陳小月

(廣州市地質調查院,廣州 510440)

1 前言

南沙區(qū)位于廣州市最南端，面積803 km2，除南沙街、黃閣鎮(zhèn)、大崗鎮(zhèn)發(fā)育丘陵地貌外，大部分區(qū)域屬于珠江三角洲沖海積和人工堆積平原，第四系厚度北部薄，南部厚，平均約30余米。區(qū)內水系發(fā)育，主要有沙灣水道、沙仔瀝、小虎瀝、蕉門水道、洪奇瀝、上橫瀝、下橫瀝、虎門水道、鳧洲水道及龍穴南水道等。

2011年，南沙區(qū)發(fā)展被寫入國家十二五規(guī)劃，提出要把南沙區(qū)打造成“內地連接港澳的商業(yè)服務中心、科技創(chuàng)新中心、教育培訓基地、臨港產(chǎn)業(yè)配套服務合作區(qū)”；2012年，國務院批復《廣州南沙新區(qū)發(fā)展規(guī)劃》，標志著南沙區(qū)成為國家級新區(qū)，其開發(fā)建設上升到了國家戰(zhàn)略層面；2015年，中共中央政治局召開會議，審議通過南沙自由貿易試驗區(qū)總體方案，自此，南沙“雙區(qū)”格局形成。

中國(廣東)自由貿易試驗區(qū)廣州南沙新區(qū)片區(qū)總規(guī)模60 km2，共7個區(qū)塊，分別為海港區(qū)塊、明珠灣起步區(qū)區(qū)塊、南沙樞紐區(qū)塊、慶盛樞紐區(qū)塊、南沙灣區(qū)塊、蕉門河中心區(qū)塊和萬頃沙保稅港加工制造業(yè)區(qū)塊。除慶盛區(qū)塊位于南沙區(qū)北部外，其余6個區(qū)塊均位于南沙區(qū)中南部，下伏第四系厚度基本在40 m以上，軟土厚度基本在20 m以上，為該區(qū)域軟土最發(fā)育的地區(qū)。蕉門河中心區(qū)塊內的南沙街濱海半島小區(qū)建成于2010年， 2011年1月25日至2017年5月15日的監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，小區(qū)內012監(jiān)測點累計沉降量已達到730.87 mm，沉降速率115.89 mm/a，不均勻沉降造成路面起伏、墻體開裂、房屋懸空、管線扯斷。由于軟土層在南沙區(qū)普遍發(fā)育，區(qū)內正在開發(fā)或即將開發(fā)建設的場地如何避免上述地面沉降災害是需要認真面對的地質環(huán)境問題[1-5]。

2 南沙區(qū)軟土分布范圍及特征

南沙區(qū)軟土為河海相互作用形成，淤泥與粉細中砂交錯沉積，形成時間短、埋藏淺、空間分布廣，沉積厚度與古地理環(huán)境關系密切。整理分析大量鉆孔資料得出南沙區(qū)軟土分布范圍及特征如下：

南沙軟土厚度超過40 m的區(qū)域主要分布在十七涌至二十涌西南部及民立村以南一帶，最厚可達55 m；厚度在30～40 m范圍內的軟土主要零星分布于魚窩頭東、小虎、萬洲大橋及以北、廟貝農場、新聯(lián)二、上八頃、濱海公園、向新以北、較杯山與北圍之間的龍穴南水道、沙尾二及民興村等地；20～30 m厚度軟土在南沙區(qū)分布面積最廣，北起東涌鎮(zhèn)南、魚窩頭一帶，向南一路延伸至中埠、靈山島、橫瀝島直至龍穴島、濕地公園，覆蓋了一涌至二十涌絕大部分的陸域及水域范圍；10～20 m厚度軟土主要分布于欖核鎮(zhèn)、大坳村、九比-下坭-大簡-太石-小烏、石基、東涌鎮(zhèn)-魚窩頭城區(qū)外圍、沙螺灣以北、廟青、馮馬-東方紅-太陽升、向新-同安泰-平安-年豐-新安-沙尾-紅湖-福安-北圍一帶以及十八羅漢、大山乸及黃山魯?shù)壬襟w外圍；5～10 m軟土分布于新涌、牛角、西樵、雁沙、大穩(wěn)、東島、新海、沙仔、萬州、群結等村落，以及十八羅漢、大山乸、黃山魯、較杯山等山體周邊；1～5 m厚度軟土主要散布于欖核鎮(zhèn)西北角、上坭、雁沙村東北以及南沙區(qū)山體丘陵的山腳地帶(圖1)。

垂向上分析，南沙區(qū)軟土分為4層，其中全新世、晚更新世各兩層。第一層軟土(全新統(tǒng)上層軟土)分布廣泛，為全新世晚期海陸交互相沉積，沉積物主要為淤泥、淤泥質土、淤泥質砂土，埋深淺，厚度一般5～35 m，總體上由北向南逐漸增大，三民島和新墾西南側厚度最大；第二層軟土(全新統(tǒng)下層軟土)分布范圍有限，零星分布于南沙，沉積厚度普遍較薄，以小于5 m厚度為常見，南部三民島沉積厚度較大，可達20 m以上，以淤泥及淤泥質土為主，局部夾淤泥質砂土；第三層軟土(上更新統(tǒng)上層軟土)分布廣泛，埋深2.0～57.4 m，總體由北向南遞增，最厚在新墾南側、橫瀝西側，可達29.1 m，沉積物以淤泥、淤泥質土為主，局部為淤泥質砂土；第四層軟土(上更新統(tǒng)下層軟土)零星分布于南沙，厚0.55～17.40 m，以小于5.0 m厚度為常見，厚度最大在亭角達17.40 m，沉積物主要為淤泥質土，部分為松散-稍密的淤泥質砂。

3 研究方法

南沙區(qū)監(jiān)測網(wǎng)與國家水準網(wǎng)聯(lián)測精度達不到要求，故在南沙區(qū)建立了3座基巖標，采用局部的獨立高程，作為南沙區(qū)監(jiān)測網(wǎng)相對起算基點，以減少傳遞誤差。3座基巖標分別位于飛沙角山廢棄采石場東、西兩端以及北部蕉門社區(qū)運動場(原廢棄采石場)。15個人工水準監(jiān)測點全部布設于城市建成區(qū)，其中，001～005監(jiān)測點位于濱?；▓@小區(qū)，006～010監(jiān)測點位于濱海水晶灣小區(qū)，011～015監(jiān)測點位于濱海半島小區(qū)，具體位置見圖1。為實時獲取地面沉降數(shù)據(jù)，除人工水準監(jiān)測點外，另在南沙區(qū)布設了17套地面沉降遠程自動化監(jiān)測系統(tǒng)。因安裝自動化監(jiān)測系統(tǒng)時需挖開地表土層，經(jīng)擾動后的土層沉降速率增加，為獲得準確的地面累計沉降量數(shù)據(jù)，分析數(shù)據(jù)前需扣除前期擾動土壤壓實所產(chǎn)生的沉降量和監(jiān)測過程中人為干擾所產(chǎn)生的虛假沉降量，并將初始值歸零。根據(jù)多年監(jiān)測經(jīng)驗，系統(tǒng)儀器安裝后的1個月為調整期，最多不超過4個月。

圖1 南沙區(qū)軟土分布及監(jiān)測點布置圖

4 南沙區(qū)地面沉降特征

南沙區(qū)地面沉降數(shù)據(jù)及沉降特征通過人工水準測量和地面沉降遠程自動化監(jiān)測系統(tǒng)獲得，人工水準測量監(jiān)測點全部布置于濱?；▓@、濱海水晶灣及濱海半島小區(qū)內。3個小區(qū)施工期分別為1999～2003年、2004～2009年及2005～2010年，原始地面標高4～6 m，施工前堆填土厚度約1.5～2.5 m，濱海花園小區(qū)采用攪拌樁基礎，濱海水晶灣和濱海半島小區(qū)采用PHC管樁基礎，基礎持力層深度均約35～50 m，具體信息見表1。

表1 濱海花園、濱海水晶灣及濱海半島小區(qū)基本信息表

15個地面沉降人工水準監(jiān)測點中，001～015監(jiān)測點建成于2011年，自2011年1月18日至2017年5月18日，歷時2 302 d(約6.3 a)，共完成19次測量，012、014、011和013點的累積沉降量較大，均在400 mm以上，其中，012監(jiān)測點的累積沉降量最大，達730.87 mm，沉降速率為115.89 mm/a；其余11點的累積沉降量較小，010監(jiān)測點累計沉降量最小，僅為22.65 mm，沉降速率為3.59 mm/a(表2，圖2)。

圖2 南沙區(qū)地面沉降人工水準測量曲線圖

根據(jù)詳細勘察資料，濱海水晶灣內120個鉆孔揭露的第四系平均厚度為35.47 m，軟土(淤泥、砂)平均厚度為24.59 m，其中砂層平均厚度9.60 m；濱海半島小區(qū)內155個鉆孔揭露的第四系平均厚度為32.82 m，軟土(淤泥、砂)平均厚度為31.00 m，其中砂層平均厚度7.14 m。從南沙區(qū)軟土分布圖亦可以看出，3個小區(qū)所在區(qū)域的軟土厚度相近(見圖1)，可見，濱?；▓@、濱海水晶灣和濱海半島3個小區(qū)所處的區(qū)域地質環(huán)境條件相似，建設施工前的工程處理措施相似，但位于建成時間最晚的濱海半島小區(qū)內的011～014監(jiān)測點獲取的地面沉降速率最大，而位于濱海半島小區(qū)外、環(huán)市大道旁的015監(jiān)測點和建成時間較早的濱海花園、濱海水晶灣內的001～010監(jiān)測點獲取地面沉降速率較小(表2)。

表2 人工水準測量數(shù)據(jù)表

17個地面沉降遠程自動化監(jiān)測站點的數(shù)據(jù)采集頻率為每天一次，共分3個批次建成，D1、D2號監(jiān)測點建成于2015年，位于濱海水晶灣和濱海半島小區(qū)內，累計沉降量分別為36.29 mm和110.45 mm，沉降速率分別為14.67 mm/a和51.62 mm/a；D3～D6號監(jiān)測點建成于2015年底，分別位于大元村委、逸濤半島、中科院南海海洋研究所基地的東北角和西南角，自2015年底至2017年8月初，4個監(jiān)測點累計沉降量分別為64.1 mm、20.3 mm、40.8 mm和42.3 mm，沉降速率分別為39.99 mm/a、12.27 mm/a、24.86 mm/a及24.28 mm/a；D7～D17號監(jiān)測點建成于2016年8月，沉降數(shù)據(jù)獲取至2017年8月初，其中，位于沙螺村委、虎門渡口、南沙游艇會、濕地公園、紅海村、紅港村、福安村、新安村及同興村的D7～D9、D12～D17九個監(jiān)測點累計沉降量相近，均在20.6 mm以下，沉降速率在6.37～26.29 mm/a之間，位于海濱公園的D10、D11號監(jiān)測點累計沉降量最大，分別為41.3 mm和65.3 mm，沉降速率為42.23 mm/a和66.76 mm/a(圖3、4)。

濱海半島小區(qū)內012自動化監(jiān)測點所在的位置的軟土厚度約30 m，萬頃沙鎮(zhèn)濕地公園的D10自動化監(jiān)測點所在位置的軟土厚度為51 m，而前者沉降速率為51.62 mm/a，后者沉降速率不足20 mm/a，可見，地面累計沉降量與軟土層厚度并無絕對、必然的聯(lián)系。與人工水準監(jiān)測結果相似，遠程自動化監(jiān)測數(shù)據(jù)同樣顯示新建成的濱海公園內的監(jiān)測點所獲取的地面沉降速率較其他自動化監(jiān)測點大。

圖3 D1～D6號地面沉降遠程自動化監(jiān)測數(shù)據(jù)曲線

圖4 D7～D17號地面沉降遠程自動化監(jiān)測數(shù)據(jù)曲線

5 地面沉降成因分析

南沙區(qū)第四紀地層為晚更新世以來沉積形成，經(jīng)歷了兩次大海侵和多次小波動，形成1～4層淤泥或淤泥質土，這類軟土具有天然含水量高、孔隙比大、壓縮性高、承載力低、滲透性小、靈敏度高等特性，在自重或外部荷載下，很容易發(fā)生壓縮變形，同時因軟土中夾有砂層或礫石，形成良好的排水通道，更有利于土體壓縮固結，從而產(chǎn)生軟土地面沉降地質災害[6-14]。借助基于飽和軟土液氮真空冷凍制樣技術、掃描電鏡技術和計算機圖像處理技術對濱?；▓@軟土樣品進行微結構分析(圖5)，橫、縱向放大2 000倍后可以發(fā)現(xiàn)飽和軟土的微結構呈疊片體狀，整體結構較為疏松。因此，在天然狀態(tài)下，欠固結軟土會產(chǎn)生自然壓密，而當受到振動、外部荷載等擾動時，其結構連接受到破壞，強度迅速降低，極易產(chǎn)生側向滑動、擠出等現(xiàn)象，產(chǎn)生更大規(guī)模的地面沉降量。

圖5 濱海花園軟土樣掃描電鏡照片

濱海半島小區(qū)施工前的堆填土時間最晚，為2005～2009年，地面沉降人工水準測量的開始時間為2011年1月，該小區(qū)的堆填土和下伏第四紀地層僅經(jīng)過2 a余的荷載壓實，而濱?；▓@和濱海水晶灣小區(qū)建設時間較早，堆填土和下伏第四紀地層歷經(jīng)了5～11 a的荷載壓實和自固結沉降過程。因此，濱海半島內的011～014監(jiān)測點因新近堆填土施加的外部荷載導致沉降速率較其他沉降監(jiān)測點明顯偏大；015監(jiān)測點雖屬于濱海半島小區(qū)范圍，但其靠近市政道路環(huán)市大道，推測未經(jīng)歷堆填土的外部荷載壓實，沉降速率較011～014監(jiān)測點明顯偏小。

同樣，南沙濱海公園為新近堆筑，內部挖掘大量人工湖、人工渠，且與獅子洋水道聯(lián)通，土體松散，鉆孔揭露第四紀沉積物分別為51 m及41 m，厚度較大，易自固結形成較大的地面沉降量。野外調查亦證實了濱海公園存在較大的地面沉降量，2016年9月29日踏勘時，濱海公園文化博物館周圍草坪地面與建筑物室內原始地面高差已達82 cm(圖6)，排污管、水管等附屬設施均被拉斷，室內地面整體凹陷，地磚破碎，已無法使用。位于農田、鄉(xiāng)村的自動化沉降監(jiān)測點獲取的地面沉降速率偏低，主要原因為農田、鄉(xiāng)村的地面荷載小，同時受人類工程活動影響??；以逸濤半島為代表的建成時間較長的小區(qū)、公園等范圍內，地面土體已經(jīng)歷了較長時間的荷載壓實，土體較密實，為地面沉降速率較緩的主要原因。

南沙區(qū)軟土的高含水量、高孔隙比、高壓縮性、低承載力及高靈敏度等特性是地面沉降的先決條件，而地面荷載、壓實程度的不同是導致沉降速率出現(xiàn)顯著差異的直接原因。

6 對城市防災減災的建議

軟土地面沉降具有緩變性、不可逆性、區(qū)域性、隱蔽性和人為性等特征，可導致建筑物上部結構開裂、構筑物變形、道路路面起伏、地下管線破壞和扯斷等(見圖6)，在未來十幾年甚至幾十年的時間內，將給城市發(fā)展帶來巨大的經(jīng)濟損失，甚至可能導致城市的癱瘓，因此，如何降低或避免地面沉降帶來的經(jīng)濟損失是南沙區(qū)未來城市建設需要面對的問題[15-17]。

圖6 軟土地面沉降災害現(xiàn)象

(1) 合理編制城市規(guī)劃。除地質條件等自然因素外，城市地面沉降速率主要與城市發(fā)展速度、建筑密集程度等情況有關。地面沉降是不可避免、不可逆轉的，在編制城市規(guī)劃時，必須要考慮地質環(huán)境條件的承載力，控制好城市發(fā)展速度及建設強度，同時要做好地面沉降造成次生災害的彌補措施，如地面沉降造成防洪能力減弱、橋梁凈空減少、地裂縫、建筑地基失穩(wěn)等。此外，應考慮到地面沉降致使城市測繪資料失真的問題。

(2) 建立地面沉降監(jiān)測網(wǎng)絡。建立覆蓋南沙區(qū)的地面沉降網(wǎng)絡，通過設置基巖標、分層標，地下水動態(tài)觀測井、地面沉降遠程自動化監(jiān)測儀器，實現(xiàn)對南沙區(qū)軟土地面沉降的實時監(jiān)測。其中，直接獲取地面沉降數(shù)據(jù)的地面沉降自動化監(jiān)測儀器的布設密度應控制在4 km/點，數(shù)據(jù)獲取頻率不低于1次/d，兩者可根據(jù)實際情況進行適當加密或減少，并將年度監(jiān)測成果及時反饋至政府相關職能部門，為城市發(fā)展規(guī)劃提供地質角度的依據(jù)。

(3) 落實具體防治措施。在地面沉降易發(fā)區(qū)開展工程建設時，必須開展前期論證工作。修建高層建筑物，應采用深樁基礎，樁基直接落在基巖上；若修建一般建筑物，可以選用排水固結、置換及拌入、碾壓與夯實、墊土墊層、振密擠密等一種或幾種工程處理措施改善地基，提高地基承載力。

(4) 加強施工質量監(jiān)測。對于軟土發(fā)育區(qū)內的工程項目，必須對處理后的地基進行原位十字板剪切試驗、現(xiàn)場靜力觸探、標準貫入試驗以及取土進行室內土工試驗，檢測地基土的含水量、強度、容重、孔隙比、壓縮系數(shù)及固結壓力等指標，以保證施工質量，盡量減少工程結束后地面沉降帶來的災害性影響。

7 結論

地面沉降是在自然和人為因素作用下，地殼表層土體壓縮而導致地面標高降低的一種環(huán)境地質現(xiàn)象。地面沉降具有生成緩慢、持續(xù)時間長、影響范圍廣、成因機制復雜和防治難度大等特點，是一種對資源利用、環(huán)境保護、經(jīng)濟發(fā)展、城市建設和人民生活構成威脅的地質災害。查明軟土層的分布特征及其工程特性，預測最終沉降量，以便采取合理有效的處理措施，為今后的工程施工提供科學依據(jù)，為城市規(guī)劃和土地開發(fā)利用提供基礎性、先導性與科學性方面的支撐，是從根本上解決南沙城市發(fā)展面臨的地面沉降地質災害的有效途徑。

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