地面沉降對高速鐵路的影響及對策

連義凱 上海鐵路局上海工務段

地面沉降對高速鐵路的影響及對策

連義凱 上海鐵路局上海工務段

隨著我國高速鐵路的迅猛發(fā)展，高鐵已日漸融入了人們的生活，人們對高鐵的要求也越來越高。但是由于種種原因，高速鐵路沿線經過的大部分地區(qū)都不同程度地存在地面沉降問題，而地面的不均勻沉降將直接導致高鐵軌道線路不平順，嚴重影響了高速鐵路的安全運營和舒適度，因此，研究高鐵沿線地面沉降的現(xiàn)狀、產生原因、發(fā)展變化趨勢，查明地面沉降對高速鐵路安全運營的影響有著重要的理論和實際意義。從地面沉降的定義著手，描述了沉降對于高鐵的影響，并結合作者從事的工作，分析沉降對高鐵運營的影響，并提出解決對策。

高鐵；沉降；安全；對策

1 地面沉降的定義

地面沉降是在自然因素和人為因素的作用下，由于地殼表層土壓縮而導致區(qū)域性地面標高緩慢降低的一種環(huán)境地質現(xiàn)象，是國內外都十分關注的比較復雜的環(huán)境地質問題。它是不易被人們察覺的區(qū)域性的緩發(fā)型地質災害，具有生成緩慢、持續(xù)時間長、影響范圍廣、成因機制復雜、防治難度大和不可逆等特點，對資源利用、環(huán)境保護、經濟發(fā)展、城市建設和人民生活等都構成了極大的威脅。

2 地面沉降形成原因

引起區(qū)域性地面沉降的因素大體分為自然因素和人為因素兩方面。自然因素包括構造下沉、地震、火山活動、氣候變化、地應力變化及土體自然固結等；而人為因素包括開采地下流體資源(石油、天然氣、地下水)和固體礦產資源(金屬礦、煤等)、地面動靜荷載、地下空間開發(fā)等。根據(jù)國內外專家學者的研究表明，人類活動和地質作用是造成地面沉降的主要原因,其中過量抽取地下水是最主要的原因。我國因抽液活動而導致的地面沉降已遍及17個省市，總沉降面積達七萬多平方公里。

3 我段管內沉降現(xiàn)狀

現(xiàn)行的《時速300km～350km客運專線鐵路設計暫行規(guī)定》中對基礎工后沉降做出了嚴格的要求：有砟的路基工后沉降不大于5mm，橋臺臺尾過渡段不大于3cm，沉降速率應小于2cm/a。無砟的路基工后沉降不應超過扣件允許的沉降調高量，一般不應大于15mm，有砟橋面橋梁墩臺基礎的均勻沉降量不應超過30mm。

我段管內地處長三角地區(qū)，經濟發(fā)達，交通方便，京滬高鐵、滬寧高鐵、滬杭高鐵、寧杭高鐵等形成了四通八達的高鐵網(wǎng)。區(qū)內大部分地區(qū)為廣闊的平原地帶，地勢低洼平坦，地表水系極為發(fā)育，河流縱橫,湖塘密布，水網(wǎng)化程度很高，受季風環(huán)流影響，氣候溫和濕潤，降雨充沛，四季分明，陽光充分，年平均氣溫在17℃左右，年降水量1100mm左右，年平均相對濕度為75%。

而通過多年研究證明，長三角地區(qū)地面沉降主要是由于長期超量開采地下水，而且開采時間、地點、部位都非常集中，使得區(qū)域地下水位持續(xù)下降，孔隙水壓力降低，土層有效應力增加，從而導致土體壓縮變形,而在長三角地區(qū)地下水開采層普遍發(fā)育有軟土層，它們含水量較高、孔隙比較大、滲透性較差，因此在長期超量開采地下水時很容易引起地面沉降。除此以外，新構造運動、城市高層建筑荷載、軟土層的固結、蠕變等也就引起地面沉降的重要原因。

例如滬寧城際望虞河大橋由于周邊地區(qū)過量抽水以及橋梁一側堆土偏載，導致橋墩沉降過大，嚴重影響了高鐵軌道線路的平順性，在不得已的情況下采取了限速措施以確保運營安全，后通過將箱梁抬升后在支座處加鋪墊層的方法才得以整治解決。

4 地面沉降對高速鐵路工程的影響

地面沉降對高速鐵路的影響主要有：

（1）地面高程損失，水準點失效。一旦水準點失效，按照原有的水準點建設的地面設施就不能發(fā)揮應有的效應，同時還將增加建筑物的成本；路基高程的下降，在平原區(qū)受洪水淹沒、浸泡的頻率增加，從而導致路基的失穩(wěn)破壞，橋梁工程防洪能力的降低。

（2）對沉降監(jiān)測的影響。沉降觀測過程中，由于作為高程基準的水準點不閉合，造成沉降觀測網(wǎng)不閉合，要經常修正監(jiān)測網(wǎng)，導致無法準確區(qū)分沉降量是由于區(qū)域沉降還是本體自身沉降造成的，部分區(qū)段墩身出現(xiàn)反彈現(xiàn)象，使工程沉降的穩(wěn)定性分析帶來困難，從而影響高速鐵路的正常運營。

這個塑膠廠的結構和剛才那個染料廠大同小異，大帥道：我來。說完從地上撿起石頭，左小龍忙握住他的胳膊，說，等等。

（3）引起橋梁墩臺不均勻沉降，造成線路縱斷面坡度的變化并產生坡度差，在地面沉降嚴重的地區(qū)，甚至出現(xiàn)地裂縫現(xiàn)象，使得道路破損。由于地面發(fā)生沉降，地表水位相對上升，會造成鐵路橋凈空減少，影響橋下的通航能力，甚至威脅到橋梁的安全。

（4）對路基工程的影響。根據(jù)實測數(shù)據(jù)和理論分析的結果顯示：區(qū)域均勻性沉降對高速鐵路路基工程影響較小，而區(qū)域不均勻沉降會改變高速鐵路路基設計坡度，引起造成路基結構產生不均勻沉降。

（5）鐵路安全運營難以保證。對于高速鐵路在安全、舒適、平穩(wěn)性的高標準要求下，不均勻沉降導致沿線起伏不平，平順性和舒適性降低，使得列車達不到設計時速，人體乘坐舒適度降低，嚴重不均勻沉降甚至可能影響運營安全。

（6）乘坐舒適度難以保證。不均勻沉降導致軌道線路平順度降低，而高速開行的列車要求軌道線路具有較高的平順性，這不僅導致乘客的人體感覺將不良，還增加了養(yǎng)護維修工作量以及維修成本。

5 控制高鐵周邊地面沉降的對策研究

（1）強化沉降監(jiān)測技術。

根據(jù)高速鐵路運營特點，采用點面結合的方式，常規(guī)技術與自動化監(jiān)測技術并舉的方針，有針對性地進行較大范圍的重點區(qū)域地表沉降監(jiān)測，在特殊地段進行定點定時的軌道點不均勻沉降監(jiān)測。針對運營期高速鐵路沉降監(jiān)測不影響行車、實時測試的需求，研發(fā)高精度、高可靠度、周期采集，沿縱向布點，特殊地段可沿橫向布點的多元化路基沉降自動監(jiān)測技術，實現(xiàn)運營期高速鐵路路基和軌道沉降的實時監(jiān)控，實時掌握高速鐵路路基軌道狀況、保障線路安全運營，為制定維護計劃提供技術支持。

（2）無砟軌道調整措施。

大范圍區(qū)域地面沉降對軌道工程不會產生較大的影響，通過扣件調整、支座調整、調坡調整、擬合豎曲線調整以及幾種方法相結合的方式進行調整可保證軌道結構正常工作性能及線路平順性。

高速鐵路對無砟軌道的平順性和耐久性要求極高，需要針對區(qū)域地面不均勻沉降的特點，分析無砟軌道結構需要調整的原因和破壞的原因，總結軌道調整和維修的主要工程措施，研究能夠適應于較大不均勻沉降量的新型軌道結構及部件，更需要加大研究新型無砟軌道修補材料和機械設備。

（3）路基不均勻沉降壓漿抬升處理技術。

利用壓漿抬升路基技術可實現(xiàn)在不影響運營的條件下對運營期高速鐵路路基沉降不均勻地段的的快速抬升整治處理。

例如滬杭高鐵K0+750-K1+750段（虹橋地區(qū)滬青平、華翔路立交結合部）路基自開通后就出現(xiàn)不同程度下沉，最大下沉量達56mm。在此處路基段出現(xiàn)病害后，路局領導高度重視，及時組織建設、設計、施工單位及各路專家對路基下沉原因進行分析，研究制定整治方案，最后決定在限速60km/h或80km/h慢行條件下采用花管深層注漿方案對K0+942-K1+017和K1+127-K1+192區(qū)段路基管樁間土體進行加固。從2011年5月開始，共分3個階段對本處進行了注漿。從目前的沉降觀測數(shù)據(jù)分析，沉降速率由加固前的每月8～10（mm）下降至現(xiàn)在的每月1～2（mm）左右，由此說明利用壓漿抬升路基取得了一定效果，沉降速率已經放緩。

（4）控制地下水開采。

控制地下水的開采是遏制區(qū)域地面沉降繼續(xù)發(fā)展的有效手段，區(qū)域沉降一般影響區(qū)應限制地下水的開采量，區(qū)域沉降嚴重影響區(qū)禁止地下水開采或回灌地下水，還可通過調整地下水開采層次控制地面沉降。

（5）加強高鐵沿線外部環(huán)境管理。

加強高鐵外部環(huán)境管理，制定合理的檢查周期，實時掌握高鐵沿線周邊外部環(huán)境變化，樹立"變化就是風險"的憂患意識，對可能引起地面沉降的施工，比如挖土、堆載等行為及時發(fā)現(xiàn)，堅決制止。針對高鐵周邊外部環(huán)境的變化容易產生安全隱患，我段專門制訂了高速鐵路外部環(huán)境管理辦法，并成立了高鐵外部環(huán)境檢查小組，采用添乘檢查、地面巡查、專項檢查、臨時檢查等多種方式，加強高鐵沿線外部環(huán)境管理，確保安全平穩(wěn)。

（6）工程干預地面沉降措施。

地下水人工回灌可以在短期內有效地控制住地面沉降發(fā)展。但是工程沿線由于受到客觀條件限制，回灌水源短缺，還不具備大范圍推廣的條件。對于沿線地面沉降危害嚴重的地段，可以考慮在路基兩側的綠化帶內打回灌井，開展回灌工作。工程施工降水造成的局部地區(qū)沉降不可忽視，需制定有關法規(guī)，加強監(jiān)督管理，禁止隨意排放施工抽吸的地下水，制定回灌方案，將抽吸的地下水回灌到地下。

（7）優(yōu)化水資源利用。

合理開發(fā)水資源，避免水資源破壞：在開采地下水的時候，由于各含水層的水質差異較大，應當分層開采；對已受污染的潛水和承壓水不得混合開采；對揭露和穿透水層的勘探工程，必須按照有關規(guī)定嚴格做好分層止水和封孔工作，有效防止水資源污染，保證水體自身持續(xù)發(fā)展。

（8）加強區(qū)域沉降理論研究。

針對區(qū)域沉降的特點，開展系統(tǒng)全面的調查監(jiān)測與深入的區(qū)域沉降分析研究，重視在工程建設過程中誘發(fā)或加劇沉降表現(xiàn)的風險性和環(huán)境危害，加強對突發(fā)性工程沉降事故的預防與處治，結合工程實例，開展工程性地面沉降防治的理論與實踐研究，探索和尋求有效的地面沉降防治手段。

（9）加強政府宏觀管理，增強全民防災減災意識。

地面沉降是一復雜的地質災害現(xiàn)象，控制和治理地面沉降是一項社會性很強的工作，需要在政府的組織下，多部門、多學科、多專業(yè)、多手段的綜合治理才能湊效。政府應加大資金投入，加強溝通協(xié)調，加大地面沉降科普知識的宣傳力度，方能有效控制地面沉降，從而保證高鐵運營安全。

[1]許燁霜，余恕國，沈水龍.地下水開采引起地面沉降預測方法的現(xiàn)狀與未來[J].防災減災工程學報,2006,26(3)：352-357.

[2]馬浩蘇錫常地區(qū)水土地質環(huán)境特征及質量分析.中國地質大學.北京.2011，5.

責任編輯：萬寶安 徐偉人
來稿日期：2013-08-14