地面沉降综合防治技术方法
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发布时间：2022-04-23 15:29
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时间：2023-07-01 07:16
一、内容概述
地下水开采和工程性建设是影响上海市地面沉降的两大主要因素。针对这两大因素，分别开展了地面沉降防治技术方法研究，其中地下水开采方面包括地面沉降机理、地面沉降模拟预测以及地面沉降防治3个层面的工作；工程性地面沉降防治包括地面沉降规律研究、地面沉降监测体系建设、地面沉降防治技术研究。
（一）针对地下水开采引起的地面沉降
1.地面沉降机理
在分析地面沉降监测成果的基础上，根据承压含水层应力-应变规律，研究承压含水层在不同应力状态下的变形特征和“弹性—弹塑性—塑性”变形规律，通过开展室内土层变形试验，研究地下水开采土层变形机理。
图1 上海市第二和第四承压含水层应力-应变规律
2.地面沉降模拟预测
针对上海地面沉降不同的时空变化特征（图1），建立真三维地下水 地面沉降耦合模型，充分考虑了含水层压缩变形等因素，建立了渗透系数与孔隙比、土层体积压缩系数与有效应力和孔隙比等之间的函数关系，模拟了含水层系统的非均质特性，实现了大范围、垂向含水层和弱透水层结构复杂等条件下地面沉降演化过程的模拟及预测（图2）。
图2 耦合三维水文地质结构模型的地面沉降过程模拟
3.地面沉降防治
上海每年在深入分析上年度地下水开采与回灌格局及地面沉降情况的基础上，通过地面沉降数值模型预测确定下一年度全市地下水开采和回灌量，调整地下水开采与回灌布局规划，制定各区县、各含水层地下水开采与回灌目标，进而具体到每口井的开采回灌量的分配。
（二）针对工程性建设引起的地面沉降
1.工程性地面沉降影响规律
根据地质结构特征和基坑工程的实际工况，结合基坑不同降水深度和围护结构插入深度的组合类型，分别建立开挖和降水引起的地面沉降数值分析模型，并依托基坑工程开展地面沉降影响范围全覆盖监测工作，通过综合分析和总结得到基坑工程开挖和降水引发地面沉降影响的规律（图3，图4）。
图3 上海世博变电站基坑开挖地面沉降曲线
说明：世博变电站开挖深度约34m，进入到第⑦1层砂质粉土中，基坑围护结构采用地下连续墙，深度为57.5m，进入到第⑧1层黏土中，隔断了降水目的层，基坑开挖引发的地面沉降范围较小
2.建立地下空间工程地面沉降监测体系
根据地下空间开发中基坑和隧道工程施工引发的地面沉降数值分析，结合大量实测工程数据，并依托基坑工程地面沉降监测试验，研究确定地下空间开发地面沉降监测工程类型、监测范围、监测内容以及监测频率等的关键技术及方法，建立地下空间工程地面沉降监测体系（表1，表2；图5）。
图4 轨道交通10号线国权路站基坑数值计算与实测结果对比图
说明：轨道交通10号线国权路站最大开挖深度为18.51m，采用坑外降水的基坑工程，因无隔水帷幕的阻挡，降水目的层的水头大幅下降，引发周围区域地面沉降非常显著，其影响范围可达到10H（H为覆土厚度）
表1 考虑地质条件下的基坑分类一览表
表2 地下空间开发中基坑和隧道工程建设地面沉降监测范围分区
说明：表中D为隧道底板埋深，H为覆土厚度。基坑工程一般在距离基坑边界3H左右范围内地面沉降较显著，是目前基坑施工的常规监测区域，定义为地面沉降常规监测区域；在3H以外的地面沉降影响区域，地面沉降量相对较小，但影响范围较广，对区域地面沉降防治不利，一般通过有效防治措施可将地面沉降量和影响范围控制在有限范围内，该区域定义为地面沉降重点控制区。
图5 地下空间开发地面沉降监测体系
说明：地下空间开发地面沉降监测体系将工程建设安全和地面沉降控制融为一体，体现了地下空间开发地面沉降的特点。地下空间开发地面沉降监测体系以区域地面沉降监测网络为基础，制定地下空间开发地面沉降监测方案，包括监测范围、监测项目、监测网（点）布设、监测频率等，利用地面沉降监测技术方法进行监测，并同步开展监测成果分析，实时控制地面沉降风险，当监测数据报警时，立即启动地面沉降风险预警，采取地面沉降防治措施，并进行应急处置，为地下工程安全运营提供保障
3.工程性地面沉降防治——浅层地下水人工回灌技术
依托重大市政工程，建立大型试验场，通过试验研究，深入探索了浅层地下水回灌的技术方法、工艺流程等，总结了回灌对控制工程降水引起的地下水位降低及防治地面沉降的综合效果，建立了较为完善的地下水人工回灌技术流程（图6），进一步补充完善了地面沉降防治技术体系，为新形势下地面沉降防治工作提供了重要技术支撑。
二、应用范围及应用实例
（一）应用范围
地下水开采地面沉降防治技术主要应用于由地下水开采引起的地面沉降地区，工程性地面沉降防治技术主要应用于城市地下空间开发引发的地面沉降。
图6 浅层地下水回灌试验场工作部署图
说明：以往地下水人工回灌工作主要集中在深层承压含水层中进行，对浅层承压含水层的回灌工作开展较少。与深层承压含水层相比，浅部微承压含水层由于其含水层颗粒较细，且含有较多黏性土颗粒，含水层渗透性较差，对地下水人工回灌的开展带来了一系列不利影响。依托轨道交通10 号线同济大学车站的施工，建设浅部含水层回灌大型试验场，开展浅部含水层回灌工作方法与流程试验研究，并深入探讨了浅层承压水回灌对周边地下水位及地面沉降的影响
（二）应用实例
1.2011年上海市地下水开采与人工回灌
（1）2010年地面沉降控制效果评价
2010年通过大幅压缩地下水开采量、稳步增加地下水回灌量等地面沉降防治措施，使上海市第Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ承压含水层地下水位较上年同期均有明显抬升，尤其是大幅压缩了第Ⅳ、Ⅴ承压含水层地下水开采，使水位抬升幅度较大达0.1～4.4m。
通过各项地面沉降控制措施的开展，2010年上海市地面沉降量较上一年度进一步有所缓和，总体实现了在“十一五”末期地面沉降量在7mm/a的基础上进一步有所降低的控制目标，但在大虹桥区域、嘉定南翔、闵行梅陇及浦东张江、三林、外高桥等局部地区仍有地面沉降量大于20mm的漏斗，漏斗中心极端地面沉降量达100mm，不均匀沉降现象仍较突出。
（2）2011年地下水开采与人工回灌方案
在分析2010年地下水采灌现状、调研地下水回灌设施与供水基础设施建设状况等基础上，依据地面沉降防治现状及面临的形势，结合地面沉降“十一五”防治实施情况，确定2011年地下水开采与人工回灌目标：2011年上海市地下水开采量控制在2000×104m3以内；全市人工回灌量在确保完成2000×104m3（第Ⅳ承压含水层应达到500×104m3）的基础上，力争形成2300×104m3的回灌能力。具体分配方案见表3。
经过模拟计算，通过该方案的实施，上海市在2011年各承压含水层的水位有不同幅度的上升，上升幅度为0.2～2.4 m，其中第Ⅳ承压含水层地下水位预期上升幅度较大，为0.8～2.4m；全市地面沉降有进一步的降低。
表3 2011年上海市地下水采灌方案水量分配
（3）2011年地下水开采与人工回灌方案实际实施效果
图7 上海市中心城及周边地区地面沉降等值线图（2011年）
2011年上海市实际地下水开采总量为1350.54×104立方米，以第Ⅳ、Ⅴ承压含水层为主，分别占总开采量为44.96%、44.23%。全市实际地下水人工回灌总量为1861.04×104m3，地下水人工回灌以第Ⅱ、Ⅲ承压含水层为主，分别占总回灌量的33.36%、32.34%，第Ⅳ承压含水层回灌量也达到了374.16×104m3。
通过大幅压缩地下水开采量、开展人工回灌等地面沉降防治措施，使上海市第Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ承压含水层地下水位较上年同期均有较为明显的抬升，尤其是大幅压缩第Ⅳ、Ⅴ承压含水层地下水开采地区，水位抬升幅度达0.1～7.1m。
通过各项地面沉降控制措施的开展，2011年上海市平均地面沉降量为6.0mm，其中中心城、郊区沉降量分别为3.8 mm、6.2mm（图7）。
2.轨道交通13号线祁连山南路站基坑降水
将工程性地面沉降防治技术应用于13号线祁连山南路站基坑工程中，对基坑降水设计进行了优化，引入浅层地下水回灌，并制定了基坑内外地下水位控制条件，从基坑地下水位实测数据出发开启回灌井，控制降水量和回灌量，实测数据显示基坑工程地面沉降控制效果显著，浅层地下水回灌控制地面沉降效果良好（图8）。
图8 轨道交通13号线祁连山南路站基坑降水与地面沉降关系
三、推广转化方式
通过参加或举办国际、国内地面沉降会议，发表科技论文等方式，对成果进行宣传推广。2000年以来先后参加了第六届意大利国际地面沉降会议、第八届墨西哥国际地面沉降会议，并成功举办了第八届上海国际地面沉降会议。此外参加了第一届、第二届、第三届全国地面沉降会议，在国内外期刊上发表数百篇有关地面沉降防治的科技论文。
技术依托单位：上海地质调查研究院
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