上海地面塌陷研究與風險防控探討

付棟

隨著我國城市現代化建設進程加快，城市基礎建設、房地產開發高速發展，全國城市地面塌陷發生的頻率越發變高。與傳統地質災害不同，城市市政道路塌陷與人類活動和地質發育特征息息相關，發生狀態更為多變、復雜，城市地質環境安全面臨新的挑戰。

北京、武漢、深圳等城市已就地面塌陷開展了一系列調查研究工作，北京市尚側重于“點”上的研究，包括塌陷隱患點探測方法技術、數值與物理模擬、技術標準編制等；武漢市著眼于工程建設對巖溶塌陷的誘發影響，從“面”上出發，已初步建立控制武漢市8 條巖溶條帶的“基礎監測網”、塌陷易發區和工程建設集中區的“重點監測網”、在工程建設場地及周邊影響范圍內或工程運行期間的“運營監測網”等三層次監測網；深圳則“點面結合”，在采用探測檢測手段進行普查的基礎上，全市域范圍內針對較高風險點推行群測群防。國內學者亦對塌陷開展了廣泛研究，研究成果主要體現在塌陷成因機理、塌陷隱患調查技術、塌陷風險評價方法等方面。

上海人口規模在我國位居第一，承擔著探索超大規模城市治理現代化的使命，城鎮規模的不斷擴大增加了城市地質環境的脆弱性。分析新形勢下上海城市道路塌陷問題必須結合上海城市地質特點，構建集“成因機理分析、風險區劃、隱患綜合調查、隱患致災程度評價”于一體的風險防控體系，對于提升塌陷災害風險防控能力具有重要意義。

基礎地質條件

淺部砂層（②3層）是發生地面塌陷的必要條件。上海市中心城區（外環以內）淺部砂層主要分布于蘇州河沿岸（以北岸為主）、上海火車站地區、蘇州河與黃浦江交界處、五角場地區等區域。埋深變化不大，頂板埋深2～4m；厚度變化較大，吳淞江、黃浦江沿岸厚度變化平均約6m。土性一般為粉土、粉砂，呈飽和、松散—稍密狀態，黏粒含量小而粉砂粒含量大，不均勻系數相對較小，黏聚力小而內摩擦角較大，孔隙率和天然含水量較大，滲透系數較小，排水條件較差，具備發生滲透變形和地面塌陷災害的地層條件。其埋藏分布如圖1 所示，典型剖面如圖2 所示。

圖1 淺部砂層（②3層）埋藏分布圖

圖2 淺部砂層（②3層）分布區典型地質剖面圖

地面塌陷風險防控現狀

近幾年來，據不完全統計，上海市發生近百起地面塌陷，外環線以內的靜安、普陀、虹口、楊浦等中心城區占比較大，汛期6—9 月是高發期。因自然因素引發的地面塌陷主要有三種類型：排水管道結構缺陷引發的地面塌陷，暗洪等地基不密實引發的地面塌陷，濱海堤岸區地基不密實引發的地面塌陷。因人為活動引發的地面塌陷主要有三種類型：基坑工程引發的地面塌陷、盾構工程引發的地面塌陷、盾構施工擾動區土體加固不密實引發的地面塌陷。其中，位于市政道路下方的排水管道結構缺陷引發的塌陷具有突發性、離散性、隱蔽性等特點，一旦發生對交通和人民生命財產的安全造成較大威脅。

因此，聚焦市政道路地面塌陷問題，開展地面塌陷成因機理調查，建立風險評價指標體系并進行地面塌陷風險區劃，在風險較高區域利用綜合手段對隱患體進行綜合調查，最后對于發育較穩定的隱患點開展致災程度評價并入庫管理，具有十分重要的意義。

（一）塌陷成因機理

地面塌陷的形成有“內在因素”和“外在因素”，“內在因素”主要為上海市廣泛分布的淺部砂層這一特殊地質條件，由于地下水位高且大氣降水補給呈飽和狀態，易產生滲流液化和震動液化等不良工程地質現象，為地下水土流失提供了物質基礎；“外在因素”主要為地下空間或管道缺陷，為水土流失提供通道，當掏空垮落帶發展到一定規模時，剛性路面不足以支撐路面荷載而發生變形失穩，直至斷裂，從而發生地面塌陷。

（二）塌陷風險區劃

依托GIS 平臺，通過大數據的集成和分析，運用可靠的算法，進行地面塌陷的區域化、等級化的風險評價，完善基礎要素和評價指標體系，形成“上海市淺部砂層分布區地面塌陷隱患風險度評價圖”（圖3），區劃將上海市淺部砂層分布區劃分為四個地面塌陷風險區域，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。還結合降雨等重要致災因素，形成汛期等重點時段的風險區劃（圖4），風險分布的變化帶來防控措施的變化，大大提高了災害預防的針對性。

圖3 地面塌陷隱患風險度評價圖（非汛期）

圖4 地面塌陷隱患風險度評價圖（汛期）

（三）塌陷隱患綜合調查

由于地面塌陷具有突發性和區域分散性等特點，為提高隱患調查的針對性和有效性，構建“地面塌陷隱患綜合調查網絡”，包括“普查網、詳查網、監測網”，并從“空間”和“時間”兩個維度對隱患進行綜合調查與動態跟蹤。

“空間”上由風險區劃所示四個等級的風險區指引，通過人工巡查、隱患區探測和隱患點監測等綜合調查手段，確定隱患點位置；“時間”上表現為從巡查到探測、再到監測，調查頻次的不斷加密，實現對隱患發生發展規模的動態把控（圖5）。

圖5 地面塌陷隱患綜合調查網絡示意圖

依托綜合調查手段，研究制定地面塌陷隱患調查工作指南，并有效上報多處地面塌陷隱患，向市政管理部門發出隱患告知，其中幾處較大隱患得到了妥善處置，保障了交通安全運行。

（四）隱患致災程度評價

根據塌陷隱患的排查成果，構建單個隱患點的“致災程度評價體系”（圖6），將未上報處理的隱患進行入庫管理。評價體系分為隱患基礎信息、地質和水文條件、人為工程活動三個序列，每個序列的指標分為三級。圖6 中括號里的數值為該項指標的總分，將三級指標評分后對每個二級指標進行評分計算，完成一級指標的評分。

將隱患基礎信息、地質和水文條件、人為工程活動三個要素指標由“隱患發育程度”和“隱患發展影響”兩個方面表征，隱患基礎信息用來反映“隱患發育程度”，地質和水文條件、人為工程活動用來反映“隱患發展影響”，通過加權計算，分別得出“隱患發育程度”和“隱患發展影響”的百分制分值并對其進行分級，分級標準見表1。

表1 隱患發育程度及發展影響分級標準

綜合考慮隱患發育程度和發展影響兩個因素的分級結果，形成隱患致災程度分級，等級從高到低分為Ⅰ級、Ⅱ級、Ⅲ級（表2），對應隱患點致災程度為嚴重、較嚴重和不嚴重。對于Ⅰ級致災程度嚴重的隱患點，列為重點關注對象，必要時及時向市政管理部門告知隱患。

表2 隱患點風險度分級表

（五）小結

上海市地面塌陷風險防控構建了“成因機理分析—風險區劃—隱患綜合調查—隱患致災程度評價”的災害預防體系，由“面”到“點”逐步確定隱患范圍，大大提高了地面塌陷隱患排查與識別的效率，提升了地面塌陷災害風險防范能力。但各方市政管理部門的數據共享機制與多源異構數據的同一化管理均有待進一步優化，新形勢對上海市地面塌陷災害防治工作提出了更高要求。

問題與思考

（一）塌陷機理研究方面

對城市地面塌陷進行成因機理分析及分類，是城市地面塌陷預防、探測、治理、研究的基礎和關鍵問題之一，而城市之間的區域地質背景、工程地質水文地質問題、地質災害發育程度等不盡相同。目前，上海市道路塌陷的成因機理研究僅側重于歸納總結、土體的物理力學特性研究和數值模擬。而模型試驗可以更為直觀地研究水力管線內水體流速與侵蝕發展的關系以及不同影響因素對侵蝕發展狀態的影響，對于上海市廣泛分布的淺部砂層和較高的地下水位這種特殊地層結構，可以考慮利用現場試驗或小規模模型試驗探索地下水滲流場和土體變形之間的關系，更為直觀地研究管道滲漏對地下空洞發展規律的影響，為完善深部土體監測手段提供實踐依據。

（二）隱患排查方面

傳統地質災害的風險評價綜合考慮地質環境、人為活動、經濟社會等因素，利用科學算法指導災害防控措施的制定，與其不同的是，城市塌陷災害的人為活動因素表現得更為突出。目前上海市道路塌陷風險評價指標體系初步用“人為抵御風險能力”中的“日常管理能力”和“應急處置水平”等因素來考慮城市管理者的管理能力對塌陷風險分布的影響，但由于道路塌陷的發生涉及市交通委、市水務局、市住建委等多個部門，各方統籌協調的防治責任制度有待建立，如何將以上評價因素根據防治責任主體進行定量化評價還有待進一步研究。

更為重要的是，在隱患識別與排查過程中，無論是能夠提供差異化防控建議的“風險區劃”，還是指導調查排查工作開展的“工作指南”等，都依托大量的基礎數據，而該數據是隨著基礎地質、氣象氣候、人為工程活動、經濟社會條件等的變化而不斷發生變化的。若能在市級層面上進行多源異構基礎數據的同一化管理，進而篩選、調用與融合，提高數據的有效利用率，便能夠極大地提高隱患排查的時效性和針對性。

各塌陷防治責任主體之間若能夠基于部門協同的原則，建立數據共享機制，打破數據要素市場壁壘，有助于數據多向流動。隱患排查數據成果亦可反饋至城市建設主體，為相關決策提供方向。

（三）風險防控方面

在技術層面上，現有研究通過區劃和排查手段的結合初步實現了塌陷的差異化防控，但依舊面臨塌陷隱患入庫管理與調用、致災程度評估和跟蹤監測預警等一系列難題，相關技術標準與工作流程有待進一步研究。

在管理層面上，隨著塌陷災害防治關口的前移，工程建設的市政管理部門落實主體責任、政府部門落實監管責任、政府技術支撐單位落實風險告知責任，構建跨行業、跨部門的市級協調平臺，對深化地面塌陷風險防控具有十分重要的意義。

結語

通過對地面塌陷開展成因機理、風險區劃、隱患綜合調查、隱患點致災程度評價等系統性研究，初步構建了上海地面塌陷風險防控體系，提高了隱患排查的效率，為市政管理部門及時消除路面塌陷隱患提供有力技術支撐。

但城市精細化管理對地面塌陷防治工作提出了更高要求，需進一步加強災害成因機理、發生發展規律等基礎理論研究，探索隱患探測、監測預警的新方法新手段，完善市區聯動、部門協同的防治責任體系。搭建集“風險區劃基礎數據”與“隱患點信息”于一體的大數據平臺，在基礎調查、科技創新、聯防聯控中尋求增強城市韌性的方法與途徑，最大程度保障城市安全運行。