区域地面沉降的主要因素研究

蔡干序，陈 琼，杜伟吉

(1.南京地铁资源开发有限责任公司，江苏 南京 210012；2.南京市测绘勘察研究院股份有限公司，江苏 南京 210013)

0 引 言

基于某区域21期地面沉降监测数据，对该区域地面沉降及地下水位变化引起地下构筑物沉降的主要因素进行了研究。本文从该区域地面沉降和各土层分层沉降特征及地下水位变化规律入手，综合分析该区域沉降和地下水位变化与地下构筑物的沉降规律，生成沉降等值线云图进行技术分析对比后，将区域地面沉降的风险进行等级划分，从而实现定期对区域地面沉降引起的风险进行预测、预报。

1 区域地面沉降规律分析

该区域地层是典型的河流冲积二元结构，表层为45～65 m厚的第四纪软土，沉积物主要由上部漫滩相细粒沉积物和下部粗粒河床沉积物组成。上部漫滩相土层主要为淤泥质粉质粘土、粉质粘土和粉土层。其中，淤泥质粉质粘土层分布广泛，埋藏浅，层厚约4～35 m不等。该土层具有高压缩性、高灵敏度、低强度、低渗透性等特征。其工程特性表现为低地基承载力、扰动后易变形且稳定时间长等，而该区域地下构筑物主要处于此种地层中。施工扰动或剪切破坏的重塑土的再固结土体，建设过程的加卸载也会导致地下构筑物产生长期沉降和沉降差[1]。

该区域的地面沉降监测网每年监测4次(分别于2、5、8、11月监测)，每期至少采集40个监测点的二等水准高程数据，本次选择40个测点历时63个月的21期沉降监测数据按沉降速率分类统计，并绘制等值线云图。如图1所示，该区域平均沉降量为69 mm，平均沉降速率为0.036 mm/d。

图1 沉降数据统计图

图2 地表沉降等值线云图

图2为该区域地面沉降等值线云图。可以发现，区域中有3处明显沉降区(沉降漏斗)，其中心位置分别位于集庆门大街、油坊桥和滨江风光带-雨润路口。具体沉降数据如表1所示。

表1 三大沉降漏斗沉降数据情况

2 地下水位变化对区域沉降的影响

为了分析工程施工对地面沉降的影响，分别选取在监测时间段内没有重大工程施工(地下水位在自然变化区间内)和附近有工程施工的沉降监测点进行沉降量对比分析[2](表2)。由表2可知，没有重大工程施工的监测点的沉降量均小于整个区域的平均沉降量，由工程施工引发的沉降量明显大于因自然地下水位变化引发的沉降量。可以初步分析非人工降水引起的地下水位的变化是区域地面沉降的影响因素之一，但并不是最主要的影响因素。大规模的人工降水工程施工才是引发区域沉降的主要原因。

表2 有工程施工影响和无工程施工影响相邻地表沉降量对比表/mm

3 区域沉降风险预测

图3 雨润路口累积沉降

该区域地层按时代和土层物理力学性质差异可分为4个工程地质层[3]：淤泥质粉质黏土层、粉质黏土层、粉细砂层和粉土夹层。以雨润路口各土层累积沉降情况为例(图3)分析可知，淤泥质粉质黏土层为沉降所占比例最大的土层。通过对所有测点的统计分析，发现砂土层的沉降梯度于0～1 mm/m区间，粉质黏土层的沉降梯度主要集中于1～2 mm/m区间，而淤泥质粉质黏土层的沉降梯度大于2 mm/m区间。

由于淤泥质粉质黏土层是沉降量最大的土层，依据下部土体中黏土层厚度和累计沉降量对实验区进行沉降风险等级分区。依据地质勘察资料将该区域自北向南划分成了5个区域(图4)。其中，I区为沉降高级风险地区，黏土层厚度在30 m以上；I区和IV区为中级沉降风险地区，II区淤泥质粉质黏土层厚度25～35 m，IV区土层厚度20～30 m；而III区和V区为低沉降风险地区，III区黏土层厚度0～20 m,V区黏土层厚度10～20 m。

图4 实验区沉降风险分区图

利用数值模拟方法[4]对不同沉降风险区域内建(构)筑物加载引发的分层沉降进行计算分析[5]，对于满堂基础，建(构)筑物加载所产生的沉降在各个土层中的比例可参见表3。由表可知，在各区中沉降最大的为淤泥质粉质粘土层。

表3 满堂基础建筑物加载在各分区土层沉降比例 %

4 地面沉降与地下构筑物沉降关系

4.1 地下构筑物与地面的沉降关系

通过对某地铁结构与区域土层沉降对应关系图(图5)的比较分析，发现区域土层沉降与某地铁结构的沉降量存在一定的关系：里程为K0+300的油坊桥段、K8+850的集庆门大街站附近区域地面沉降和某地铁结构的沉降均较大，有明显的一致性；而里程为K3+800的雨润路口段、K5+900的向兴路西区域地面沉降也十分明显，但某地下构筑物沉降并不明显，也无明显的对应关系。雨润路口和向兴路西监测点附近，某地下构筑物底部埋深分别为20 m和17 m，某地下构筑物下卧土层均为粉细砂层，而此两个监测点的区域沉降主要产生于地下构筑物上部的淤泥质粉质黏土层中，地下构筑物下方的土体中产生的沉降量很小。对于区域地面沉降和地下构筑物沉降槽位置重合的地方，地下构筑物均位于淤泥质粉质黏土层中，地下构筑物下方的淤泥质粉质黏土层均具有一定厚度。

图5 某地下构筑物与区域地层沉降对应关系图

分析认为，区域地面沉降和某地下构筑物沉降与该区域主要沉降土层和构筑物下卧层有关，如区域主要沉降土层位于某地下构筑物上方，其对某地铁结构的影响很小，反之较大。

4.2 远期该区域地下构筑物沉降预期

以沉降分区图对该区域某地下构筑物的沉降情况进行预测，如图6所示。

由图6可以发现：① 某拟建地下构筑物在莫愁湖～清凉山区间，雨润路-中胜-新城科技园段穿过了沉降风险较高的II区、IV区，拟建地下构筑物可能会产生较为明显的沉降。② 位于该区域的地下构筑物可能位于沉降风险高的I区，这一段的线路结构(绿博园-中保区间)容易发生较大的沉降。尤其是汉中门大街-管子桥-中保路区间，产生沉降的风险较高，需在施工中引起足够的重视。

图6 沉降分区图

5 结 语

本文通过对该区域沉降、地下水位变化规律及原因分析，发现区域沉降受大范围建筑物加载与地下水位变化的影响最为明显，沿深度方向的土层压缩主要发生在淤泥质粉质黏土层。明确了区域地面沉降对地下构筑物沉降的影响程度与区域主要沉降土层和地下构筑物的相对位置有关。当区域主要沉降土层位于地下构筑物下方时，其对地下构筑物的影响较大，反之影响较小，分析结果与长期监测数据完全吻合。用科学的方法研究、分析区域地面沉降规律，建立准确的变形预测模型，可以对地面和地下构筑物沉降量进行预测、预报，从而实现提前对区域地面沉降而引起的地质灾害进行预防和处理。