（地质工程专业论文）地面沉降对京沪高速铁路北京济南段影响分析.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 本论文的研究目的是研究掌握中国华北平原区域地面沉降特征及其对高 速铁路工程的影响，并提出针对性的防治对策与工程措施，供高速铁路勘测、 设计及施工参考。 本文结合京沪高速铁路北京至济南段沿线地面沉降情况，采用统计分析 方法对铁路沿线各段落的地面沉降的幅度、速率及线路坡度的改变进行了计 算和预测，并参考有关规范标准计算分析了不均匀沉降对高速铁路坡度、桥 梁、路基及轨道平顺性的影响。就高速铁路的运营可能对地面沉降产生的影 响进行了讨论。 研究确定了华北平原地面沉降区内的地表变形特征及其对高速铁路的影 响方式、影响程度，并提出了针对性的防治措施和对策。 结论表明，区域性地面沉降会改变线路坡度，同时对桥梁、路基及轨道平 顺性会产生一定影响，而局部的不均匀沉降对高速铁路工程的影响相对较大， 可通过控制地下水开采、合理选线、采取合理的线路坡度及适宜的工程结构 措施加以防治。高速铁路的运营会在一定程度上加剧地面沉降。 关键词地面沉降：高速铁路：影响：工程措施 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i 页 a b s t r a c t p r e s e n t p a p e r r s r e s e a r c h p u r p o s e s i s t h r o u g hm a k i n gc l e a ro ft h e c h a r a c t e r i s t i c so fs u r f a c es u b s i d e n c ea n di t si n f l u e n c eo nc o n s t r u c t i o no f h i g l l - s p e e dr a i l w a yi nn o r t hc h i n ap l a i n ，t h ec o u n t e r m e a s u r e sa n dc o n s t r u c t i o n m e a s u r e sf o r p r e v e n t i o n o fs u b s i d e n c ea r e p u t f o r w a r df o r t h e p u r p o s eo f p r o v i d i n gr e f e r e n c et os u r v e y ，d e s i g na n dc o n s t r u c t i o no fh i g h - s p e e dr a i l w a y c o m b i n i n gw i t ht h ec i r c u m s t a n c eo fs u r f a c es u b s i d e n c ea l o n gt h el i n e b e t w e e nb e i j i n ga n dj i n a no fj i n g h uh i g h - s p e e dr a i l w a y ，t h ec a l c u l a t i o na n d p r e d i c t i o na r em a d ef o ft h ea m pl i t u d ea n dv e l o c i t yo fs u r f a c es u b s i d e n c ea n dt h e s l o p ec h a n g ea l o n gt h er a i l w a yw i t ht r a d i t i o n a lm e t h o d s ，a n da l s ot h ec a l c u l a t i o n s a r em a d ef o rt h ei n f l u e n c e so fu n e v e ns u r f a c es u b s i d e n c eo nt h er e g u l a r i t i e so ft h e b r i d g e ，s u b g r a d ea n dt r a c ko fh i g h - p e e dr a i l w a ya c c o r d i n gt ot h er e l a t i v e s t a n d a r d s t h ei n f l u e n c ew h i c hp o s s i b l yp r o d u c e dt ot h es u r f a c es u b s i d e n c eb y h i g h - s p e e dr a i l r o a d so p e r a t i o nh a sc a r r i e do nt h ed i s c u s s i o n t h r o u g hd o i n gr e s e a r c h ，t h ec h a r a c t e r i s t i c so fs u r f a c ed e f o r m a t i o ni n s u b s i d e n c ea r e aa n di t si n f l u e n c em a n n e ra n dd e g r e eo nh i g h s p e e dr a i l w a ya r e m a d ec l e a r ，a n dt h ec o u n t e r m e a s u r e sa n dc o n s t r u c t i o nm e a s u r e sa r ep u tf o r w a r d f o rp r e v e n t i o no fs u b s i d e n c e r t h ec o n c l u s i o ni n d i c a t e dt h a tt h er e g i o n a ls u r f a c es u b s i d e n c ec a n c h a n g e t r a c ks l o p ea n dp r o d u c et h ec e r t a i ni n f l u e n c eo nt h er e g u l a r i t i e so ft h e b r i d g e ， s u b g r a d ea n dt r a c ko fh i g h - s p e e dr a i l w a y h o w e v e rt h el o c a lu n e v e ns u r f a c e s u b s i d e n c ec a n pr o d u c em u c hi n f l u e n c eo nc o n s t r u c t i o no f h i g h - s p e e dr a i l w a y ，b u t i tc a l lb ep r e v e n t e db yc o n t r o l l i n gg r o u n d w a t e ra n da d o pt i n gr a t i o n a la l i g n m e n t ， t r a c kg r a d i e n ta n d e n g i n e e r i n gs t r u c t u r e k e yw o r d s ：s u r f a c es u b s i d e n c e ；h i g s p e e d r a i l w a y ；i n f l u e n c e ；e n g i n e e r i n g m e a s u r e s 西南交通大学曲离父迥大罕 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查 阅和借阅。本人授权西南交通大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关 数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位 论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书； 2 不保密留，使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“一) 指导老师签名： 日期： 砰、； 7 ， 够歹 宕。 ， 氢厂 签夕 者。7愀吵 文论 ： 位期学日 西南交通大学学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作 所得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体， 均已在文中作了明确的说明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 膨“ 殳y， z吵 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第一章绪论 当前，我国的高速铁路工程快速发展。2 0 0 8 年8 月1 日，我国第一条时 速3 5 0 k m 的京津城际铁路开通运营，标志着中国高速铁路技术达到世界先进 水平。另外，京沪客运专线、武广客运专线、哈大客运专线等重大高速铁路 工程也拉开了建设帷幕。其中京沪高速铁路北京至济南段地处华北平原，沿 线经过的大部分地区都不同程度的存在地面沉降，其中以天津、沧州地区最 为严重。高速铁路对轨道坡度、桥梁结构变形、轨道平顺性等都有严格要求， 充分考虑和研究地面沉降对高速铁路工程的影响，对高速铁路工程有着十分 重要的意义。 1 1 国内外研究现状 近年来，各国专家在地面沉降研究领域：地面沉降原因与机理研究、地 面沉降监测技术方法、地面沉降模型研究和地面沉降控制措施等各个方面都 有很大发展。 1 1 1 在沉降原因与机理分析方面 重要的研究地区有中国华北平原、美国加州羚羊谷爱德华兹空军基地、 意大利艾米利亚罗曼尼亚沿海等地区。 中国华北平原地面沉降调查与监测项目于2 0 0 3 年开始，由中国地质环境 监测院承担，由北京市地质环境监测站、河北地质环境监测总站、天津市地 质调查院、山东德州地质环境监测站参与实施。华北平原地面监测网主要覆 盖北京、天津以及河北、山东和河南省的部分地区，面积1 4 万k m2 。采用 传统水准测量和高新技术如g p s ，i n s a r 和l i d a r 技术相结合的监测方法， 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 在传统水准测量的基础上，充分发挥先进技术的优势，进行监测数据的相互 校正，得出华北平原准确、可靠的地面沉降信息。2 0 0 5 年底绘制了有史以来 华北平原的第一张地面沉降现状图，并对华北平原地区沉降经济损失作了开 创性的研究。1 1 】目前，项目组正在进行地面沉降信息网络的建设与调试。该 网络以系统平台为核心、数据中心为枢纽、以基础地质、水文地质、工程地 质、环境地质、地面沉降动态监测信息等信息为数据，以管理制度、信息化 标准和信息化机构为保障。建成后将于省级的国土资源信息系统连接，在数 据中心支撑下运行，通过中国地质环境信息网，实现数据的远程交换共享。 在美国加利福尼亚州，自1 9 8 8 年以来，地面沉降成为羚羊谷爱德华兹空 军基地( b 师b ) 的主要问题。早期调查结果显示e a f b 地下水水位下降和 伴随的含水层系统压缩引起了差异性地面沉降，造成了飞行器跑道的凹坑、 地裂缝和路面的加速风化。美国地质调查局( u s g s ) 与e a f b 合作，收集 了过去1 5 年的大地测量和水文地质数据，提出了数值模型，提高了对e a f b 相关含水层系统的机理和动力学认识。m i c h e l l es n e e d 和t r a c yn i s h i k a w a ( 2 0 0 5 ) 利用合成孔径干涉雷达( i n s a r ) 干涉分析，识别出了控制地面沉 降的大小和范围的地质和岩性特征，并找到了今年( 二十世纪9 0 年代) 的最 大沉降沉降区域更精确的位置。研究者利用地下水流和含水层系统压缩的耦 合模型认识到1 9 7 0 年以来几乎所有的沉降量都是由该地区中间含水层之内 及相邻的两个弱透水层的残余压缩造成。他们用这些模型还预测了未来水资 源管理方案中最终沉降量的出现时间和大小，模拟结果显示因为含水层系统 的参与压缩和地下水的连续疏干，地面沉降可能会持续，最后在抽水回灌最 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 优策略的初步模拟优化模型中，他们还整合了一个三维模型。1 2 l 在意大利，位于波河南部的艾米利亚罗曼尼亚沿海地区，二战后由于人 类活动，出现大范围地面沉降。上世纪7 0 年代大量抽取地下水是造成地面沉 降的主要原因。p i e t r ot e a t i n ie ta 1 ( 2 0 0 5 ) 用有限元水流模型和孔隙弹塑性 模型重建了1 9 5 0 年以来的沉降过程，用过去几十年的水压力和水准测量数据 对区域沉降模型进行校正之后，预测了在今后几年抽水计划下2 0 1 6 年的地面 沉降量。结果表明因为含水层之间粘土弱透水层存在滞后压缩，过去大量开 采地下水仍是造成当今地面沉降的主要原因，但是海岸线存在的逐点沉降过 程还不能靠现有数据进行完全解释。1 3 l 1 1 2 在地面沉降检测技术方法方面 在地面沉降监测技术方法方面，i n s a r 方法的研究正方兴未艾，g p s 方 法日趋成熟，水准测量仍是传统监测地面沉降的经典方法。有很多地区采用 了上述三种方法结合的方式来检查地面沉降，所得的沉降信息比单纯用一种 方法得到的结果更准确，更能真实地反映地面沉降的发展过程。 最近几年在研究不同的地面沉降过程的实例中，很多人应用干涉雷达 ( 1 n s a r ) 技术来绘制地面沉降图。与传统调查方法的精度相比，i n s a r 是 一种成本低、效率高的方法，可以得到高精度的地表位移的详细空间信息。 但是因为影像的时间抗相关性问题，在植被区用i n s a r 进行成功的位移测量 还不多见。为了克服这个缺点，出现了干涉测量永久散射体技术。用d i n s a r ( 差分干涉雷达) 来监测地面沉降，在一些地方取得了成功。g a l l o w a y 等 ( 1 9 9 8 ) 首先证明了可以应用d i n s a r 来测量在发生压缩的地下水系统之上 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 出现的沉降。1 4 l j 厦过辨认影响含水层系统压缩的地下结构，高空间细节有助 于重新认识含水层系统的本质。用经常的s a r 探测，就可以在时间和空间上 监测沉降区域。这些观测数据在结合含水层系统不同部分的水位测量值，就 可以估算水文地质参数。除了地质结构，与可以用地表位移数据研究的非均 匀性沉降模式明显不同的最重要的水文地质参数是压缩系数，即相当于一个 含水层系统或特定水文地质单元的骨架储水系数。但是，这种方法的可行性 也取决于其他额外数据的多少。再者，水头发生变化的信息也可以从航空数 据中获得，如根据一个高密度监测网或已经校准的地下水水流模型的水头数 据，与i n s a r 获得的沉降图结合，就可以绘制整个含水层系统的储水系数估 计值图( h o f f m a n ne ta 1 ，2 0 0 3 ) 。但是，几乎还没有完成过这类分析，对典型 含水层系统中复杂的垂直结构的解释非常困难。用s a r 数据还可以区分采矿 引起的沉降和地下水开采过度引起的沉降，因为采矿区的这些位移一般比较 集中，并且在时间上成强烈的非线性特征。特别是地下采矿口在采矿过程中 或之后发生塌陷，瞬时沉降速率可以达到几厘米天。在干涉图上可以很容易 地辨认并量化这些特征，例如德国r u h r 地区的干涉图。在大约一个月的时间 内，可以看到很多直径为几千米、深度为几厘米的小型沉降特征。基于空间 技术的i n s a r 是一项测量和监测地面沉降的强大技术。其空间覆盖的广度和 精度，以及测量数据的频率都比传统技术有很大优势。永久散射体可以克服 i n s a r 测量在很多地区的关键性不足，近期的工作重点是通过加入和改进变 形的物理模型和加密测量点的方法来拓展p s 技术的应用。1 5 l 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 1 1 3 地面沉降模拟与预测方面 很多学者为地面沉降的模拟做出了贡献，美国地质调查局开发了i n t e r b e d s t o r a g ep a c k a g e ( 1 ，2 ，3 ) 来模拟地面沉降。其他一些学者还提出了计算含水层参 数的反演模型( t h o m a sj b u r b e y , 2 0 0 5 ) 6 1 、用于泥煤氧化的模型( w i mv a nd e r l i n d e ne ta 1 ，2 0 0 5 ) 7 1 、海上油气层开采引起沉降的模型( j i t s ee p r u i k s m ae t a l ，2 0 0 5 ) 【引、断层地下水库的地面沉降界面元模型( m a s s i m i l i a n of e r r o n a t oe t a 1 ，2 0 0 5 ) 【9 】来解决特定的问题，在这些研究中出现了一些新的方法。 美国圣克拉拉流域历史上超采地下水导致该地区从1 9 1 6 年到1 9 6 9 年地 面沉降了3 9 m ( 1 2 7 f 1 ) 。引入客水、人工补给和减少抽水量使目前的地面沉 降在季节性气候循环中主要为弹性变化( r a n d a l lt h a n s o ne t a l ，2 0 0 5 ) 。但 是，仍然需要持续的水资源管理。美国地调局( u s g s ) 利用m o d f l o w 开 发了一个地下水流动和地面沉降的区域模型，来评价补给与开采在数量和分 布的变化对区域地面沉降的影响，提供水资源管理工具。新数据用来建立地 下水流动和沉降模拟模型。塑性与弹性单位储水量( s p e c i f i cs t o r a g e ) 根据新 建多层井监测点的取样岩心的固结实验计算。这些数据表明开采量最大的区 域通常不易压缩，分层标( e x t e n s o m e t e r ) 测量数据和相关的井流 ( w e l l b o r e f l o w ) 及地热梯度( t h e r m a lg r a d i e n t ) 数据表明，主要开采和沉降 发生在地表以下3 0 0 到6 0 0 英尺。模型模拟结果与一些分层标测到的与季节 性气候循环相关的压缩量拟合，也和测得的水位和河川径流量拟合。多层开 采井的显性模拟会极大地影响不同层模拟压缩量的分布，因为上部含水层的 井流提供了一部分水，而这类水应该模拟为模型下部层中含水层和弱透水层 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 的释放量。 当含水层试验中缺乏观测井数据时，抽水期间收集的短时地表变形数据 与参数估计模型联合，可以用来准确地量化抽水含水层的导水性、储水性和 各项异性。t h o m a sj b u r b e y ( 2 0 0 5 ) 在美国内华达州( m e s q u i t e ) 进行了一次为 期6 2 天的含水层试验，在距抽水井不同距离的范围内收集了高精度的( g p s ) 数据，并收集该抽水井的水头数据。中等均质未固结粉土质砂( s i l t y - s a n d ) 含水层中的向异性。研究者用b i o t 型程序完成了该系统流动和变形的轴对称 模拟。在u c o d e 即一个参数估计模型中，短时变形数据和水头数据被作为 观测数据。通过使目标函数最小化的方法得到最优参数，结果显示在没有观 测井数据的情况下也可以很有把握地估计含水层参数。这种方法非常有用， 尤其是在干旱地区地下水位很深，建立测压井又非常昂贵的情况下。 1 1 4 地面沉降预防与控制方面 引起地面沉降的最主要原因是地下水的过度开采，在地面沉降地预防中， 如何合理利用地下水资源是非常重要和有效的方法，一些国家( s h i g e os a e k i e ta 1 ，2 0 0 5 ) 1 1 0 l 和地区( 宋长江等，2 0 0 5 ) 【1 1 】在这方面取得了成功经验，在 治理地面沉降的探索中，k l a u sa f i e l de ta 1 ( 2 0 0 5 ) 提出了预防地面沉降发生的 基本指导原则。 如果过量开采地下水，地下水位降低会引起地面沉降和地下水咸化，而 且会有更多的地区低于海平面，造成更频繁的洪灾。s h i g e o s a e k ie t a l ( 2 0 0 5 ) 考虑了一种合理管理地下水的理想方法，即在利用地下水的同时不引起诸如 地面沉降和地下水咸化的地下水问题。文中介绍了都会三县地面沉降调查委 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 员会为实现日本野比平原地下水综合管理而采取的方法。该研究得出了以下 结论：都会三县地面沉降调查委员会采取的方法减缓了野比平原的地面沉降。 研究中所用的模拟可以有效预测将来的地下水位。在实践中，应结合地层结 构来制定正确的开采计划，实现合理的地下水管理，这是非常重要的。 油气田中人为引起的地面沉降在一些地区收到了很多关注，因为出现这 种现象可能显著地影响当地环境。在实践中，g i u s e p p eg a m b o l a t ie t a l ( 2 0 0 5 ) 建议在开发资源前对野外生产相关的实际风险进行讨论，并以包含尽可能多 的潜在矛盾为目的来确定共同策略，这些矛盾体现了不同组织间的利益冲突， 如私营组织在受灾地区的利益与那些负责水资源管理、土地利用规划、工业 发展和环境保护的公共机构的矛盾。【1 2 j 也就是说，最终规划和制定的野外生 产计划应该考虑现在所谓的“可持续发展实现上述目标的基本步骤包括： ( 1 ) 分析环境、经济和社会影响；( 2 ) 制定油气田生产期内和停产后一段 时间内的测量和监测计划；( 3 ) 设计合理积极的恢复措施，如果影响超过了 原来的限度并得到相关部门的许可。为了实施这些步骤，数学模型和数值预 测将起到非常重要的作用。g i u s e p p eg a m b o l a t i e la 1 ( 2 0 0 5 ) 描述了确定一般的 概念性指导原则的试验性工作，以便有助于规划油气田的可持续开发和设计 容许的开采计划。 1 1 5 地面沉降对高速铁路工程的影响方面 铁道第三勘察设计院集团有限公司的李国和、刘培元等就我国华北平原 的地面沉降可能对高速铁路的影响进行了研究分析。 刘培元着重分析了沧州地区地面沉降的原因、现状、规模，根据现有数据预测 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 了至2 0 1 0 年该地区的地面沉降发展趋势，并分析了其对铁路工程的危害程度， 提出了严格控制地下水开采，加强边坡防护等防治措施。f 1 3 】李国和、孙树礼、 许再良、张建民等，为了研究水井抽水引起地面沉降的机理和规律，在清华大 学的5 0 9 - t o n 土工离心机上进行了离心模型试验，包括一维地基排水试验、二 维地基排水试验和有结构物的二维地基排水试验。在研究水井抽水引起的地 面不均匀沉降变形发展规律的基础之上，进一步研究了地基不均匀沉降的发 展对不同桥梁结构变形的影响。试验结果表明，初期排水导致排水井附近的桥 面发生的应变最大，随着排水次数的增加，桥面应变量逐渐减小。在设计中减 小跨长以及桥面与桥墩采用铰连接都可以使桥面轴向应变减小。【1 4 l 1 1 6 讨论 相比国外地面沉降研究和治理，我国在这一领域还有很多有待提高的地 方。首先是，由于经费问题，一些地面沉降监测和研究项目不能长期开展。 除上海外，全国其他重要的地面沉降区域的监测工作目前还不能形成长序列 数据。并且对于像华北平原这样的区域性沉降地区，各沉降中心的监测时段 和精度各不相同，要形成区域沉降现状图相当困难。其次是，目前国内各机 构的监测数据还没有实现完全共享，对相关研究的进一步开展造成阻碍。再 者，地面沉降研究大多还集中在机理、监测方面上，对于如何有效治理已经 出现的地面沉降还不多。另外，我国对于因油气开采引起的地面沉降的研究， 目前还处于空白。最后，对于如何管理地下水开采，控制地下水开采量，我 国目前还没有一个令人满意的体制。一些地区尝试进行有效的地下水管理， 由于牵扯的利益方众多，制定的方案很难落实。 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 1 2 本文研究内容及拟解决的关键问题 通过对京沪高速铁路北京至济南段沿线经过的重要沉降地区的沉降历 史、沉降现状的研究，预测沉降趋势；研究影响地面沉降的主要因素，结合 该地区沉降特点，分析地面沉降的分布范围、发育规模及地表不均匀变形程 度；依照国家高速铁路的相关规范，通过已有的沉降数据论证地面沉降对高 速铁路工程的影响方面和影响程度；提出针对性的防治措施和对策。 1 3 选题目的和意义 在我国，地面沉降主要发生在东部平原内的大中型城市地区。近年来，由于 社会经济的快速发展，对地下水资源需求大幅增加，使原有的地下水降落漏斗 范围不断扩大，导致了区域性地面沉降灾害，已成为制约我国东部社会经济发 展的重要环境地质和工程地质问题。华北平原是我国受地面沉降影响最为严 重的地区之一，近年来地面沉降造成的危害已经日趋严重，如津浦铁路静海一 沧州段部分路基下沉变形、运河大桥出现裂缝、输水管道断裂等灾害。随着 中国东部铁路客运专线及高速铁路建设的逐步展开，其中部分地面沉降区域 成为京沪高速铁路、京津城际轨道交通工程等新建高速铁路的必经之地。可 见，高速铁路的建设和运营也势必深受其影响。由于高速铁路对路基、桥梁的 稳定性、变形程度及轨道的平顺性有更严格的要求，进行地面沉降的机理、现 状、发展趋势及其对高速铁路的影响和对策研究无疑对这些地区的高速铁路 工程选线设计及运营维护具有积极的指导作用。 本论文旨在通过全面调查、分析京沪高速铁路北京至济南段区域地面沉 降发生的历史、现状及发展趋势，确定地面沉降的分布范围、发育规模及地表 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 不均匀变形程度，研究评价地面沉降对高速铁路桥梁、路基及轨道平顺性的影 响，并提出针对性的防治措施和对策。 1 4 研究思路及方法 西 心 l 对轨道平顺行影响 防 h 、 治 一 措 i对线路坡度的影哼 施 围 昌 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 第二章地面沉降的成因以及特征分析 2 1 地面沉降的成因： 目前国内外工程界所研究的地面沉降主要是指由抽汲液体( 以地下水为 主，也包括油、气) 所引起的区域性地面沉降。我国岩土工程勘察规范 有关章节适用于较大面积范围( 1 0 0 k m2 以上) 内由于抽汲地下水引起水位下 降或水压下降而造成的地面沉降。抽水后会使地层压密是由于含水层水位下 降引起土层中孔隙水压力降低，颗粒间有效应力增加的缘故。在大多数情况 下，这种压密可以认为是一维的。压密的时间延滞将随土层的透水性而异。 2 1 1 自然原因： ( 一) 新构造活动 新构造活动是控制构造沉降的基本因素。最新探测资料和研究成果来看， 影响华北地区构造沉降的原因可以简单地归纳为三点。第一，早第三纪以来 的伸展裂陷活动造成的地堑和半地堑的差异沉降。第二，晚第三纪一第四纪 华北地堑盆地的总体背景性沉降。第三，控制性活动断裂引起的沉降活动。 全新世在沉积时段与近代接近，沉积物未压缩固结，仍保持松散状态。 ( 二) 地震活动 强烈的地震活动会造成地堑盆地区的继承性下沉，这在华北地区强震活 动的研究之中已得到了证实。唐山大震曾波及天津及沿海地区，并在汉沽地 区形成了一个下沉中心，宏观调查部分地段下沉量超过1 5 m ，这当然包含了 地基液化等水文地质因素，水准测量的结果最大沉降量也达数百毫米。由此 可见，这种大范围高强度的瞬时活动若发生在地面沉降强烈的地区，特别在 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 地面高程接近海面的沿海地区，其灾害将是十分严重的。 ( 三) 软弱土层自然沉降 广泛分布的软弱土层，其固结状态欠佳。在自重压力作用下，孔隙水压力将 逐渐消散，地层将缓慢固结，导致微量的地面沉降。 2 1 2 人为原因 造成地面沉降的人为原因主要包括地下水、石油、天然气等地下资源的 过度开采，高密度建筑群重力作用等。在华北地区，地下水水位漏斗中心与 地面沉降中心基本上吻合，以沉降严重的天津市为例，图2 - 1 为该市地下水 开采量与年均沉降量关系曲线，【1 5 】可以比较明显的看出地下水过量开采是造 成该市地面沉降的主要原因。 图2 1 天津市区地下水开采量与沉降量关系图 地面沉降的成因主要有两种机理：一个是有效应力原理，一个是水动力 学固结理论。这两个原理将含水层的压实分为两个过程，前者解释了含水层 在抽水过程中的压实引发的地面沉降，后者解释了抽水以后的残余压实引起 的地面沉降。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 根据有效应力原理( 图2 2 ) ，抽水以前，上覆土层和水的重力由孔隙水 ， 压力和颗粒间有效压力共同平衡；抽水之后总压力不变，孔隙水压力降低， 有效应力增加；这样，颗粒骨架所受压力增加，土层被压缩，微观上表现为 颗粒之间的孔隙度降低，宏观上表现为含水层变薄。抽水结束后，地面沉降 并没停止，这可以用水动力学固结理论来解释，在抽水过程中透水层的放水 速度比弱透水层快，因而水位下降也快，停止抽水后，由于两类含水层之间 水位高度不同，存在水位差，而表现为弱透水层水向透水层的渗透，弱透水 层中的压实作用并没有停止，地面沉降得以继续发展。 有效应力原理：p 1 p u 公式( 1 ) 其中p t _ 有效应力 p = 总应力： u 。= 孔隙水压力。 承压含水层 骨架颗粒排列 图2 2 承压含水层有效应力原理示意图 2 2 地面沉降的特征： 地面沉降具有成长缓慢、持续时间长、影响范围广、成因机制复杂和 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 防治难度大等特点，是一种缓变型地质灾害，会造成地面高程损失、建筑物下 沉及破坏等危害。 2 2 1 地面沉降分布范围广 近年来，对地下水与日俱增的需求导致了华北平原部分地区持续、严重 的水资源缺乏。地下水位以平均l m 年的速率下降，大约有7 0 0 0 0k m2 的地下 水水位低于海平面。河北平原深层地下水下降漏斗总计面积为4 3 9 1 5 k m2 ，其 中冀枣衡漏斗面积最大，为6 3 6 3 k m 2 。随着深层地下水进一步开采，地下水位 下降范围持续扩大，各漏斗范围也不断扩大，形成了覆盖整个平原中东部、天 津市和冀东平原部分地区的巨型复合漏斗。山东省西北地区与河北平原中东 部地区类似，由于深层淡水的大规模开采，形成以德州和滨州为中心的降落漏 斗，其中德州地下水降落漏斗与沧州地下水降落漏斗连成一片，形成世界上最 大的华北平原地下水降落复合漏斗。在这种情况下，华北平原已经形成了以多 个城市为沉降中心的区域大范围地面沉降。根据2 0 0 6 年的地面沉降调查及监 测资料，在华北平原5 万k m2 的重点调查范围内，大于1 0 0 0 m m 的沉降面积达 8 6 3 5 k m 2 ，大于5 0 0 r a m 的沉降面积达3 0 0 8 0 k m2 。不同区域的沉降中心仍在不 断发展，并且有连成一片的趋势。1 1 6 】 2 2 2 地面沉降涉及的深度较大 目前，华北平原内除北京地下水开采引起地面沉降的压缩层位较浅外，其 它地区如天津、沧州、德州等地深层地下水开采的层位均较深。其中，北京地 区压缩层位于9 0 - - 1 2 0 m ；天津段西青区位于1 3 0 - 1 8 0 m 之间和3 1 0 - - 4 3 0 m 之 间：河北沧州段为2 0 0 - 一, 4 0 0 m ；德州段在3 0 0 - - - 5 0 0 m 之间。上述深度范围均超 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 5 页 过了高速铁路桥梁桩基一般所能达到的4 0 - - - 6 0 m 的深度，因此，压缩层变形势 必对桩基及桥梁结构产生一定的影响。 2 2 3地面沉降发展的阶段性及不均匀性 地面沉降的发展过程一般可以划分为3 个阶段： ( 1 ) 地面沉降形成阶段，此阶段地面开始出现沉降，但是发展缓慢，沉降量 不大，地面沉降发生的范围也较小； ( 2 ) 地面沉降发展阶段，此阶段地面沉降快速发展，沉降发展最快的地方 形成地面沉降漏斗中心，此时地面沉降的不均匀性最为强烈； ( 3 ) 沉降扩展阶段，此阶段沉降区的沉降速度变慢，但是沉降区的面积越 来越大，形成了一些新的沉降中心。 地面最大不均匀沉降一般发生沉降发展中期，随后地面不均匀沉降程度 有逐渐变小并最终趋于稳定的趋势。1 9 6 6 - - - 1 9 9 9 年京津城际北京段沿线3 个 典型标记点的地面沉降发展曲线显示，距离北京市东八里庄大郊亭沉降中 心最近的双陶标记点发展最快，而距离沉降中心最远的小孙标记点则发展最 慢。3 个标记点的沉降差异显示了沉降区内的地面沉降不均匀程度，在沉降发 展阶段在沉降中心附近不均匀程度最大。可见，处于地面沉降的发展阶段的漏 斗中心区域及地下水集中开采区域地面变形较剧烈，而漏斗中心区以外的扩 展区域地面变形相对平缓。在地面沉降发展过程中，不同的发展阶段及沉降漏 斗区的不同位置对高速铁路工程的影响程度是不同的。 2 3 浅层地下水开采会加剧局部不均匀沉降 浅层地下水开采井的井深多在3 0 8 0 m 左右，由于浅部地层较松散，多属 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 6 页 中等压缩性地层，地层结构是粘性土层与砂层交互成层，为双面排水的地层结 构。 对浅层地下水开采的影响范围及所引起的地面沉降量加以估算和分析。 影响范围主要是由浅层地下水开采时影响半径r 来确定，r 可由下式计算： ra1 0 s - k 公式( 2 ) 式中s 水位降深； k 含水层渗透系数。 京沪高速铁路研究段沿线浅层地下水含水层多以粉砂为主，局部有粉细砂 厚度不大。该类含水层的渗透系数k 约为1 0 5 0 r r d d ，开采的影响范围大约为 1 0 0 - , 2 0 0 m 。采用比单位变形量值来估算工程沿线地面沉降概况， 计算公式为： s - ，。旧h 公式( 3 ) 式中s 地层变形量，即地面沉降量； i 地层的比单位变形量，由天津市区北宁公园分层标的长期监测 资料统计计算得到，在0 3 0 m 深度内地层的比单位变形量i 值 为0 1 4 6 c m m m ； h 计算土层厚度； h 水位下降值。 由公式( 3 ) 计算得到，当水位下降1 0m 时，地下水位下降漏斗中心地带地面 沉降量为4 3 8 m m 。可见，浅层地下水的开采引起浅部地层的局部不均匀沉降比 深部地层更严重一些。根据影响半径进行推算，铁路沿线两侧1 0 0 - - 2 0 0 m 之内 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 7 页 的浅层地下水开采对铁路将有所影响，距铁路越近影响越大，如果在铁路两侧 几米之内有浅层井，水位下降l o m 时，引起的沉降初步估算将达4 3 8 m m 。因此， 浅层地下水的开采，对地面沉降的影响更应引起关注。 为了研究水井抽水引起地面沉降的机理和规律，铁道第三勘察设计院集 团有限公司的李国和等在清华大学的5 0 9 t o n 土工离心机上进行离心模型试 验，包括一维地基排水试验、二维地基排水试验和有结构物的二维地基排水试 验。在研究水井抽水引起的地面不均匀沉降变形发展规律的基础之上，进一步 研究了地基不均匀沉降的发展对桥梁结构变形的影响。试验结果表明，初期排 水导致排水井附近的桥面发生的应变最大，随着排水次数的增加，桥面应变量 逐渐减小。 同时，在离心模型试验的基础上，建立了模拟水井抽水引起地面沉降的数 值模拟试验方法，将数值计算结果与离心模型试验结果进行对比分析，以此论 证数值模拟试验方法的有效性。数值模拟基于商业有限元计算软件a b a q u s 进 行。数值计算与试验结果相似。采用验证后的数值计算方法，选取北京朝阳地 区建立了概化的地质模型，进行了从不同含水层抽水引起地面沉降的对比研 究，计算方案如表2 一l 所示。 表2 - 1计算方案表 抽水点孔压边界条件m p a抽水时间d l 6 底部 0 3 l 4 底部 o 9 53 l 2 底部 1 8 53 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 8 页 表2 2 抽水过程中方案主要计算结果统计表 抽水最大沉降量m m抽水井处地面沉降量m m 占 1 h 后1 d 后2 d 后3 d 后1 h 后1 d 后2 d 后3 d 后 l 6 3 8 911 71 3 30 6 86 9 4 6 1 2 6 l 44 1 91 3 31 5 61 8 81 9 71 0 71 5 31 8 8 l 23 1 21 61 8 51 9 93 1 21 61 8 51 9 9 表2 - 2 给出了抽水过程中各方案的主要计算结果特征值。可以看出抽水的第 一天地基中沉降发展最大，后两天沉降缓慢发展。对于靠近抽水井附近区域， 从较浅含水层抽水可能导致的不均匀沉降程度较大：对于范围较大的区域，从 较深含水层抽水导致的地面沉降也是值得注意的。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 9 页 第三章研究地段地面沉降概况 3 1 该地区地面沉降情况综述 该地区地势平坦，主要由黄河、海河、淮河、滦河等自西部和北部高原山 地的大量泥沙长期淤积而成，冲积过程目前仍在进行中，因此第四系土层较为 松散。地表水资源较为贫乏，主要依靠开采地下水资源。随着近2 0 年来经济的 快速发展、城市化进程的加快、地表水污染程度的增加、高层建筑的施工以 及对地下水的需求与日俱增，该地区已成为世界上超采地下水最严重的地区， 也是地面沉降漏斗最大、沉降覆盖面积最大的地区，且地面沉降呈现加剧的趋 势。因此，该地区是中国发生地面沉降现象最具典型意义的地区之一。 目前，该地区已形成天津、沧州和北京n e 郊3 个沉降中心。天津的地面沉 降问题非常复杂，沿海一带已出现负海拔标高地区近2 0j b ，1 2 ，淤积突出，风暴潮 灾害非常严重，o 向西与河北平原沉降已连成一体，与华北地下水开采形成的大 漏斗相吻合。近些年随着区县、乡镇经济的发展，出现了新的沉降发育中心。 河北平原区地面沉降主要形成于2 0 世纪8 0 年代，随着地下水水位的下降和地下 水水位降落漏斗的形成，河北平原逐渐形成了沧州、保定、衡水、任丘、南宫、 霸州、大城、曲周、唐海9 个主要地面沉降区。截止1 9 9 8 年，河北平原地面沉降 大于2 0 0 m m 的面积达4 8 5 5 0 k m 2 。沧州地面沉降累计已达2 2 5 0 m m ，出现了2 0 多 条地裂缝，最长达4k m 。北京地区由于第四系沉积物相对致密，地面沉降及其危 害轻于天津和河北平原地区。但是，由于高层建筑和其它重大工程对地面变形 的要求很高，其潜在威胁不容忽视。 1 7 1 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 0 页 3 2 该地区地面沉降机理 华北平原地面沉降的原因可分为自然因素及人为因素。自然因素包括构 造活动、软弱土层的自重压密固结、海平面上升等：人为因素包括过量开采地 下水、地下热水及油气资源，大规模工程建设等。本区由于构造因素引起的地 面沉降，速率仅为1 2r a m 年。因此人为因素，尤其是深层地下水超量开采是导 致地面沉降的主要原吲1 引。 3 2 1 开采量大于补给量以及可压缩性土层的存在 该地区的地下水含水系统主要由第四纪以来的松散沉积物组成。从产生 地面沉降的地质条件来看，疏松的多层含水层体系、水量丰富的承压含水层、 开采层范围内正常固结或欠固结可压缩性厚层粘性土层等的存在，是产生地面 沉降的前提和物质基础f 1 9 】。人为过量开采地下水导致地下水位显著下降是地 面沉降迅速发生发展的主导因素。在华北平原许多发生地面沉降的地方，从区 域总体上来说，并不一定都是因为开采量大于补给量，而是开采格局不合理导 致的。比如同等开采条件下，在粘性土层大厚度中心区域集中开采地下水就比 在小厚度区域分布开采地下水要造成更加严重的地面沉降。中国以前受“影 响半径 的错误认识影响很深，在华北平原广泛采用高密度布井方法开采地下 水资源，这使得区域地下水位显著下降，成为地面沉降的一个重要因素。 3 2 2 深层含水层导致的沉降量大于浅层含水层 中国以前在决定地下水开采层位上有一些误区一是误将含水层导水系数 ( 产删) 大，当作富水性好。由于深层含水层渗透系数和厚度( 聊均较浅层含 水层大，在作抽水试验的时候，其涌水量较浅层含水层高，因此认为主要开采深 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 1 页 层地下水，这在华北平原的中、东部广泛推广。二是由于深层土固结历史较浅 层土长，_ xf h 于上部自重应力较浅层大，因此压缩性较小，不易沉斛2 0 1 。实际上， 深层承压水不容易受到补给，其侧向补给有限，含水层弹性释水后不易受到补 充，虽然其初期有较为可观的释水量，但是其水头却下降很快，释水固结很明显， 而且必然导致多层的越流补给，加剧了粘性土的固结沉降，导致严重的地面沉 降灾害( 图3 1 ) 。 多 层 越 旎 补 给 q 天。六l 。o o 。o o fo o 己 。v 以y 口0 o jo 彳o o 。- l 专 冀i i 毒窆 兰一 触 向 补 绘 有 限 图3 1 深层承压水开采示意图 3 3 该地区地面沉降特点 地面沉降是一个较为缓慢的地质灾害，初期不易察觉且很难逆转。 该地区地下水开采经历了少量开采、大量开采和超量开采三个阶段，对应 于地面沉降的缓慢、显著、急剧三个阶段，而且地面沉降一旦发生，很难逆转， 即使限采甚至禁采，在较长时间内仍然将持续沉降。这是由于粘性土渗透固结 过程非常缓慢，具有蠕变性，因此即使水头回升，固结沉降过程仍然会继续。而 且粘性土变形主要以塑性变形为主，一旦固结，大部分沉降量无法通过回弹恢 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 2 页 复。 该地区的许多地下水漏斗已经连成一片，形成了区域性地面沉降。 近年来，对地下水与日俱增的需求导致了华北平原部分地区持续、严重的 水资源缺乏。地下水位以平均l m 年的速率下降，大约有7 0 0 0 0 k m 2 的地下水水 位低于海平面。河北平原深层地下水下降漏斗总计面积为4 3 9 1 5 k m 2 其中冀枣 衡漏斗面积最大，为6 3 6 k m 2 。随着深层地下水进一步开采，地下水位下降范围 持续扩大，各漏斗范围也不断扩大，形成了覆