張阿根
(上海市地質學會,上海 310108)
新中國成立后,伴隨著上海城市建設和社會發展的進程,上海市地質工作步入快速發展軌道。1954年上海市首次公開報道上海地面沉降,估計每年下沉10 mm;1956年對全市數百口潛水觀測井,定期測量水位及水溫;1958年上海市組建專業地勘隊伍,開始了全市范圍大規模的地質調查和找礦勘探工作。開展了1∶20萬地面磁普查,基本查明了上海地區的主要磁異常;編制全市33個規劃地區共688 km21∶1萬~1∶5萬的工程地質圖,進行1∶20萬高精度航空磁法普查。
1960年上海市地質勘察局成立,市政府開始全面管理地質工作,并相繼開展了地鐵工程地質勘察。運用物探、鉆探等手段開展基巖中內生金屬礦床普查找礦;編制了1∶2萬的上海市最早的水文地質圖件;在全市范圍開展了1∶5萬重磁普查和1∶20萬工程地質、水文地質普查工作;尤其是自60年代開始的上海城市地面沉降的監測與控制研究,更是凝聚了上海地質工作者智慧和辛勞的結晶。
自1921-1965年,市區地面平均累計沉降1.76 m,最大沉降量達2.63 m,地面標高已低于黃浦江高潮位2 m左右,這45年間市區地面沉降年均達39.1 mm,最大年沉降量達110 mm,大于500 mm的沉降面積達121 km2,上海市區出現了嚴重的地面沉降災害現象。自1966年以來,上海地質工作歷經探索,深入開展全市地下水資源調查和含水層儲能研究,建立一批地面沉降監測水準點和基巖標、分層標,并定期監測。采取壓縮地下水開采、實施人工回灌及調整開采層次等有力措施,在控制地面沉降上取得了十分顯著的效果。經過50多年持續不斷的努力,上海地面沉降終于擺脫了快速增長的勢頭,進入微沉階段,有效地緩解了上海地面沉降災害對城市發展的影響,城市地質工作被譽為上海城市發展的“先行官”和“保護神”,也為世界所囑目。
20世紀90年代,改革開放的大潮引發了上海城市建設的巨大發展,中央決定開發上海浦東新區,全市4000多幢高樓的急劇聳立,東方明珠、浦江大橋、橫貫市區的地下隧道、高架道路、磁浮和軌道交通等一大批重大市政工程的建設,催生著上海城市地質的快速發展[1]。
2003年,在上海城市地質調查項目提出之際,恰遇在建的“地鐵四號線”濱江段發生重大塌陷事故,隧道上下行線發生嚴重的流沙涌水,形成沉陷漏斗;周邊大樓、泵站、防汛墻和道路發生明顯變形、傾斜,并部分坍塌(見圖1),地面裂縫加劇,急劇沉降塌陷(見圖2)。險情發生后,搶險指揮部立即指令地勘單位組建搶險隊伍奔赴現場開展地質調查,參與搶險工作。

圖1 房屋傾斜、倒塌Fig.1 Declining and collapse of houses
在上海地鐵四號線搶險工程中,新組建的上海市地質調查研究院運用地質雷達、高分辨率SH波淺層反射波法、瞬態瑞雷面波法勘探[2]及水上高密度多波列地震影像法等綜合工程物探方法,查明了地鐵隧道變形、破損狀況,快速、準確地圈定了受地面塌陷影響,周邊土體的擾動范圍及深度,并對江底隧道的狀況進行了實時勘察[3]。專家組在險情發展過程中,依據物探和鉆探對險情造成的最大損壞作了分析(見圖3),及時采取應對措施。上海地勘隊伍在現場及時開展監測、鉆探、灌漿、封堵等措施,確保搶險工作正常、快速進行和搶險人員安全,為指揮部搶險決策和指導搶險工程及時提供了技術資料[4]。

圖2 路面裂縫、塌陷Fig.2 Cracking and sinking of ground

圖3 事故最大損害分析示意圖Fig.3 Worst damage analysis of incident
(1)采用旋噴樁,對滲水處緊急封堵。
(2)在主堤內側增設拉森鋼板樁。
(3)在主堤和內側地面進行注漿,以穩定土體,減少并控制土體擾動范圍,有利保護隧道及周邊建筑(見圖4)。
上海地鐵四號線塌陷事故造成了巨大經濟損失和社會影響,通過直接參與現場調查與搶險,更加突顯了大規模地下空間開發過程中地質工作的重要性和緊迫性。同時,也深感上?,F有地質工作還不能適應上海城市發展需要,突出問題表現在:
(1)全市工程地質資料分散,缺乏統一的查詢平臺。
(2)重大工程區域地勘資料精度不足。
(3)上海市地下分布較廣的淺層砂含水量高、易引發地質災害,未能引起設計和施工單位的足夠重視。

圖4 鉆探灌漿Fig.4 Grouting by drilling
(4)對塌陷場地開展監測的技術方法不適應、現有物探儀器分辨率較低、解譯效果不明顯。
(5)地勘隊伍參與地下工程搶險經驗不足,缺乏有效的應急方案和措施。
上海地鐵四號線塌陷事故搶險的經歷啟迪、催生了新一輪上海城市地質工作的進展。
在上海市人民政府和中國地質調查局共同推動下,自2004年開始,采用部市合作形式,正式啟動了上海三維城市地質調查工作。為此,首先開展了社會需求調查,先后有近百家單位、4500人次參加了上海城市地質座談調研工作,新一輪大規模城市建設中,迫切需要地質工作從城鎮體系布局、地下空間綜合規劃、城市安全保障等方面,立足于綜合的城市地質調查研究,根據地質結構特點評價城市規劃和建設,科學確定城市的地質環境容量,分析地質環境變化(地面沉降、環境地球化學及海岸帶環境等)對城市安全的影響,要求地質工作構建保障上海經濟社會發展的新體系。
在上海城市地質調查項目策劃過程中,時任國土資源部副部長兼中國地質調查局局長壽嘉華多次聽取匯報,先后兩次到滬與時任上海市委副書記王安順、楊雄副市長探討合作開展上海城市地質調查的可行性、目標任務,明確了“總體規劃,分步實施,重點先行”的工作原則[5]。時任中國地質調查局張洪濤副局長就項目組織、重點工作推進、成果表達和社會應用等方面提出了明確的指導意見。
2004年4月21日,中國地質調查局和原上海市房屋土地資源管理局共同組織了《上海市三維城市地質調查項目可行性方案》論證。同年4月24日,國土資源部副部長壽嘉華與上海市政府副市長楊雄分別代表國土資源部、上海市人民政府共同簽署了項目合作協議(圖5)。上海城市地質項目正式啟動,上海地質工作迎來了新的發展起點。

圖5 國土資源部與上海市人民政府簽署項目合作協議儀式Fig.5 Signing ceremony for co-operation between Ministry of State Land and Resources and Local Government of Shanghai
上海三維城市地質調查工作,經歷了社會需求調查和工作方案編制、野外調查和驗收、綜合研究和成果應用等3個階段,歷時4年多。先后搜集利用資料總數據量約800G,完成施工鉆探38000 m,地震剖面267 km,各類測試數據35400條,形成專題成果報告36份,成果圖件1580余張。項目開展期間得到了部市領導、院士專家的悉心指導。項目實施期間,承辦了兩次全國城市地質工作研討會,召開30多次階段成果研討會,與其它試點城市開展了廣泛的成果和經驗交流。為確保城市地質調查成果及時服務于上海重大工程建設,先期重點開展了世博會址、臨港新城規劃區的地質調查工作。
上海三維城市地質調查工作中,對城市地質概念、調查方法、成果表達和社會應用等方面進行探索和總結。城市地質是綜合考慮影響城市及其發展的各種地質因素,研究地質因素為城市發展所提供的資源、所施加的約束條件和城市化對地質環境產生的反饋作用,從而為城市規劃、建設和發展服務的地質工作[1]。城市地質調查工作不僅包括以往城市地區重點開展的水文地質、工程地質和環境地質工作,還應針對重大地質問題,從進一步加強區域地質、第四紀地質調查,重點查明三維城市地質結構,結合城市規劃建設中的突出地質問題,開展綜合評價研究,進一步提高城市地質工作的基礎性、戰略性和實用性。
通過4年來的努力,實現了目標任務,成果得到了廣泛應用,并取得了如下創新和突破[6]。
(1)首次建立了上海三維基巖地質、第四紀地質、工程地質和水文地質結構模型,根據立體地質結構特點,對上海城市總體規劃進行了后評估,對地下空間開發地質環境適宜性進行了評價。
(2)在地面沉降防治措施研究基礎上,建立了真三維地面沉降耦合模型,把地面沉降防治與城市安全結合,初步建立了地質環境監測與地鐵等生命線工程安全預警機制。
(3)環境地球化學調查成果在農用地分等定級、基本農田保護等工作中發揮了重要作用,并把基本農田質量動態監測納入了日常工作。
(4)首次開展了上海城市地質環境容量評價研究,重點進行了地下水環境容量、地球化學環境容量和城市建筑容量評價嘗試。
(5)研發了三維可視化的上海城市地質信息管理和服務系統,實現了基于多源、海量數據的三維地質結構模型建立,實現了地質過程模擬和綜合分析評價,使地質工作流程與信息化工作得到較好的融合,已成為上海城市地質的業務工作平臺。
上海三維城市地質調查工作實施期間,曾多次參與地質災害調查、監測和搶險。2009年6月27日凌晨,本市閔行區在建的“蓮花河畔景苑”商品房小區工地內,發生一幢13層樓房向南整體傾倒事故,經地質勘查查明,房屋傾倒的主要原因是,緊貼該樓北側,在短期內堆土過高,達10 m左右;與此同時,緊鄰該樓南側的地下車庫基坑正在開挖,開挖深度4.6 m,大樓兩側的壓力差使土體產生水平位移,過大的水平力超過了樁基的水平承載力,導致房屋傾倒[7-8]。此案例凸顯了地下空間開發中防范地質災害的必要性,進一步推動了城市地質對地下空間開發的先行和保障作用。
上海城市地質還相繼開展了海岸帶調查項目,實現了地質工作由陸向海的邁越。建立了自1917年以來的海底地形數據庫,在海岸帶地質環境演化研究成果基礎上,對灘涂資源變化規律和后備土地資源潛力進行綜合研究,研究成果為上海市土地利用總體規劃修編中耕地占補平衡方案制定奠定基礎。
通過上海三維城市地質調查項目,地質工作圍繞國土資源管理、城市規劃建設、城市安全管理等工作,構建了良好的服務和保障機制。歷時4年多的上海城市地質工作取得了明顯的成效。
(1)部市合作機制,推動了上海城市地質調查工作發展。
自1999年國土資源大調查實施以來,依托國家地質戰略的超前和持續投入,使上?;A性、公益性地質調查工作得到穩定有序開展,圍繞重要地質問題進行專題調查研究。尤其是部省(市)合作機制的建立,使國家地質戰略和地方經濟發展需求得到了很好的結合,其作用和效果在上海城市地質調查項目中得到了很好的體現。通過部市合作城市地質調查工作,基礎地質調查更加貼近了經濟社會建設,成果應用更加及時,地質工作也逐步融入了政府管理流程,成為科學決策的重要依據[5-6]。
(2)以成果應用為主線,推進保障經濟社會發展新機制的構建。
通過開展廣泛的意見征詢和調研,組織了城市規劃、建設、農業、水務、市政、環保及地鐵建設等多個部門、30多次的交流研討,進一步明確了城市規劃和建設面臨的緊迫任務,全面、準確地把握地質工作的社會需求,把工作重點集中在三維城市地質結構調查和地下空間開發綜合評價、地質災害及其對城市安全影響的調查研究、環境地球化學調查和綜合評價、三維可視化城市地質信息系統開發等4個領域[5]。有關成果在新城規劃建設、地下空間開發等工作中得到了廣泛應用,與地鐵、防汛等部門建立了生命線工程安全監測與預警機制;有關地質調查成果應用于土地利用總體規劃修編、基本農田保護和新增耕地后備土地資源評價等國土資源管理工作。地質工作服務經濟社會發展新機制的構建,不僅提高了公益性地質工作水平,更確立了城市地質工作在城市建設和管理中的重要地位。
(3)堅持綜合的地球科學思維來指導工作。
城市地質工作是基礎地質學和應用地質學的有機結合,生命力是向城市規劃、建設等領域延伸和互相滲透。在城市快速發展過程中,關注建設中緊迫的重大地質問題,通過地質調查研究來突破解決。因此,在保持與城市規劃、建設和管理工作密切結合的同時,把重點瞄準到了建立三維地質結構模型,重點開展了第四紀沉積環境演化和區域地層對比研究;針對含水層非線性變形特點,進一步完善了地面沉降數學模型;針對地下空間開發中適宜性評價,將水文地質與工程地質工作密切結合。在綜合的地球科學思維指導下,依托基礎地質理論和重大地質問題攻關,解決城市建設中的突出地質問題;而通過積極參與重大工程建設,及時掌握實踐中的焦點問題和社會需求,更是本次工作始終堅持的原則。
(4)多學科參與、多單位合作,是完成目標任務的保證。
上海城市地質工作的性質,決定了需要巖石地層、構造地質、第四紀地質、水文地質、工程地質、環境地質、地球化學等多學科的綜合攻關;城市地質的應用特點,要求必須與城市規劃建設等專業領域進行跨行業、跨學科、跨部門的合作和探索,發揮各自特長和優勢,共同參與,協同作戰。工作過程中,先后有近百家科研院所和企事業單位參與重大地質問題的攻關,同時,參與第33屆國際地質大會等多次國內外學術交流,接待了30多個國內外單位、專家的交流和訪問,對開闊視野、啟發思想發揮了巨大作用。因此,技術方法融合、多學科交叉及評價方法創新,實現了上海城市地質工作多目標綜合研究的要求,發揮了社會力量的集成效應。
(5)重視地質信息持續更新和社會共享。
上海60年地質工作積淀了豐富的地質成果,充分發揮已有地質資料作用是項目實施的重要基礎。在上海城市地質工作方案編制、實施和綜合研究中,始終把信息化作為一項基礎性工作貫穿于全過程。為保證地質鉆孔數據質量,制定了地質信息化標準,梳理了工作流程,明確了數據檢查和入庫要求。在市政府有關部門支持下,重點加強了地質資料匯交制度,在建筑管理流程中增加了地質資料匯交環節,確保城市建設中新取得的地質資料能夠得到社會共享,建立了全市地質信息共享機制。目前,已收集各類地質鉆孔30萬個,地質環境監測信息1266萬條,上海城市地質數據中心已初具規模,社會服務網站不斷更新完善,形成了地質信息持續更新和社會共享機制。
城市地質工作需要制定系統的技術標準,提高依法行政水平。近年來,中國地質調查局組織制定的主要標準規范有:《城市地質調查規范》、《城市地質調查工作指南》、《城市環境地質調查評價規范》、《城市地質調查遙感工作指南》、《城市地質調查鉆探工作細則》、《城市環境地球化學調查與評價工作指南》、《城市地質調查物探技術指南》、《城市地質調查數據庫規范》、《城市地質數據庫與信息系統建設指南》等。上海市結合城市地質工作開展,已編制完成了《地面沉降調查與監測規范》、《地面沉降測量規范》、《地面沉降防治工程設計規范》、《地質信息數據規范》、《上海市城鄉規劃地質環境調查與評價技術規定(試行)》等行業標準和地方標準。
現行城市地質相關標準還存在如下不足和亟待完善之處:
(1)城市地質技術標準較為分散,欠缺系統性。在國土資源部發布的2016年版《國土資源標準體系》中無城市地質分類,城市地質相關標準分散于區域地質調查、水工環災地質、勘查技術方法和地質資料管理與服務等類別中[9]。
(2)標準老化,滯后于實際需要。目前,除近年來編制的針對城市地質工作的相關標準之外,其他參考標準老化現象嚴重,與當前技術、管理水平相比,其前瞻性和先進性明顯不足,已難以滿足城市地質工作實際需要。
(3)城市地質在相關行業應用方面的標準較為欠缺。城市地質工作的生命力在于應用,現有標準多集中在城市地質調查評價、城市地質環境監測預警、城市地質資源開發利用與保護等方面,地質工作在城市規劃建設、城市安全和城市運營管理等方面應用相關的標準欠缺。
(4)研究借鑒國際先進標準程度較低。現行城市地質相關標準多是在總結完善已有工作的基礎上編制而成,較少研究和借鑒國際標準和國外先進標準。
在深入分析城市地質工作對標準化需求的基礎上,應盡快研究建立上海城市地質標準體系框架,按專業類別進行細化,具體如下:
(1)編制城市地質標準明細表,全面梳理現有城市地質及相關參照標準,分析評價其適用性。按確立的標準體系結構,建立分類別、分專業標準目錄明細。
(2)提出上海城市地質標準體系建設規劃,根據確立的標準體系結構和現有標準梳理評價情況,提出需修編的和新編標準的編制規劃,提出上海城市地質標準體系建設總體目標和各階段任務,編制城市地質標準體系結構圖(見圖6)。

圖6 城市地質標準體系結構圖Fig.6 Structure of urban geological standard regime
(1)更新裝備,引進新技術,增強對地探測能力。
(2)運用多種技術方法,融合提高勘查精度。
(3)研發適應城市地質需求,攻深、抗燥、抗干擾高效的物探儀器。
(4)探索城市物探新理論,提高物探解譯水平[10]。
(5)注重人才培養,造就城市地質勘查精銳隊伍。
(1)上海城市地質工作要主動適應“山水林田湖草”自然資源統一管理體制的新形勢。在統籌推進全市自然資源綜合整治,完善自然資源規劃的總體布局等方面積極參與、創新服務。充分發揮城市地質工作在城鄉建設用地增減掛鉤、農村土地綜合整治、自然生態修復、城市地質環境恢修復治理等平臺上的先導作用和持續服務功能。按照中央的決策部署,上海城市地質工作要積極參與長三角一體化合作,在規劃對接、戰略協同、專題合作、機制完善等方面,促進區域經濟協調發展。
(2)深入開展大規模地下空間開發與運營對城市地質環境影響的研究。遵照國務院關于“統籌地上地下建設,加強城市地質調查”和國土資源部“深地探測”工程的要求,上海已率先開展相關工作,申報科技部深地探測重大科技專項。城市地質工作要關注中深、深部及超深地下空間開發與運營中的地質問題,在確保使用安全的前提下,充分利用地下空間資源提升土地利用率,建設人工環境與自然環境充分協調的城市環境。圍繞地下空間開發,建立“地上地籍圖—地下地籍圖—地質圖”的三圖合一,進一步滿足地下空間規劃建設和管理需要[5]。
(3)積極參與全市水土污染調查評估與修復治理。為落實上海市生態環境監測網絡建設實施方案和土壤及地下水污染防治目標任務,進一步優化、整合全市地下水及土壤環境質量監測網絡,提高本市水污染和土壤污染調查與防治水平,應在行業監測網的基礎上,優化監測點位、統一技術標準、確定共享方式、明確工作模式,并通過定期溝通的方式,促進全市水土污染調查評估與修復治理工作。
(4)深化上海海岸帶地質調查與監測預警工作。提高上海海岸帶基礎地質調查精度,進一步揭示了海岸帶地質結構特征;編制海岸帶統一基準面的水下地形圖,及時掌握長江口水下地形現狀及演化特征,研究重點海岸帶的沖淤規律;綜合評價長江口地區沉積物元素地球化學特征,揭示沉積物環境質量現狀,開展耕地后備土地資源和灘涂生態環境質量評價;深化灘涂資源潛力與演化趨勢的研究,為崇明東灘、橫沙東灘及杭州灣北岸專項規劃提供基礎資料;構建上海市海岸帶地質環境監測體系,實現了對灘涂資源、岸帶侵蝕淤積、沉積物環境質量、海堤地面沉降等的實時監測,及時掌控長江口地質環境現狀特征及演化趨勢;進一步揭示湖蘇斷裂的走向及特征,加強對長江口和錢塘江古河谷展布特征及長江演化的研究[5,11]。
(5)持續推進淺層地熱能合理開發利用。進一步優化和完善全市淺層地熱能監測網絡;持續拓展并跟蹤淺層地熱能示范工程運營效率;不斷完善上海淺層地熱能技術標準和規范;在繼續推進土壤源淺層地熱能開發應用研究的同時,穩妥開展地下水源淺層地熱能的開發利用。
(6)積極推進崇明世界級生態島的建設。崇明島地處長江與東海交匯處,是世界級的河口砂島,獨特的地理區位和地質條件為生態島的建設奠定了基礎,也是上海唯一的國家地質公園。按照《崇明世界級生態島發展“十三”規劃》的要求,結合生態建設和產業發展,實現人與自然和諧共生,地質工作要進一步開展系列調查和評估,統籌資源利用和環境保護的協調發展。
(7)主動服務于上海海綿城市的規劃和建設。上海建設海綿城市是適應新時代城市轉型的新理念和新方式,是推進城市生態文明建設和綠色發展的重要抓手。城市地質工作要在規劃、建設、管理各個環節落實海綿城市理念,提升城市基礎設施建設的系統性,并建立完善長效機制[12]。要按照海綿城市建設專項規劃提出的目標和任務,采用新技術,創新地質工作方法,著力為海綿城市規劃和建設做出貢獻[13-14]。
(1)提高重大工程建設地質災害預警和安全運營水平。
上海地鐵在1993年5月28日正式運營,至今已運營了25年,目前上海軌道交通全網絡運營線路總長666 km,日最大客流量 1186.7萬人次。上海地鐵現共開通線路14條,車站389座,并有5條線路延伸規劃、4條線路新建計劃。對已建的基于互聯網的地鐵沉降與變形的自動化監測網絡將進一步健全、完善,實時傳輸監測數據,并及時發布險情預警,防患于未然。
(2)構建城市地下基礎設施全壽命安全狀態智慧服務平臺。
城市地鐵、隧道、管網等地下基礎設施日益增多,其建設與運營全壽命安全狀態倍受關注,亟需構建了一個智慧服務平臺,將地下基礎設施勘察、設計、施工、監測與養護全生命周期信息數據匯集起來,自動精細化識別結構面幾何信息、圍巖質量和巖體地質強度指標,通過統計分析、空間分析、數值分析等技術對其進行高效監測、檢測和評估,達到集成管理,實現了地下基礎設施的智慧決策與服務。
(3)構建淺層砂滲水引發地面塌陷的監測體系。
根據“十三五”規劃,結合上海地域情況,運用城市物探技術和地質信息系統,全面查清上海地區淺層砂性土分布狀況,與全市地下管線網絡相耦合,及時發現地下滲水、泄露隱患,構建淺層砂引發地面塌陷的預警系統,提高地質災害防治應急能力。
(4)持續開展深基坑施工引發土體變形和地面沉降的監測與防治。
(5)深入開展基巖地質與地殼穩定性的調查評估。
本市對地質資料實行統一匯交制度,在本市行政區域內,從事礦產資源勘查開發的探礦權人或者采礦權人,為地質資料匯交人;建設工程中涉及地質災害評估與勘查、巖土工程勘察的建設單位,為地質資料匯交人[9]。受市規劃國土資源局的委托,上海市地質資料館按照《上海市地質資料管理辦法》規定,負責本市地質資料的接收、驗收、保管和提供利用工作。要繼續推進地質資料匯交與社會共享機制建設,進一步健全地質資料匯交制度,完善實施細則,實現地質信息的持續更新。
與時俱進,不斷深化上海城市地質信息平臺建設與共享。上海城市地質信息網(http://www.sigs.com.cn),將使所有Internet用戶獲取上海市城市地質信息資源和服務。通過用戶授權方式可實現不同用戶共享數據和服務的差異性:普通用戶可瀏覽系統提供的公開性資料;經注冊授權的用戶可根據權限不同檢索、查看甚至下載不同地質數據和資料,使用不同的地質專業服務功能[15]。
上海市軌道交通沉降基準網是首個由地勘單位和軌道交通企業合作建設的地面沉降監測網絡。該基準網通過整合城市地面沉降監測布局和軌道交通安全管理需求,建成了由41個基巖點組成的軌道交通高程控制網。上海市還將進一步加快軌道交通信息化平臺建設,將沉降監測數據與地鐵沿線分層標、工程地質、水文地質等資料相結合,形成綜合信息管理平臺,全面提高軌道交通安全預警能力[16-18]。這不僅是軌道交通安全管理模式的重大創新之舉,也是以社會需求為導向實行城市地質管理職能的實踐突破,進一步增強全社會防御地質災害的能力。
綜上所述,城市地質既要關注需求,系統開展全方位、多要素的調查,運用最新技術合成并展示工作成果;更要注重主動融入城市規劃、建設、安全運營和管理全過程,立足科技創新,持續服務于城市經濟與社會發展進程。