魯南高鐵沿線地面沉降現(xiàn)狀及原因分析

岳建剛

(中鐵第四勘察設(shè)計院集團有限公司，湖北武漢 430063)

魯南高鐵位于山東省西南部經(jīng)濟隆起帶的臨、棗、濟、菏發(fā)展軸。近年來，隨著城市建設(shè)節(jié)奏的加快，地下水需求與日俱增，導(dǎo)致沿線部分地區(qū)地下水位出現(xiàn)了持續(xù)下降的趨勢，形成了多個以城鎮(zhèn)為中心的沉降漏斗(以菏澤城區(qū)、濟寧城區(qū)最為明顯)。因不同區(qū)域內(nèi)沉降速率和沉降幅度存在差異[1]，魯南高鐵沿線的地面沉降也存在不均勻性。為了控制地面沉降繼續(xù)發(fā)展，菏澤市提出了“禁止超量開采地下水、引水入塘、工程蓄水”等治理措施[2]；張文治等[3]對濟寧地區(qū)1989～2002年間的地面沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行了統(tǒng)計分析；周建偉等[4]結(jié)合濟寧城區(qū)的自然地理等條件，研究了地面沉降的成因，認(rèn)為濟寧城區(qū)地面沉降主要是因為超采地下水所致，與新構(gòu)造運動無關(guān)；韓飛等[5]根據(jù)監(jiān)測資料，研究了濟寧地區(qū)地面沉降與地下水位下降的關(guān)系，認(rèn)為地下水位下降是導(dǎo)致區(qū)域性地面沉降的直接原因；姜明麗等[6]根據(jù)濟寧地區(qū)礦區(qū)分布、地下水的補給條件，對其地面沉降進(jìn)行了預(yù)測；張靜等[7]基于InSAR技術(shù)，研究了盤錦地區(qū)地面沉降的演變規(guī)律；徐中華等[8]分析了地面沉降的機理并預(yù)測了未來的地面沉降量；胡卸文等[9]根據(jù)地面沉降量與地下水位的關(guān)系，得出了不同開采量、不同開采時間與地面沉降量的關(guān)系；崔昭[10]分析了基坑降水與地面年沉降量的關(guān)系，并提出了應(yīng)對措施；張輝等[11]研究了深層地下水開采與地面沉降的關(guān)系，認(rèn)為監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)需控制監(jiān)測單元的面積及分布；段曉飛[12]研究了魯北平原的地面沉降與地下水位的相互關(guān)系；李紹武[13]介紹了中國城市地面沉降和巖溶塌陷的現(xiàn)狀與成因，并提出了相應(yīng)的防治對策；熊雋[14]對天津地區(qū)的地面沉降問題和地下水開采狀況進(jìn)行了研究；趙東明等[15-16]研究了抽采地下水引發(fā)的地面沉降對高鐵建設(shè)的影響，并提出了針對性的防治措施。

根據(jù)已有的研究成果，分析魯南高鐵沿線濟寧和菏澤區(qū)域的地層分布特征、巖溶發(fā)育程度、煤礦采空區(qū)分布特征、地下水抽采情況等，并有針對性地提出了控沉措施及建議。

1 高鐵沿線地面沉降現(xiàn)狀

魯南高鐵主要經(jīng)由曲阜市，濟寧市兗州區(qū)、任城區(qū)、汶上縣和嘉祥縣，菏澤市巨野縣、鄆城縣、定陶區(qū)和牡丹區(qū)。以京杭大運河為界，主要劃分為汶泗河沖洪積平原和黃河沖積平原兩大地貌單元(見圖1)。

沿線大部分段落第四系地層埋深超過200 m，菏澤段超過400 m。由于自然因素或人類工程活動加劇，引發(fā)了第四系松散巖類固結(jié)壓縮并導(dǎo)致了地表一定范圍內(nèi)的地面沉降現(xiàn)象，目前已形成了以濟寧城區(qū)、菏澤城區(qū)為中心的降落漏斗區(qū)。

圖1 沿線地貌單元劃分

沿線地面沉降監(jiān)測資料及水準(zhǔn)測量資料顯示，濟寧及菏澤地區(qū)存在明顯的地面下沉(濟寧地區(qū)累計沉降量為6～20 cm)。1988～2005年間，濟寧地區(qū)地面沉降速率為17～18 mm/a(見圖2)；在采取限采措施后，2013～2017年間，地面沉降速率穩(wěn)定在6 mm/a(見圖3)。菏澤地區(qū)沉降亦較明顯，2002～2003年間，最大沉降速率近27 mm/a(見圖4)，其中，超過50%的區(qū)域沉降速率大于10 mm/a；2004年后，菏澤市采取了限采措施，地面沉降速率有所趨緩，2014～2015年間，地面沉降速率為5～15 mm/a(見圖5)。

圖2 濟寧市地面沉降等值線(1988～2005)

圖3 濟寧市地面沉降等值線(2013～2017)

圖4 菏澤市地面沉降等值線(2002～2003)

圖5 菏澤市地面沉降等值線(2014～2015)

依據(jù)2016～2018年的SAR衛(wèi)星影像資料，采用常規(guī)D-InSAR和時序InSAR相結(jié)合的解譯方法，綜合分析魯南高鐵沿線地表的形變特征。采用D-InSAR方法處理得到的差分干涉圖能夠直觀反映不同時段地表形變情況，可從定性角度確定沉陷形態(tài)。而時序InSAR分析方法則可以獲取連續(xù)時段內(nèi)的累計沉降量。

圖6 魯南高鐵2016～2018年InSAR解譯地表形變離散點

在現(xiàn)場調(diào)查的基礎(chǔ)上，對InSAR的解譯成果進(jìn)行分析(見圖6)，沿線地面沉降主要分為以下4段：兗州段DK272～DK284、巨野段DK366～DK372、濟寧段DK306～DK318，DK390～419段，以上段落沉降量較大。

提取InSAR解譯范圍內(nèi)魯南高鐵沿線的地表形變數(shù)據(jù)(見圖7)，魯南高鐵2016～2018年地面沉降量在-95～12 mm之間，年沉降速率為0～32 mm/a。

其中，沉降較為明顯的段落主要有3段。DK276+350～DK279+926段：累計沉降量為51.139～95.382 mm，沉降差為0.378～30.122 mm/km，不均勻沉降較明顯。通過走訪調(diào)查，該段范圍內(nèi)無集中供水水源地，且地下水位一直處于穩(wěn)定的狀態(tài)，初步分析該段范圍的沉降主要由煤礦采空區(qū)所致，其地表形變符合采空塌陷影響特征。

圖7 魯南高鐵2016～2018年沿線地面沉降分布及沉降

DK306+600～DK313+000段：累計沉降量為27.212～55.488 mm，沉降差為0.677～25.650 mm/km。該段范圍左側(cè)為濟寧開發(fā)區(qū)，地下水開采量較大，導(dǎo)致地下水位持續(xù)下降，可認(rèn)為該段范圍的沉降主要由超量開采地下水所致(整體處于均勻沉降的狀態(tài))。

DK360+545～DK419+050段：累計沉降量為9.917～92.472 mm，沉降差為0.756～2.217 mm/km。該段范圍右側(cè)為菏澤工業(yè)園區(qū)，監(jiān)測資料顯示，該段范圍內(nèi)地下水位呈逐年下降的趨勢，形成了以工業(yè)園區(qū)為中心的水位下降漏斗，地面沉降的趨勢基本與地下水位下降趨勢一致，可認(rèn)為該段范圍的沉降主要由超量開采地下水所致(整體處于均勻沉降的狀態(tài))。

2 高鐵沿線地面沉降原因

地面沉降是一種全球性的城市地質(zhì)災(zāi)害，其影響具有區(qū)域性、緩變性和累計不可逆性[6]。地下水位下降，第四系松散巖類被壓縮，導(dǎo)致地表發(fā)生沉降，高鐵軌道的平順性受到影響。此外，地表沉降還導(dǎo)致土體對樁基礎(chǔ)產(chǎn)生負(fù)摩阻力，進(jìn)而影響樁基承載力。

綜合分析魯南高鐵沿線的地質(zhì)構(gòu)造及地層分布特征，造成地面沉降的原因主要有區(qū)域構(gòu)造運動、超采地下水、城市建設(shè)、采空區(qū)塌陷、巖溶塌陷等因素。

2.1 構(gòu)造運動

新構(gòu)造運動在魯西南地區(qū)的主要表現(xiàn)形式為地殼形變[3]，根據(jù)近20年的地殼形變資料，華北平原地區(qū)地殼整體上以小于3 mm/a的速率穩(wěn)定沉降，局部表現(xiàn)出一定的差異性，如沿線濟寧地區(qū)有升有降，嘉祥至鄆城為上升區(qū)，菏澤為下降區(qū)。在菏澤市區(qū)的工程勘察過程中，曾發(fā)現(xiàn)了大量的人和動物骨片，巨野縣也發(fā)現(xiàn)了古塔下沉被埋的現(xiàn)象，這些文化層的現(xiàn)象也說明沿線新構(gòu)造運動仍在繼續(xù)。

因此，魯南高鐵沿線地面沉降與新構(gòu)造運動相關(guān)，但因其沉降量小，且具有整體下沉的特性，不會產(chǎn)生顯著的局部不均勻沉降，不會對高鐵運營產(chǎn)生影響。

2.2 地下水超采

太沙基一維固結(jié)理論認(rèn)為：飽和多孔介質(zhì)可以看作等效的連續(xù)介質(zhì)，其總應(yīng)力與孔隙壓力的差被視為有效應(yīng)力。土顆粒本身的壓縮量很微小，在研究中可以忽略，骨架的壓縮只有通過顆粒的排列變化(拓?fù)渥兓?來實現(xiàn)，即只有通過顆粒接觸點傳遞的有效應(yīng)力，才能引起土的變形和影響土的強度。因此，超量抽采地下水造成飽和土孔隙水壓力消散，引起土顆粒間有效應(yīng)力的增加，是土層發(fā)生壓縮變形的基本機理[8]。

(1)濟寧地區(qū)地下水利用特征

濟寧屬于汶泗河沖洪積地貌區(qū)，主要接受第四系全新統(tǒng)和更新統(tǒng)的沉積，以粉質(zhì)黏土、粉土、中-細(xì)砂為主，第四系地層厚度為0～200 m，曲阜段局部分布有剝蝕殘丘，基巖出露。[10]根據(jù)第四系埋藏特征、水文地質(zhì)特征及地下水賦存條件等，將濟寧段地下水劃分為淺層孔隙水含水巖組、中深層孔隙水含水巖組、深層孔隙水含水巖組。其水文地質(zhì)特征見表1。

表1 濟寧段第四系含水巖組水文地質(zhì)特征

濟寧段抽采的地下水主要為淺層孔隙水及中深層孔隙水，一般用于農(nóng)業(yè)灌溉以及城鎮(zhèn)工業(yè)和居民生活用水。因淺層孔隙水接受大氣降水及地表水的補給，其水位變化幅度不大，一般情況下可以達(dá)到采補平衡，對地面沉降的影響較小。而中深層孔隙水接受補給量少，補給來源單一，集中抽水后易形成降落漏斗，水位逐漸下降，壓縮層固結(jié)壓縮，導(dǎo)致地面發(fā)生形變。

InSAR解譯成果分析表明，DK306+600～DK313+000段線位兩側(cè)均出現(xiàn)多個不同大小的沉降漏斗，地下水的變化情況顯示，濟寧城區(qū)中心地下水位呈逐年下降的趨勢，2014～2018年，地下水位由原來的27 m下降至25 m，地表也出現(xiàn)一定程度的變形。因此，該段沉降是因為過度抽采中深層孔隙水，上部土層被壓縮，進(jìn)而引發(fā)的地面沉降。

根據(jù)走訪調(diào)查，濟寧城北開發(fā)區(qū)有多處大型水井。資料顯示，供水水源地向城北方向發(fā)展，地面沉降也在逐漸向北延展，地下水抽采與地面沉降的趨勢基本一致。

(2)菏澤地區(qū)地下水利用特征

菏澤屬于黃河沖積扇的前部，因黃河多次改道和泛濫，使得黃河泥沙不斷淤積。菏澤地區(qū)地層主要為第四系全新統(tǒng)沖積層，以粉土、粉質(zhì)黏土、粉砂為主，第四系地層厚度為300～500 m，局部發(fā)育有湖沼積淤泥質(zhì)土，埋深35～50 m。根據(jù)第四系埋藏特征、水文地質(zhì)特征及地下水賦存條件，將菏澤段地下水劃分為淺層孔隙水含水巖組、中深層孔隙水含水巖組、深層孔隙水含水巖組。其水文地質(zhì)特征見表2。

濟寧段抽采的地下水主要為淺層孔隙水及深層孔隙水。近年來，菏澤大部分地區(qū)不再抽采深層孔隙水，而改用黃河水，淺層孔隙水主要用于農(nóng)業(yè)灌溉，深層孔隙水主要用于工業(yè)生產(chǎn)(主要集中分布在菏澤牡丹區(qū)工業(yè)園)。

表2 菏澤段第四系含水巖組水文地質(zhì)特征

InSAR解譯成果分析表明， DK360+545～DK419+050段處于一個明顯的沉降區(qū)，且出現(xiàn)了多個漏斗中心，根據(jù)中深層孔隙水水位的變化情況，菏澤地區(qū)地下水位呈現(xiàn)逐年下降的趨勢，2013～2018年，深層地下水水位下降約20 m，形成了局部地下水降落漏斗。因此，菏澤地區(qū)地面沉降的主要原因是中深層地下水的超采(尤其是深層地下水)，降落漏斗影響邊界大，且補給來源單一，導(dǎo)致地面沉降的不可逆。

資料顯示，自改革開放以來，菏澤地區(qū)工農(nóng)業(yè)發(fā)展迅速，城鎮(zhèn)用水量激增，水位持續(xù)下降，現(xiàn)已形成了以牡丹區(qū)工業(yè)園為中心的沉降漏斗，地面出現(xiàn)了一定程度的下沉(見圖8、圖9)。

圖8 菏澤文心花園深層孔“長高”

圖9 菏澤東城區(qū)井管“抬升”

2.3 城市建設(shè)

在飽和砂層或飽和淤泥質(zhì)軟土層進(jìn)行基坑開挖，有可能造成支護(hù)結(jié)構(gòu)失穩(wěn)，從而導(dǎo)致基坑周邊地區(qū)的地面沉降。

地面高層建筑物的建設(shè)或者大面積土石方的堆積，亦可增加地面荷載，作用在土體上的有效應(yīng)力增大，引起土體固結(jié)，導(dǎo)致地面沉降。

本線通過區(qū)域位于濟寧、菏澤地區(qū)的郊區(qū)，線路兩側(cè)少有高層建筑及深基坑工程，但城市建設(shè)引起的地面沉降不應(yīng)被忽視。根據(jù)《鐵路安全管理條例》中“鐵路線路兩側(cè)應(yīng)當(dāng)設(shè)立鐵路線路安全保護(hù)區(qū)”的規(guī)定，對于高鐵沿線兩側(cè)的深基坑工程及高層建筑施工，應(yīng)充分考慮基坑降水及高層建筑對高鐵運營安全的影響并進(jìn)行安全評估，并預(yù)留足夠的安全距離。

2.4 采空區(qū)塌陷

現(xiàn)場調(diào)查及資料顯示，沿線引發(fā)采空塌陷的開采礦產(chǎn)均為煤炭，已形成了大面積采空區(qū)。其中，DK276～DK280段鄰近煤礦采空區(qū)。InSAR監(jiān)測資料顯示，該段具有明顯的降落漏斗形態(tài)，煤礦的開采序列及沉降變化趨勢也基本一致，且漏斗中心與煤礦采區(qū)的中心也基本一致。在勘測階段，已對煤礦采空區(qū)進(jìn)行了充分的調(diào)查，并對其進(jìn)行了繞避(于采空區(qū)影響邊界外通過)。

2.5 巖溶塌陷

資料顯示，距離線位4.5 km的范圍內(nèi)發(fā)生過巖溶塌陷的地質(zhì)災(zāi)害[13]。

沿線曲阜段和嘉祥段發(fā)育有寒武系、奧陶系灰?guī)r、白云巖等可溶巖，其中DK255～260段覆蓋層厚度小于50 m。根據(jù)本線勘察資料，該段地層主要為泥質(zhì)灰?guī)r夾頁巖，巖溶弱發(fā)育，本線選線階段已避開巖溶強烈發(fā)育地段。巖溶塌陷具有突發(fā)性、局部性等特點，加強地下水及地表形變的監(jiān)測是預(yù)防巖溶塌陷的有效手段。

3 結(jié)論與建議

3.1 結(jié)論

對地質(zhì)水文資料及InSAR解譯成果進(jìn)行了綜合分析，得出以下結(jié)論。

(1)InSAR解譯成果為多因素集合的地表形變差值，無法定量分析超采地下水導(dǎo)致的地面沉降量。

(2)魯南高鐵沿線的濟寧、菏澤地區(qū)存在長期超采地下水的歷史，且地下水位持續(xù)下降，地表形變明顯，現(xiàn)已形成了以菏澤、濟寧為中心的沉降漏斗區(qū)。

(3)魯南高鐵濟寧段沉降速率為5～33 mm/a，菏澤段沉降速率為0～32 mm/a，沉降量較大，且局部存在不均勻沉降。

(4)地面沉降的原因主要有新構(gòu)造運動、超采地下水、城市建設(shè)、采空塌陷、巖溶塌陷等。

(5)地下水開采與地面沉降的趨勢一致，超采地下水是引起地面沉降的主要原因。

3.2 建議

(1)超采地下水引起的地面沉降具有不可逆性，高鐵沿線應(yīng)嚴(yán)格控制地下水的開采。

(2)對于集中開采地下水的工礦企業(yè)應(yīng)該進(jìn)行重新規(guī)劃，避免因大量集中開采造成沉降漏斗，引起不均勻沉降。

(3)本線局部段落臨近煤礦采空區(qū)，應(yīng)嚴(yán)格控制線路兩側(cè)一定范圍內(nèi)的采掘，預(yù)留安全距離。

(4)在可溶巖發(fā)育段落，應(yīng)加強地下水及地表形變的監(jiān)測。

(5)對于臨近高鐵的深基坑工程及高層建筑施工，應(yīng)在確保高鐵運營安全的前提下預(yù)留安全距離，避免因降水引起淺層地下水變化，進(jìn)而引發(fā)高鐵沿線的不均勻沉降現(xiàn)象。