佛山市某地區(qū)地面沉降成因分析及防治對策

孟 龍

（廣東省建科建筑設(shè)計院有限公司 廣州510010）

0 前言

地面沉降是指在自然因素及人為因素影響條件下形成的地表垂直下沉現(xiàn)象。其中，誘發(fā)地面沉降災(zāi)害的自然因素包括氣候急劇變化、地震、地質(zhì)構(gòu)造升降運動、火山運動、巖土體自然膠固結(jié)等；人為因素包括地下液流體資源（包括地下水、天然氣、石油等）開采，地下固體礦產(chǎn)資源（包括各類金屬礦產(chǎn)、煤炭、油頁巖、天然鹽礦等）開采，地下水超采，地下設(shè)施建設(shè)等工程性地面沉降。各類型沉降呈現(xiàn)出各自的特點［1］。由于地下水不合理開采而引發(fā)的地面沉降地質(zhì)災(zāi)害，成災(zāi)速度慢，但造成的損失較大，威脅著人民生命及財產(chǎn)安全，且治理難度大，治理經(jīng)費高昂［2］。歷史上，人為因素誘發(fā)的地面沉降地質(zhì)災(zāi)害的記載最早于1898年見于日本新瀉［3］。

據(jù)收集的資料顯示，廣東省佛山市大部分區(qū)域的地面沉降速率在2 mm/yr 以內(nèi)，但部分地區(qū)最大沉降速率可達(dá)6～8 mm/yr，故其有“地陷海升”雙重威脅的說法［4］。實驗區(qū)地面沉降速率在數(shù)月內(nèi)達(dá)數(shù)10 mm，遠(yuǎn)大于佛山市的平均沉降速率，以致于引起實驗區(qū)部分房屋出現(xiàn)不同程度的傾斜、開裂，路面下沉。本文闡述了實驗區(qū)誘發(fā)地面沉降地質(zhì)災(zāi)害的主要成因，并對如何預(yù)防和控制地面沉降進(jìn)行了論述。

1 項目概況

佛山市某地區(qū)在一段時期內(nèi)，村內(nèi)部分房屋出現(xiàn)不同程度的傾斜、開裂，路面下沉，受損房屋建筑面積約為3.2 萬m2。區(qū)內(nèi)附近有三處深基坑工程，分別為西北側(cè)A 基坑、北側(cè)B 基坑、東側(cè)C 基坑，其中A 與B基坑相鄰（見圖1）。以基坑邊為起始線，對共計30 棟建筑物進(jìn)行房屋結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀的檢測鑒定，房屋地基最大沉降最大者達(dá)到約60 mm，受地基變形嚴(yán)重影響的房屋主要分布在本次評估區(qū)域的北部和中部，顯著影響的房屋在本次評估區(qū)域均有發(fā)生。初步分析認(rèn)為：區(qū)內(nèi)地震、開采、巖溶塌陷、極端氣象等其它災(zāi)害性因素均不是造成地面沉降的主因，導(dǎo)致地基沉降的主因是三大基坑工程活動。

圖1 實驗區(qū)施工項目位置示意圖Fig.1 Map of Construction Project in the Experimental Area

2 地面沉降原因分析

2.1 地面沉降的地質(zhì)原因［5-10］

實驗區(qū)地表河涌區(qū)域流向為自南向北、自西至東，地下水流向整體上為自西北至東南。區(qū)內(nèi)地下水分為上層孔隙潛水及下層承壓水：上層潛水主要含水層為填土及淤泥質(zhì)砂土，上層潛水靠近河涌，補給條件較好，存在補給條件時流向可與河涌流向同向；下層承壓水主要含水層為粉細(xì)砂及粗礫砂層，兩類砂層在區(qū)內(nèi)呈接觸關(guān)系，其有穩(wěn)定含水層頂板（淤泥）、底板（粉質(zhì)粘土/殘積土），故砂層水力性質(zhì)為承壓水，下層承壓水補給條件較差、流向受水力梯度控制。

工程施工過程中當(dāng)發(fā)生人工降排地下水時，第四系沖積含水砂層中的孔隙水壓力將隨之減小，主要表現(xiàn)為含水砂層水頭高度的下降。當(dāng)上層粘土尤其是飽和軟土層（淤泥及淤泥質(zhì)粘土層等）與含水砂層之間的孔隙水壓力平衡被打破時，在壓力差作用下粘性土層尤其是飽和軟土層將向砂層滲流釋水，粘性土層中附加應(yīng)力開始增加，進(jìn)而產(chǎn)生排水固結(jié)，土體壓縮變形后在地表則表現(xiàn)出地面沉降現(xiàn)象。

2.2 地面沉降的人為原因

實驗區(qū)附近正在進(jìn)行施工，對實驗區(qū)土體壓縮變形有影響的三處深基坑工程（西北側(cè)A 基坑、北側(cè)B基坑及東側(cè)C 基坑）采用了不同的基坑止水及基坑支護(hù)措施。其中，西北側(cè)A 基坑工程開挖深度為14.0～21.0 m，采用大直徑攪拌樁+錨索的支護(hù)型式和落底式止水樁的止水措施（樁長19.4～28.6 m）；北側(cè)B 基坑開挖深度為18.3～19.8 m，采用地下連續(xù)墻垂直支護(hù)及止水，半逆作法內(nèi)支撐；東南側(cè)C 基坑開挖深度為3.7～9.9 m，采用排樁+錨索的支護(hù)型式和落底式止水樁的止水措施（樁長19.0 m，局部12.0 m）。

區(qū)內(nèi)砂層（主要為粉細(xì)砂及粗礫砂）層頂埋深為2.70～13.40 m、總厚度0.90～10.90 m，具中～強透水性，依據(jù)現(xiàn)場抽水試驗，粉細(xì)砂層單位涌水量為42.33～62.62 m3/d，影響半徑為60.0～91.4 m；粗礫砂層單位涌水量為59.03～114.87 m3/d，影響半徑為100.0～315.4 m。據(jù)各基坑及其周邊地下水動態(tài)觀測數(shù)據(jù)形成的降落漏斗曲線圖，利用圖解法，可從水位變化曲線中直觀的得到各基坑主要含水層的影響半徑：A 基坑及周邊主要含水層為粗礫砂層，影響半徑約110 m（南向）～310 m（東向），水位高差1.63～6.42 m（見圖2）；C基坑及周邊主要含水層為粉細(xì)砂層，影響半徑約140 m（西南向）～300 m（西北向），水位高差2.55～4.28 m（見圖3）；B基坑受基坑回填影響無法進(jìn)行基坑監(jiān)測及現(xiàn)場水文試驗從而獲得影響半徑及水位高差數(shù)據(jù)。場地廣泛分布飽和軟土，其力學(xué)性質(zhì)差，易在各種附加荷載作用下產(chǎn)生沉降或沉降差。

圖2 基坑周邊地下水降落漏斗Fig.2 Groundwater Depression around the Foundation Pit

2.3 沉降與基坑活動的關(guān)聯(lián)性

實驗區(qū)出現(xiàn)地面沉降及房屋傾斜開裂時段與基坑工程活動時段有緊密聯(lián)系，實際情況表明基坑開挖降水對周邊有所影響。

從各基坑概況可知，基坑開挖深度大，工期時間較長，加之場區(qū)透水層分布連續(xù)、地下水具承壓性。由于基坑降水后坑內(nèi)外的水頭差，帷幕外的地下水都會有繞過帷幕流向基坑的趨勢，尤其在具有承壓性的地下水中施工，為保證基坑內(nèi)各作業(yè)工序順利完成，會采取減壓降水，降水深度更大，水力坡度也更大。當(dāng)足以令支護(hù)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大變形時，止水帷幕便引起局部滲漏或整體失穩(wěn)，尤其是帷幕最底部，帷幕承受更大的滲流力，帷幕深部的成樁質(zhì)量往往會出現(xiàn)問題，多集中在成形、搭接、垂直度等方面，有可能出現(xiàn)在膠結(jié)較差處及結(jié)合部位。故在水力聯(lián)系緊密的場區(qū)進(jìn)行人工降水時，止水帷幕的成樁質(zhì)量很大程度上決定了基坑降水對周邊環(huán)境的影響程度。

據(jù)已收集的資料，A基坑采用了大直徑攪拌樁+錨索的支護(hù)型式，人為因素的不確定性令錨孔在止水帷幕局部位置形成水流通道，A 基坑在施工過程中出現(xiàn)了涌水漏砂現(xiàn)象。而C基坑總降水量約54.0萬m3，基坑開挖面積約3.4萬m2，基坑開挖深度為3.7～9.9 m，落底式止水樁樁長為12.0～19.0 m。若假設(shè)基坑及落底式止水樁封閉，坑內(nèi)土層設(shè)定為沖積粉細(xì)砂、粗砂及礫砂等混合中～強透水層，按最不利條件選取基坑開挖深度（9.9 m）、止水樁長（19.0 m）及砂層孔隙率（35%），計算出坑內(nèi)砂層含水量為22.6 萬m3。由上可知，C基坑總降水量遠(yuǎn)大于坑內(nèi)地層含水量，這也證明了C 基坑在施工過程中坑外地下水明顯向基坑內(nèi)地層進(jìn)行了補給。

同時，各基坑施工降水在不同時段均對場區(qū)地下水均衡產(chǎn)生了不利影響。2012年底至2013年6月：實驗區(qū)于2012年底出現(xiàn)地面沉降及房屋傾斜開裂、并有所發(fā)展，該時段進(jìn)行的工程活動僅為B 基坑，實際情況表明B 基坑開挖降水對周邊有所影響；2013 年6 月至2014 年11 月：實驗區(qū)地面沉降范圍持續(xù)擴(kuò)大，其中2014 年3～6 月沉降影響范圍擴(kuò)展較快，為破壞加劇期，該時段進(jìn)行的工程活動為A 基坑、B 基坑和C 基坑3者同時施工，3基坑同時施工的疊加影響加劇破壞了場區(qū)地下水平衡，導(dǎo)致場區(qū)水位持續(xù)整體下降。

3 地面沉降防治對策

地面沉降防治措施主要包括如下4方面：

3.1 法制措施

依據(jù)“嚴(yán)格控制、合理開采”的原則，制定相關(guān)法律法規(guī)，加大對地下水管理、開發(fā)、利用?？梢越梃b已有行政法規(guī)措施的城市，如上海、蘇州等地，在防治地面沉降的經(jīng)驗來采取實驗區(qū)地面沉降的防治對策。

3.2 控沉措施

主要包括對地下水開采層位進(jìn)行人工回灌、開辟新的替代水源、推廣和發(fā)展新的節(jié)水技術(shù)及方法、嚴(yán)格制定地下水開采灌布局及方案、調(diào)整和控制地下水開采總量。

3.3 災(zāi)害治理措施

對于已發(fā)地面沉降地質(zhì)災(zāi)害的區(qū)域，先查明場地的區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造、水文地質(zhì)條件、工程地質(zhì)條件等，然后采用注漿等手段對淺層高壓縮性土層進(jìn)行加固和改良，以降低和控制土層的整體沉降量。

3.4 沉降監(jiān)測措施

主要包括制定合理的監(jiān)測方案、建立健全和完善的地面沉降監(jiān)測信息基準(zhǔn)網(wǎng)、設(shè)置地下水動態(tài)的長期觀測體系、加強水準(zhǔn)點和分層標(biāo)的水準(zhǔn)測量工作及進(jìn)行水文工程地質(zhì)調(diào)查與研究。

4 結(jié)論

⑴誘發(fā)地面沉降災(zāi)害的原因主要分為自然因素和人為因素。本次實驗區(qū)大面積地面沉降可排除自然因素，影響地下水環(huán)境的人類工程活動因素主要為基坑降水。

⑵A 基坑降水影響半徑約110 m（南向）～300 m（東向），水位高差1.63～6.42 m；C 基坑降水影響半徑約140 m（西南向）～300 m（西北向），水位高差2.55～4.28 m；場區(qū)廣布飽和軟土淤泥，具高壓縮性，且多處于地下水位變化范圍內(nèi)，其上覆填土層、下伏透水砂層，這種分布關(guān)系易發(fā)生排水固結(jié)，引發(fā)地面沉降。

⑶基坑工程活動與場區(qū)沉降的發(fā)生具有關(guān)聯(lián)性。首先在施工工藝上，基坑降水影響取決于止水帷幕的施工質(zhì)量和長度，錨桿成孔過程令帷幕體系處于滲漏狀態(tài)；其次在時間關(guān)系上，各基坑施工降水在不同時段均對場區(qū)地下水均衡產(chǎn)生了不利影響，而3 個基坑同時施工的疊加影響加劇破壞了場區(qū)地下水平衡，導(dǎo)致場區(qū)水位持續(xù)整體下降。

⑷可以通過法制措施、控沉措施、災(zāi)害治理措施及沉降監(jiān)測措施對實驗區(qū)地面沉降地質(zhì)災(zāi)害進(jìn)行防治。