京津高鐵北京段地面沉降監(jiān)測及結(jié)果分析

劉歡歡， 張有全*， 王榮， 宮輝力， 顧兆芹， 闞京梁， 羅勇， 賈三滿

1 首都師范大學(xué)資環(huán)學(xué)院， 北京　100048　2 北京市水文地質(zhì)工程地質(zhì)大隊(duì)， 北京　100195　3 鐵道第三勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司， 天津　300142

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京津高鐵北京段地面沉降監(jiān)測及結(jié)果分析

劉歡歡1， 張有全1*， 王榮2， 宮輝力1， 顧兆芹1， 闞京梁3， 羅勇2， 賈三滿2

1 首都師范大學(xué)資環(huán)學(xué)院， 北京1000482 北京市水文地質(zhì)工程地質(zhì)大隊(duì)， 北京1001953 鐵道第三勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司， 天津300142

摘要京津高鐵是我國第一條高速運(yùn)行的城際鐵路，其安全運(yùn)行對軌道變形有著嚴(yán)格的要求.京津高鐵北京段經(jīng)過平原區(qū)的沉降區(qū)域.地面沉降，尤其是不均勻地面沉降已經(jīng)引起了部分地段路基和橋梁變形，威脅著高鐵的運(yùn)營安全.因此，需要高精度監(jiān)測鐵路路基和橋梁沉降，分析其原因，進(jìn)而才能提出緩解沉降災(zāi)害的合理措施，保證京津高鐵安全運(yùn)行.本文采用時序干涉測量技術(shù)、水準(zhǔn)測量技術(shù)和分層標(biāo)監(jiān)測、地下水分層監(jiān)測手段相結(jié)合，對京津高鐵北京段地面沉降進(jìn)行監(jiān)測，并利用監(jiān)測結(jié)果分析其差異性沉降成因.結(jié)果表明：沿線區(qū)域地面沉降發(fā)展一定程度上受到來廣營凸起、南苑—通縣斷裂和大興隆起構(gòu)造控制；地下水超采是區(qū)域地面沉降的主要驅(qū)動因素，同時第四系沉積環(huán)境、地層巖性和補(bǔ)給條件等共同作用，使得地面沉降發(fā)展在空間上存在一定差異性，可以分為微小沉降區(qū)(DK0-DK9段)、嚴(yán)重沉降區(qū)(DK9-DK27段)和一般沉降區(qū)(DK27-DK50)；沿線區(qū)域地面沉降主要貢獻(xiàn)層為中深部地層(50～147.5 m)，該層黏性土厚度較大，且主要呈現(xiàn)彈塑性形變，占總沉降量的76%左右，是未來地面沉降調(diào)控的主要層位.

關(guān)鍵詞京津高鐵； 地面沉降； 干涉測量； 水準(zhǔn)測量； 分層標(biāo)

1引言

日本、歐洲以及我國臺灣地區(qū)已經(jīng)先后建成時速300km以上的高速鐵路運(yùn)行網(wǎng)絡(luò)(Hwang et al.，2008)，我國自2008年以來也先后有京津、京滬、京石等多條高鐵投入運(yùn)營(孫樹禮等，2009)，美國加州等地也正在規(guī)劃建設(shè)連接舊金山—San Diego地區(qū)的高速鐵路.高速鐵路的建設(shè)、運(yùn)營對軌道和橋梁結(jié)構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)和質(zhì)量有了新的要求(International Union of Railways，2009)，高鐵安全運(yùn)行對路基和橋梁的穩(wěn)定性、變形程度及軌道的平順性等有著嚴(yán)格要求.例如，日本和我國臺灣規(guī)定高鐵簡支梁折角損失小于1/1000，連續(xù)梁折角損失小于1/1500(Taiwan High Speed Rail Corporation Design Specifications，2001).基于此，國內(nèi)外學(xué)者先后采用干涉測量、GPS、水準(zhǔn)和分層標(biāo)技術(shù)對高鐵及其沿線地面沉降進(jìn)行監(jiān)測，研究結(jié)果表明意大利Naples(Cascini et al.，2013)、葡萄牙Lisbon(Heleno et al.，2013)、希臘Melia(Kontogianni et al.，2007)和我國臺灣云林(Hung et al.，2012)等地區(qū)的高速鐵路受到了沉降影響，部分區(qū)段沉降已經(jīng)影響到高鐵運(yùn)行的安全性和舒適性.國內(nèi)、外學(xué)者針對京津高鐵沿線沉降問題開展了監(jiān)測工作，其中Ge等(2010)等采用差分干涉測量技術(shù)對京津高鐵沿線區(qū)域進(jìn)行區(qū)域形變制圖，Ge等(2008)、劉國祥等(2012)等運(yùn)用時序干涉測量技術(shù)檢測京津高鐵沿線區(qū)域地面沉降信息，分析發(fā)現(xiàn)了局部沉降速率大的地區(qū)為高耗水的工業(yè)園區(qū).李國和等(2009)通過試驗(yàn)和數(shù)值模擬結(jié)合分析地面沉降對不同橋梁類型的影響程度.針對沉降空間分布差異特征以及分層地層壓縮特性研究工作未見報道，需開展工作，進(jìn)而為沉降調(diào)控及安全運(yùn)營提供科學(xué)依據(jù).

京津高鐵是我國實(shí)施的第一條高速運(yùn)行的城際軌道交通線路，是連接北京、天津兩直轄市最為方便快捷的客運(yùn)通道之一.于2008年8月1日正式開通，設(shè)計速度300 km/h以上.京津高鐵北京段全長50 km，北起北京南站，南至京津兩市交界處永樂鎮(zhèn)興隆莊地區(qū)，如圖1所示.橋梁占京津高鐵線路總長度的87.7%，北京地區(qū)沿線經(jīng)過北京環(huán)線和涼水河兩座特大橋，橋梁為樁基礎(chǔ)類型.

圖1　京津高鐵北京段線路Fig.1　Route map of Beijing-Tianjin high-speed railway

京津高鐵北京段經(jīng)過永定河沖洪積扇南部平原區(qū)，地面沉降是沿線地區(qū)主要地質(zhì)災(zāi)害(葉曉賓和何慶成，2006；楊艷等，2010).自21世紀(jì)以來，北京平原區(qū)地面沉降處于快速發(fā)展階段，最大累積沉降量達(dá)到了1.163 m.京津高鐵北京段經(jīng)過的朝陽區(qū)和通州區(qū)沉降問題比較突出，截止2012年沿線最大累積沉降量達(dá)到1 m左右，2012年度沿線最大沉降速率8.5 cm左右，區(qū)域地面沉降對高鐵的安全運(yùn)營產(chǎn)生了較大的威脅.

因此需要對京津高鐵沿線地面沉降開展立體監(jiān)測工作.本次論文目的是采用時序干涉測量、水準(zhǔn)測量、分層標(biāo)和地下水分層監(jiān)測等技術(shù)手段結(jié)合，對京津高鐵沿線地面沉降進(jìn)行立體監(jiān)測，在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步分析沉降時空差異特征及其成因，以期為未來沉降調(diào)控和保障高鐵安全運(yùn)營提供科學(xué)依據(jù).

2監(jiān)測方法和數(shù)據(jù)處理

2.1水準(zhǔn)測量

針對研究區(qū)地面沉降特點(diǎn)以及京津高鐵軌道基礎(chǔ)類型不同的監(jiān)測要求，本次采用區(qū)域一等水準(zhǔn)網(wǎng)(二等補(bǔ)充)、京津高鐵沿線高精度水準(zhǔn)網(wǎng)以及軌道設(shè)標(biāo)網(wǎng)組合來監(jiān)測不同尺度變形特征.其中，區(qū)域水準(zhǔn)測量網(wǎng)用于平原區(qū)地表形變制圖，高鐵沿線高精度水準(zhǔn)網(wǎng)用于分析沉降對軌道曲率半徑及坡度的影響，軌道設(shè)標(biāo)網(wǎng)用于分析橋梁墩臺間差異性沉降及其對列車運(yùn)行舒適度影響，監(jiān)測網(wǎng)分布如圖2所示.水準(zhǔn)測量的閉合差精度應(yīng)該控制在1.8 mm左右，其中K為兩個相鄰測量點(diǎn)的間距(km).區(qū)域一等水準(zhǔn)測量網(wǎng)每年復(fù)測一次，高鐵沿線高精度水準(zhǔn)網(wǎng)于2007年1月、2007年8月、2008年2月先后測量過三次，軌道設(shè)標(biāo)網(wǎng)主要分布在沉降速率比較大的亦莊地區(qū)(12～20 km段)，自2009年12月開始每月復(fù)測高程一次.

圖2　北京平原區(qū)水準(zhǔn)網(wǎng)分布Fig.2　Distributions of leveling networks in Beijing plain

2.2時序干涉測量

傳統(tǒng)差分干涉測量在非城區(qū)易受到去相干影響，為了克服這一不足，F(xiàn)erretti等(2001)提出了永久散射體思想，即選取時序干涉對中幅度、相位相對穩(wěn)定的高相干點(diǎn)，以這些高相干點(diǎn)集為基礎(chǔ)，進(jìn)行時序分析，評估軌道和大氣延遲等誤差組分，進(jìn)而最終分離出形變相位信息(Hooper et al.，2004).Ferretti等(2001)、Hooper等(2012)隨后又發(fā)展了時序干涉測量技術(shù)，包括小基線技術(shù)、永久散射體(PS-InSAR)與小基線結(jié)合等技術(shù).使得時序干涉測量技術(shù)適用于非穩(wěn)定形變區(qū)，并且無需先驗(yàn)形變知識(劉國祥等，2012)，部分地區(qū)時序干涉測量精度可達(dá)到毫米級.本次論文工作以歐空局Envisat衛(wèi)星ASAR數(shù)據(jù)為數(shù)據(jù)源，篩選出2003年12月10日至2009年3月18日間覆蓋研究區(qū)的29景SAR數(shù)據(jù)，通過對比分析時間基線、空間基線，優(yōu)選2005年12月14日影像為主圖像，其他影像為輔影像進(jìn)行干涉.

采用Delft大學(xué)Doris軟件進(jìn)行差分干涉處理，以SRTM數(shù)據(jù)為參考DEM，進(jìn)行地形相位去除.采用開源的STAMPS軟件進(jìn)行SAR數(shù)據(jù)時序干涉處理，數(shù)據(jù)處理詳細(xì)步驟見論文(趙守生等，2008).

2.3地下水位監(jiān)測

區(qū)域地下水位監(jiān)測是揭示地面沉降主要驅(qū)動因素、定量掌握含水層系統(tǒng)釋水形變特征的重要手段，是制定地面沉降災(zāi)害緩解措施和高鐵安全運(yùn)營管理方案的前提.本次工作充分利用北京市平原區(qū)已有的分層地下水監(jiān)測網(wǎng)，作為含水層系統(tǒng)長期動態(tài)監(jiān)測井，并參考北京市多個地面沉降監(jiān)測站的分層監(jiān)測水位信息.在此基礎(chǔ)上，針對京津高鐵重大線性工程的特點(diǎn)以及沿線地面沉降時空分布特征，在京津高鐵沿線3 km范圍內(nèi)補(bǔ)充選取60眼代表性開采井作為普測井，用于掌握沿線區(qū)域地下水流場變化的細(xì)節(jié)信息.區(qū)域地下水長期動態(tài)監(jiān)測井監(jiān)測頻次每天一次，普測井在枯水期和豐水期各測一次，監(jiān)測井分布如圖4所示.

圖3　InSAR影像時空基線分布Fig.3　Distribution of temporal-spatial baselines of InSAR images

圖4　地下水位監(jiān)測井和分層標(biāo)監(jiān)測站分布Fig.4　Distribution of monitoring wells of groundwater and borehole extensometer analyzed in study atrea

2.4分層標(biāo)監(jiān)測

分層標(biāo)是目前監(jiān)測含水層系統(tǒng)響應(yīng)的最常用手段，是掌握不同埋深水文地質(zhì)單元水力特征、形變力學(xué)特性的最有效途徑.北京市自2004年起，先后在在昌平(八仙莊)、順義(天竺和平各莊)、朝陽(來廣營和王四營)、通州(土橋)和大興(榆垡)5個區(qū)建立了7座地面沉降監(jiān)測站，監(jiān)測不同埋深地層的形變信息、孔壓信息和分層含水層水位動態(tài)信息，用于掌握典型沉降區(qū)的發(fā)展演化特征.

在已有7個地面沉降監(jiān)測站中，王四營監(jiān)測站距離京津高鐵相對最近，約4 km左右.本次選取該站分層標(biāo)和地下水位動態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析研究.該站設(shè)有工程地質(zhì)孔1眼，基巖標(biāo)1座，分層標(biāo)7座，地下水位觀測井5眼，并且配有1套自動化監(jiān)測系統(tǒng).分層標(biāo)埋設(shè)深度分別為2、15、24、50、66、94 m和147.5 m，如圖8所示.基巖標(biāo)、分層標(biāo)、地下水位和孔隙水壓力監(jiān)測數(shù)據(jù)每隔12 h采集一次.

圖8　王四營地面沉降監(jiān)測站地層巖性及分層壓縮結(jié)果Fig.8　Strata and cumulative compaction amount from August 2004 during a given time at Wangsiying station

3監(jiān)測結(jié)果

3.1地面沉降

京津高鐵北京段沿線水準(zhǔn)測量和PSInSAR監(jiān)測結(jié)果如圖5所示(其中紅色曲線為2003—2009年P(guān)SInSAR監(jiān)測京津高鐵沿線年均沉降結(jié)果)，兩種方法獲取的年均形變結(jié)果一致性較好，在1.5 cm范圍左右，部分差異是由于兩種方法監(jiān)測的對象和尺度差異所引起的.京津高鐵北京段沿線區(qū)域一等水準(zhǔn)網(wǎng)水準(zhǔn)點(diǎn)較少，并且近年城市化建設(shè)破壞了部分已有水準(zhǔn)點(diǎn)，導(dǎo)致沿線附近僅少量水準(zhǔn)點(diǎn)有2007—2013年間的連續(xù)測量記錄，圖5中水準(zhǔn)測量結(jié)果主要是京津高鐵沿線高精度水準(zhǔn)網(wǎng)測量結(jié)果.水準(zhǔn)測量和PSInSAR兩種方法比較結(jié)果表明PSInSAR是一個相對可靠的測量方法，可以用于高鐵穿行區(qū)域的區(qū)域地面沉降制圖.同時，二者一致性也可以作為兩種測量方法的交叉檢驗(yàn).

圖5　京津高鐵沿線一等水準(zhǔn)、PSInSAR形變測量結(jié)果Fig.5　Result of first-class precise levelling along Beijing-Tianjin high-speed railway between 2007 and 2008 and PSInSAR measurement

京津高鐵北京段沿線地面沉降近似呈碗狀漏斗形狀，漏斗底部中心在17 km處附近.基于沿線地面沉降幅度和坡度，將京津高鐵北京段沿線地面沉降分為三個等級：

(1) 微小沉降區(qū)：0～9 km段，區(qū)段內(nèi)形變微小，年均地面沉降速率為0.5 cm·a-1左右.該段地區(qū)形變坡度輕緩，預(yù)期折角損失較小.

(2) 嚴(yán)重沉降區(qū)：9～27 km段，區(qū)段內(nèi)地面沉降顯著，局部地區(qū)地面沉降速率超過4 cm·a-1.該段地區(qū)不均勻沉降顯著，預(yù)期折角損失將會比較顯著.

(3) 一般沉降區(qū)：27～50 km段，區(qū)段內(nèi)地面沉降較輕，年均沉降速率約1.2 cm·a-1左右.該段地區(qū)地面沉降幅度相對比較均一.

針對地面沉降對高鐵安全運(yùn)營的可能影響，我國制定了高速鐵路橋梁折角容限閾值，如表1所示.

2009—2012年實(shí)施的軌道設(shè)標(biāo)網(wǎng)多期精密水準(zhǔn)測量結(jié)果表明，目前評估的折角損失多在允許值閾值1/1400之內(nèi).嚴(yán)重沉降區(qū)部分地段需要調(diào)整梁面高程，用于補(bǔ)償沉降所引起的高程損失.

3.2地下水位

京津高鐵北京段沿線經(jīng)過地區(qū)屬于永定河地下

表1　雙軌、簡支混凝土梁(跨度小于96 m)垂直折角容限(Zhou et al.，2012)

水子系統(tǒng)，有5個主要賦水含水層，如圖10所示.分層地下水水位監(jiān)測井監(jiān)測結(jié)果表明2004—2011年間潛水含水層、第一承壓含水層水位下降趨勢較緩(圖6所示)，近年水位基本保持穩(wěn)定.第二、三承壓含水層水位處于穩(wěn)定下降階段，這主要是由于該地區(qū)第二、三承壓含水層是目前主要工業(yè)、生活用水開采層，水位下降幅度大.其中，第三承壓含水層水位下降最快，年均水位下降1.6 m左右.

圖6　含水層水位變化曲線Fig.6　Curves of groundwater level in aquifers in the subsidence area

圖10　京津高鐵沿線水文地質(zhì)剖面(位置見圖9)Fig.10　Hydrogeological profile along Beijing-Tianjin high-speed railway(Location is indicated in Fig.9)

依據(jù)京津高鐵沿線地下水水位調(diào)查統(tǒng)測結(jié)果繪

制含水層地下水流場，結(jié)果如圖7所示.京津高鐵沿線附近可利用潛水井較少，本次工作沒有繪制潛水地下水流場.高鐵沿線及周邊地區(qū)目前潛水層開采量較少，推測近些年地下水流場變動不大，局部地區(qū)水位會有小幅回升.

圖7　京津高鐵沿線區(qū)域第二、三、四、五含水層流場(2008年6月)Fig.7　Flow fields of 2nd, 3rd, 4th , and 5thaquifers around along Beijing-Tianjin high-speed railway in June 2008

區(qū)域地下水流向總體上從西向東南，以水平流為主，垂向滲流為輔.第二含水層埋深在80～110 m左右，該層含水層開采井廣泛分布，水位較低地區(qū)位于DK13-DK15段，形成了小范圍的水位降落漏斗.第三含水層埋深約150 m左右，該含水層除了在DK12-DK16段形成水位降落漏斗外，在臺湖—牛堡屯(DK21-DK31)段地區(qū)也形成了一個地下水位降落漏斗.第四含水層埋深在180～200 m左右，地下水流場趨勢與第三含水層相似.第五含水層埋深一般大于200 m，目前該含水層地下水開采相對較少，在臺湖—永樂店(DK22-DK35)地區(qū)初步形成了地下水降落漏斗，水力梯度相對較小.

3.3分層壓縮

京津高鐵沿線的王四營監(jiān)測站地層巖性主要包括黏土、粉質(zhì)黏土、細(xì)砂、中砂和礫石等.分層壓縮記錄埋深2～185 m之間地層的壓縮，分層標(biāo)監(jiān)測結(jié)果如圖8所示.監(jiān)測結(jié)果表明京津高鐵北京段沿線地面沉降主要貢獻(xiàn)層為埋深50～147.5 m地層，占總累計形變量的76%左右.其中埋深94～147.5 m段占總沉降量的38%左右，50～66 m段占總沉降量的20%，66～94 m段占總沉降量的18%.埋深50 m以淺地層為次要壓縮層，僅占總沉降量24%左右，1～15 m層位壓縮貢獻(xiàn)量最小，占1.7%.

4區(qū)域地面沉降影響因素分析

在水準(zhǔn)測量、干涉測量、分層標(biāo)監(jiān)測及地下水監(jiān)測基礎(chǔ)上，進(jìn)一步分析京津高鐵北京段沿線地面沉降差異性特征，本文從第四系沉積環(huán)境、地下水開采強(qiáng)度和土體變形特性等方面分析相應(yīng)的驅(qū)動因素.主要包括以下三個方面內(nèi)容.

4.1第四系沉積條件對地面沉降影響

京津高鐵北京段沿線地面沉降空間分布差異性明顯，部分沉降漏斗邊界恰好位于區(qū)內(nèi)構(gòu)造邊界處，其中主要有北西向的來廣營凸起帶、北東向南苑—通縣斷裂和北東向大興隆起，如圖9所示.研究區(qū)內(nèi)同一地區(qū)不同時代、同一時代不同地區(qū)的構(gòu)造運(yùn)動性質(zhì)差異，一定程度上影響著古地理環(huán)境，主要表現(xiàn)為第四系沉積物剝蝕區(qū)和沉積區(qū)范圍的變化，針對地面沉降災(zāi)害問題體現(xiàn)在不同地質(zhì)時期沉積物厚度和巖性的差異方面.京津高鐵沿線第四系沉積分區(qū)可以分為3部分：

(1) 南苑—通縣斷裂西北側(cè)地區(qū)(DK0-DK7段)：該區(qū)晚第三紀(jì)時下陷，接受了較厚的第三系沉積，而第四紀(jì)時期則相對抬升，只接受不到百米的沉積物.

(2) 南苑—通縣斷裂至大興隆起帶地區(qū)(DK7-DK25段)：南苑—通縣斷裂東南側(cè)區(qū)域第四紀(jì)總體上呈下降狀態(tài)，接受第四系沉積，局部受大興隆起影響，在早更新世地層受到一定剝蝕作用，第四系沉積物厚度相對永樂段地區(qū)(DK35-DK50)較薄，平均厚度200 m左右.

(3) 大興隆起帶東南側(cè)地區(qū)(DK35-DK50)：該地區(qū)位于大廠凹陷和固安—武清凹陷內(nèi)，第四紀(jì)時期處于下降狀態(tài)，接收了較厚的沉積物，高鐵沿線第四系最厚可達(dá)350 m左右，如圖9所示.第四系沉積環(huán)境和沉積厚度分布與沿線地面沉降空間分布有較好的一致性，表明第四系沉積條件差異是影響地面沉降空間發(fā)展的一個重要因素.

京津高鐵北京段經(jīng)過地區(qū)包括永定河沖洪積扇扇緣和北京沖積平原.第四系厚度變化的總體規(guī)律是從西北至東南平原逐漸增大，含水層由單一含水層逐漸演變?yōu)槎鄬樱畬宇w粒也由粗變細(xì).如前所述，沿線永定河沖洪積扇扇緣地區(qū)主要分布在南苑—通縣斷裂西北側(cè)地區(qū)(DK0-DK7段)，第四紀(jì)沉積厚度較小，可壓縮黏土層厚度低，巖性顆粒相對沖積平原地區(qū)較粗，受西山隆起作用，第四系晚更新統(tǒng)地層被剝蝕掉了，區(qū)域尺度上缺失第二含水層，如圖10所示.并且由于沖洪積扇地區(qū)易于接受山前地下水的側(cè)向徑流補(bǔ)給，大氣降水補(bǔ)給條件也比較好，地面沉降不顯著.相反，在沖積平原地區(qū)第四系沉積物厚度大，地層巖性顆粒較細(xì)，相對沖洪積扇地區(qū)地下水補(bǔ)給條件較差，在相同地下水開采強(qiáng)度下，地面沉降明顯.

4.2地下水開采強(qiáng)度對沉降的影響

京津高鐵北京段沿線地下水超采問題比較突出，以工業(yè)和農(nóng)業(yè)用水為主.過量開采地下水已經(jīng)引起了區(qū)域地下水水位下降，形成了地下水位降落漏斗(如圖7所示)，并誘發(fā)了區(qū)域性的地面沉降災(zāi)害.地面沉降監(jiān)測結(jié)果表明京津高鐵北京段沿線地面沉降速率空間差異較大，地面沉降顯著地區(qū)也多為地下水超采比較嚴(yán)重地區(qū).圖11表明京津高鐵亦莊段(DK11-DK20)沉降問題比較突出，該段恰好也是地下水開采強(qiáng)度比較大的地區(qū)，開采強(qiáng)度大于110萬m3/km2.由此可見，區(qū)域地下水開采強(qiáng)度的差異是京津高鐵沿線地區(qū)不均勻沉降的另外一個重要影響因素.

圖11　京津城際軌道交通沿線區(qū)域地下水開采模數(shù)分布Fig.11　Areal distribution of specific pumping rates along Beijing-Tianjin high-speed railway

同樣開采強(qiáng)度比較大的DK0-DK11段，地面沉降卻不顯著，如3.1節(jié)所述，該段位于南苑—通縣斷裂西南側(cè)，第四系沉積物厚度較薄，且沉積物顆粒較粗，土體可壓縮能力低，同時該地區(qū)地下水易于接受大氣降水和側(cè)向徑流補(bǔ)給，因此該地區(qū)地面沉降量較小.

4.3分層土體壓縮特性對沉降影響

除了第四系沉積環(huán)境、地下水開采強(qiáng)度等因素外，不同埋深地層土體力學(xué)特性也是差異性地面沉降的影響因素.由于大部分沉積壓縮屬于水力滯后效應(yīng)(或殘余壓縮)，含水層水位恢復(fù)后不能使弱透水層的壓縮停止.因此，盡管淺部含水層水位近年處于相對穩(wěn)定狀態(tài)，但是相鄰弱透水層的殘余壓縮仍然持續(xù)至今.

前面分析已知，京津高鐵沿線地區(qū)中深部地層(50～147.5 m)地面沉降貢獻(xiàn)量比較大，達(dá)76%左右.通過分析鉆孔巖性，該段地層中黏土厚度比較大，其中94～147.5 m的黏土厚度最大，達(dá)到41.1 m左右(如圖8所示)，可壓縮黏土層厚度大是該層壓縮貢獻(xiàn)大的一個原因.圖12為該層土體應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系，該層土體呈彈塑性變形特征，無回滯環(huán)出現(xiàn)，目前以塑性變形為主.黏土層不可恢復(fù)的永久性形變是該層位沉降貢獻(xiàn)量大另一個主要原因.

圖12　土層應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系圖(2004-04—2011-07) (a) 埋深50～147 m； (b) 埋深147～182 m.Fig.12　Effective stress versus strain in strata from April 2004 to July 2011 (a) Depth 5～147 m; (b) Depth 147～182 m.

深部147～182 m段地層黏性土厚度也比較大，同時相鄰含水層水位降幅也比較突出，但是該段地層壓縮占總沉降量比重較小，分析其原因可能是由于該層土體的前期固結(jié)程度較高，土體中有效應(yīng)力沒有超過前期最大固結(jié)應(yīng)力，土體目前處于欠固結(jié)狀態(tài)，形變以彈性為主，塑性為輔.

5結(jié)論和討論

針對京津高鐵北京段沿線地面沉降問題，本文采用時序干涉測量技術(shù)、水準(zhǔn)測量技術(shù)和分層標(biāo)監(jiān)測、地下水分層監(jiān)測手段相結(jié)合，對京津高鐵北京段地面沉降進(jìn)行監(jiān)測，并利用監(jiān)測結(jié)果分析其成因，取得了以下主要結(jié)果和認(rèn)識：

5.1結(jié)論

(1) 采用多種手段和方法對京津高鐵北京段沿線形變進(jìn)行立體監(jiān)測，結(jié)果表明沿線地區(qū)地面沉降問題比較突出，最大沉降速率可達(dá)8.5 cm·a-1.依據(jù)沿線地面沉降幅度，可以分為微小沉降區(qū)(DK0-DK9)、嚴(yán)重沉降區(qū)(DK9-DK27)和一般沉降區(qū)(DK27-DK50).

(2) 京津高鐵北京段沿線經(jīng)過永定河沖洪積扇扇緣和沖積平原地區(qū)，分析研究結(jié)果表明研究區(qū)不均勻地面沉降主要受到地質(zhì)條件、補(bǔ)給條件、地下水開采強(qiáng)度和土體釋水形變特性等因素影響.沿線區(qū)域地面沉降空間分布一定程度上受到來廣營凸起、南苑—通縣斷裂和大興隆起影響，體現(xiàn)在不同地質(zhì)時期、不同性質(zhì)的構(gòu)造運(yùn)動影響著區(qū)域第四系沉積和水文地質(zhì)條件，進(jìn)而表現(xiàn)為部分構(gòu)造是沿線地區(qū)地面沉降漏斗空間展布的“控制邊界”.

(3) 京津高鐵北京段沿線地面沉降主要貢獻(xiàn)層為中深層(50～147.5 m)，占總沉降量的76%左右.目前，該層位含水層是研究區(qū)主要的工、農(nóng)業(yè)開采層.且該段地層黏性土厚度較大，應(yīng)力-應(yīng)變分析表明該層土體呈彈塑性變形特性，土體壓縮以不可恢復(fù)的塑性變形為主，是未來地面沉降調(diào)控需要重點(diǎn)考慮的層位.

5.2討論

為了保證京津高鐵安全運(yùn)營，需要對京津高鐵北京段沿線地下水開采進(jìn)行區(qū)域調(diào)控.本文對沿線第四系沉積環(huán)境、含水層系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和土體壓縮特性開展了一定工作，初步認(rèn)識了沿線含水層系統(tǒng)沉降響應(yīng)特征，可以為研究區(qū)地面沉降緩解和調(diào)控提供一定的科學(xué)依據(jù).在南水北調(diào)客水進(jìn)京后，區(qū)域用水模式會有一定調(diào)整，京津高鐵沿線局部地區(qū)地下水水位會有所恢復(fù)，地層回彈幅度大小以及對高鐵安全運(yùn)行的影響值得研究.同時，在不均勻沉降嚴(yán)重區(qū)域，需要加密監(jiān)測點(diǎn)，提高監(jiān)測頻率，以便掌握含水層系統(tǒng)形變條件下對橋墩負(fù)摩阻力以及橋梁折角損失等安全運(yùn)營的影響.

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(本文編輯張正峰)

基金項(xiàng)目國家自然基金(41171335，41130744)，北京自然基金(8133050，BJJQ-2013-339)，國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃(973)前期研究專項(xiàng)課題(2012CB723403)和北京市教委科研基地建設(shè)專項(xiàng)項(xiàng)目聯(lián)合資助.

作者簡介劉歡歡，女，漢族，1989年生，在讀碩士，主要從事水文地質(zhì)及微波遙感研究.E-mail：missliuhuanhuan@163.com *通訊作者張有全，男，漢族，1978年生，博士，主要從事水文地質(zhì)及微波遙感研究.E-mail：zhangyouquan1361@gmail.com

doi:10.6038/cjg20160709 中圖分類號P258, P641

收稿日期2014-06-24，2015-10-22收修定稿

Monitoring and analysis of land subsidence along the Beijing-Tianjin high-speed railway (Beijing section)

LIU Huan-Huan1, ZHANG You-Quan1*, WANG Rong2, GONG Hui-Li1, GU Zhao-Qin1, KAN Jing-Liang3， LUO Yong2， JIA San-Man2

1CaptialNormalUniversity，Beijing100048，China2BeijingInstituteofHydrogeologyandEngineeringGeology，Beijing100195，China3TheThirdRailwaySurveyandDesignInstituteGroupCorporation，Tianjin300142，China

AbstractThe Beijing-Tianjin high-speed railway, which passes through a subsidence area in the Beijing plain, is the first high-speed railway of China. Land subsidence, especially differential subsidence, pose a great threat to the bridge stability of this railway. For a safe operation, monitoring of ground subsidence and sediment-compaction around the railway must be conducted. An integrated monitoring program was designed, including time series InSAR, leveling, borehole extensometer and multilayer monitoring of piezometric head, with the aim to delineate the distribution of deformation and to evaluate and identify the main causes for the differential subsidence. The results indicate that the land subsidence pattern is controlled by the Laiguangying uplift, Daxing uplift and Nanyuan-Tongxian fault. Over-exploitation of groundwater, the key factor that drives land subsidence, together with the setting of the Quaternary deposits, variable lithology and recharge conditions can cause the differential subsidence in this region. Regional deformation can be divided into a gentle zone (DK0-DK9), medium zone (DK27-DK50) and severe zone (DK9-DK27). The major clay layer contributing to compaction is located at depth between 50 and 147.5m, which is responsible for around 76% of the total subsidence; exhibiting an elasto-plastic mechanical behavior, which need to reduce groundwater withdrawal.

KeywordsBeijing-Tianjin high-speed railway; Subsidence; InSAR; Leveling; Borehole extensometer

劉歡歡， 張有全， 王榮等. 2016. 京津高鐵北京段地面沉降監(jiān)測及結(jié)果分析. 地球物理學(xué)報，59(7):2424-2432,doi:10.6038/cjg20160709.

Liu H H, Zhang Y Q, Wang R, et al. Monitoring and analysis of land subsidence along the Beijing-Tianjin high-speed railway (Beijing section). Chinese J. Geophys. (in Chinese),59(7):2424-2432,doi:10.6038/cjg20160709.