宿州市城西水源區(qū)地面沉降對淮北至阜陽、蚌埠快速鐵路路基的影響分析

吳 偉

(中鐵上海設(shè)計院，上海 200070)

宿州市城西水源區(qū)地面沉降對淮北至阜陽、蚌埠快速鐵路路基的影響分析

吳 偉

(中鐵上海設(shè)計院，上海 200070)

淮北至阜陽、蚌埠快速鐵路經(jīng)過宿州市城西水源區(qū)，水源區(qū)由于常年開采地下水造成地面沉降。文章結(jié)合地質(zhì)情況、水井布置、未來地下水開采規(guī)劃，分析了水源區(qū)的地面沉降的類型、未來發(fā)展趨勢及其對高鐵路基造成的影響，為淮北至阜陽、蚌埠快速鐵路在該區(qū)域的選線、設(shè)計、建設(shè)、運營提供了依據(jù)。

地下水開采區(qū)； 地面沉降； 高鐵路基

在我國的長江三角洲地區(qū)、華北平原和汾渭盆地等地區(qū)，因開采地下水而造成較為嚴重的地面沉降，對城市建設(shè)和資源開發(fā)產(chǎn)生了很大的危害[1]。目前我國的高鐵建設(shè)中，地面沉降也對高鐵的選線、設(shè)計、建設(shè)、運營造成了很大的影響[2-3]。

淮北至阜陽、蚌埠快速鐵路位于安徽北部，是皖北城際鐵路網(wǎng)近期建設(shè)線路，經(jīng)由淮北、宿州、亳州、阜陽和蚌埠五市，正線全長303.6 km，為250 km/h的客運專線，是安徽省鐵路發(fā)展規(guī)劃的重要組成部分。全線除隧道以外，均采用有砟軌道，對線路的平順度和穩(wěn)定性具有較高要求，路基、橋梁的沉降控制是保持軌道平順性的關(guān)鍵。時速250 km/h客運專線對路基的工后沉降要求，不超過100 mm，每年沉降要求不超過30 mm。全線最小曲線半徑為3 500 m，最大坡度限制為20 ‰。

經(jīng)過方案比選和論證，淮北至阜陽、蚌埠快速鐵路經(jīng)過宿州市城西為較優(yōu)方案，而城西為宿州市的主要水源區(qū)，常年的地下水開采，已造成一定量的地面沉降，并且目前地面沉降量一直在持續(xù)增加，城際鐵路通過地面沉降區(qū)，需分析地面沉降未來的發(fā)展趨勢及其對鐵路運營安全的影響。

1 工程地質(zhì)、水文地質(zhì)情況

1.1 地形地貌

宿州市城西水源區(qū)位于淮北沖積平原，地勢由東南向西北微傾，地面高程一般在26.0～27.0 m之間。區(qū)域內(nèi)多為麥地，村鎮(zhèn)棋布，水系、河渠縱橫，公路交通發(fā)達。

1.2 地質(zhì)構(gòu)造及巖性

大地構(gòu)造單元歸屬于中朝準地臺淮河臺坳，次級單元為淮北凹陷斷帶宿州凹陷褶束。區(qū)內(nèi)褶皺為軸向NE的短軸狀舒緩背、向斜，與褶皺伴生的斷裂不甚發(fā)育。根據(jù)區(qū)域地質(zhì)資料，本段斷裂均隱伏于巨厚層的第四系地層下，對工程影響不大，區(qū)域構(gòu)造穩(wěn)定性較好。

根據(jù)勘探揭露，深度90.0 m范圍內(nèi)分別為第四系全新統(tǒng)、上更新統(tǒng)和中更新統(tǒng)沖洪積粉質(zhì)黏土、粉土及粉砂、細砂以及中砂，寒武系中統(tǒng)白云質(zhì)灰?guī)r。

1.3 氣候、水文地質(zhì)

地表水主要為淮河水系，主要河流為澮河、澥河、北淝河，流向大體由南到北，常年流水，兼具旱季灌溉，雨季排澇作用。

地下水的主要類型為第四系地層中的孔隙潛水。孔隙潛水多蘊藏于透水性好的粉土、粉砂、細砂等砂層中，地下水位埋深2.0～8.0 m，主要接受地下徑流及大氣降水、地表水入滲補給，屬典型滲入蒸發(fā)型，由大氣降水及地表流水補給，水量不大。

2 地面沉降的主要兩種類型

由地下水開采引起的地面沉降大致可劃分為區(qū)域降水地面沉降和局部抽水地面沉降兩種類型[4]。

2.1 區(qū)域降水地面沉降

區(qū)域降水地面沉降是指區(qū)域大面積降水形成地下水降落漏斗區(qū)，從而導(dǎo)致區(qū)域地面形成地面沉降盆,并隨著地下水位逐漸下降,其地面沉降量逐漸增大,沉降區(qū)域逐漸擴大。區(qū)域降水地面沉降有范圍大、緩慢性和逐漸過渡變形的特點，除降落漏斗邊緣外，其沉降是相對均勻的。

區(qū)域地下水位下降,地層自重有效應(yīng)力增大,地下水位平均每下降1 m，相應(yīng)增加10 kPa的自重應(yīng)力，可采用分層總和法計算并預(yù)測地面沉降量。

黏性土及粉土按式(1)計算：

(1)

砂土按式(2)計算：

(2)

式中：s∞為土層最終沉降量(cm)；α為土層壓縮系數(shù)(MPa-1)；e0為土層原始孔隙比；△p為水位變化施加于土層上的平均附加應(yīng)力(MPa)；H為計算土層厚度(cm)；E為砂層彈性模量(MPa)。

2.2 局部抽水地面沉降

局部抽水地面沉降是指新增單井或多井抽水或季節(jié)性抽水，因距井點遠近不同，開采的深度和降深不同，其引起的地面沉降是不均勻的。局部抽水地面沉降有范圍小、沉降快、不均勻性大等特點。

潛水完整井抽取地下水，采用式(3)～式(5)計算：

(3)

(4)

(5)

式中：K為地層滲透系數(shù)(m/d)；Q為抽水井的抽水量(m3/d)；R為抽水影響半徑(m)；sw(s) 為抽水井中的水位降深(m)；rw為抽水井半徑(m)；r1為線路距抽水井距離(m)；s1為線路位置的水位降深(m)；H為含水層厚度(m)。

以地下水位為20.5 m為例，地層含水層厚度為29.5 m，滲透系數(shù)為5 m/d，土層壓縮模量為4 MPa。經(jīng)計算，抽水井水位降深為24 m和40 m時，地面沉降量與距離水井中心距離的關(guān)系如圖1所示。

圖1 地面沉降量與距離水井中心距離的關(guān)系

從圖中可以看到，井點降水的特征是沉降不均勻，距離水井中心距離越近(0～100 m)，其沉降越大，越遠沉降越小，當降深40 m時，200 m處的沉降為35.06 mm。

2.3 兩種類型地面沉降對高鐵路基的影響

開采地下水引起的地面沉降，對高鐵路基的影響主要有兩個方面：(1)影響高鐵工程結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性；(2)改變地面標高及線路原始坡度，對高鐵平順性造成影響。

地面沉降降低了鐵路路基的絕對高程，沉降區(qū)的累積沉降可能會超過規(guī)范規(guī)定的工后沉降值。區(qū)域沉降由于其呈區(qū)域性、緩慢性和逐漸過渡變形特點，即使沉降區(qū)的累積沉降超過規(guī)范規(guī)定的路基工后沉降值，對高速鐵路路基工程結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性影響不大；局部沉降由于范圍小、沉降快、不均勻性大，可能對高鐵路基的結(jié)構(gòu)安全產(chǎn)生較大影響。

由于沉降區(qū)內(nèi)不同部位沉降速率和幅度均有所不同，會造成地面坡度發(fā)生變化，產(chǎn)生附加坡度，其與線路本身坡度的疊加，就會對軌道平順度和穩(wěn)定性造成一定的影響。如局部不均勻地面沉降較劇烈，峻工后沉降耦合可能造成線路不平順，影響高速鐵路行車安全。

3 宿州市城西水源區(qū)地面沉降分析

3.1 水源區(qū)地面沉降現(xiàn)狀

目前宿州市城西水源區(qū)有接近200眼水井，水井布置間距300 m以上，井深約80～130 m，主要以開采深層地下水為供水水源，地下水日開采約15×104m3，年開采總量約5 475×104m3/a。2011年時，中深層地下水漏斗中心地下水位埋深為24.78 m，漏斗邊緣地下水水位埋深為3.33～5.07 m，漏斗面積為212.54 km2。據(jù)最新測量資料發(fā)現(xiàn)，城西水源地漏斗中心已向西擴展，中心水位埋深已達33 m，水源地西部年最大沉降速率達到每年20 mm以上。評估區(qū)現(xiàn)狀最大地面沉降約120 mm(圖2)。

圖2 宿州城西水源地中深層地下水水位標高等值線

3.2 水源區(qū)地面沉降預(yù)計發(fā)展計算

依據(jù)宿州市工程地質(zhì)條件，宿州市城區(qū)松散類土體可分成7個工程地質(zhì)層(表1)。第①、②工程地質(zhì)層屬于淺層含水層組，是一個開放含水系統(tǒng)，直接接受大氣降水補給，人工開采量較小，主要以蒸發(fā)和補給(通過越流或“天窗”)深層第一含水層組，其造成地面沉降量可忽略不計。開采地下水造成地面沉降主要存在于深層第一含水層組第③～⑥工程地質(zhì)層，其中第③、⑤工程地質(zhì)層是產(chǎn)生壓縮變形的主要壓縮層。

根據(jù)2003～2011年宿州市深層地下水開采量與宿州市深層地下水降落漏斗中心地下水水位埋深關(guān)系，估算出漏斗中心地下水水位平均下降速率為0.43 m/a。

據(jù)安徽省水利科學(xué)研究院和宿州市水利局2011年6月完成的《宿州市水資源綜合規(guī)劃》，宿州市近期重點開發(fā)利用西二鋪和朱仙莊中深層地下水，遠期將開發(fā)城市北部符離集水源地(巖溶水)，以滿足城市經(jīng)濟和社會發(fā)展的需要。預(yù)計至2030年，深層地下水僅用于城市生活用水和食品行業(yè)用水，限制區(qū)和禁采區(qū)實現(xiàn)采補平衡，采用地表水或外調(diào)水置換出除食品行業(yè)外的所有的工業(yè)所用深層地下水，控制地下水位的下降，并使其逐漸恢復(fù)。

根據(jù)《宿州市水資源綜合規(guī)劃》，從寬考慮，按漏斗中心地下水水位以平均下降速率0.43 m/a持續(xù)30年，至2046年，中深層地下水水位最大下降深度為12.9 m，以此預(yù)計計算城西水源區(qū)未來的最大沉降量。以前述式(1)、式(2)分層計算③～⑥層的沉降量，得至2046年，地下水開采引起的總地面沉降量約為286.86 mm，現(xiàn)狀下已發(fā)生地面沉降量約120 mm左右，評估區(qū)累計地面沉降量約為406.86 mm。

初步預(yù)測自2016年起，水源地遠期最終區(qū)域地面沉降量不會大于預(yù)測評估結(jié)果的286.86 mm，總累計沉降量不超過406.86 mm。

表1 宿州市城區(qū)各土層工程地質(zhì)特征

3.3 水源區(qū)地面沉降對高鐵的影響分析

從宿州市城西水源地目前的地面沉降現(xiàn)狀及預(yù)計發(fā)展情況可以發(fā)現(xiàn)，同時存在局部抽水地面沉降和區(qū)域降水地面沉降兩種情況。

對于局部抽水地面沉降，可能對高鐵路基的結(jié)構(gòu)安全產(chǎn)生較大影響，而沉降主要由新增單井或多井抽水或季節(jié)性抽水引起，其影響范圍主要集中在井口附近范圍。從圖1可以看到，單井抽水造成的地面沉降在距離井點0～100 m范圍內(nèi)較為明顯，距離越近，其沉降越大，距離越遠沉降越小，到距井點200 m處時的沉降值已經(jīng)較小。根據(jù)《鐵路安全管理條例》，“高速鐵路線路路堤坡腳、路塹坡頂或者鐵路橋梁外側(cè)起向外各200 m范圍內(nèi)禁止抽取地下水。”可以認為，在執(zhí)行本條例的前提下，宿州市城西水源地開采地下水引起的局部抽水地面沉降對高鐵線路一般不造成明顯影響。

根據(jù)宿州城西水源地目前的地面沉降現(xiàn)狀及預(yù)計發(fā)展情況，認為該區(qū)域超量開采地下水所引起的區(qū)域沉降，有區(qū)域性、緩慢性和逐漸過渡變形特點，預(yù)計未來地面沉降量不超過286.86 mm，累計地面沉降量不超過406.86 mm，除降落漏斗邊緣外，其沉降是相對均勻的。區(qū)域沉降除沉降漏斗邊緣外，沉降盆內(nèi)沉降對高速鐵路路基工程結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性影響不大，沉降漏斗邊緣沉降有一定差異沉降，會引起地面坡度發(fā)生變化，對高鐵線路產(chǎn)生附加坡度，會對軌道平順度和穩(wěn)定性造成一定的影響。

4 區(qū)域地面沉降影響的高鐵路基處理措施

高速鐵路路基工程，可采用如下處理措施，來減少地面沉降對軌道平順度和穩(wěn)定性造成的影響，保障高鐵運營的安全、舒適。

(1)在現(xiàn)有監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上，進一步完善高鐵專項地面沉降實時監(jiān)測系統(tǒng)，包括區(qū)域地面沉降監(jiān)測、高鐵工程變形監(jiān)測以及沿線地下水位動態(tài)監(jiān)測等。既要考慮工程本身的差異沉降情況，又要考慮其與區(qū)域沉降的疊加效果，避免因?qū)?zāi)害程度考慮不全面而導(dǎo)致出現(xiàn)安全隱患。

(2)采用CFG樁、管樁、樁板結(jié)構(gòu)等復(fù)合地基進行加固處理，以加強地基整體穩(wěn)定性，防止降落漏斗邊緣的差異沉降。

(3)采取柔性分層加筋措施，增加路基穩(wěn)定性，并適應(yīng)地面沉降變形。

(4)加寬路基面寬度，放緩路基邊坡，為路基長期累積沉降預(yù)留抬道空間。

(5) 在發(fā)生不大的局部差異沉降時,可通過抬道來恢復(fù)原始線路縱坡；在大區(qū)域內(nèi)發(fā)生較大差異沉降時，可通過重新調(diào)整線路縱坡，進行軌面平順度擬合，確保線路的平順度和穩(wěn)定性。

5 結(jié)論

(1)宿州市城西水源地開采地下水所引起的地面沉降，同時存在局部抽水地面沉降和區(qū)域降水地面沉降兩種情況。

(2)在執(zhí)行《鐵路安全管理條例》的相關(guān)規(guī)定的前提下，宿州市城西水源地開采地下水引起的局部抽水地面沉降對高鐵線路一般不造成明顯影響。

(3)對于區(qū)域降水地面沉降，除降落漏斗邊緣外，其沉降是相對均勻的，沉降盆內(nèi)沉降對高速鐵路路基工程結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性影響不大，沉降漏斗邊緣沉降有一定差異沉降，會引起地面坡度發(fā)生變化，對高鐵線路產(chǎn)生附加坡度，會對軌道平順度和穩(wěn)定性造成一定的影響。

(4)區(qū)域沉降對軌道平順度和穩(wěn)定性造成的影響，可通過復(fù)合地基加固、抬道、軌面平順度擬合等措施來進行防止或修復(fù)。

經(jīng)過以上分析，在執(zhí)行《鐵路安全管理條例》的相關(guān)規(guī)定的前提下，宿州城西水源地開采地下水所引起的地面沉降，對高鐵路基有一定影響，但其影響可通過地面沉降實時監(jiān)控、工程措施及后期維護措施進行防止或修復(fù)。

[1] 殷躍平，張作辰，張開軍. 我國地面沉降現(xiàn)狀及防治對策研究[J]. 中國地質(zhì)災(zāi)害與防治學(xué)報， 2005,16(2)： 1-8.

[2] 王榮，劉明坤，賈三滿,等. 地面沉降對高速鐵路的影響分析[J]. 中國地質(zhì)災(zāi)害與防治學(xué)報， 2014(2)： 49-53.

[3] 鄧帥，馬濤. 華北平原區(qū)域沉降分析及對高速鐵路的影響[J]. 鐵道勘察， 2013(2)： 39-42.

[4] 盧春房. 高速鐵路建設(shè)典型工程案例——路基工程[M]. 北京，中國鐵道出版社，2015： 391.

吳偉(1981～)，男，碩士，工程師，主要從事鐵路、公路路基工程的設(shè)計及研究工作。

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[定稿日期]2017-06-21