陳 敏，何招智，袁家余

(1. 上海市巖土工程檢測中心，上海 200436；2. 上海市地礦工程勘察院，上海 200072)

根據(jù)聯(lián)合國人口基金會(huì)的最新研究，到2030年全球?qū)⒂?0億人居住在城市，占世界總?cè)丝诘?8%以上；對中國而言，據(jù)中國社科院《2011年度中國社會(huì)狀況綜合調(diào)查》統(tǒng)計(jì)，2011年我國城市化率首次超過50%，到2030年我國將有10億人口居住在城市，城市化率將超過65%。無論是全球還是我國，未來城市將是人口匯聚集中之地，這對城市的基礎(chǔ)設(shè)施、人居環(huán)境、土地資源等綜合承載能力提出了考驗(yàn)，除了大家熟知的熱島效應(yīng)、交通擁擠、人口膨脹、環(huán)境惡化、資源緊張等大城市病的日益嚴(yán)重以外，近年來城市地面塌陷成為威脅城市安全的新型地質(zhì)災(zāi)害之一。北京、深圳、上海等特大型城市的地面塌陷呈不斷增長趨勢，損失和危害也逐漸增大。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，北京市道路塌陷2007年54起、2008年94起、2009年達(dá)到129起；上海自2009年以來每年發(fā)生數(shù)十起城市地面塌陷，2017年10月，市區(qū)某老舊居民建筑內(nèi)發(fā)生塌陷面積10多平方米、深度達(dá)3.6m的塌陷深坑，給居民生命和財(cái)產(chǎn)安全帶來極大威脅。隨著西部城市基建規(guī)模的增長，城市地面塌陷由東部城市逐步向西部城市漫延，2016年8月蘭州市曾經(jīng)3天連續(xù)發(fā)生8起地面塌陷。根據(jù)研究成果，城市地面塌陷主要發(fā)生在淺地表，由不利（良）地質(zhì)條件、不良地質(zhì)作用（現(xiàn)象）、誘發(fā)因素及宏觀經(jīng)濟(jì)活動(dòng)等共同作用的結(jié)果。本文通過2003～2014年上海地區(qū)發(fā)生的上百個(gè)塌陷案例，總結(jié)不同類型地面塌陷的形成機(jī)理，為城市地面塌陷防治和人居安全對策提供技術(shù)支撐。

1 上海地區(qū)地面塌陷的主要類型

按照定義，地質(zhì)災(zāi)害是指由于自然或人為作用，多數(shù)情況下是二者協(xié)同作用引起的，在地球表層比較強(qiáng)烈地破壞人類生命財(cái)產(chǎn)和生存環(huán)境的巖土體移動(dòng)事件。顯然地面塌陷屬于地質(zhì)災(zāi)害，根據(jù)上海地區(qū)地面塌陷案例研究，人為作用主要是指基坑、盾構(gòu)、開挖等施工，無明顯施工過程即為自然因素。施工過程中發(fā)生地面塌陷即人為活動(dòng)引發(fā)，沒有明顯施工過程即為自然因素引發(fā)，多數(shù)情況下是二者共同作用的結(jié)果。為了區(qū)別兩類，根據(jù)地面塌陷地質(zhì)災(zāi)害的主要影響因素即自然因素為主、人為活動(dòng)為主來劃分，根據(jù)研究結(jié)果[1]，上海地區(qū)地面塌陷因自然因素為主引發(fā)的地面塌陷主要有3種類型：排水管道結(jié)構(gòu)缺陷引發(fā)的地面塌陷，暗浜等地基不密實(shí)引發(fā)的地面塌陷，濱海堤岸區(qū)地基不密實(shí)引發(fā)的地面塌陷。因人為活動(dòng)為主引發(fā)的地面塌陷主要有3種類型：基坑工程引發(fā)的地面塌陷，盾構(gòu)工程引發(fā)的地面塌陷，盾構(gòu)施工擾動(dòng)區(qū)土體加固不密實(shí)引發(fā)的地面塌陷。

2 上海地區(qū)地面塌陷的形成機(jī)理

2.1 自然因素為主引發(fā)地面塌陷的形成機(jī)理

（1）排水管道結(jié)構(gòu)缺陷引發(fā)地面塌陷的形成機(jī)理

排水管道結(jié)構(gòu)缺陷主要包括錯(cuò)位、脫節(jié)、破裂、滲漏等，排水管道結(jié)構(gòu)缺陷的主要原因包括基礎(chǔ)不均勻沉降、管材質(zhì)量差、接口填料及施工質(zhì)量差、檢查井不合格、閉水試驗(yàn)不達(dá)標(biāo)等。當(dāng)管道產(chǎn)生結(jié)構(gòu)缺陷時(shí)，排水管線為水土流失提供通道，排水管道標(biāo)高與區(qū)域廣泛分布的淺層砂即砂質(zhì)粉土（②3層）標(biāo)高基本一致，該層結(jié)構(gòu)松散、透水性強(qiáng)易于流失，排水管線缺陷附近逐漸形成水土流失帶、松散發(fā)育帶、掏空垮落帶、變形沉降帶等。

水土流失帶：管道缺陷附近淺層砂在地下水動(dòng)力作用下，通過缺陷空隙流入管道內(nèi)，初期形成圓形或橢圓形塌落拱，塌落拱周圍砂性土逐漸被滲透破壞而流入管道內(nèi)，使得塌落拱逐漸擴(kuò)大，形成水土流失帶，見圖1(a)。隨著水土流失的持續(xù)，在水土流失帶與排水管道之間形成水土流失通道，地下水對通道中的土體或空隙中的充填物進(jìn)行沖蝕、掏空，使空洞逐漸增大，水土流失帶范圍逐漸擴(kuò)大，形成水土流失帶空腔。

松散發(fā)育帶：由于砂性土松散，初期流失的主要為砂顆粒；黏性土由于黏聚力的作用，顆粒結(jié)合緊密不易產(chǎn)生破壞而流失，因此砂性土中黏粒含量提升會(huì)延長水土流失時(shí)間。隨著水土流失帶塌落拱的擴(kuò)大，拱頂上方土體失去支撐作用，在重力和水壓滲透破壞的雙重作用下，部分砂顆粒流失，使土體的孔隙增大，密度減小，形成松散發(fā)育帶，見圖1a所示的松散發(fā)育帶。

掏空垮落帶：松散發(fā)育帶地下水的流失大于補(bǔ)給量，地下水位也隨之下降，塌落拱頂?shù)乃×σ搽S之減小，土體支撐力也逐漸減小，土體因失重而逐漸垮落流失，松散發(fā)育帶下方變成掏空垮落帶。這時(shí)松散發(fā)育帶繼續(xù)向周圍擴(kuò)大，逐漸延伸到剛性路面的下方，形成圖1(b)中的掏空垮落帶。

變形沉降帶：由于松散發(fā)育帶的土體孔隙增大，密度減小，支撐力也就相應(yīng)減小，這樣松散發(fā)育帶上方的土體因失重逐漸下沉，左右兩側(cè)土體向中間位移，形成變形沉降帶。隨著水土流失帶、松散發(fā)育帶的擴(kuò)大，變形沉降帶范圍及沉降量隨之增大，掏空垮落帶范圍延伸到剛性路面板下方，形成空洞，見圖1(b)。根據(jù)有限元計(jì)算，當(dāng)空洞直徑超過1.2m時(shí)易瞬間坍塌。

圖1 排水管道結(jié)構(gòu)缺陷初期引起水土流失(a)及后期引發(fā)地面塌陷(b)形成機(jī)理示意圖Fig.1 Formation mechanism sketchs of soil erosion (a) and ground collapse (b) caused by structural defects of drainage pipes

案例：上海市區(qū)滬太路某路段地面發(fā)現(xiàn)沉降凹陷，經(jīng)探地雷達(dá)探測（圖2a），塌陷空洞深度約3m，松散發(fā)育帶長約4～5m，寬約2～3m，路面下空洞直徑約0.6m左右，尚未達(dá)到塌陷臨界狀態(tài)，經(jīng)閉路電視檢測附近排水管道因脫節(jié)導(dǎo)致水土流失（圖2b）。由于發(fā)現(xiàn)及時(shí)，采取注漿等措施，避免了地面塌陷的發(fā)生。

（2）暗浜等地基不密實(shí)引發(fā)地面塌陷的形成機(jī)理

圖2 地面塌陷的探地雷達(dá)探測(a)與閉路電視檢測(b)Fig.2 Ground penetrating radar (a) and closed circuit television (b)detection of ground collapse

上海位于東海之濱，歷史上水運(yùn)業(yè)發(fā)達(dá)，浜河縱橫交錯(cuò)，經(jīng)過長時(shí)間的利用、改造，形成暗浜較多，形式各異，給工程勘察帶來一定的難度。地基不密實(shí)主要由于明浜、暗浜由于勘察不明或地基處理不當(dāng)，使得地基回填松散，土層顆粒不勻、孔隙度大，形成明、暗浜發(fā)育區(qū)地基回填土不密實(shí)的不良地質(zhì)條件。

由于明、暗浜地基處理不當(dāng)，造成道路回填不密實(shí)，形成剛性道路面板下方的空洞，如圖3所示，自下而上分別形成暗浜發(fā)育帶、回填疏松帶、孔隙空洞帶、路面沉降帶，其中暗浜發(fā)育是路面下空洞形成的主要原因，回填疏松帶土體的固結(jié)沉降，上部形成孔隙、空洞，隨著空洞的逐漸擴(kuò)大，剛性路面失去支撐作用，也就逐漸沉降、開裂，直至坍塌，形成地面塌陷。路基下的燃?xì)?、給水等管線由于失去支撐作用而發(fā)生斷裂，出現(xiàn)漏氣、漏水等現(xiàn)象，造成次生災(zāi)害，比地面塌陷的危害后果更大。

圖3 暗浜地基不密實(shí)引發(fā)地面塌陷形成機(jī)理(a)及探地雷達(dá)探測堤岸地基空洞(b)Fig.3 Formation mechanism (a) and ground penetrating radar detection(b) of ground collapse caused by leakiness of foundation

案例：2014年7月某小區(qū)主干道混凝土路面下沉斷裂、燃?xì)夤苄孤?jīng)工程勘察、物探，路基原為暗浜，經(jīng)多次回填，回填土最深達(dá)3m，主要為碎石、磚塊、垃圾等，土質(zhì)不均、結(jié)構(gòu)松散、含水率較高；暗浜區(qū)域土體加固不密實(shí)，在道路荷載作用下，路基下沉，在路面水泥板與回填土之間形成脫空層，空洞處厚度達(dá)50cm以上，脫空區(qū)域面積約數(shù)十平方米，導(dǎo)致路面沉降、坍塌，燃?xì)夤艿佬孤＜熬用癜踩?/p>

（3）濱海堤岸區(qū)地基不密實(shí)引發(fā)地面塌陷的形成機(jī)理

上海位于東海之濱，境內(nèi)海岸線長達(dá)172km，此外還分布有長江、黃浦江等重要河流堤壩，崇明、長興島、橫沙等三島海堤等，海堤累計(jì)長度達(dá)數(shù)百千米。近年來由于環(huán)境惡化，自然災(zāi)害頻繁，臺(tái)風(fēng)、潮汐等影響日益加劇，部分海堤出現(xiàn)了不同程度的沉降、滲漏、脫空等地質(zhì)災(zāi)害現(xiàn)象。其中剝蝕作用、搬運(yùn)作用是堤岸地基不密實(shí)的主要不良地質(zhì)作用，堤岸剝蝕的外營力主要包括海流、波浪、潮汐、水流等，堤岸附近的風(fēng)力也是外營力之一，這些外營力通過水流、風(fēng)力反復(fù)侵蝕破壞并不密實(shí)的堤岸地基，使原有堤岸地基中的空洞、脫空逐漸擴(kuò)大，同時(shí)外營力把這些破壞了的袋裝砂、石子等碎屑物隨水流搬運(yùn)到江海中，形成堤岸地基的水土流失，造成堤岸沉降，嚴(yán)重時(shí)出現(xiàn)堤岸塌陷。

在堤岸地基不密實(shí)段會(huì)形成機(jī)械沖刷帶、沉降滑移帶、掏空流失帶，如圖4所示，其中機(jī)械沖刷帶是由潮汐、臺(tái)風(fēng)作用下的強(qiáng)大水浪反復(fù)沖刷堤岸柵欄板，當(dāng)?shù)贪兜鼗幻軐?shí)存在裂隙、脫空、空洞時(shí)，水流在巨大沖擊力的作用下沿裂隙、空洞等通道，沖刷、侵蝕堤岸地基，使堤岸地基中的塊石產(chǎn)生新的裂隙，并逐漸斷裂、粉碎及位移；同時(shí)袋裝砂在水浪的反復(fù)沖擊下，逐漸撕裂編織袋，這時(shí)砂與碎石在落潮時(shí)隨潮水一起滑入江河中，經(jīng)過年復(fù)一年的反復(fù)作用，逐漸掏空原有的裂隙、脫空、空洞等不密實(shí)地基，使掏空流失帶逐漸擴(kuò)大，形成更大的水土流失通道。掏空流失帶上方地基因此失去支撐力，同時(shí)在水流作用下裂隙空洞發(fā)育，形成沉降滑移帶，在重力和水浪沖擊力的作用下，容易發(fā)生整體滑移落入江河中。由于掏空流失帶的發(fā)育，堤岸頂部會(huì)出現(xiàn)沉降、塌陷。

圖4 堤岸地基不密實(shí)引發(fā)地面塌陷形成機(jī)理Fig.4 Formation mechanism of ground collapse caused by leakiness of embankment foundation

案例：寶山某油碼頭由于堤岸基礎(chǔ)中的空洞、脫空、疏松等原因，地基嚴(yán)重沉降，造成引橋(樁基礎(chǔ))與混凝土路面(堤岸地基)差異沉降達(dá)38.2cm，堤岸路面與引橋脫開，通過探地雷達(dá)探測到地基空洞發(fā)育。

2.2 人為活動(dòng)為主引發(fā)地面塌陷的形成機(jī)理

（1）基坑工程引發(fā)地面塌陷的形成機(jī)理

基坑施工引起地面塌陷是由于基坑施工過程中圍護(hù)體出現(xiàn)位移、坍塌，導(dǎo)致坑外土體沉降、滑移，從而引發(fā)地面塌陷，在城市地面塌陷中較為普遍。圍護(hù)體出現(xiàn)位移、坍塌是基坑施工引發(fā)地面塌陷的主要原因，圍護(hù)體出現(xiàn)位移、坍塌主要由于施工質(zhì)量、設(shè)計(jì)、勘察等原因；有些圍護(hù)體雖未出現(xiàn)坍塌，但因圍護(hù)體滲漏或圍護(hù)體深度不足，在坑內(nèi)降水、挖土、坑內(nèi)土體回彈等因素作用下，坑外水土通過圍護(hù)體滲漏處或圍護(hù)體以下流入坑內(nèi)，產(chǎn)生水土流失現(xiàn)象。如圖5所示的基坑工程示意圖，圍護(hù)體底部位于砂性土層，坑外承壓水位、潛水位一般均較高，當(dāng)坑內(nèi)挖土?xí)r，需采取降水疏干措施，當(dāng)圍護(hù)體深度不足時(shí)，坑外水土在坑外與坑內(nèi)之間的高水頭差作用下，圍護(hù)底部發(fā)生類似于管涌現(xiàn)象的砂性土流入坑內(nèi)，形成基坑坑底隆起，隨著砂性土的流失，上覆黏質(zhì)粉土、淤泥質(zhì)黏土等土層將會(huì)下沉、位移。

圖5 基坑工程引發(fā)地面塌陷的形成機(jī)理(a)及塌陷現(xiàn)場(b)Fig.5 Formation mechanism (a) and scene (b) of ground collapse caused by foundation pit engineering

當(dāng)圍護(hù)、支撐體系強(qiáng)度不足以支撐坑外水土壓力時(shí)，會(huì)發(fā)生支撐失穩(wěn)、圍護(hù)斷裂，圍護(hù)體附近水土瞬間傾覆落入基坑，形成坍塌陷落帶，附近樓房出現(xiàn)傾斜或倒塌，地下管線斷裂；在坍塌陷落帶外圍，部分土體也流入基坑，造成土體脫空，地表下沉，形成脫空沉陷帶；在脫空沉陷帶外圍土體流失相對減小，出現(xiàn)土體疏松、沉降，地表因土體沉降出現(xiàn)裂縫，形成疏松裂縫帶；在疏松裂縫帶外圍水土流失較小，以地面沉降為主，形成地面沉降帶，如圖8所示，這四個(gè)發(fā)育帶根據(jù)基坑深度和基坑坍塌程度不同，通常在地面延伸可達(dá)數(shù)十米。

案例：2011年4月市區(qū)某基坑圍護(hù)工程因圍護(hù)樁斷裂導(dǎo)致周邊路面塌陷區(qū)域長約50m、寬約10m、深約4m，造成工地周圍圍墻倒塌、電線桿下陷兩三米，附近居民房屋開裂，現(xiàn)場見圖5(b)。

（2）盾構(gòu)工程引發(fā)地面塌陷的形成機(jī)理

盾構(gòu)工程引發(fā)地面塌陷主要是指盾構(gòu)施工過程中產(chǎn)生的地面塌陷。上海地區(qū)地鐵盾構(gòu)隧道施工的深度一般為15～25m，在⑤2層砂質(zhì)粉土發(fā)育區(qū)域，⑤2厚度可達(dá)幾米到十幾米，⑤2層埋深與盾構(gòu)隧道埋深幾乎相當(dāng)，有些地段甚至整個(gè)盾構(gòu)斷面位于⑤2層中，由于⑤2層含砂量較高，又是微承壓水層，水壓力相對較高，盾構(gòu)推進(jìn)過程中在排土口易出現(xiàn)噴砂涌水，盾尾發(fā)生漏水、漏沙現(xiàn)象；如果注漿效果不好，在盾構(gòu)進(jìn)出洞時(shí)，洞門鋼筋砼的破除形成水壓力釋放區(qū)，在洞口易產(chǎn)生漏水、流沙現(xiàn)象，盾構(gòu)隧道出土成為水土流失通道。如圖6所示，這樣在盾構(gòu)上方出現(xiàn)水土流失帶；如果不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)險(xiǎn)情，立即采取注漿加固措施，水土流失范圍擴(kuò)大，水土流失帶上方土體出現(xiàn)掏空并垮落，形成掏空垮落帶；在掏空垮落帶上方的土體部分流失、下沉，形成松散發(fā)育帶、變形沉降帶；隨著水土流失的持續(xù)，地面以下形成空洞區(qū)，當(dāng)空洞區(qū)擴(kuò)大到一定范圍時(shí)，和管道引起路面塌陷一樣，路面剛性板沉降、斷裂、坍塌，形成地面塌陷。

案例：2008年7月上海軌道交通10號(hào)線陜西南路、南昌路附近（靠近陜西南路站），因盾構(gòu)施工引發(fā)地面塌陷，塌陷直徑1.8m、深度達(dá)6m，如圖6(b)所示。

圖6 盾構(gòu)工程引發(fā)地面塌陷的形成機(jī)理(a)及塌陷現(xiàn)場(b)Fig.6 Formation mechanism (a) and scene (b) of ground collapse caused by shield tunneling

（3）盾構(gòu)施工擾動(dòng)區(qū)土體加固不密實(shí)引發(fā)地面塌陷的形成機(jī)理

盾構(gòu)施工擾動(dòng)區(qū)土體加固不密實(shí)引發(fā)地面塌陷，主要是指盾構(gòu)施工時(shí)擾動(dòng)區(qū)域的土體加固不密實(shí)，松散土體經(jīng)長期(通常幾個(gè)月甚至幾年)固結(jié)沉降，形成脫空、空洞，引發(fā)地面塌陷。這類塌陷的形成機(jī)理與自然因素中地基不密實(shí)引發(fā)地面塌陷的形成機(jī)理相類似，自下而上會(huì)形成固結(jié)沉降帶、擾動(dòng)松散帶、空洞發(fā)育帶、地面沉降帶，其中擾動(dòng)松散是地下空洞形成的主要原因，由于此類空洞形成周期比較長，不易察覺，往往難以預(yù)防。

3 結(jié)語

世界有超過50%的人口生活在城市，而淺地表是城市人居環(huán)境中最為密切、最為敏感的部分，淺地表與城市工業(yè)生產(chǎn)和人民生活息息相關(guān)；城市地面塌陷恰恰發(fā)生在淺地表，地面塌陷使城市淺地表變得更為脆弱、更加復(fù)雜，對城市危害越來越大。

根據(jù)研究，我國城市地面塌陷是近十年來伴隨城市化進(jìn)程不斷加快、基建投資快速增長，城市淺地表地質(zhì)和道路承載能力不足而引發(fā)的地質(zhì)災(zāi)害現(xiàn)象；地面塌陷具有隱蔽性、突發(fā)性和破壞性等特點(diǎn)，預(yù)警難度大、防范壓力大、社會(huì)影響大，并呈現(xiàn)不斷增長趨勢。城市人口快速增長所帶來的大規(guī)模工程建設(shè)和工業(yè)生產(chǎn)等人類活動(dòng)，特定的淺地表地質(zhì)環(huán)境條件，決定了我國城市地面塌陷將呈長期高發(fā)態(tài)勢。

通過對2003～2014年上海地區(qū)地面塌陷的案例分析，地面塌陷主要發(fā)生在10m以內(nèi)的淺地表，是由不利（良）地質(zhì)條件、不良地質(zhì)作用（現(xiàn)象）、誘發(fā)因素及宏觀經(jīng)濟(jì)活動(dòng)等共同作用的結(jié)果。按地質(zhì)災(zāi)害中的自然因素為主、人為活動(dòng)為主劃分為六種地面塌陷類型，對各類地面塌陷的形成機(jī)理進(jìn)行了分析和研究，并以圖示和案例形式分析水土流失、空洞產(chǎn)生、地面塌陷等成因與變形破壞機(jī)理。

通過研究與試驗(yàn)，探地雷達(dá)、三維雷達(dá)、高頻地震、瑞雷波等物探方法是目前較為有效的地面塌陷探測預(yù)警手段。三維雷達(dá)具有探測效率高、信息量大等特點(diǎn)，適用于城市地面塌陷普查；探地雷達(dá)具有探測深度相對較大、精度較高等特點(diǎn)，適用于城市地面塌陷詳查。