上海地区地面塌陷形成机理分析研究

陈 敏，何招智，袁家余

(1. 上海市岩土工程检测中心，上海 200436；2. 上海市地矿工程勘察院，上海 200072)

根据联合国人口基金会的最新研究，到2030年全球将有50亿人居住在城市，占世界总人口的58%以上；对中国而言，据中国社科院《2011年度中国社会状况综合调查》统计，2011年我国城市化率首次超过50%，到2030年我国将有10亿人口居住在城市，城市化率将超过65%。无论是全球还是我国，未来城市将是人口汇聚集中之地，这对城市的基础设施、人居环境、土地资源等综合承载能力提出了考验，除了大家熟知的热岛效应、交通拥挤、人口膨胀、环境恶化、资源紧张等大城市病的日益严重以外，近年来城市地面塌陷成为威胁城市安全的新型地质灾害之一。北京、深圳、上海等特大型城市的地面塌陷呈不断增长趋势，损失和危害也逐渐增大。据不完全统计，北京市道路塌陷2007年54起、2008年94起、2009年达到129起；上海自2009年以来每年发生数十起城市地面塌陷，2017年10月，市区某老旧居民建筑内发生塌陷面积10多平方米、深度达3.6m的塌陷深坑，给居民生命和财产安全带来极大威胁。随着西部城市基建规模的增长，城市地面塌陷由东部城市逐步向西部城市漫延，2016年8月兰州市曾经3天连续发生8起地面塌陷。根据研究成果，城市地面塌陷主要发生在浅地表，由不利（良）地质条件、不良地质作用（现象）、诱发因素及宏观经济活动等共同作用的结果。本文通过2003～2014年上海地区发生的上百个塌陷案例，总结不同类型地面塌陷的形成机理，为城市地面塌陷防治和人居安全对策提供技术支撑。

1 上海地区地面塌陷的主要类型

按照定义，地质灾害是指由于自然或人为作用，多数情况下是二者协同作用引起的，在地球表层比较强烈地破坏人类生命财产和生存环境的岩土体移动事件。显然地面塌陷属于地质灾害，根据上海地区地面塌陷案例研究，人为作用主要是指基坑、盾构、开挖等施工，无明显施工过程即为自然因素。施工过程中发生地面塌陷即人为活动引发，没有明显施工过程即为自然因素引发，多数情况下是二者共同作用的结果。为了区别两类，根据地面塌陷地质灾害的主要影响因素即自然因素为主、人为活动为主来划分，根据研究结果[1]，上海地区地面塌陷因自然因素为主引发的地面塌陷主要有3种类型：排水管道结构缺陷引发的地面塌陷，暗浜等地基不密实引发的地面塌陷，滨海堤岸区地基不密实引发的地面塌陷。因人为活动为主引发的地面塌陷主要有3种类型：基坑工程引发的地面塌陷，盾构工程引发的地面塌陷，盾构施工扰动区土体加固不密实引发的地面塌陷。

2 上海地区地面塌陷的形成机理

2.1 自然因素为主引发地面塌陷的形成机理

（1）排水管道结构缺陷引发地面塌陷的形成机理

排水管道结构缺陷主要包括错位、脱节、破裂、渗漏等，排水管道结构缺陷的主要原因包括基础不均匀沉降、管材质量差、接口填料及施工质量差、检查井不合格、闭水试验不达标等。当管道产生结构缺陷时，排水管线为水土流失提供通道，排水管道标高与区域广泛分布的浅层砂即砂质粉土（②3层）标高基本一致，该层结构松散、透水性强易于流失，排水管线缺陷附近逐渐形成水土流失带、松散发育带、掏空垮落带、变形沉降带等。

水土流失带：管道缺陷附近浅层砂在地下水动力作用下，通过缺陷空隙流入管道内，初期形成圆形或椭圆形塌落拱，塌落拱周围砂性土逐渐被渗透破坏而流入管道内，使得塌落拱逐渐扩大，形成水土流失带，见图1(a)。随着水土流失的持续，在水土流失带与排水管道之间形成水土流失通道，地下水对通道中的土体或空隙中的充填物进行冲蚀、掏空，使空洞逐渐增大，水土流失带范围逐渐扩大，形成水土流失带空腔。

松散发育带：由于砂性土松散，初期流失的主要为砂颗粒；黏性土由于黏聚力的作用，颗粒结合紧密不易产生破坏而流失，因此砂性土中黏粒含量提升会延长水土流失时间。随着水土流失带塌落拱的扩大，拱顶上方土体失去支撑作用，在重力和水压渗透破坏的双重作用下，部分砂颗粒流失，使土体的孔隙增大，密度减小，形成松散发育带，见图1a所示的松散发育带。

掏空垮落带：松散发育带地下水的流失大于补给量，地下水位也随之下降，塌落拱顶的水浮力也随之减小，土体支撑力也逐渐减小，土体因失重而逐渐垮落流失，松散发育带下方变成掏空垮落带。这时松散发育带继续向周围扩大，逐渐延伸到刚性路面的下方，形成图1(b)中的掏空垮落带。

变形沉降带：由于松散发育带的土体孔隙增大，密度减小，支撑力也就相应减小，这样松散发育带上方的土体因失重逐渐下沉，左右两侧土体向中间位移，形成变形沉降带。随着水土流失带、松散发育带的扩大，变形沉降带范围及沉降量随之增大，掏空垮落带范围延伸到刚性路面板下方，形成空洞，见图1(b)。根据有限元计算，当空洞直径超过1.2m时易瞬间坍塌。

图1 排水管道结构缺陷初期引起水土流失(a)及后期引发地面塌陷(b)形成机理示意图Fig.1 Formation mechanism sketchs of soil erosion (a) and ground collapse (b) caused by structural defects of drainage pipes

案例：上海市区沪太路某路段地面发现沉降凹陷，经探地雷达探测（图2a），塌陷空洞深度约3m，松散发育带长约4～5m，宽约2～3m，路面下空洞直径约0.6m左右，尚未达到塌陷临界状态，经闭路电视检测附近排水管道因脱节导致水土流失（图2b）。由于发现及时，采取注浆等措施，避免了地面塌陷的发生。

（2）暗浜等地基不密实引发地面塌陷的形成机理

图2 地面塌陷的探地雷达探测(a)与闭路电视检测(b)Fig.2 Ground penetrating radar (a) and closed circuit television (b)detection of ground collapse

上海位于东海之滨，历史上水运业发达，浜河纵横交错，经过长时间的利用、改造，形成暗浜较多，形式各异，给工程勘察带来一定的难度。地基不密实主要由于明浜、暗浜由于勘察不明或地基处理不当，使得地基回填松散，土层颗粒不匀、孔隙度大，形成明、暗浜发育区地基回填土不密实的不良地质条件。

由于明、暗浜地基处理不当，造成道路回填不密实，形成刚性道路面板下方的空洞，如图3所示，自下而上分别形成暗浜发育带、回填疏松带、孔隙空洞带、路面沉降带，其中暗浜发育是路面下空洞形成的主要原因，回填疏松带土体的固结沉降，上部形成孔隙、空洞，随着空洞的逐渐扩大，刚性路面失去支撑作用，也就逐渐沉降、开裂，直至坍塌，形成地面塌陷。路基下的燃气、给水等管线由于失去支撑作用而发生断裂，出现漏气、漏水等现象，造成次生灾害，比地面塌陷的危害后果更大。

图3 暗浜地基不密实引发地面塌陷形成机理(a)及探地雷达探测堤岸地基空洞(b)Fig.3 Formation mechanism (a) and ground penetrating radar detection(b) of ground collapse caused by leakiness of foundation

案例：2014年7月某小区主干道混凝土路面下沉断裂、燃气管泄漏，经工程勘察、物探，路基原为暗浜，经多次回填，回填土最深达3m，主要为碎石、砖块、垃圾等，土质不均、结构松散、含水率较高；暗浜区域土体加固不密实，在道路荷载作用下，路基下沉，在路面水泥板与回填土之间形成脱空层，空洞处厚度达50cm以上，脱空区域面积约数十平方米，导致路面沉降、坍塌，燃气管道泄漏，危及居民安全。

（3）滨海堤岸区地基不密实引发地面塌陷的形成机理

上海位于东海之滨，境内海岸线长达172km，此外还分布有长江、黄浦江等重要河流堤坝，崇明、长兴岛、横沙等三岛海堤等，海堤累计长度达数百千米。近年来由于环境恶化，自然灾害频繁，台风、潮汐等影响日益加剧，部分海堤出现了不同程度的沉降、渗漏、脱空等地质灾害现象。其中剥蚀作用、搬运作用是堤岸地基不密实的主要不良地质作用，堤岸剥蚀的外营力主要包括海流、波浪、潮汐、水流等，堤岸附近的风力也是外营力之一，这些外营力通过水流、风力反复侵蚀破坏并不密实的堤岸地基，使原有堤岸地基中的空洞、脱空逐渐扩大，同时外营力把这些破坏了的袋装砂、石子等碎屑物随水流搬运到江海中，形成堤岸地基的水土流失，造成堤岸沉降，严重时出现堤岸塌陷。

在堤岸地基不密实段会形成机械冲刷带、沉降滑移带、掏空流失带，如图4所示，其中机械冲刷带是由潮汐、台风作用下的强大水浪反复冲刷堤岸栅栏板，当堤岸地基不密实存在裂隙、脱空、空洞时，水流在巨大冲击力的作用下沿裂隙、空洞等通道，冲刷、侵蚀堤岸地基，使堤岸地基中的块石产生新的裂隙，并逐渐断裂、粉碎及位移；同时袋装砂在水浪的反复冲击下，逐渐撕裂编织袋，这时砂与碎石在落潮时随潮水一起滑入江河中，经过年复一年的反复作用，逐渐掏空原有的裂隙、脱空、空洞等不密实地基，使掏空流失带逐渐扩大，形成更大的水土流失通道。掏空流失带上方地基因此失去支撑力，同时在水流作用下裂隙空洞发育，形成沉降滑移带，在重力和水浪冲击力的作用下，容易发生整体滑移落入江河中。由于掏空流失带的发育，堤岸顶部会出现沉降、塌陷。

图4 堤岸地基不密实引发地面塌陷形成机理Fig.4 Formation mechanism of ground collapse caused by leakiness of embankment foundation

案例：宝山某油码头由于堤岸基础中的空洞、脱空、疏松等原因，地基严重沉降，造成引桥(桩基础)与混凝土路面(堤岸地基)差异沉降达38.2cm，堤岸路面与引桥脱开，通过探地雷达探测到地基空洞发育。

2.2 人为活动为主引发地面塌陷的形成机理

（1）基坑工程引发地面塌陷的形成机理

基坑施工引起地面塌陷是由于基坑施工过程中围护体出现位移、坍塌，导致坑外土体沉降、滑移，从而引发地面塌陷，在城市地面塌陷中较为普遍。围护体出现位移、坍塌是基坑施工引发地面塌陷的主要原因，围护体出现位移、坍塌主要由于施工质量、设计、勘察等原因；有些围护体虽未出现坍塌，但因围护体渗漏或围护体深度不足，在坑内降水、挖土、坑内土体回弹等因素作用下，坑外水土通过围护体渗漏处或围护体以下流入坑内，产生水土流失现象。如图5所示的基坑工程示意图，围护体底部位于砂性土层，坑外承压水位、潜水位一般均较高，当坑内挖土时，需采取降水疏干措施，当围护体深度不足时，坑外水土在坑外与坑内之间的高水头差作用下，围护底部发生类似于管涌现象的砂性土流入坑内，形成基坑坑底隆起，随着砂性土的流失，上覆黏质粉土、淤泥质黏土等土层将会下沉、位移。

图5 基坑工程引发地面塌陷的形成机理(a)及塌陷现场(b)Fig.5 Formation mechanism (a) and scene (b) of ground collapse caused by foundation pit engineering

当围护、支撑体系强度不足以支撑坑外水土压力时，会发生支撑失稳、围护断裂，围护体附近水土瞬间倾覆落入基坑，形成坍塌陷落带，附近楼房出现倾斜或倒塌，地下管线断裂；在坍塌陷落带外围，部分土体也流入基坑，造成土体脱空，地表下沉，形成脱空沉陷带；在脱空沉陷带外围土体流失相对减小，出现土体疏松、沉降，地表因土体沉降出现裂缝，形成疏松裂缝带；在疏松裂缝带外围水土流失较小，以地面沉降为主，形成地面沉降带，如图8所示，这四个发育带根据基坑深度和基坑坍塌程度不同，通常在地面延伸可达数十米。

案例：2011年4月市区某基坑围护工程因围护桩断裂导致周边路面塌陷区域长约50m、宽约10m、深约4m，造成工地周围围墙倒塌、电线杆下陷两三米，附近居民房屋开裂，现场见图5(b)。

（2）盾构工程引发地面塌陷的形成机理

盾构工程引发地面塌陷主要是指盾构施工过程中产生的地面塌陷。上海地区地铁盾构隧道施工的深度一般为15～25m，在⑤2层砂质粉土发育区域，⑤2厚度可达几米到十几米，⑤2层埋深与盾构隧道埋深几乎相当，有些地段甚至整个盾构断面位于⑤2层中，由于⑤2层含砂量较高，又是微承压水层，水压力相对较高，盾构推进过程中在排土口易出现喷砂涌水，盾尾发生漏水、漏沙现象；如果注浆效果不好，在盾构进出洞时，洞门钢筋砼的破除形成水压力释放区，在洞口易产生漏水、流沙现象，盾构隧道出土成为水土流失通道。如图6所示，这样在盾构上方出现水土流失带；如果不能及时发现险情，立即采取注浆加固措施，水土流失范围扩大，水土流失带上方土体出现掏空并垮落，形成掏空垮落带；在掏空垮落带上方的土体部分流失、下沉，形成松散发育带、变形沉降带；随着水土流失的持续，地面以下形成空洞区，当空洞区扩大到一定范围时，和管道引起路面塌陷一样，路面刚性板沉降、断裂、坍塌，形成地面塌陷。

案例：2008年7月上海轨道交通10号线陕西南路、南昌路附近（靠近陕西南路站），因盾构施工引发地面塌陷，塌陷直径1.8m、深度达6m，如图6(b)所示。

图6 盾构工程引发地面塌陷的形成机理(a)及塌陷现场(b)Fig.6 Formation mechanism (a) and scene (b) of ground collapse caused by shield tunneling

（3）盾构施工扰动区土体加固不密实引发地面塌陷的形成机理

盾构施工扰动区土体加固不密实引发地面塌陷，主要是指盾构施工时扰动区域的土体加固不密实，松散土体经长期(通常几个月甚至几年)固结沉降，形成脱空、空洞，引发地面塌陷。这类塌陷的形成机理与自然因素中地基不密实引发地面塌陷的形成机理相类似，自下而上会形成固结沉降带、扰动松散带、空洞发育带、地面沉降带，其中扰动松散是地下空洞形成的主要原因，由于此类空洞形成周期比较长，不易察觉，往往难以预防。

3 结语

世界有超过50%的人口生活在城市，而浅地表是城市人居环境中最为密切、最为敏感的部分，浅地表与城市工业生产和人民生活息息相关；城市地面塌陷恰恰发生在浅地表，地面塌陷使城市浅地表变得更为脆弱、更加复杂，对城市危害越来越大。

根据研究，我国城市地面塌陷是近十年来伴随城市化进程不断加快、基建投资快速增长，城市浅地表地质和道路承载能力不足而引发的地质灾害现象；地面塌陷具有隐蔽性、突发性和破坏性等特点，预警难度大、防范压力大、社会影响大，并呈现不断增长趋势。城市人口快速增长所带来的大规模工程建设和工业生产等人类活动，特定的浅地表地质环境条件，决定了我国城市地面塌陷将呈长期高发态势。

通过对2003～2014年上海地区地面塌陷的案例分析，地面塌陷主要发生在10m以内的浅地表，是由不利（良）地质条件、不良地质作用（现象）、诱发因素及宏观经济活动等共同作用的结果。按地质灾害中的自然因素为主、人为活动为主划分为六种地面塌陷类型，对各类地面塌陷的形成机理进行了分析和研究，并以图示和案例形式分析水土流失、空洞产生、地面塌陷等成因与变形破坏机理。

通过研究与试验，探地雷达、三维雷达、高频地震、瑞雷波等物探方法是目前较为有效的地面塌陷探测预警手段。三维雷达具有探测效率高、信息量大等特点，适用于城市地面塌陷普查；探地雷达具有探测深度相对较大、精度较高等特点，适用于城市地面塌陷详查。