地面沉降地區(qū)高速鐵路工程地質(zhì)選線

趙明東

(中國鐵路設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司，天津 300142)

地面沉降具有初期不易察覺、地域性明顯等特點(diǎn)，尤其是不均勻沉降，對(duì)鐵路等線形工程危害巨大[1]。在地面沉降多發(fā)區(qū)的工程地質(zhì)選線中，必須充分考慮地面沉降對(duì)鐵路的影響。已有許多學(xué)者進(jìn)行了相關(guān)研究：李國和等通過統(tǒng)計(jì)線路所在地區(qū)的沉降量，分析不均勻沉降給線路帶來的影響，提出適宜的防治對(duì)策與工程措施[2]；武濤采用現(xiàn)場調(diào)查、物探和鉆探等手段，對(duì)某煤田礦區(qū)的小范圍地面沉降進(jìn)行了研究[3]；祁彪采用統(tǒng)計(jì)分析方法對(duì)某鐵路段落的地面沉降進(jìn)行了分析，認(rèn)為鐵路運(yùn)營會(huì)加劇不均勻沉降[4]。雖然眾多學(xué)者對(duì)地面沉降的影響做了大量研究，但使用InSAR空間對(duì)地觀測技術(shù)來指導(dǎo)工程地質(zhì)選線的研究還較少。以某高速鐵路東營-濰坊段為例，采用InSAR空間對(duì)地觀測技術(shù)等綜合勘察手段，對(duì)該地區(qū)地面沉降情況進(jìn)行研究。

某擬建高速鐵路東營-濰坊段為平原區(qū)，主要包括沖積、沖洪積平原及濱海平原，地勢低平，河渠縱橫，洼淀眾多，地面高程一般為1～10 m，整體地勢自西南向東北微傾[5]。該地區(qū)分布大量的鹽田和耕地，地下水和地下鹵水的大量開采導(dǎo)致該地區(qū)發(fā)生了大規(guī)模的地面沉降[6-7]。因此，如何通過綜合的地質(zhì)勘察手段查明沉降區(qū)范圍，是該段線路選線的重要工作。

1 地面沉降對(duì)高速鐵路的影響

地面沉降又被稱為地陷和地面下沉，是由于人類的活動(dòng)或自然因素導(dǎo)致的地殼表層松散土固結(jié)壓縮、地面高程下降的工程地質(zhì)現(xiàn)象[8-9]。地面沉降主要有三種形式：構(gòu)造沉降、抽水沉降和采空沉降[10-11]，其中抽水沉降和采空沉降被學(xué)術(shù)界認(rèn)為是形成地面沉降的主要原因。

按照沉降形式，地面沉降可分為區(qū)域沉降和局部沉降。區(qū)域沉降會(huì)降低高鐵的絕對(duì)高程，產(chǎn)生附加坡度，降低線路抵抗災(zāi)害的能力，并對(duì)行車安全產(chǎn)生影響；局部沉降尤其是局部差異性沉降，會(huì)造成線路的不平順，嚴(yán)重影響竣工后的行車安全。

2 InSAR空間對(duì)地觀測技術(shù)

2.1 InSAR技術(shù)工作原理

InSAR(Synthetic Aperture Radar Interferometry)是一種遙感技術(shù)與射電天文干涉技術(shù)相結(jié)合的新興空間對(duì)地觀測技術(shù)[12-13]。其通過兩幅以上的SAR圖像共軛相乘求取的相位差獲得干涉圖像，進(jìn)而計(jì)算出地表的微小變化。該技術(shù)具有全天候、全天時(shí)、高分辨率、高精度和數(shù)據(jù)處理高自動(dòng)化等特征，且不受地形和人為因素的干擾，在多個(gè)領(lǐng)域的研究應(yīng)用中取得了很好的效果[14-15]。

2.2 InSAR地面沉降監(jiān)測結(jié)果分析

在本次研究中，InSAR數(shù)據(jù)源選取2016年12月～2018年12月的德國TerrSAR-X衛(wèi)星數(shù)據(jù)。圖1為東營-壽光地區(qū)(以下簡稱“研究區(qū)”)的InSAR監(jiān)測結(jié)果。從圖1中可以看出，在研究區(qū)范圍內(nèi)存在東營廣饒鹽場和東八路村落兩個(gè)主要的沉降片區(qū)。其中，東營廣饒鹽場沉降區(qū)的面積為145.5 km2，東八路村落沉降區(qū)的面積為11.3 km2。

在東營廣饒鹽場沉降區(qū)范圍內(nèi)，出現(xiàn)了5個(gè)(A、B、C、D、E)顯著的沉降漏斗區(qū)。其中，沉降漏斗A、B中心的最大沉降速率為120 mm/a，沉降漏斗C、D和E中心的最大沉降速率為130 mm/a。在東八路村落沉降區(qū)范圍內(nèi)，存在F、G兩個(gè)沉降漏斗，其中，沉降漏斗F中心的最大沉降速率為90 mm/a，沉降漏斗G中心的最大沉降速率為60 mm/a。

圖1 研究區(qū)InSAR監(jiān)測結(jié)果

3 地面沉降現(xiàn)場調(diào)查

3.1 村落地面沉降調(diào)查

東八路村落沉降區(qū)為村莊群落，村中都有多處深水井和鹵水井，多分布在村周圍的田間地頭。鹵水井在2018年底均已關(guān)停(見圖2)。深水井建井時(shí)間為2013～2015年，井深約為300 m。該批深水井抽取深度大，抽取水量大(見表1)，是造成該區(qū)域地面沉降的主要因素。經(jīng)現(xiàn)場調(diào)查，截止到目前，水井井筒相對(duì)頂出高度約為30 cm(見圖3)。

圖2 村落周圍廢棄的鹵水井

村莊北部一處倉庫墻體出現(xiàn)開裂現(xiàn)象，裂縫與地面呈45°，長度約為1.5 m，寬度約為1.5 cm；村莊東部一民房后墻體出現(xiàn)兩處開裂現(xiàn)象，裂縫與地面呈90°，長度約為4 m，寬度約為0.5～1 cm；村莊南部一民房前屋檐出現(xiàn)一處開裂現(xiàn)象，與地面平行，延伸到房屋墻體處有兩處放射狀開裂，開裂總長度約為2 m，寬度約為0.5～1.5 cm(見圖3)，其他村落民房無開裂情況。

表1 村落沉降區(qū)水井調(diào)查

3.2 東營廣饒鹽場片區(qū)地面沉降調(diào)查

該鹽場片區(qū)靠近渤海，地層較疏松，且在2015年前后新建設(shè)一大批開采深度超過200 m的深層鹵水井，每眼鹵水井的日抽水量約為240 m3。

該鹽場片區(qū)涉及多個(gè)鹽場化工企業(yè)，因此片區(qū)內(nèi)鹵水井個(gè)數(shù)無法準(zhǔn)確計(jì)量。通過面積輻射法對(duì)片區(qū)內(nèi)鹵水井的個(gè)數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)：相鄰兩個(gè)鹵水井的平均間距約為80 m，即鹽場片區(qū)內(nèi)單個(gè)鹵水井的輻射面a=80×80=6 400 m2，該鹽場片區(qū)的總面積約為A=145 528 173 m2，故鹽場片區(qū)鹵水井的總數(shù)N=A/a=22 738眼。深層鹵水的大量開采造成了該鹽場片區(qū)高速率、大面積的地面沉降。

圖3 地面沉降造成水井井筒頂出和房屋墻體開裂

4 線路方案比選

該高速鐵路線路走向除了受到地面沉降的影響外，還受到油田分布、站位布置、重大廠礦和河流分布的影響。在大的線路走向控制下，主要研究了繞北辛村方案和穿北辛村方案(如圖4所示)。兩個(gè)方案的有利因素和不利因素如表2所示。

圖4 研究區(qū)方案比選示意

表2 線路方案比選

從圖4和表2可以看出，穿北辛莊方案在CIK298+600～CIK304+750段穿越東營廣饒縣的大面積鹽場片區(qū)，穿越長度為6.15 km，InSAR圖像顯示，該區(qū)域?yàn)槌两德┒分行膮^(qū)，沉降速率均超過60 mm/a，最大沉降速率為120 mm/a，且線路大段落切割沉降等值線，勢必使線路受到大規(guī)模不均勻沉降的影響。繞北辛莊方案雖然在施工中會(huì)涉及拆遷和占用少量的耕地，但是該方案的線路里程較短、線形更加順直，而且避開了大規(guī)模的地面沉降區(qū)，由圖4可以看出，線路經(jīng)過村落主沉降區(qū)的西側(cè)，該區(qū)域的沉降速率僅為0～11 mm/a，線路與沉降等值線的外擴(kuò)線方向一致，避免了線路的不均勻沉降，極大降低了鐵路建成后的運(yùn)營風(fēng)險(xiǎn)和后續(xù)處理地面沉降的巨額投資。因此，從地質(zhì)專業(yè)角度，推薦繞北辛莊方案。

5 工程措施建議

5.1 控制線路附近地下水的開采

線路附近過度開采地下水，會(huì)改變?cè)摰貐^(qū)地下水的水位和流向，形成降落漏斗，進(jìn)而出現(xiàn)不均勻地面沉降。針對(duì)該地區(qū)地下淡水開采引起的地面沉降問題，給出的工程措施建議為：鐵路線位兩側(cè)3 km范圍內(nèi)禁止開發(fā)新的地下水開采點(diǎn)，加強(qiáng)含水層自然修復(fù)、地下水人工回灌，并加強(qiáng)地面沉降監(jiān)測。

針對(duì)鹽場鹵水礦開采引起的地面沉降問題，給出的工程措施建議為：鐵路線位兩側(cè)200 m范圍內(nèi)嚴(yán)禁開采鹵水，并加強(qiáng)地面沉降監(jiān)測等措施；針對(duì)農(nóng)田灌溉引起的地面沉降問題，建議鐵路線位兩側(cè)200 m范圍內(nèi)嚴(yán)禁開采地下水，并加強(qiáng)地面沉降監(jiān)測。鐵路部門和當(dāng)?shù)卣南嚓P(guān)部門應(yīng)緊密合作，完善鐵路沿線的水資源管理制度[15-16]。

5.2 鐵路施工應(yīng)對(duì)措施

在該地區(qū)，建議線路整體以橋梁形式通過。在施工過程中，應(yīng)對(duì)不均勻沉降的措施有：(1)根據(jù)預(yù)測計(jì)算結(jié)果給出橋梁工程坡度。(2)在沉降區(qū)附近，橋梁工程應(yīng)盡可能使用簡支梁等簡單易修復(fù)的形式。

6 結(jié)論

(1)采用InSAR空間對(duì)地觀測技術(shù)和現(xiàn)場調(diào)查等綜合勘察手段查明了研究區(qū)的地面沉降分布和影響范圍，鹽場片區(qū)和村落區(qū)大面積地面沉降的主要原因分別為近幾年深層鹵水的大量開采和村落周邊農(nóng)田灌溉對(duì)深層地下水的大量開采。

(2)給出了線路在研究區(qū)內(nèi)兩個(gè)走向方案的比選意見：繞北辛莊方案的線路設(shè)計(jì)里程較短、線形更加順直，繞避了東營廣饒鹽場大面積地面沉降區(qū)，在跨越村落沉降區(qū)時(shí)，沿沉降漏斗等值線穿過，避免了線路的不均勻沉降，降低了鐵路建成后的運(yùn)營風(fēng)險(xiǎn)和后續(xù)處理地面沉降的巨額投資。

(3)提出了線路在地面沉降區(qū)設(shè)計(jì)施工的措施建議：①控制線路附近地下水的開采；②盡量以橋梁形式通過沉降區(qū)并選用合理的坡度。