地面沉降的監測技術及治理措施

薛天祥，沈春勇，陳潤澤

（中國電建集團貴陽勘測設計研究院有限公司，貴陽 550081）

1 引言

地面沉降是城市中常見的地質災害，在人類建設活動及自然環境的共同作用下，地殼表層土體出現了不同程度的沉降現象，導致不同地區地面的高度有所下降，形成了難以逆轉的地質問題。通常情況下，地面沉降的共有表現為持續時間較長，發展比較緩慢，區域影響較大，產生的原因復雜和治理問題多等，沉降的長期存在對城市建設、交通運輸、資源調度、經濟發展和居住環境造成了巨大的威脅。據統計，目前國內已有90 多個地區或城市出現了不同層次及深度的地面沉降，這些區域中，以上海為代表的長江三角洲、以天津為代表的華北平原、以西安為代表的汾渭盆地是地面沉降的典型代表區域[1]。目前，我國沉降發生嚴重的城市有北京、天津、唐山、西安、太原、大同、滄州、臺北等。統計結果表明，天津塘沽的最大沉降量已達3.1 m，其中，累計地面沉降量超過0.2 m 的總面積超過7.9×104km2，并且存在進一步擴大的趨勢[2]。

目前，很多學者開展了一系列的地面沉降分析工作，地面沉降的治理工作也有了一定成效，但未能有效控制其繼續惡化的趨勢，面對如此嚴峻的沉降問題，日后的研究工作開展仍十分困難[3]。隨著地面沉降問題的日益嚴重，為防止地面沉降導致巨額損失，有必要對此展開深入研究。因此，本文全面論述了地面沉降的監測技術及治理措施等，對研究人員開展地面沉降防治工作具有一定的參考意義。

2 地面沉降監測技術分析

因地面沉降監測范圍有所差異，監測技術包括大范圍監測技術和小范圍監測技術[4]。大范圍監測技術通常包括全球定位系統（GPS）、合成孔徑干涉雷達（InSAR）、分布式光纖傳感技術以及水準測量等。GPS 監測技術是利用人造衛星對一個指定的測量地點進行三邊測量定位，根據測量定位獲得的地面高程數據實現地面沉降監測[5]。InSAR 監測技術是沉降監測的先進技術，通過對固定點測得干涉圖像和波形信號，模擬出測量點的三維模型特征，然后比較SAR 圖像的相位差獲得干涉條紋，進而得出測量點高程數據的變化，達到沉降監測目的[6，7]。多年以來，分布式光纖傳感技術已成為國際區域光纖通信成果中新型的研究方法，通過使用先進的光時域反射儀（OTDR），把光纖當作傳感元件，發揮其在傳輸過程中的介質特性，研究光纖在各個區域的溫度和應變分布規律，完善沉降監測方法。小范圍監測技術包括常見的水準測量、基巖標及分層標等方法。其中，水準測量也被稱作幾何水準測量，該方法是通過水準尺和水準儀2 種儀器來測量地面上不同點之間的高差關系，保證在某個區域內沉降監測能得到滿足要求的監測精度[8]。分層標和基巖標監測技術則將基巖面作為水準點，采用埋設分層標和基巖標的方式得到各土層壓縮（膨脹）量等數據，經分析求解各個土層的變形量和地面沉降量[9]?，F有常用的地面沉降監測技術見表1。

表1 現有常用的地面沉降監測技術

目前的監測技術已經實現將監測目標最大化，在各種監測技術里面，水準測量自動化集成過程難度大，很難達到監測數據信息化的要求；GPS 和InSAR 監測準確度常常與各農作物等因素相關，且監測所需費用多；分布式光纖技術仍在積極的研發與試驗過程中；分層標和基巖標存在著傳感密度較低、分析數據不足和實際操作存在難度等問題。

3 地面沉降預測與監測

3.1 地面沉降預測

目前，國內外通常采用灰色理論和模糊神經網絡等方法來預測地面沉降[10]。其中，基于灰色理論的預測方法，在預測上海路家嘴地區的沉降過程中，唐益群和王寒梅通過建立非等時距GM（1，1）①GM（1,1），即灰色動態預測模型，G 表示Grey（灰色）；M 表示Model（模型）；GM（1，1）表示1 階的、1 個變量的模型。模型對沉降進行預測，與實測數據進行對比分析表明，預測數據與實測數據大致相同，預測結果能達到精度要求。通過研究天津市區地面沉降的分布規律，李濤和潘云[11]等將人工神經網絡原理運用到研究中，成功預測了天津市區年度沉降情況。據統計，人工神經網絡的方法常用于地面沉降上下浮動較大的情況，當地面沉降浮動較小、穩定且均勻時，通過灰色理論來進行預測。地面沉降的產生與多種形成機制息息相關，二者之間需求解復雜的非線性問題，因此，為了準確地預測地面沉降出現的可能性，并有效防止災害發生，采用正確的預測方法和建立合適的預測模型是十分重要的。

3.2 地面沉降監測

隨著地面沉降監測技術發展的逐漸加快，全球定位系統（GPS）已得到大力的推廣，區域性水準測量慢慢被替代。例如，針對日本新瀉等區域的沉降情況，日本的Hiroshi[12]通過使用GPS 技術，通過量測結果描繪沉降過程變化圖。1960 年早期，結合多種防治方法的治理效果，上海市鋪設了沉降監測網絡系統[13，14]，緩解了地面沉降的危害。美國也將InSAR 監測技術作為重點研究對象。1990 年以后，隨著大面積的城市建設，高層建筑荷載逐漸加大，城市周邊地下水利用增多，從而導致中心位置在建設過程中出現新沉降并快速發展。目前，為實現長江三角洲沉降情況的全面監測，上海市鋪設了信息系統（LSIS）以及GPS 監測網，通過分析地面沉降圖件成果，實時跟蹤地面沉降變化進程。

4 地面沉降治理措施

4.1 加強組織管理和協調

我國部分地區通過建立專有的管理部門，重點關注地面沉降的防治工作，落實減輕地面沉降災害所需要的費用。雖然部分地區開始規劃地質災害防治方法，并編制相關工作大綱，但針對沉降所開展的專項規劃仍然較少，難以整合地面沉降防治工作的多方資源。因此，應針對不同的城市特點，結合城市規劃實際情況，編寫適用于不同地面沉降問題的治理規劃。同時，需要有法律法規推進地面沉降的防治規劃工作順利開展，給實際實施過程提供支撐依據和效果保障。尤其是多職能部門（如國土、環保、水利等）交叉配合的區域，存在協調和管理難度較大的問題，急需建立法律法規來保障防治工作實施。

建立健全立法工作是加速各區域和城市沉降防治規劃的關鍵環節，可以將沉降防治工作納入法制化管理。當發生大范圍的地面沉降時，常涉及多個區域，僅僅通過單個行政區域采取措施難以達到防治效果。因此，各區域之間的有效協調和配合顯得尤為關鍵，需加強各區域的聯合調度，靈活管理各區域的協同工作。為了給地面沉降的防治措施提供科學的參考依據，仍需搭建全面的沉降防治網絡監測系統，并動態觀測地面形態變化和地下水的活動情況。

4.2 統籌地表水和地下水

通過統計多個地面沉降數據結果可以發現，過度利用地下水是引起地面沉降的主要原因，因此，要合理規劃地下水資源使用。統一調查城市的生產井網，在滿足地面沉降控制的最低標準要求時，對城市可利用資源的情況進行分析，計算出實際開采量，依托統計的可利用資源量統一調度已有生產井網。為防止二次污染的發生，在地下水資源使用后，應當立刻回灌。例如，雨季合理儲存地表水資源，淡季合理使用自來水，并將使用后剩余部分的水回灌地下。針對水資源缺乏的區域，要統籌建設區域的供水工程。

4.3 防護措施

地面沉降常常會導致工程建筑出現不均勻沉降現象，因沉降區域的地面標高不斷下降，引發海水入侵內陸、積蓄洪水出現洪澇等次生災害。為解決沉降的次生災害，通常采用的治理方法有新修或者加高、加固防洪堤、防潮堤、防洪閘等，以輔助河道的疏導疏浚等措施，并通過新建排洪排澇建筑物、抬高建設區域高度、提高地下管網的強度及剛度等方式來緩解危害。在實際城鎮建設中從源頭防治地面沉降，應統一規劃水資源的調配，嚴格把控自然環境與水環境的適應性和協同性，避免盲目開采固體礦產、地下水等地下資源，保證各區域地質環境及條件的穩定性。在項目規劃期間，新建或者擴建項目中如果出現對沉降較敏感的區域，建議最好遠離地面沉降嚴重的區域，對可能發生沉降的危險區域應予以關注。原則上，應將城鎮供水區域布置在離工程建設區較遠的位置，考慮布置在地質及水文條件上對建筑物影響不大的區域，以免帶來不必要的問題。

5 結語

地面沉降的發生過程是不可逆的，一旦形成便難以恢復。通過大量的研究及資料分析發現，嚴重的地面沉降及其造成的災害將對經濟發展、城市建設、交通運輸、環境保護和人民生活造成巨大影響。本文對地面沉降監測技術、預測方法及治理措施進行了深入的研究，指出為減少地面沉降帶來的危害，需全面、綜合地對不同區域的地面沉降進行監測管理，并對地面沉降治理措施展開基礎理論和應用實踐研究，并統籌規劃城鎮建設，加強地面形態的長期觀測及源頭防治，為科學制定沉降治理措施提供依據。