京廣高鐵鄭州段地面沉降原因分析

夏飛雪，姚 青，聶明軍

(河南省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局第二地質(zhì)環(huán)境調(diào)查院，河南鄭州450053)

京廣高鐵從黃河花園口一帶通過，在北至黃河南至隴海鐵路之間，分布有鄭州北郊水源地、黃河漁場地下水集中開采區(qū)和城市建設(shè)區(qū)眾多的基坑排水。為監(jiān)測此帶地面沉降的時空變化規(guī)律，沿京廣高鐵線布設(shè)了地面水準(zhǔn)高程點，進行了長時間連續(xù)的系統(tǒng)監(jiān)測，結(jié)果表明:本段線路2010年1月至2012年6月地面水準(zhǔn)點高程變化對比可知，鐵路沿線地面沉降呈中間低兩端高的漏斗狀，2010年1月與2012年1月相比較，黃河至隴海鐵路之間地面水準(zhǔn)點高程大部分測點下沉了30～40 mm，最大為45.6 mm，而兩端測點下沉了2～3 mm。通過調(diào)查認為，地面沉降的差異變化與地下水開采強度、地質(zhì)沉積環(huán)境相關(guān)。

1 地質(zhì)環(huán)境

地貌屬黃河沖積扇平原區(qū)，形成于全新世。黃河沖積扇的形成機制比較復(fù)雜，新老沖積扇相互疊置。由于黃河多次改道及頻繁的決口泛濫，在黃河兩岸形成了放射狀相間分布的古河道高地，河槽洼地、沙崗高地、泛濫洼地等波狀起伏的地形。依據(jù)遙感解譯及地貌成因和形態(tài)的差異將沿線區(qū)間地貌劃分為砂土崗地區(qū)、沖泛平原區(qū)、黃河漫灘區(qū)。

1.1 砂土崗地區(qū)

分布于隴海鐵路以南、以鄭州市圃田鄉(xiāng)西營崗、小王莊、東劉莊一線為界。形成于全新世。地勢較高，地面標(biāo)高在95～116 m，高出黃河泛流平原區(qū)10 m左右。地勢西南高東北低，坡降為2.5‰，地表巖性為粉細砂，有后期形成的風(fēng)成砂丘分布，砂丘一般高3～5 m。砂丘由松散的黃色細砂、粉細砂組成，砂丘地帶有人工種植的槐樹林?，F(xiàn)砂丘已基本固定。

1.2 沖泛平原區(qū)

分布于黃河兩岸廣大地區(qū)。形成于全新世晚期，地形平坦，有零星砂丘分布。黃河以南西北高東南低，傾向東南。地面標(biāo)高在82.2～85.0 m，地面坡降為 0.17‰。地表巖性以粉質(zhì)粘土、粉土、粉細砂為主。依據(jù)微地貌細分為泛流平地、背河洼地二個亞區(qū)。

此區(qū)為1938年5月19日，蔣介石采取“以水代兵”的辦法，炸開花園口，造成人為的黃河決堤，形成大片的黃泛區(qū)。花園口決堤形成的決口扇，黃河泥沙在此處沉積厚度15～20 m，沉積時間距現(xiàn)在也只有70余年，地層固結(jié)時間短，魚塘遍布，淤泥質(zhì)土分布較廣，地層松軟，承載力較小，壓縮性高。

1.3 黃河漫灘區(qū)

分布于黃河南北大堤之間，受黃河大堤控制，黃河泥沙在河道中落淤使河道抬高。近幾百年來使黃河形成典型的地上“懸河”?，F(xiàn)堤內(nèi)地面標(biāo)高在90 m左右，已高出堤外地面5～7 m。

2 地下水開采情況

本段處在地下水強烈開采地段，為鄭州北郊水源地及漁業(yè)區(qū)，開采井密度大。北郊水源地規(guī)劃開采量20萬 m3/d。北郊水源地主要開采層位是淺層含水層組(潛水－微承壓水)和中深層含水層組(承壓水)，開采井主要分布在八堡、凌莊、馬頭崗一帶。淺層水取水井取水量為100 m3/h，開采時間為24 h連續(xù)開采。深層水取水井取水量為50 m3/h，24 h連續(xù)開采。

此帶魚塘大面積分布，魚塘用水以開采地下水為主，開采井密度大，井深一般小于70 m。魚塘井開采時間為每年4月至10月，年開采天數(shù)約200 d，每天開采4～5 h，每小時抽水50～60 m3。

地下水的強烈開采，在此帶已經(jīng)形成地下水位降落漏斗。地下水位埋深由開采前的2～3 m變?yōu)楝F(xiàn)在的10～20 m，最大降深值20 m左右。

連霍高速以南為鄭東新區(qū)城市建設(shè)區(qū)，建筑物密集，主要為基坑降水、城市建設(shè)用水和零星的地?zé)峋_采。在鄭州東站一帶，為鄭州地鐵1號線，從鄭州東站下面穿過，在地鐵開挖和建設(shè)中，大量集中抽降地下水。因城市建設(shè)過程中生產(chǎn)生活的需要，城市建設(shè)供水井開采在此處也較大。

3 地下水開采強度與地面沉降的相關(guān)性

3.1 黃河至連霍高速區(qū)間

本段共調(diào)查水井114眼，其中距鐵路200 m以內(nèi)有54眼，距鐵路200～500 m有13眼，距鐵路500～1 000 m有19眼，距鐵路1 000 m以上有28眼。本段約有鄭州市北郊水源地深層水取水井10眼，淺層水取水井35眼。魚塘用水均為開采地下水為主，魚塘大面積分布，開采井密度較大。

此段地下水開采較強烈，年開采水量大，超過3 510萬m3，使得地下水位呈持續(xù)下降狀態(tài)，在此帶已經(jīng)形成地下水位降落漏斗，地下水位埋深由開采前的2～3 m變?yōu)楝F(xiàn)在的10～20 m，地下水下降明顯，導(dǎo)致本段產(chǎn)生較大沉降。地面水準(zhǔn)點2010年1月至2012年1月間沉降33.5～42.3 mm。同時地面沉降速率與抽水強度有明顯的相關(guān)性，沉降速率在抽水高峰期有所增大，4～10月為魚塘井抽水高蜂期、抽水強度高、沉降速率加快，10月份以后魚塘井抽水量大幅減少、抽水強度降低、沉降速率減緩。

3.2 連霍高速至鄭州東站區(qū)間

本段為鄭東新區(qū)城建區(qū)，主要為基坑降水、城市建設(shè)取水井和零星的地?zé)峋_采。本段共調(diào)查水井21眼，其中距鐵路200 m以內(nèi)有9眼，距鐵路200～500 m有9眼，距鐵路1 000 m以上有3眼。因城市建設(shè)過程中生產(chǎn)生活的需要，城市建設(shè)用水量較大。在鄭州東站一帶，鐵路周邊高層建筑密集，地鐵1號線橫穿車站中心，存在大量基坑開挖抽排地下水。

受基坑降水、城市建設(shè)需要，此段地下水開采較強烈，年開采水量大，使得地下水位呈持續(xù)下降狀態(tài)，由原來的埋深2～3 m變?yōu)楝F(xiàn)在的6～10 m。局部基坑降水使地下水位下降20余米。地面水準(zhǔn)點2010年1月至2012年1月間沉降37.8～45.6 mm。

3.3 鄭州東站以南

本段共調(diào)查水井2眼，均距鐵路1 000 m以上。此段地下水抽采很小。地面水準(zhǔn)點2010年1月至2012年1月間沉降0～1.4 mm。

4 地面沉降的防護措施

4.1 完善防災(zāi)組織管理及強化施工管理

地面沉降是一種具有隱蔽性、累進性等特點的地質(zhì)災(zāi)害，防治的基本原則應(yīng)該是以監(jiān)測、預(yù)防為主，防治結(jié)合，并堅持依法治理地面沉降?？紤]在工程沿線一定范圍內(nèi)應(yīng)設(shè)立保護區(qū)，在保護區(qū)范圍內(nèi)進行的各類工程建設(shè)活動需經(jīng)管理部門論證和批準(zhǔn)。

4.2 沿線抽水井關(guān)閉與限采

應(yīng)對沿線農(nóng)用井、影響較大的水源地水井和常年開采的其他水井進行關(guān)閉或限采，具體如下:

(1)建議對線路左右兩側(cè)200 m范圍內(nèi)農(nóng)用井進行關(guān)閉，線路兩側(cè)300～500 m范圍內(nèi)水井應(yīng)進行限制開采，新開水井距離線路兩側(cè)不小于500 m。

(2)建議對線路兩側(cè)1 000 m范圍內(nèi)常年連續(xù)開采的水源地供水井進行關(guān)閉。新開水源地供水井距離線路兩側(cè)不小于2 000 m。

4.3 沿線路附近基坑工程設(shè)計建議

沿線附近建筑物基坑工程施工，對位于線路700 m范圍內(nèi)的建筑物基坑降水工程，基坑重要性等級應(yīng)設(shè)定為一級，設(shè)計應(yīng)充分考慮降水施工對高速鐵路的影響，并采取有效措施防止地下水位發(fā)生較大變化。如采用輕型井點降水，在實際工程中根據(jù)地下水位變化情況，確定輕型井點啟動時機;增加止水帷幕，預(yù)留適當(dāng)?shù)幕毓嗑?控制每次土方開挖的區(qū)塊大小和深度;施工過程中應(yīng)加強地下水位和變形監(jiān)測，并加密觀測頻次。

4.4 建立沿線地面沉降長期監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)

建立地下水位、地面沉降及高速鐵路工程變形的地面沉降災(zāi)害綜合監(jiān)測網(wǎng)。實時監(jiān)控地下水位變化、地面高程變化、軌道平順度、變形等指標(biāo)。

5 結(jié)語

根據(jù)鄭東新區(qū)地面沉降與地下水開采強度、地下水位變化的動態(tài)相關(guān)性調(diào)查，認為地下水抽采是地面沉降產(chǎn)生的主要影響因素。鄭東新區(qū)存在大面積的欠固結(jié)土，地下水抽采使得土中的重力水滲出，形成負孔隙壓。根據(jù)太沙基的有效應(yīng)力原理，地下水位下降使有效應(yīng)力增加，導(dǎo)致土體顆粒發(fā)生壓縮變形，地基產(chǎn)生固結(jié)沉降。

地面沉降可能影響到京廣高鐵的正常平穩(wěn)運行，建議對沿線200 m以內(nèi)的開采井關(guān)閉。在200 m以內(nèi)不產(chǎn)生新的開采井，在2 000 m以內(nèi)不允許建設(shè)新的水源地。

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