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1、地面沉降讲座 Still waters run deep.流静水深流静水深,人静心深人静心深 Where there is life,there is hope。有生命必有希望。有生命必有希望l1、地面沉降概述l l1.11.1地地面面沉沉降降的的定定义义、原原因因、机机理理及及其其危害危害l1.1.11.1.1定定义义：地层在各种因素的作用下，造成地层压密变形或下沉，从而引起区域性的地面标高下降。l1、地面沉降概述l1.1.21.1.2地面沉降的原因地面沉降的原因：l（1）自然因素l新构造运动引起的地面沉降；l海平面上升导致地面的相对下降（沿海）；l土层的天然固结（次固结土在自重压密下的固结
2、作用）。l1、地面沉降概述l1.1.21.1.2地面沉降的原因地面沉降的原因：l（2）人为因素：l抽汲地下气、液体引起的地面沉降。抽取地下水而引起的地面沉降，是地面沉降现象中发育最普通、危害性最严重的一类；l1、地面沉降概述l1.1.21.1.2地面沉降的原因地面沉降的原因：l（2）人为因素：l大面积地面堆载引起的地面沉降；l大范围密集建筑群天然地基或桩基持力层大面积整体性沉降工程性地面沉降。l1.1.31.1.3抽水作用下地面沉降机理抽水作用下地面沉降机理l因抽水而引起地面沉降的地区，地层主要由各含水层及其相对隔水的粘性土层相叠组成，各层间在一定的水压下有着水力联系，抽水使含水层的水头（或水
3、位）下降，并牵动相关的水头下降，导致孔隙水压力减小，有效应力增加。有效应力的增加，等同于给土层施加一附加压应力，使土层产生压缩变形，各土层的变形迭加，导致地面的整体下沉。l1.1.41.1.4地面沉降的危害地面沉降的危害l地面沉降灾害的特点是缓慢的不可逆的，即缓变型地质灾害。其主要危害是：降落漏斗的形成与效应（A）在潜水含水层中，一个抽水井周围降落漏斗的水位下降。（B）重迭的降落漏斗造成水位的净下降，浅井干枯。l地面沉降的危害地面沉降的危害l（1）对环境的危害：防洪能力降低，洪涝危害加剧；雨季地面积水扩大，乃至大面积农田抛荒；l例：浙江温岭西部平原，原地面标高2.53.3m，目前沉降中心带已降
4、至2.0m以下，局部1.5m，长期水淹而抛荒的农田面积达3919亩，季节性水淹而抛荒的农田面积达3936亩，给城市、交通、水利设施建设及当地居民造成很大的影响，初步估计前几年由此损失达5亿元，而在今后仍将继续影响，损失难以估计。地面沉降的危害地面沉降的危害l（2）对建筑工程的危害：l桥梁墩（台）下沉，使桥下净空减少；l建筑地坪下沉，使地下管道坡度改变，重力排水功能失效；l道路工程，由于地面沉降，使潜水位相对“升高”且地面积水也相应增加，将使填方路基的强度和稳定性造成不利影响，同时使路基排水系统不畅乃至失效；l深井井台和桩基建筑物承台与地坪脱开而相对上升等。l1.21.2开开采采地地下下水水引引
5、起起地地面面沉沉降降的的防防治治措施措施l基本措施是进行地下水资源管理。l主要整治方法：l（1）减少地下水开采量和水位降深；调整开采层次，合理开发地下水资源；l（2）当地面沉降发展剧烈时，应禁采；l（3）对地下水进行人工补给，回灌时应控制水源的水质标准，以防止地下水被污染。上海地面沉降灾害及有关上海地面沉降灾害及有关地质灾害危险性评估实例地质灾害危险性评估实例沉降小于沉降小于 1000mm沉降大于沉降大于 1000mm全国地面沉降分布示意图全国地面沉降分布示意图肃宁肃宁沧州沧州黄骅黄骅19721972-19751975-19801980-19951995-20009.2148.6669.999
6、0.4195.69沧州市深层水位降落漏斗发展剖面示意图沧州市深层水位降落漏斗发展剖面示意图提纲上海地面沉降灾害现状地面沉降地质灾害危险性评估有关技术要求地面沉降灾害评估实例上海地面沉降灾害现状1、地面沉降历史概况、地面沉降历史概况n上海市第一口深水井开凿于1860年；n1921年后随着上海工商业的发展，对地下水的需求逐渐增大，并开始发生地面沉降现象。至2001年中心城区平均累积沉降1.93m，年均沉降量约23.9mm。图图1 第第2含水层采灌量与地下水位含水层采灌量与地下水位图图2 第第3含水层采灌量与地下水位含水层采灌量与地下水位图图3 第第4含水层采灌量与地下水位含水层采灌量与地下水位图图
7、4 第第5含水层采灌量与地下水位含水层采灌量与地下水位图图6 6 第第2 2含水层水量、水位、沉降历时变化曲线图含水层水量、水位、沉降历时变化曲线图图图7 7 第第3 3含水层水量、水位、沉降历时变化曲线图含水层水量、水位、沉降历时变化曲线图图图8 8 第第4 4含水层水量、水位、沉降历时变化曲线图含水层水量、水位、沉降历时变化曲线图图图9 9 第第5 5含水层水量、水位、沉降历时变化曲线图含水层水量、水位、沉降历时变化曲线图地面沉降体积和地下水地面沉降体积和地下水开采水量体积大致相当开采水量体积大致相当n通过基本以5年为间隔的全市水准复测，可以全面地了解地面沉降的现状与发展趋势。n在1980
8、、1996、2001年一、二等水准测量数据基础上，编制了全市19801995、19962001年地面沉降等值线图。上海市上海市19801995年累积地面沉降图年累积地面沉降图n反映出地面沉降主要发育在中心城区、闵行华漕地区，影响范围不断扩大；n受邻近省区地下水开采影响，在金山枫泾、嘉定华亭附近沉降量较大。上海市上海市19962001年累积地面沉降图年累积地面沉降图n上海外滩百年巨变n上海外滩百年巨变n上海外滩百年巨变，外滩防汛墙不断加高的过程从侧面反映了市区地面沉降的演化历史！n上海外滩百年巨变，外滩防汛墙不断加高的过程从侧面反映了市区地面沉降的演化历史！地面沉降使深井管相对上升由于地面沉降使
9、潮位相对上升,防汛墙逐次加高,严重影响了防汛能力。地面沉降使桥下净空减少，严重影响河道通航能力。n地面沉降对城市防汛（涝）规划、建设与管理产生了十分严重的影响！l地面沉降产生水位不断突破历史水位的假象，给潮位分析预报、防汛规划建设与管理等工作都带来了困难。l1999年吴淞、黄浦公园、米市渡等水文测站基面进行了订正，近年来地面沉降对三站的影响分别为-0.08、-0.06、-0.06米。n地面沉降直接降低了防汛（洪）设施的防御能力，并使防汛工程建设投入增加。n地面沉降对城市防汛产生了严重和长期的影响n地面沉降对防汛（洪）的影响日益显现，并表现出长期性特点。n地面沉降严重降低市区地面标高，使上海市区
10、域地貌形态发生显著变化，加重了市区的防洪防涝压力。n 地面沉降速率空间上是不均匀的，其对穿越不同地面沉降速率空间的地铁、轻轨、高架等线型市政设施的影响也日益显现。上海市上海市19801995年累积年累积地面沉地面沉降图降图n通过基本以5年为间隔的全市水准复测，可以全面地了解地面沉降的现状与发展趋势。n在1980、1996、2001年一、二等水准测量数据基础上，编制了全市19801995、19962001年地面沉降等值线图。上海上海市市19962001年累年累积地积地面沉面沉降图降图n反映出地面沉降主要发育在中心城区、闵行华漕地区，影响范围不断扩大；n受邻近省区地下水开采影响，在金山枫泾、嘉定华
11、亭附近沉降量较大。中心城区地面降等值线图中心城区地面降等值线图（1986-1990）n中心城区每年910月，以基岩标构成一等水准网，对660平方公里范围进行一、二等水准测量。n取得每年度中心城区地面沉降现状，作为编制“下年度上海市地下水开采、人工回灌实施方案”的主要依据。n由于，中心城区高楼林立，城市环境变化日新月异，常规地面沉降水准测量仍是中心城区主要的监测手段。中心城区地面降等值线图中心城区地面降等值线图（1991-1995）n水准测量方法，可以根据地面沉降现状，较为灵活调整监测的对象与重点。n如2000年以来，加强对防汛墙、地铁、黄浦江桥梁、城市高架道路的沉降监测工作。n有助于及时了解地
12、质环境变化对城市基础设施运营的影响。中心城区地面降等值线图中心城区地面降等值线图（1996-2000）n通过整理多年的地面沉降阶段图件，可以清晰地反映地面沉降的发展动态、发展趋势。n通过对比前面3幅上海中心城区地面沉降等值线图，可以发现19862000年：随着城市大规模建设及中心城区外围地下水开采使地下水位下降，形成了中心城区、闵行华漕地区两个显著的沉降漏斗。n同时，中心城区的不均匀地面沉降加剧。2、地面沉降规律与影响因素分析上海市地下水开采、人工回灌量n地面沉降监测站以基岩标为基准，由根据水文地质、工程地质条件设置于不同深度土层的分层测量标志、各含水层地下水监测孔、孔隙水压力孔组成。n所取的
13、地下水土层变形资料，是对定量分析地下水位、土层变形的规律、影响因素及机理的基础。浦东顾陆地面沉降监测站n第二、三承压含水层近年来表现为缓慢的水位下降与少量的残余变形。n第二、三承压含水层近年来对市区地面沉降贡献率分别约为4.8%、12.4%。n目前，第四、五承压含水层是上海市主要的地下水开采层次。随着地下水位下降，表现为非线性的变形特征。其中第四含水层变形量占市区地面沉降量的49.3%。n在第五含水层地下水降落漏斗区，其沉降量高达60毫米/年，占华漕地面沉降中心的46.7%。当附加应力增加至含水层的前期固结压力时，含水层通过颗粒产生明显的滑动与滚动来调整含水层颗粒骨架而逐渐形成新的应力平衡。含
14、水层变形表现为由弹性弹塑性塑性变形的渐进变化。n城市建筑物荷载增加对地面沉降的影响；n城市建（构）筑物基础施工对地面沉降的影响。地面沉降地质灾害危险性评估有关技术要求n收集建设项目的规划、设计、前期地质调查等有关技术文件。尤其应注意分析与地质环境变化具有明确要求的设计指标。n要求应充分收集中评估区已有的地质环境调查、监测资料，分析已有地面沉降地质灾害发育现状、规律与影响因素。n评估区地面沉降地质灾害进行现状评估，分析地面沉降发育现状，总结规律与分析原因；分析地面沉降对待建项目是否会产生影响，应尽可能地结合已有工程实例进行说明。n预测地面沉降发展趋势，分析地面沉降对建设项目可能产生的影响（结合工
15、程有关的设计指标分析）。n地质灾害危险性综合评估及防治措施，评估区危险性分区，结合地质环境条件，针对工程分析可能遭受的影响，及工程建设项目是否会加重、引发地质灾害。n结论，应简单、清晰，提出的建议具有可操作性。l地面沉降评估的一般要求：l1 查明地面沉降的原因和现状，并预测地查明地面沉降的原因和现状，并预测地面沉降的发展趋势。面沉降的发展趋势。l2预测拟建项目诱发地面沉降的可能性和预测拟建项目诱发地面沉降的可能性和工程建设本身遭受地面沉降的可能性。工程建设本身遭受地面沉降的可能性。l3 提出防治地面沉降的建议和措施。提出防治地面沉降的建议和措施。l4 评估区内的不均匀沉降应作为评估重点。评估区
16、内的不均匀沉降应作为评估重点。地面沉降灾害危险性评估实例1、轨道交通8号线地质灾害危险性评估nM8线位于上海市区的中部，基本呈南北走向。n线路全长23.286km，全部为地下线，共设22座地下车站及一个车辆段。由于地铁等线型市政设施穿越不同沉降速率的空间，不可避免地受到不均匀沉降的影响！n区域地面沉降是地铁一、二号线隧道变形的主要影响因素。n盾构掘进中扰动土体产生的固结变形随时间逐渐趋于稳定后，隧道变形则表现出区域地面沉降动态的规律。M8M8线工程沿线不同时期预测沉降图线工程沿线不同时期预测沉降图 n地铁隧道顶部平均埋深12.5米，位于可塑流塑状的软土层。盾构施工引起的地表沉降槽呈准正态曲线形
17、态，地表沉降的横向影响范围在隧道轴线两侧H+D（H为覆土厚度、D为盾构外径）范围内，其影响主要分布在距隧道轴线1.5倍盾构直径的范围内。地铁隧道开发对地质环境所产生的影响在隧道盾构推进中，由于盾构推力、盾尾空隙及回填注浆等因素的差异，对周围地质环境产生的影响程度不同。l地铁二号线隧道平均累计沉降量为40.3毫米，东方路人民广场区间隧道累计沉降量为59.7毫米。l隧道穿越黄浦江段沉降量明显小于相邻区间。隧道差异性变形明显，陆家嘴黄浦江段、黄浦江段人民广场、人民广场石门路段累计差异性变形分别为74.3、131.2、91.9毫米/公里。有关结论有关结论（1）19862000年15年间，M8沿线地面沉
18、降呈现出明显的差异沉降。（2）由监测资料可知，地铁I、II号线受原生地质条件的控制、区域不均匀地面沉降及具体施工环节等的影响，而表现出各区段各站台的不均匀沉降。拟建的M8线可能会产生同样的效应。有关结论有关结论（3）在2001年开采条件和开采布局不变的开采现状条件下，利用沉降数学模型进行的20012020年的地面沉降定量预测结果表明，工程沿线大部分范围内因开采地下水产生的累积沉降量为20230mm，表现出一定的不均匀沉降，设计施工时应予以重视。（4）M8线工程设计全线采用地下隧道工程，施工中对土层扰动影响较小，但应加强盾构推进过程中地表变形的监测。2、浦东铁路地质灾害危险性评估n作为联接外高桥
19、港区、浦东国际机场、洋山港的铁路枢纽，全线长117.632km。n考虑海港新城建设及洋山港枢纽的发展，新建浦东铁路与芦潮港海港新城联接线。线路长10.55km。沿线路基均以填方通过，填高04.5m左右。路基处理1、软土路堤、软土路堤n软土路堤的控制工后沉降0.3m，桥头路堤控制工后沉降0.15m，根据稳定和沉降要求，可采用砂垫层、土工格栅、袋装砂井、砂桩等加固措施，必要时采用深层搅拌桩处理。2、不良地质低路堤、不良地质低路堤n高度小于基床厚度的低路堤，基床厚度范围内天然地基的土质及其密度应符合规范规定，否则应采取改良、碾压片石或搅拌桩等措施处理。桥涵n全线特大桥17座，大桥1座，中桥28座，公
20、跨铁立交桥21座，小桥76座，涵洞520座。n新建涵、小桥均采用采用打入桩基础。n新建大中桥基础全部采用桩基础。同一座桥应采用同种类型的桩基础，若采用钻孔桩基础，则钻孔桩直径不宜多于两种。隧 道n本工程范围内隧道只有一座黄浦江水底隧道，由盾构隧道段、明挖隧道段、引道段、竖井组成，浦东明挖暗埋段隧道长683.2m，引道段长650m。浦西明挖暗埋段隧道长813.2m，引道段长1100m。n隧道设计有3个竖井，浦东为1号、2号井，浦西为3号井。1、3号井开挖深度20m左右，2号竖井开挖深度约32m左右，采用逆作法施工。评评估估区区第第四四系系等等厚厚度度图图145 m以下，褐黄色为主的杂色粘土与灰白
21、为主色的砂砾互层145 m以上，以灰为主色的粘性土与砂互层。图3-3-1 浦东铁路沿线罗店奉城水文地质剖面图工程沿线工程地质分区图浦东铁路规划线路浦东铁路规划线路1980198019951995年区域地面沉年区域地面沉降等值线图降等值线图浦东铁路沿线浦东铁路沿线1996199620012001年区域地面沉降等值线图年区域地面沉降等值线图1980198020012001工程沿线地面沉降工程沿线地面沉降19962001年间，累积沉降量超过100200mm的地区分布较广，主要在浦东新区合庆镇以北和南汇区区域内，年均沉降20mm左右；累积沉降量小于50mm的区域主要为线路南段的绝大部分地区，年均沉降小
22、于7mm/a；线路的其余地段基本处于50100mm之间的沉降区域内，年均沉降为11mm左右。区域上差异沉降表现较为明显。l浦东新区第二含水层采灌量及水位变化历时曲线l浦东新区第三含水层采灌量及水位变化历时曲线l浦东新区第四含水层采灌量及水位变化历时曲线l浦东新区第五含水层采灌量及水位变化历时曲线l地面沉降总量、1.03.0m、l3.07.10、7.1018.09、l18.0925.00、25.0030.00浦东塘桥地区分层变形历时曲线浦东塘桥地区分层变形历时曲线（1）浦东塘桥地区分层变形历时曲线浦东塘桥地区分层变形历时曲线（2）l 30.00123.00、123.00145.30m、l145.
23、30165.53、165.53237.70m特大桥、大桥两侧填土较高处，以及不良地质低路堤地段，对路堤下的软土或基床厚度范围内不满足规范要求的土层及软土层将进行路基改良或加固处理，因此，虽然在施工过程中和工程运营期间，有由于路基沉降诱发或加剧沿线一定范围地面沉降的可能性，但由于工程设计对路堤工后沉降量按相关规范进行控制，因此因路基沉降而诱发周围地面沉降的范围有限、程度较轻，一般可控制在设计容许范围内。q黄浦江隧道及地道段诱发或加剧地面沉降的可黄浦江隧道及地道段诱发或加剧地面沉降的可能性评估能性评估深基坑的支护结构有产生较大位移和变形、从而导致基坑周围明显地面沉降的可能性。工作井开挖时将在基坑外
24、采取降水回灌措施，在水位下降的影响范围内仍将产生一定的地面沉降。由于设计将采取措施，在深基坑开挖时考虑时空效应，严格控制地表沉降和连续墙的变形，因此，其地面沉降效应一般能控制在设计容许范围内。q黄浦江隧道及地道段诱发或加剧地面沉降黄浦江隧道及地道段诱发或加剧地面沉降的可能性评估的可能性评估在深埋段和江中段盾构施工过程中有诱发隧道上方一定范围地面沉降的可能性。运营后，作用于土体的附加荷载小，一般不存在土层排水固结诱发的地面沉降问题。但由于软土具有流变特征，可能产生一定的次固结沉降；在列车动荷载和振动的长期作用下，有可能加大地道和隧道的变形量，从而诱发地道和隧道上方地面沉降。q桥梁及立交段诱发或加
25、剧地面沉降的可能性评估桥梁及立交段诱发或加剧地面沉降的可能性评估l拟建的浦东铁路工程还包括跨磁悬浮线特大桥、跨环东二大道特大桥等多座特大型立交、桥梁工程，桥梁占线路总长的29.58%。根据设计方案，桥梁采用不同类型的桩基础。l根据上海地区已建桥梁的工程经验，若桩基设计方案合理，且在施工过程中保证质量，桥梁桩基础的绝对沉降量一般能得到有效控制，即最终沉降量和差异沉降均可控制在设计容许范围内。因此，因桥梁桩基础沉降而诱发和加剧附近地面沉降的程度较轻、范围有限。l综上所述，在浦东铁路工程的施工建设综上所述，在浦东铁路工程的施工建设与运营期间，如不采取措施，有诱发和与运营期间，如不采取措施，有诱发和加
26、剧沿线部分地段地面沉降和不均匀沉加剧沿线部分地段地面沉降和不均匀沉降的可能性，但当采取必要的防治措施降的可能性，但当采取必要的防治措施后，一般能减轻工程建设的地面沉降效后，一般能减轻工程建设的地面沉降效应或将地面沉降效应控制在设计容许范应或将地面沉降效应控制在设计容许范围内。围内。工程建设本身遭受工程建设本身遭受遭受地面沉降的危险性评估遭受地面沉降的危险性评估 浦东铁路沿线20032020年地面沉降预测等值线图根据地下水准三维渗流耦合垂直一维沉降的有限元数学模型进行了20032020年的地面沉降定量预测，本工程线路在20032020年的预测时段内，线路上沉降量从10300mm的区域均有分布，由
27、北至南沉降量有减小趋势。l地质灾害危险性较大区：主要分布于工程川杨河以北段及线路接入站阮巷站等处。基本处于地质环境较复杂区。l地质灾害危险性中等区：主要位于线路中部、南部区域，处于地质环境简单较简单区。地质灾害危险性分区地质灾害危险性分区拟建的浦东铁路工程沿线存在明显的地面沉降现象，并且在外高桥站五号沟站等地区沉降量较大，预测年均沉降量在15mm左右，工程建成运营后随着地面沉降的逐渐积累，将可能对上述路段内的建构筑物造成不良影响，因此，在本工程设计时，应采取必要的对策措施，防止地面沉降对工程的可能危害。南浦大桥南浦大桥南南浦浦大大桥桥地面沉降防治地面沉降防治q地面沉降防治应从两个方面入手：一是
28、对区域地面沉降实施有效监控，在工程重要节点如越江隧道、跨磁浮立交等附近，加强区域地面沉降监测，及时分析区域地面沉降可能对工程的影响。二是采取措施,有效控制工程建设的地面沉降效应，防止可能诱发和加剧工程沿线的地面沉降灾害。五、上海地面沉降灾害危险性评估中的工作体会1、注意地面沉降资料的积累（历史、现状、规律、原因等）2、加强收集地面沉降灾害影响的实例（防汛、地铁、黄浦江桥梁等）3、收集工程建设项目对地质环境的影响实例、监测资料（基坑开挖、地下空间开发、建筑物荷载等）4、应充分结合建设项目具体特点进行评估，提出的结论、建议应有针对性浙江省地面沉降浙江省地面沉降l1.31.3浙江省地面沉降简介浙江省
29、地面沉降简介l浙江省地面沉降均发生于经济最发达的沿海平原，自北而南有杭（州）嘉（兴）湖（州）平原、宁（波）奉（化）平原、温（岭）黄（岩）平原和温（州）瑞（安）平原等地。地面沉降的产生均由于大规模开采平原区深部孔隙承压淡水体所致。由于大量开采地下水导致地下水位大幅度下降形成区域地下水下降漏斗，漏斗中心与地面沉降中心基本一致。截止2003年，各地地面沉降现状如下表所示。嘉兴市及宁波市自上世纪八十年代后期起逐渐压缩地下水开采量，地面沉降速率分别自42、35mm/a降至20、10mm/a以下。地 区 杭嘉湖平原 宁奉平原 温黄平原 温瑞平原 沉降中心累计沉降量mm 860.0 489.2 1300 2
30、00 沉降范围(累计沉降量）km2(mm)1020(200)53(50)308(200)不详 表表1 浙江省沿海平原地面沉降简况表（截止浙江省沿海平原地面沉降简况表（截止2003年）年）从上世纪八十年代起，省水文地质工程地质大队先后在宁波市和嘉兴市建立了较为系统的地面沉降监测网络，随后提交了地面沉降的研究成果。累计沉降量（mm）面积（km2）2003年与1999年面积比()1999年2003年13000.06310000.180.6673.708000.776.6778.6730023.80 36.4471.53051.3261.371.20合计51.3261.37地坪降低后，民房建设需要加大填土工程量地坪降低，需重地坪降低后，民房建设需要加大填土工程量地坪降低，需重新加高，形成新加高，形成“加空层加空层”加高前桥面位置 其他地面沉降实例其他地面沉降实例过度开采地下水引起的地面沉降使威尼斯下沉，慢慢淹掉具有建筑艺术的宝库。本讲结束！