津秦客運(yùn)專線天津?yàn)I海北站地質(zhì)災(zāi)害的現(xiàn)狀與預(yù)測(cè)

張像源，王 瑤，高俊杰，焦 洋，張 昕

(天津市地質(zhì)調(diào)查研究院，天津 300191)

津秦客運(yùn)專線天津?yàn)I海北站地質(zhì)災(zāi)害的現(xiàn)狀與預(yù)測(cè)

張像源，王 瑤，高俊杰，焦 洋，張 昕

(天津市地質(zhì)調(diào)查研究院，天津 300191)

津秦客運(yùn)專線濱海北站是綜合交通樞紐站，是該專線的重要節(jié)點(diǎn)。本文基于該工程的地質(zhì)背景條件和地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)資料進(jìn)行分析，對(duì)其范圍內(nèi)的地面沉降、飽和粉(砂)土液化和水土腐蝕地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)育現(xiàn)狀進(jìn)行探討與分析，并依次應(yīng)用2階多項(xiàng)式回歸分析、標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)法、取樣分析法分別進(jìn)行了預(yù)測(cè)分析，結(jié)果表明在現(xiàn)狀條件下，本工程近五年地面沉降速率有所減緩，飽和粉(砂)土液化災(zāi)害等級(jí)為輕微液化-中等液化，淺層水土腐蝕對(duì)工程基礎(chǔ)中的鋼筋混凝土的腐蝕性為中腐蝕。通過(guò)進(jìn)行現(xiàn)狀分析和趨勢(shì)預(yù)測(cè)，從而為地質(zhì)災(zāi)害防治和確保鐵路的安全運(yùn)營(yíng)提供信息。

津秦客運(yùn)專線;濱海北站;地質(zhì)災(zāi)害;現(xiàn)狀與預(yù)測(cè)

0 引言

津秦客運(yùn)專線是國(guó)家中長(zhǎng)期鐵路網(wǎng)規(guī)劃中的重要組成部分，起自天津站，止于秦皇島。目前，全線已經(jīng)進(jìn)入鋪軌階段。位于天津境內(nèi)的站點(diǎn)之一的濱海北站位于濱海新區(qū)漢沽薊運(yùn)河西側(cè)、茶淀鎮(zhèn)范圍內(nèi)，是集多種交通方式為一體的綜合交通樞紐站，服務(wù)范圍包括濱海新區(qū)漢沽、中新生態(tài)城、寧河縣等重要地區(qū)，建成后將成為這些地區(qū)對(duì)外服務(wù)輻射的重要節(jié)點(diǎn)。為此，本文將基于該工程的地質(zhì)背景條件分析，對(duì)其范圍內(nèi)的各類地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)育現(xiàn)狀進(jìn)行探討與分析，并依據(jù)已有的地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)資料進(jìn)行趨勢(shì)預(yù)測(cè)，從而為地質(zhì)災(zāi)害防治和確保鐵路的安全運(yùn)營(yíng)提供信息。

1 工程概況與地質(zhì)背景條件

1.1 工程概況

津秦客運(yùn)專線濱海北站工程位于濱海新區(qū)漢沽薊運(yùn)河西側(cè)，整個(gè)工程規(guī)劃包括站前廣場(chǎng)和規(guī)劃路二、廣場(chǎng)路一、廣場(chǎng)路二、廣場(chǎng)路三五個(gè)道路工程子項(xiàng)目，其中站前廣場(chǎng)規(guī)劃總面積1.88×104m2，道路總長(zhǎng)1.251km，整體占地面積約6.67hm2(圖1)。

1.2 地質(zhì)背景條件

工程所處地貌單元為海積沖積低平原，整體地勢(shì)平坦，地面高程為0.3～4.0m，整體由東北向西南微傾，微地貌特征大部為溝渠、葡萄園等，土質(zhì)多為鹽化濕潮土類。

圖1 濱海北站工程平面位置示意圖Fig.1 Location sketch map of North Binhai Station

工程周邊發(fā)育有較大的漢沽斷裂、茶淀斷裂，二者均為活動(dòng)斷裂［1］。地震活動(dòng)和活動(dòng)斷裂是影響本工程的主要內(nèi)動(dòng)力地質(zhì)作用，也是影響本工程區(qū)域地殼穩(wěn)定性的主導(dǎo)因素之一，根據(jù)《中國(guó)地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖》(GB18306-2001)及《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50011-2010)，本工程地震設(shè)防烈度為Ⅷ度區(qū)，設(shè)計(jì)基本加速度值為0.20g。

工程場(chǎng)地勘察結(jié)果，所揭露的30m深度范圍內(nèi)地層均為第四紀(jì)松散沉積物，本場(chǎng)地天然地基(第一陸相層)缺失，軟土厚度一般在8m以內(nèi)，主要是淤泥質(zhì)土、黏性土(如粉土)，在20m以淺范圍內(nèi)，場(chǎng)地地層自上而下分別為人工填土層(Qml)、新近組古河道、洼淀沖積層()、第Ⅰ海相層()和第Ⅱ陸相層()，其中后二者存在可能液化的粉土層。

工程場(chǎng)地地下水類型均為第四系松散巖類孔隙水，多次海侵在垂向上第Ⅰ含水組為沖海積層()，全部為咸水，礦化度一般2～5g/L，地下水化學(xué)類型為Cl-Na型水，水位埋深3～6m，富水性差。咸水下伏的深層水(包括Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ含水組)為高水頭承壓淡水，分布廣，厚度大，是主要開采含水層。第Ⅱ含水組承壓水()、第Ⅲ含水組承壓水()、第Ⅳ含水組水()等深層水含水組富水性從西向東呈現(xiàn)增強(qiáng)的趨勢(shì)，礦化度一般小于0.5g/L，地下水化學(xué)類型為HCO3-Na型水。深層水是工程所在區(qū)域上的主要開采層，但近年來(lái)開采有減少趨勢(shì)。

2 地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育現(xiàn)狀

根據(jù)本工程所處的地質(zhì)環(huán)境條件，經(jīng)野外調(diào)查與監(jiān)測(cè)分析，確定本工程所在區(qū)域的主要地質(zhì)災(zāi)害類型有:地面沉降、飽和粉(砂)土液化和水土腐蝕。

2.1 地面沉降

2.1.1 現(xiàn)狀

據(jù)調(diào)查，研究區(qū)內(nèi)分布若干眼機(jī)井，用于灌溉和生活用水。加之所在區(qū)域歷史上過(guò)量進(jìn)行地下水的開采，且以第Ⅱ含水組最多，其次是第Ⅲ含水組，第Ⅳ組的開采量相對(duì)較少。利用工程區(qū)內(nèi)地面沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)的資料，經(jīng)過(guò)分析，除2006年沉降速率為20～30mm/a外，2007～2010年連續(xù)四年的年沉降速率值10～20 mm/a，且各年沉降速率值相對(duì)穩(wěn)定。從沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降標(biāo)高歷時(shí)曲線可以看出(圖2)，從2002年以來(lái)，具有逐漸減緩的趨勢(shì)，且逐年沉降速度較為穩(wěn)定。

圖2 GC1監(jiān)測(cè)點(diǎn)地面沉降標(biāo)高歷時(shí)曲線圖Fig.2 Land subsidence elevation curve of monitoring point GC1.

2.1.2 原因分析

一般引起地面沉降的原因很多，綜合考慮工程沿線所處構(gòu)造部位、地下水開采等因素，認(rèn)為影響地面沉降的原因除了自然因素外，大強(qiáng)度開采地下水，特別是深層地下水，產(chǎn)生大幅度水位下降，容易引發(fā)地面沉降［2-3］，這是由于超采破壞了地層內(nèi)原始應(yīng)力平衡狀態(tài)，使孔隙水壓力降低，有效應(yīng)力增加，所產(chǎn)生的附加荷載，使土層固結(jié)。這是產(chǎn)生地面沉降的主要原因。

2.2 飽和粉(砂)土液化

場(chǎng)地粉(砂)土液化指飽和松散砂土或粘聚力較弱的輕亞粘土在振動(dòng)或地震等動(dòng)荷載的作用下產(chǎn)生急劇的狀態(tài)改變和強(qiáng)度喪失，表現(xiàn)出類似液體性狀的現(xiàn)象。

砂土液化現(xiàn)象往往伴隨地震產(chǎn)生，通過(guò)野外調(diào)查時(shí)對(duì)年長(zhǎng)村民的走訪，1976年唐山大地震期間，本工程范圍內(nèi)出現(xiàn)少量的噴砂、冒水現(xiàn)象。

2.3 水土腐蝕地質(zhì)災(zāi)害

工程場(chǎng)地屬半干旱地區(qū)，淺層地下水為第四系孔隙水，地下水基本沒(méi)有開采，地下水動(dòng)態(tài)多處于自然狀態(tài)，埋深穩(wěn)定，且一般小于2m，土層為弱透水層，地下水主要受到大氣降水及河水等地表水體滲透補(bǔ)給，處于臨界返鹽深度以上且地下水徑流遲緩，并以蒸發(fā)及補(bǔ)給地表水體等方式排泄，礦化度高，一般2～5g/L，地下水類型主要是 Cl-Na型水，Cl-含量較高，一般在500mg/L以上，因而對(duì)鋼筋混凝土中鋼筋有中腐蝕性。

受淺部海相地層廣泛分布和海水浸漬的影響，工程范圍發(fā)育大面積鹽化濕潮土，而氯離子是易溶鹽中的主要陰離子，屬氯化物鹽漬土，根據(jù)相關(guān)調(diào)查結(jié)果［4］，對(duì)鋼筋混凝土中鋼筋也有中等腐蝕性。

3 地質(zhì)災(zāi)害發(fā)展預(yù)測(cè)

3.1 地面沉降預(yù)測(cè)

據(jù)勘察資料，本工程范圍內(nèi)地質(zhì)環(huán)境大體相同，但20m范圍內(nèi)存在一定的軟土層，受局部地下水開采、局部建筑和路橋施工等因素的影響，工程沿線產(chǎn)生不均勻沉降也是可能的。

隨著濱海新區(qū)城市建設(shè)和社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，為減輕受害程度、控制地面沉降，天津市自1987年開始控制使用地下水，采取了一定的措施減緩了地面沉降的發(fā)展［5］。伴隨著引黃濟(jì)津、南水北調(diào)等工程的深入，外來(lái)水源很大程度上緩解了該區(qū)過(guò)于依賴地下水的壓力，而且政府的減采、控采規(guī)劃也正在逐步實(shí)施，受此影響，未來(lái)本研究區(qū)地面沉降規(guī)律總體為趨于減緩狀態(tài)。

據(jù)工程區(qū)多年的沉降觀測(cè)資料進(jìn)行未來(lái)地面沉降量的預(yù)測(cè)，假設(shè)引發(fā)地面沉降的地質(zhì)環(huán)境背景因素、觸發(fā)要素維持目前較為穩(wěn)定的現(xiàn)狀，應(yīng)用2階多項(xiàng)式回歸分析的理論進(jìn)行預(yù)測(cè)，列出預(yù)測(cè)方程，預(yù)測(cè)該工程內(nèi)水準(zhǔn)監(jiān)測(cè)點(diǎn)未來(lái)5年內(nèi)的累計(jì)沉降量、沉降速率及高程變化趨勢(shì)。據(jù) GC0、GC1兩個(gè)水準(zhǔn)點(diǎn)1990～2010歷年觀測(cè)沉降量，進(jìn)行回歸分析計(jì)算其變化趨勢(shì)方程式:運(yùn)用上述方程分別預(yù)測(cè)了監(jiān)測(cè)點(diǎn)2012～2015年歷年累計(jì)沉降量(圖3、圖4)，并計(jì)算了其沉降速率，預(yù)測(cè)顯示:在當(dāng)前影響地面沉降的自然和人為因素不變的前提下，到2015年，本工程近5年累計(jì)沉降量小于1000mm，平均地面沉降速率18mm/a，沉降變化總體呈現(xiàn)穩(wěn)中趨緩的規(guī)律，這一結(jié)論與現(xiàn)狀發(fā)展趨勢(shì)的判斷一致。

圖3 監(jiān)測(cè)點(diǎn)GC0累計(jì)沉降量趨勢(shì)預(yù)測(cè)歷時(shí)曲線圖Fig.3 Predicted accumulative land subsidence trend curves of monitoring point GC0

圖4 監(jiān)測(cè)點(diǎn)GC1累計(jì)沉降量趨勢(shì)預(yù)測(cè)歷時(shí)曲線圖Fig.4 Predicted accumulative land subsidence trend curves of monitoring point GC1

3.2 飽和粉(砂)土液化預(yù)測(cè)

工程在20m深度范圍內(nèi)存在粉土、粉砂層，依據(jù)《公路橋梁抗震設(shè)計(jì)細(xì)則》(JTG/T B02-01-2008)，采用標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)法判斷地面以下20m深度范圍內(nèi)土的液化，當(dāng)采用樁基或埋深大于5m的基礎(chǔ)時(shí)，判別15～20m范圍內(nèi)土的液化。當(dāng)飽和土標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)(未經(jīng)桿長(zhǎng)修正)小于液化判別標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)臨界值Ncr時(shí)，應(yīng)判為液化土。

3.2.1 預(yù)測(cè)理論依據(jù)

在地面下15m深度范圍內(nèi)，液化判別標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)臨界值按下式計(jì)算:

在地面下15～20m范圍內(nèi)，液化判別標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)臨界值按下式計(jì)算:

式中:Ncr——液化判別標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)臨界值;

N0——液化判別標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)基準(zhǔn)值，此處按細(xì)則取10;

ds——飽和土標(biāo)準(zhǔn)貫入點(diǎn)深度(m);

dw——地下水位(m);

ρc——黏粒百分含率(%)，當(dāng)小于3或?yàn)樯巴習(xí)r，應(yīng)采用3。

對(duì)存在液化土層的地基，根據(jù)探明的各液化土層的深度和厚度，按下式計(jì)算每個(gè)鉆孔的液化指數(shù)，并劃分地基的液化等級(jí)。

式中:IIE——液化指數(shù);

Ni、Ncri——分別為i點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)的實(shí)測(cè)值和臨界值;

di——i點(diǎn)所代表的土層厚度(m);

Wi——i土層單位土層厚度的層位影響權(quán)函數(shù)值(m-1)。

3.2.2 預(yù)測(cè)結(jié)果

依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)對(duì)場(chǎng)地前20m深度范圍的粉土層，本場(chǎng)地在抗震設(shè)防烈度8度條件下，對(duì)8個(gè)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行預(yù)測(cè)計(jì)算，結(jié)果表明，局部點(diǎn)存在地震液化點(diǎn)，液化指數(shù)為4.02、9.77，液化等級(jí)為輕微液化-中等液化，其余測(cè)點(diǎn)不液化。

3.3 水土腐蝕地質(zhì)災(zāi)害的危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)

根據(jù)《公路工程地質(zhì)勘察規(guī)范》(JTG C204-2011)第K.0.3條，擬建場(chǎng)地環(huán)境類型為Ⅱ類，按照環(huán)境類型，進(jìn)行野外取樣分析，淺層地下水Cl-含量500 ～1600 mg/L，含量72～700mg/L，水化學(xué)類型Cl-Na型，PH值7.38～8.42，呈弱堿性。按照規(guī)范相關(guān)規(guī)定，淺層地下水對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)的腐蝕性為弱腐蝕，而在干濕交替環(huán)境下，對(duì)工程基礎(chǔ)中的鋼筋混凝土的腐蝕性為中腐蝕(表1)。

鹽漬化土類型為中鹽漬化土，據(jù)監(jiān)測(cè)資料表明，天然狀態(tài)下，濱海新區(qū)淺部土層(0～100cm)含鹽量受降雨影響年內(nèi)變化大，但年際變化較小;深部土層沒(méi)有明顯退鹽現(xiàn)象［4］，因此在工程設(shè)計(jì)和施工時(shí)將采取一定防護(hù)措施，且工程建設(shè)不會(huì)引發(fā)水土腐蝕加重，土地利用方式可能會(huì)發(fā)生一定的改變，但對(duì)工程區(qū)水土腐蝕現(xiàn)狀影響不大。

表1 淺層地下水對(duì)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中鋼筋的腐蝕性Table 1 Steel corrosion by shallow groundwater in reinforced concrete structure

3.4 綜合預(yù)測(cè)

綜上所述，本研究區(qū)不良地質(zhì)災(zāi)害受地質(zhì)環(huán)境要素和觸發(fā)要素的控制，按照“就高不就低”的原則，預(yù)測(cè)未來(lái)其在現(xiàn)狀條件下中等發(fā)育，因而本工程建設(shè)未來(lái)可能遭受地質(zhì)災(zāi)害危害的可能性存在，應(yīng)引起有關(guān)建設(shè)部門的重視。

4 初步認(rèn)識(shí)

在綜合調(diào)查和綜合分析區(qū)域地質(zhì)、水文地質(zhì)、工程地質(zhì)、災(zāi)害地質(zhì)資料的基礎(chǔ)之上，確定影響研究區(qū)工程的地質(zhì)災(zāi)害種類主要有地面沉降、飽和粉(砂)土液化和水土腐蝕。根據(jù)預(yù)測(cè)，在當(dāng)前影響地面沉降的自然和人為因素不變的前提下，到2015年，本工程近5年平均地面沉降速率18mm/a，累計(jì)沉降量小于1000mm，較之歷史沉降速率有所減緩，這與政府實(shí)施的控沉措施不無(wú)關(guān)系;而飽和粉(砂)土液化局部等級(jí)為輕微液化-中等液化，在干濕交替環(huán)境下，淺層水對(duì)工程基礎(chǔ)中的鋼筋混凝土的腐蝕性為中腐蝕。在未來(lái)，只要對(duì)其予以高度重視，因地制宜加強(qiáng)地質(zhì)災(zāi)害對(duì)工程影響的監(jiān)測(cè)力度，同時(shí)采取必要的防治規(guī)劃措施和工程措施，如合理控制研究區(qū)內(nèi)地下水開采量，調(diào)整區(qū)域工業(yè)布局，采取工程防震、防腐蝕措施等等，通過(guò)合理選擇對(duì)比，選擇最佳防治方案［2］，均可有效地預(yù)防或減少地質(zhì)災(zāi)害對(duì)本工程的危害。

［1］天津市地質(zhì)礦產(chǎn)局.天津市地質(zhì)環(huán)境圖集［M］.北京:地質(zhì)出版社，2004:41.

Tianjin Bureau of Geology and Mineral Resources.Tianjin geological environment atlas［M］.Beijing:Geological Publishing House，2004:41.

［2］陳夢(mèng)熊.中國(guó)水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)問(wèn)題研究［M］.北京:地震出版社，1998:332-334.

CHEN Mengxiong.Research on Chinese hydrogeology and environmental geology issues［M］.Beijing:Earthquake Publishing House，1998:332-334.

［3］王家兵.控制地面沉降條件下天津深層地下水資源持續(xù)利用［J］.水文地質(zhì)工程地質(zhì)，2007，34(4):80-84.

WANG Jiabing.The sustainable use of deep groundwater resources on condition of ground subsidence control［J］.Engineering Geology and Hydrogeology，2007，34(4):80-84.

［4］李繼軍，等.天津城市地質(zhì)調(diào)查報(bào)告［R］.天津:天津市地質(zhì)調(diào)查研究院，2010.

LI Jijun，et al.Survey report on Tianjin urban geology［R］.Tianjin:Tianjin Geological Survey，2010.

［5］吳鐵鈞，崔小東，牛修俊，等.天津市地面沉降研究及綜合治理［J］. 水文地質(zhì)工程地質(zhì)，1998，25(5):17-20.

WU Tiejun，CUI Xiaodong，NIU Xiujun，et al.A research on Tianjin ground subsidence and its integrated management［J］.Engineering Geology and Hydrogeology，1998，25(5):17-20.

Present situation and trend prediction of geological hazards of North Binhai Station on Tianjin-Qinhuangdao passenger dedicated line

ZHANG Xiang-yuan1，WANG Yao，GAO Junjie，JIAO Yang，ZHANG Xin
(Tianjin Geology Investigation ＆ Research Institute，Tianjin，Tianjin 300191，China)

North Binhai station is a crucial transportation junction of Tianjin-Qinhuangdao Passenger Dedicated Line.This paper，based on the analysis of North Binhai Station geological condition and existing geological disaster monitoring data，first analyzes the station’s present geological disaster situation including land subsidence，saturated silts/sands liquefaction and water and soil corrosion.Then the paper gives a predictive analysis of above geological disaster situation through second-order polynomial regression model analyses，standard penetration test and sampling respectively.And the result indicates that in the next five years，if the current situation remains，land subsidence will slow down，saturated silts/sands liquefaction grade will be light liquefaction to middle liquefaction and shallow groundwater and soil corrosion will be moderately corrosive.By the analysis and projection above，this paper intends to provide useful information for the geological disasters prevention and safe railway operation.

Tianjin-Qinhuangdao passenger dedicated line;north Binhai station;geological disaster;present situation and trend prediction

1003-8035(2012)03-0057-04

P642

A

2012-06-04;

2012-07-03

張像源(1970—)，男，高級(jí)水工環(huán)工程師，現(xiàn)在從事水工環(huán)地質(zhì)專業(yè)及信息系統(tǒng)研發(fā)等方面的工作。

E-mail:qzhangxy@vip.qq.com