蘇錫常區(qū)域地面沉降發(fā)展趨勢及其對京滬高鐵的影響分析

劉府生

(中鐵第四勘察設(shè)計院集團有限公司, 湖北武漢 430063)

蘇錫常地區(qū)位于長江三角洲經(jīng)濟帶,總面積達(dá)17 000多km2,是我國經(jīng)濟水平和現(xiàn)代化水平最高的地區(qū)之一,也是我國在建技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)最高(設(shè)計時速為350 km)、里程最長的京滬高速鐵路必經(jīng)地區(qū)之一。伴隨著經(jīng)濟快速發(fā)展,自1960年以來長期掠奪性地開采地下水,曾誘發(fā)了該區(qū)域較為嚴(yán)重的地質(zhì)環(huán)境惡化問題,其中以區(qū)域地面沉降尤為突出。全區(qū)最大累計沉降量接近3.0 m,位于無錫市洛社鎮(zhèn),累計沉降量大于200 mm的面積約5 570 km2。大致以京杭大運河為軸的蘇錫常三城市核心區(qū)沉降量已超過500 mm,面積約1 500 km2。嚴(yán)重的區(qū)域地面沉降也曾給當(dāng)?shù)氐慕?jīng)濟發(fā)展和城市建設(shè)帶來了巨大的負(fù)面影響，包括：既有建筑傾斜、開裂；防洪能力下降；河道淤積；地下設(shè)施破壞等。針對日益嚴(yán)重的地質(zhì)災(zāi)害,2000年江蘇省人大常委會下達(dá)了蘇錫常地區(qū)全面禁采地下水的規(guī)定,至2005年基本實現(xiàn)了全面禁采,全區(qū)地下水得到不同程度的恢復(fù),地面沉降也逐步趨緩。但鑒于地面沉降的漸進(jìn)性、滯后效應(yīng),有必要從地面沉降的沿革、成因機理、現(xiàn)狀、發(fā)展趨勢等評估其對京滬高速鐵路的影響,并結(jié)合京滬高速鐵路的線位、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn),提出針對性的意見和建議,對確保高速鐵路的順利建成,以及“高安全性、高平順性”運營也具有十分重要的意義。

1 蘇錫常地面沉降基本情況

1.1 地面沉降歷史沿革

1960年以前,蘇錫常地區(qū)未發(fā)現(xiàn)地面沉降。20世紀(jì)70～80年代初期,沉降主要發(fā)生在三個中心城市及錫西地區(qū)。20世紀(jì)80年代中期至90年代末,隨著地下水開采區(qū)的擴大和開采強度的逐年驟增,地面沉降不斷加速,迅速擴大至整個區(qū)域,發(fā)生的程度也越來越嚴(yán)重,最大沉降速率達(dá)30～90 mm/a,個別達(dá)120 mm/a,特別是城市外圍地區(qū)發(fā)展較快,形成了區(qū)域性地面沉降漏斗。累計沉降大于500 mm的等值線已連片閉合了三個中心城市,見表1。

表1 蘇錫常地區(qū)地面沉降發(fā)展變化情況統(tǒng)計

伴隨著地面沉降發(fā)展,在特定的地質(zhì)環(huán)境背景條件,包括基巖潛山、古埋藏階地、含水層厚度突變處,以及開采地下水強度較大的地段,局部因不均勻沉降引發(fā)了地裂縫,由20世紀(jì)80年代末1處發(fā)展至90年代20余處。

自2000年開始,蘇錫常地區(qū)逐步推進(jìn)禁采地下水，到2005年基本實現(xiàn)全面禁采,至今該地區(qū)主開采層的地下水位得到了不同程度地恢復(fù),地面沉降自2005也逐漸趨緩。

1.2 地面沉降成因機理

已有研究資料表明：蘇錫常地區(qū)地面沉降的發(fā)生發(fā)展均與地下水的開采強弱緊密相關(guān)。當(dāng)?shù)叵滤宦裆畹陀?30～-40 m時即產(chǎn)生地面沉降,且沉降量與地下水開采量的大小呈同步變化趨勢。相比新構(gòu)造活動、城市建筑荷載、軟土固結(jié)、蠕變等其他原因引起的地面沉降,蘇錫常地區(qū)超量開采地下水是誘發(fā)地面沉降的主要原因。

長期超量開采地下水必然會導(dǎo)致區(qū)域地下水位不斷下降,破壞天然地基土原有的水土應(yīng)力平衡。根據(jù)有效應(yīng)力原理,含水層孔隙水壓力要轉(zhuǎn)嫁于砂層顆粒骨架承擔(dān),使含水層本身壓密,產(chǎn)生似瞬時彈性變形,局部也會出現(xiàn)不同程度的塑性變形或永久變形；對含水層上下滲透性較差的飽和黏性土隔水層而言,因孔隙水壓力下降會產(chǎn)生以向含水層豎向排水為主的固結(jié)效應(yīng),形成不可逆的沉降變形；兩種性質(zhì)的變形量大小主要與水位下降程度、地層工程特性和厚度強相關(guān)。因此,地面沉降主要源于含水層本身的釋水壓密和其上下黏性土隔水層的排水固結(jié),前者具有部分可恢復(fù)的特征,而后者則不具有可逆性。同時,因為地面沉降是由深部地層逐漸向地表發(fā)展,以及黏性土排水固結(jié)時間效應(yīng),地面沉降又表現(xiàn)為漸進(jìn)性、累計性和滯后性。

1.3 地面沉降特征

蘇錫常地區(qū)主要承壓水含水層有3層,其中第Ⅱ?qū)雍畬訛橹饕_采層,也是誘發(fā)地面沉降的關(guān)鍵層位。是由一套中更新統(tǒng)1～3層中細(xì)紗、中粗砂及含礫中粗砂構(gòu)成。其分布受古河道和古地形控制,除江陰、錫山及殘丘附近缺失外,在廣闊平原區(qū)廣泛分布。頂板埋深自西向東由淺60 m變深至130 m,厚度20～50 m,中心條帶位于常州—無錫—蘇州一線,寬度8～20 km。自1960年代以來,圍繞城市中心逐步向外圍地區(qū)的經(jīng)濟發(fā)展模式,決定了地下水集中層位、集中時間、集中地點的“三集中”開采模式,也就決定了該區(qū)地面沉降的分布特征。

平面分布表現(xiàn)為由城市中心建筑、居民密集區(qū)逐漸向外發(fā)生和發(fā)展,最終形成以三座城市為核心的區(qū)域性沉降漏斗；在含水層厚度大的地段地面沉降也明顯偏大,無錫市錫西地區(qū)最大,常州地區(qū)次之,蘇州地區(qū)相對要小一些。

根據(jù)深層沉降監(jiān)測及取樣試驗資料,對不同地區(qū)地層結(jié)構(gòu)、厚度沉降發(fā)生層位的分析結(jié)果表明：含水層釋水壓密約占總沉降變形的60%～70%；黏性土層排水固結(jié)變形約占總變形的30%～40%。差異沉降主要分布在含水層厚度突變地段、殘丘周邊第四系地層厚度變化較大地段。相關(guān)性分析表明：在上述區(qū)域內(nèi)地面沉降量大于10 mm/a時,地面沉降控制地裂縫的發(fā)生,往往會因過大的差異沉降形成地裂縫,如石塘灣、橫林、堰橋等地。

2 地面沉降的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

2.1 地下水禁采及水文地質(zhì)條件改善情況

自2000年開始江蘇省推行蘇錫常地區(qū)禁采地下水后,蘇錫常三市積極響應(yīng),在水利廳、國土廳、建設(shè)廳組成的督察小組領(lǐng)導(dǎo)下開始了有計劃的封井改水工程。至2005年共封井4 831眼,其中蘇州2 798眼,無錫1 100眼,常州933眼。地下水開采量由1996年的4.5億m3下降到2001年的2.88億m3、2005年的0.23億m3,下降幅度95%,除特種行業(yè)外,基本實現(xiàn)了全面禁采。

圖1 蘇錫常三市Ⅱ承壓水位動態(tài)曲線

禁采后蘇錫常地區(qū)水文地質(zhì)條件發(fā)生了明顯改善。第Ⅱ承壓含水層的地下水位回升顯著(見圖1)。原區(qū)域性地下水位降落漏斗逐年減小。自2001年至2007年間,蘇錫常地區(qū)主采層水位上升區(qū)面積約7 025 km2,水位穩(wěn)定區(qū)面積1315 km2,僅有約258 km2略有下降。蘇州、無錫、常州三市2006年平均水位埋深分別為23.03 m、49.91 m、49.50 m,分別比2005年上升2.85 m、2.35 m、3.48 m,上升區(qū)占全區(qū)面積的74%。2006年水位降落漏斗區(qū)面積(20 m水位埋深等值線范圍)約6170 km2,40 m水位埋深等水位線范圍1 350 km2,分別比2005年同期縮小了30 km2、118 km2。2007年,地下水位總體上繼續(xù)回升,蘇州市區(qū)和無錫東部最為顯著,目前,蘇州東部及陽澄湖一線以南水位已達(dá)20 m以上。與2006年相比,20～40 m埋深漏斗區(qū)面積減小364 km2,40 m以下區(qū)面積減小160 km2。

2.2 地面沉降現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢分析

伴隨著地水位回升,蘇錫常地區(qū)地面沉降逐年減緩,沉降范圍也逐年縮小。據(jù)2007年監(jiān)測資料,蘇錫常地區(qū)地面沉降主要集中在常州—無錫地區(qū)和吳江南部兩塊區(qū)域,除在常州西南、無錫蘇州交界的碩放—望亭、昆山市區(qū)存在局部大于5 mm的沉降區(qū),其他地區(qū)地面沉降基本穩(wěn)定。東部蘇州地區(qū)地面沉降率先得到控制,年沉降量均降到5 mm以下。當(dāng)2004年蘇州東部及北部地下水位埋深回升到30 m附近時,千燈、渭塘都出現(xiàn)了反彈,累計回彈量達(dá)8 mm,沿江地區(qū)也都處于微沉降或是反彈狀態(tài)。作為蘇錫常沉降中心的錫西地區(qū)近年沉降明顯減弱,2006～2007年分別下降至10.51 mm 和10.1 mm。地面沉降趨緩,地裂縫災(zāi)害也得到有效遏制,沒有發(fā)現(xiàn)新增地裂縫災(zāi)害。通過加強對原地裂縫易發(fā)區(qū)的監(jiān)測發(fā)現(xiàn),石塘灣地裂縫經(jīng)過多年的持續(xù)減弱后,已于2008年基本達(dá)到穩(wěn)定。

根據(jù)對蘇錫常地區(qū)地下水位與地面沉降相關(guān)性研究,發(fā)現(xiàn)-30～-40 m水位埋深是地面沉降發(fā)展的臨界深度區(qū)間。目前,東部的蘇州區(qū)段和西部常州龍虎塘以西區(qū)段基本穩(wěn)定,常州東部至無錫東部深層地下水位目前仍然偏低。在今后一個較長的時間段內(nèi)區(qū)域性沉降將會繼續(xù)存在,但程度會逐漸趨緩直至穩(wěn)定,其相對較為均勻的沉降對京滬高速鐵路沿線的影響也隨之減弱。但對于清明山基巖隆起區(qū)的常州橫林地裂縫,以及無錫東部淺埋型基巖起伏區(qū)的長涇、河塘地裂縫，最新監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示,在區(qū)域性地面沉降大背景下,局部地面應(yīng)力集中區(qū)所表現(xiàn)的差異性沉降仍可達(dá)到8 mm/100 m,這是京滬高鐵等線狀展布工程應(yīng)重點關(guān)注的問題。

3 地面沉降對京滬高鐵的影響分析

3.1 京滬高鐵蘇錫常段工程特點

根據(jù)京滬高鐵功能定位,既有交通工程分布,結(jié)合沿線經(jīng)濟發(fā)展要求,京滬高鐵蘇錫常段線位走行于城市外圍北部,距常州、無錫、蘇州三座城市中心分別為6 km、8 km、10 km,位于受地面沉降影響一般-中等區(qū),見圖2。

綜合考慮經(jīng)濟發(fā)展水平、土地資源、路基填料來源、工后沉降控制難易程度、可靠性等因素,并受與京滬高鐵相交的已建交通工程控制,該段線路全部以高架橋梁形式通過,單座橋梁全長約164 km,橋梁高度6～15 m。

圖2 京滬高鐵與地面沉降2005年累計沉降曲線關(guān)系示意

與其他地面交通方式相比,高速鐵路具有“安全、高速、平順、舒適”的特點,也對工程建成后的沉降變形量提出了嚴(yán)格的控制要求。350 km/h高速鐵路對墩臺工后沉降的控制要求見表2。

表2 靜定結(jié)構(gòu)墩臺工后沉降限值

由表2可知,無砟軌道橋面工后沉降比有砟軌道更為嚴(yán)格,而在地面沉降地區(qū),除考慮工程本身的沉降變形外,還必須考慮地面沉降對工程的不利影響,包括均勻沉降和差異沉降。對京滬高速鐵路涉及到橋梁墩臺基礎(chǔ)設(shè)計、軌道結(jié)構(gòu)類型選擇和可調(diào)支座、扣件設(shè)置等三個方面的關(guān)鍵技術(shù)問題。

3.2 地面沉降對京滬高鐵的影響分析

蘇錫常地區(qū)地下水禁采后水位普遍回升,地面沉降明顯趨緩,目前處于滯后沉降階段。根據(jù)區(qū)域監(jiān)測資料,沿線沉降速率下降至0～10 mm/a,大部分地段沉降速率在5 mm/a以下,隨著時間延長沉降速率將進(jìn)一步減小,地面沉降基本得到了控制?？紤]高速鐵路橋梁墩臺樁基深度一般為60 m,約占可壓縮土層厚度的40%～50%,樁端以下地層變形量更小,可以認(rèn)為一般地段相對較為均勻的地面沉降對橋梁墩臺沉降影響較小。

對距線路2～20 km已發(fā)生的橫林、長涇、河塘及石塘灣等地裂縫帶進(jìn)行了監(jiān)測。自2004年以來觀測資料表明：橫林、長涇、河塘地裂縫帶年沉降差異為5.7～6.7 mm/100 m,最大8 mm/100 m,石塘灣地裂縫帶年沉降差異趨向0 mm,反映出地下水禁采后隨著地面沉降減緩,地裂縫也逐漸趨向穩(wěn)定?？紤]高速鐵路雖然沒有直接穿越上述地裂縫帶,但常州附近清明山基巖隆起區(qū)及無錫東部淺埋型基巖起伏區(qū)存在條件類似的隱患區(qū)段,墩臺基礎(chǔ)設(shè)計時應(yīng)根據(jù)實際工程地質(zhì)條件,通過調(diào)整樁長、設(shè)置可調(diào)支座，解決墩臺間差異沉降問題。

基于現(xiàn)狀地面沉降控制水平,考慮橋梁樁基長度已占可壓縮層的50%左右,通過合理設(shè)置樁長過渡、可調(diào)高式支座,以及軌道扣件的調(diào)高功能,并適當(dāng)延長基礎(chǔ)完工后鋪軌前放置時間,可以最大程度地減小現(xiàn)狀地面沉降和工程沉降對工后沉降的不利影響,實現(xiàn)工后沉降的有效控制,可以滿足鋪設(shè)無砟軌道要求。

當(dāng)然,上述分析的前提條件是在工程建設(shè)前全面禁采地下水的順利實施。若工程建成后再長期超采地下水,勢必會引起更為嚴(yán)重的后果,也將會造成更大的的損失。因此,有計劃、合理地利用地下水,特別是嚴(yán)禁在線路附近開采地下水是一項長期、艱巨的任務(wù),也是保證京滬高鐵安全運營的必要條件。同時,鑒于地面沉降的復(fù)雜性、不確定性和時間效應(yīng),還必須加強工程建設(shè)期間和建成后監(jiān)測和檢查,以便動態(tài)掌握沉降變形情況,為列車開行和養(yǎng)護(hù)維修提供依據(jù)。

4 結(jié)論與建議

(1)蘇錫常地區(qū)廣為第四系地層覆蓋,60～130 m以下發(fā)育第Ⅱ承壓含水砂層,含水層厚15～40 m。由于歷史上超采地下水,因含水層釋水壓密和黏性土排水固結(jié),曾引起了較為嚴(yán)重的地面沉降,局部因差異沉降引發(fā)了地裂縫,是京滬高速鐵路需慎重考慮的問題。

(2)自2000年開始實施深層地下水禁采后,地下水位普遍回升,區(qū)域地面沉降基本得到了控制。根據(jù)區(qū)域監(jiān)測資料,沿線年沉降速率0～10 mm/a,大部分地段年沉降速率在5 mm/a以下,隨著時間延長沉降速率將進(jìn)一步減小,考慮高速鐵路橋梁墩臺樁基深度一般為60 m,約占可壓縮土層厚度的40%～50%,樁端以下地層變形量更小,可以認(rèn)為一般地段較為均勻的地面沉降對橋梁墩臺沉降影響較小。

(3)線路所經(jīng)常州附近清明山基巖隆起區(qū)及無錫東部淺埋型基巖起伏區(qū),基巖埋深和含水層變化較大,在地面沉降的大背景下仍存在差異沉降,參考已有地裂縫觀測資料估算,32 m跨度橋梁相鄰墩臺樁端以下差異沉降可達(dá)1～2 mm/a,再加上工程自身差異沉降,勢必對京滬高鐵造成不利影響,是需重點關(guān)注和解決的問題。

(4)基于現(xiàn)狀地面沉降控制水平,通過合理設(shè)置樁長過渡、可調(diào)高式支座,以及軌道扣件的調(diào)高功能等針對性措施,并適當(dāng)延長基礎(chǔ)完工后鋪軌前放置時間,可實現(xiàn)工后沉降的有效控制,鋪設(shè)無砟軌道是可行的。

(5)限采地下水是一項長期而艱巨的任務(wù),特別是嚴(yán)禁在建成后的京滬高鐵線路附近開采地下水,是保證高鐵安全運營的必要條件之一。同時還要定期加強地面沉降的監(jiān)測、檢查,為列車開行和線路養(yǎng)護(hù)維修提供依據(jù)。

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