高低與受災區經濟社會、物質資源環境條件對災害的抵御能力及可恢復能力相關，一般而言，條件越復雜，其對災害的抗御能力及災后重建的能力越差，所造成的損失越大，則風險越高。該條件稱為易損性。

人為抵御風險能力也是風險評價的重要因素。上海市地質災害的防治采用市區聯動，屬地化管理的方式，將各區政府抗風險能力作為人為抵御風險能力，主要包括日常管理能力和應急處置能力，通過建立評估文件調查、會議交流等方式從機構設置和職責落實、防治經費投入、災評備案、災害宣傳、應急預案等方面進行評價。

地面塌陷的危險性要素和易損性要素共同決定了其風險程度，要素的評價指標按照有代表性、少而精、實用易操作、數據易獲取等原則確定，最終構建出地面塌陷風險評價指標體系如圖2所示。

圖2 上海市地面塌陷風險評價要素指標體系Fig.2 Index system of factors for risk assessment of risk assessment of ground collapse in Shanghai

1.2 風險區劃評價方法

風險區劃評價數學模型為風險性=危險性×易損性，主要包括以下步驟：

（1）對危險性要素和易損性要素進行權重計算。各個要素對地質災害發生的作用程度是不相同的，各個要素之間也相互影響，采用模糊數學理論中改進的層次分析法（AHP法），通過“三標度”法來確定兩個要素間的重要性，并逐層比較多種關聯因素，最后確定各要素的權重分配并加以量化，結果見表2；

表2 各要素排序與權重Table 2 The ranking and weight of each factor

（2）對危險性要素和易損性要素指標分級。利用ARCGIS平臺對調查得到的要素指標數據進行網格化賦值，各要素指標在不同網格區域取值大小不同，根據各要素指標的具體特征和不同數值的影響程度分層四級，見表3。

表3 單網格要素分級表Table 3 The factor gradation of each grid

（3）按照公式(1)和(2)計算危險性值W和易損性值Y，再對兩者分級形成分級指數I危險性I易損性；

（4）采用公式(3)，計算風險度值F，結果如表4所示，當F=1,2,3,4時，風險度為低（即Ⅳ級區）；當F=6時，風險度為中低（即Ⅲ級區）；當F=8,9時，風險度為中高（即Ⅱ級區）；當F=12,16時，風險度為高（即Ⅰ級區）。

其中：AiBj—分別表示危險性要素指標分級指數和易損性要素指標分級；

PiQj—分別表示危險性要素指標權重和易損性要素指標權重；

WY—分別表示危險性值和易損性值；

FI危險性I易損性—分別表示風險度值、危險性分級指數、易損性分級指數。

1.3 風險區劃評價成果

基于調查搜集到的數據，利用ArcGIS平臺，經過分析、計算后，并根據區域整體性、等級連續性原則，最終形成上海市淺部砂層分布區隱患風險區劃，如圖3，淺層砂分布區域面積約3358 km2，I級、Ⅱ級、Ⅲ級、Ⅳ級風險區面積分別約風險區劃是對全市因流砂引發地面塌陷災害綜合和全面的評價，有利于掌握全市隱患風險分布情況和影響程度，從圖中可以看出，高風險區（即圖中紅色區域）引發地面塌陷的可能性大，影響程度高，危害嚴重；主要位于沿黃浦江兩岸的浦東新區及黃浦區、靜安區南部、虹口區中南部、楊浦區中部、普陀區中南部、寶山區中部、浦東新區臨港滴水湖及泥城鎮附近、崇明區政府附近；區域淺部砂層發育，含砂層厚度大、流砂特征明顯，地下建設活動頻繁。

表4 風險度值分布情況Table 4 The distribution of risk degree value

圖3 上海市淺部砂層分布區地面塌陷隱患風險區劃Fig.3 The risk zoning of ground collapse for the distribution area of shallow sand layer in Shanghai

2 地面塌陷災害隱患防控研究

城市地面塌陷地質災害的成因及影響要素復雜、破壞性大，已不是一個單純地質問題，在城市環境中，與城市基礎設施、經濟社會活動等密切相關，災害的防治已經成為一項多源性、多維度的工作，僅以地質管理部門的工作范圍與職能并不完全足以應對復雜的城市地質問題。通過調查研究發現，為了實現有效防控，需做好以下幾方面工作：

2.1 基礎數據體系建設和風險區劃的完善

一方面，因城市規土、市政、水務、交通、房建等部門積累了豐富的城市地質、城市建設、市政設施運營維護等方面信息資料，但就地質災害隱患防治工作方面缺少聯動，有必要加強相互聯系和協作，并建立信息聯動機制，以便及時獲得相關數據。

另一方面，地面塌陷隱患影響要素的調查是進行災害防治的基本工作。地質環境條件是上海地區地面塌陷發生的內在因素，需要不斷的進行淺部土層工程地質、水文地質條件的調查研究。對淺層砂層分布區（包括埋深、厚度、邊界等），以及黏粒含量、不均勻系數、孔隙比、滲透系數等參數角度進行深入調查，判斷發生流砂的可能性和程度，分析土性區域性特點。另外，上海市排水管網信息數據（包括分布、屬性、埋深方式、缺陷、修復等）以及地下空間分布和運營情況、在建重大地下工程等信息也是需要不斷深入調查和完善的內容。

隨著信息共享機制的建立和影響要素調查工作的不斷深入，諸如淺部砂層、排水管線、地下空間、地理國情等數據，處于不斷補充和更新狀態，但數據與成果資源存在格式多樣、內容分散，存在多源、異構等方面問題，同時，不同數據間相互關系不清晰。鑒于防治工作系統性、持續性的要求，為提高數據利用效率，有必要對地面塌陷防治工作相關的數據和信息進行有效整合，通過數字化、一體化、規范化的管理工作，開展基礎數據體系建設。并根據單要素數據的更新周期，不斷通過區劃方法的改進，來完善風險區劃和對潛在隱患進行揭露，指導防治工作的開展。

2.2 基于大數據和風險區劃的隱患調查與監測

完善的大數據體系和不斷精細的風險區劃是揭露隱患的重要手段，針對不同的風險等級和重點區域采用不同的調查和防控措施。

常見的地面塌陷隱患主要表現為沉陷、空洞、疏松、富水體等，防控重點在于隱患的發現及發現之后的跟蹤調查和監測，這個過程一般包括普查、詳查、監測幾個階段，普查是對測區進行全面探測，確定重點探測區；詳查是對重點探測區通過增加測線、多頻率天線等方式查明隱患的屬性和邊界，并通過檢測、鉆孔驗證等方式詳細了解隱患產生的原因。高風險區域往往更多的、更容易出現地面塌陷隱患，調查的比例尺更小，監測的頻率更高，相應的調查和監測手段也更加豐富，現將不同的風險等級初步劃分為重點調查區、次重點調查區和一般調查區。通過對常用的調查手段進行的適用性研究，基本明確主要采用的調查手段如表5所示。

（1）探地雷達法

因流砂引發水土流失，在地表特征出現前往往在土體內部先出現空洞、疏松體、富水體等情況，對于這類地下隱患地球物理特性有明顯差異，因此物探探測是一個重要的調查手段，常見方法有探地雷達、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題的局限性，根據上海地區地面塌陷發生的特點、地質條件和城市環境的復雜性，探地雷達法較其余方法有適用性好、探測效率高等顯著特點。

表5 隱患調查手段分類Table 5 Classification of investigation methods for hidden danger

探地雷達是一種非破壞性的物探技術，可以根據隱患區域與周圍的土層介質在物理性質（介電常數、導電率、磁導率）上存在較大的差異，在連續剖面上利用相同深度上電磁波經過隱患、障礙物和土層產生的反射波在波形、相位、速度等方面差異，判定隱患的邊界和屬性。探測深度和分辨率與天線發射的電磁波頻率有關，隱患探測天線頻率一般在100～400 MHz間，高頻信號分辨率高、但衰減快、可探測深度較淺，低頻信號則反之。上海地區因為較高的地下水位極大的限制了雷達的探測深度和精度，400 MHz覆蓋深度不足1.8m，100 MHz也不足4m。

探地雷達可用于隱患普查和詳查，已實現從單通道向多通道、二維向三維、人工拖拽向車載方式轉變。國內外有多種車載三維探地雷達，通過多發多收工作體制，結合陣列信號處理技術，在雷達運動過程中同時分別形成平行和垂直于運動方向的多條測線，克服了傳統的探地雷達只能在運動方向形成一條或多條測線弊端，再利用車載方式結合高精度RTK定位，大大提升了探測效率，實現了地下三維信息的實時采集。

（2）三維激光掃描方法

在對地下隱患進行探測的同時，需要對隱患地面位移進行同步監測，隱患地表的變形一般是比較復雜的不規則曲面，傳統的設置監測點方式對于曲面的觀測具有局限性和片面性，不能全面的反應地面的變形特征。三維激光掃描技術是變形測繪領域一種新興的測量方法，通過高速激光掃描的方法采集豐富海量的空間點位信息，并通過快速實時拼接重構出地表三維模型，是一種大面積、高分辨率、快速的獲取目標表面的三維坐標數據的非接觸式測量技術，有效地避免了傳統的變形監測技術中的不足，同時能在隱患區設置特征點的方式達到傳統測量的效果。

（3）隱患跟蹤監測

對于普查和詳查階段發現的隱患，一方面對進行管線檢測和鉆孔驗證，同時對隱患進行跟蹤監測，通過探地雷達和三維激光掃描等手段確定監測區域，在隱患體及周邊布設監測點如圖4，觀測水位、地表位移、淺部砂層位移等變化趨勢。進入應急監測階段時，為有效、實時、高精度監測隱患的變化情況，可利用全站儀棱鏡和靜力水準儀等手段對隱患監測點進行觀測。

圖4 地下隱患區域土體位移監測點平面示意Fig.4 Plane diagram of soil displacement monitoring points at underground hidden danger area

3 地面塌陷隱患調查監測案例

2019年6月20日晚，上海市氣象局啟動暴雨Ⅳ級應急響應和并發布暴雨藍色預警，根據風險區劃成果和現有的調查方法，在淺部砂層發育區開展汛期地面塌陷災害調查工作。在普陀區大渡河路發現一處異常點，較正常路面有近23cm落差，與歷史影像數據對比，具有明顯的新的沉陷特征。調查發現，隱患處淺部砂層埋深約2.8m，層厚約8.7m，上部②3-1砂質粉土，下部為②3-2粉砂，呈松散—稍密狀態，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結構性缺陷，并有軌交15號線大渡河路站至長風公園站間于8月份盾構穿過，發生流砂引發水土流失的風險較大，隱患區域平剖面示意見圖5。

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

針對這一典型區域，采用多種方式對隱患進行排查、識別和監測。首先采用Leica P40三維激光掃描儀對該隱患區域地表進行兩次監測，探測成果如圖6。通過對9月23日與6月18日的初始基準圖二維等值線圖疊合分析，圖中兩次方框范圍沉陷區明顯擴大，以道路中央坐標位置X=-351,Y=-7191附近區域舉例，等值線0.15閉合區域相對基準紅色框選區域顯著增加。借助色值區域分析，從0.1m到0.15m高程區域（淺綠色區域）增多，而淺黃色0.15m區域增多，面積約2m2。通過二維等值線疊加分析，清晰而直觀反映出地表沉降趨勢變化，這正是三維激光掃描功能的體現。

圖6 三維激光掃描成果數據二維等值線疊加對比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載三維探地雷達進行探測，相關參數見表6，探測成果如圖7所示，水平切片圖中水平向30～36m和43～50m對應于垂直切片圖中豎向5.0～11.0m處和17～24m，時間0-40ns范圍內存在較厚的反射層且形成多次反射波，結合路面多次修補推測該區域存在空隙層隱患。

表6 車載三維探地雷達參數表Table 6 The parameters of on-board 3D ground penetrating radar

圖7 隱患區的三維雷達數據水平(a)與垂直(b)切片Fig.7 The horizontal slice (a) and vertical slice (b) of on-board 3D-radar data at underground hidden danger area

根據三維激光掃描初查和三維探地雷達探測結果，確定隱患區后，對隱患區地表沉降、淺部砂層沉降、地下水位、地表裂縫的綜合監測，數據如圖8所示，綜合分析以上監測項目存在相互關聯性。隱患區內地表和淺部砂層沉降趨勢明顯；地表周邊出現多處開裂，中間隔離帶路沿石懸空裂縫寬度持續擴大，最寬處達到29mm，裂縫長度南北兩端均出現持續開裂現象，充分佐證隱患區呈持續下沉狀態；整個監測周期，地下水位整體呈現持續降低區域。

圖8 隱患區沉降水位裂縫監測曲線Fig.8 Monitoring curve of subsidence, water level and crack in concealed area

綜上，從疑似隱患的發現識別到詳查監測等多個階段，對地表特征、地下隱患、地表和淺部砂層、地下水位等多對象，采用了三維車載探地雷達、三維激光掃描、測量機器人、管線檢測等多手段，全面細致地認識并掌握到該路段地面塌陷隱患發生發展的過程和態勢，可以實現對地面塌陷災害的有效預警。

4 結論與建議

（1）基于上海地區已發生地面塌陷案例的明顯特征，認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，因地下管道或地下空間等設施存在引起流砂造成地下土體空洞形成，在降雨、車輛荷載等多因素的綜合作用下導致了地面塌陷災害的發生，其中特殊的工程地質、水文地質條件是內在因素，人為工程活動、降雨等為外在因素。

（2）從流砂風險特征和地面塌陷成因要素等出發，建立風險評價指標體系，由“點”及“面”地實現了地面塌陷風險的區域化和等級化的評價，相關成果有助于針對地面塌陷災害的差異化防控，以及災害防治從被動防治到主動防治、事后防治到事前防治的轉變。

（3）進行地面塌陷影響要素如地質條件、地下設施等深入調查，建立基礎數據體系和進行風險區劃的完善和細化，是實現城市地面塌陷災害的有效防控的前提。

（4）基于大數據和風險區劃的隱患調查與監測一般采用對重點區域進行普查和詳查的方式開展，從隱患的發現識別到詳查監測等多個階段，對多對象綜合采用多種手段認識并掌握地面塌陷隱患發生發展的過程和態勢，可以實現對地面塌陷災害的有效預警。

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