京津冀地面沉降地区轨道交通工程地质选线

京津冀地面沉降地区轨道交通工程地质选线
孟庆文
【摘要】Land subsidence is a kind of geological disaster with the concealment and progressive characteristics. Because of the high standard on the deformation, ballastless track is commonly used in high standard rail transit engineering. Al⁃though it has been considered the variety influence of conditions in the design process, the harm of ground subsidence is of⁃ten not got enough attention. In the paper, situation and reason for the ground subsidence of Beijing⁃Tianjin⁃Hebei was ex⁃plained, the influence of land subsidence caused by exploitation of groundwater to high standard railway engineering was an⁃alyzed, and the principle of geological route selection and comprehensive protection measures for ground subsidence area were put forward at last.%地面沉降是一种具有隐蔽性、累进性等特点的地质灾害，由于高标准轨道交通工程一般采用无砟轨道，对变形的要求很高，虽然在设计过程中考虑了多种工况的影响，但是对地面沉降的危害往往不够重视。

本文主要说明了京津冀地区地面沉降状况和原因，分析了开采地下水引起的地面沉降对高标准轨道工程的影响，提出了地面沉降地区高标准轨道交通工程地质选线原则和综合防护措施。

【期刊名称】《铁道建筑技术》
【年(卷),期】2016(000)011
【总页数】3页(P9-11)
【关键词】高标准轨道交通工程;无砟轨道;地面沉降
【作者】孟庆文
【作者单位】中铁第六勘察设计院集团有限公司天津 300308
【正文语种】中文
【中图分类】U212.2
京津冀协同发展已提升至重大国家战略，京津冀一体化意味着京津冀规划、行政、经济的一体化，需要加快构建快速、便捷、高效、安全、大容量、低成本的综合交通网络。

高速铁路、高标准轨道交通工程具有快速、舒适、便捷的特点，近几年来在我国发展很快。

由于该类工程一般采用无砟轨道形式，建设标准高，对变形的要求十分严格[1-2]。

引起工程变形的因素很多，如路基荷载、桥梁荷载、轨道荷载、列车动荷载等，设计时充分考虑这些荷载引起的变形，并采取了适当的措施，因此由这些荷载引起的变形会随着时间而逐渐趋向稳定，一般不会造成很大的影响。

但是针对无砟轨道来说，还有一些引起变形的因素需要进行认真对待，如由于大量抽取地下水引起的地面沉降等[3-4]。

地面沉降是由一种或多种因素引起的地面标高缓慢降低的环境地质现象，严重时可以成为一种地质灾害。

地面沉降的主要原因是人类活动和地质作用，其中过量抽取地下水是最主要的原因。

京津冀地区位于华北平原，部分地区由于长期过度开采地下水，形成了多个沉降漏斗[5]，对高标准无砟轨道工程有一定影响。

以下针对地面沉降对高标准轨道交通工程的影响、工程地质选线以及相应的防护措施进行初步分析探讨。

华北平原的地面沉降问题由来已久。

自1950年以来，华北平原的京津唐、沧州、衡水等地区持续发生大面积地面沉降，局部累计沉降量最大达3.18 m，局部最大年沉降量高达100 mm以上，影响面积达7万余km2，约占华北平原面积的一半以上，其中北京、天津、沧州等地的地面沉降最为严重[6-7]。

天津市区大王庄水准测量结果具有一定的代表性(见图1)。

根据中国地质科学院水文地质环境地质研究所做的《华北平原地下水安全与可持续利用》研究成果，1980年以来，京津唐地区每年平均超采地下水约6亿m3。

另据《全国地下水资源及其环境问题综合评价及专题研究》成果表明，华北平原地下水超采现象严重，居全国前列，其开采程度(实际开采量与允许开采量之比)高达177.2%。

对北京、天津、沧州等地区来说，水资源短缺、超采地下水引起的地面沉降等环境问题，不同程度地影响着该地区的经济发展。

根据2008年中国地质调查局历时5年完成的《华北平原地面沉降调查与监测综合研究》成果，地面沉降给该地区造成的直接经济损失达数百亿元，间接经济损失达数千亿元。

但是随着南水北调、限制地下水开采等措施的实施，其影响程度可能会逐步降低。

从科学角度来说，造成地面沉降的原因有很多，如地壳运动、土壤自然压实等自然原因，也有开采石油天然气的人为因素。

但对华北平原而言，公认的原因是过度超采地下水造成的。

对于高标准轨道交通工程建设来说，特别是无砟轨道工程，必须严格控制工程的工后变形量。

在以往的工程建设中虽然考虑了多种荷载组合对工程的影响，但是这些荷载组合中基本都没有涉及到由于抽取地下水导致的地面沉降影响。

实际上抽水过程中，会形成地下水降落漏斗，也就是相当于在该漏斗区施加了荷载，进而在漏斗区引起不同程度的沉降。

以下简要探讨抽取地下水引起的沉降对无砟轨道线路、路基、桥梁等工程的影响。

一般来说，地面沉降对线路坡长影响不大，对线路坡度、竖曲线有一定的影响。

地面沉降是一种缓慢变形的地质灾害，沉降区域内沉降坡度和设计的坡度相互叠加、拟合，当坡度方向一致时，会劣化线路坡度，影响线路的平顺性，甚至会导致坡度不满足设计要求。

若在竖曲线长度范围内表现出来的地面沉降是不均匀的，就会在线路上形成新的变坡点，车辆通过时，振动和局部加速度的增大会使乘车舒适度降低并会进一步恶化线路的运营条件[8]。

降低地下水位引起的地面变形不同于地面附加荷载引起的沉降，虽然采用预制桩、CFG桩等处理措施可以有效减少地面附加荷载引起的沉降量，但却不能完全消除
降水引起的地面变形。

采用ABAQUS有限元软件流固耦合方法[9]，参照京津地区的地质条件，通过数值计算分析估算，当水位降深8 m时，在线路边缘区的水井降水，由此引起的沉降
将超过200 mm，即使离线路边缘120 m的水井抽水，在线路附近产生的最大沉降也将接近10 mm[10]62。

对于桥梁桩基而言，由于水位下降导致附加应力发生变化，进而造成地面沉降，对桩基础来说，就是对桩基产生了下拉荷载，从而引起单桩承载力的降低。

参照京津地区的地质条件，通过数值计算分析估算：对于50 m长的桩基工程，当地下水位一次性从地面下降2 m时，其单桩承载力最大将降低设计荷载的
9.2%[10]63。

桥梁工程连续梁范围内局部地面沉降对于连续梁受力是不容忽视的，因为连续梁为超静定体系，支座处的不均匀沉降相当于对连续梁施加了一个位移荷载。

通过数值计算分析：支座处沉降引起的梁体最大拉应力增量占连续梁拉应力的比值与支座沉降量基本呈线性关系，当支座下沉量为5 mm时，其百分比约为4.2%[10]63。

由此可见局部小范围的沉降，特别是靠近墩台附近的局部沉降可以对连续梁产生较大的应力增量。

(1)重视线路选线工作，合理选择线路方案，尽量沿沉降漏斗等值线规划线路。

(2)线路应避免穿过正在开采或规划集中开采的水源地。

(3)若线路无法绕避地面沉降区时，应采取相应的处理措施，如在沉降漏斗急剧变
化带范围内采取有砟轨道、适当限速等措施。

(1)针对不同的地形、地质和水文条件，对路桥隧工程采取相应的控制沉降措施或
采用对不均匀沉降不敏感的工程结构。

(2)对于路桥、路隧过渡段应加强防护，注意地基基础方案的合理、统一、协调性，保证相邻工程不产生差异沉降。

(3)根据预测可能的沉降情况，设计时采用可调支座、可调扣件等措施，满足轨道
平顺度的技术要求。

(4)对工程沿线制定科学合理的地下水开采方案，从宏观上控制区域地面沉降的发
展[11]。

(5)根据线路两侧地面沉降情况，对地面沉降危害进行分区，采取分区防治的治理
措施，即划分出地下水禁采区、严格限制开采区、控制开采区，减少地面沉降的进一步发展[12]。

(6)对地面沉降危害严重的地段，可以考虑在路基两侧的绿化带内打回灌井措施，
利用雨水等进行地下水回灌来缓解地面沉降进一步发展。

地面沉降是一种具有隐蔽性、累进性等特点的地质灾害，若处理不当，对高标准轨道交通工程不可避免会产生一定的影响。

但是地面沉降的发生、发展也有规律可循，只要根据其发展变化规律，科学合理规划线路方案，采取针对性的综合防治措施，也可以进行高标准轨道交通工程的建设。