苏锡常区域地面沉降发展趋势及其对京沪高铁的影响分析

2011-06-07刘府生

铁道勘察 2011年1期

刘府生

(中铁第四勘察设计院集团有限公司, 湖北武汉 430063)

苏锡常地区位于长江三角洲经济带,总面积达17 000多km2,是我国经济水平和现代化水平最高的地区之一,也是我国在建技术标准最高(设计时速为350 km)、里程最长的京沪高速铁路必经地区之一。伴随着经济快速发展,自1960年以来长期掠夺性地开采地下水,曾诱发了该区域较为严重的地质环境恶化问题,其中以区域地面沉降尤为突出。全区最大累计沉降量接近3.0 m,位于无锡市洛社镇,累计沉降量大于200 mm的面积约5 570 km2。大致以京杭大运河为轴的苏锡常三城市核心区沉降量已超过500 mm,面积约1 500 km2。严重的区域地面沉降也曾给当地的经济发展和城市建设带来了巨大的负面影响，包括：既有建筑倾斜、开裂；防洪能力下降；河道淤积；地下设施破坏等。针对日益严重的地质灾害,2000年江苏省人大常委会下达了苏锡常地区全面禁采地下水的规定,至2005年基本实现了全面禁采,全区地下水得到不同程度的恢复,地面沉降也逐步趋缓。但鉴于地面沉降的渐进性、滞后效应,有必要从地面沉降的沿革、成因机理、现状、发展趋势等评估其对京沪高速铁路的影响,并结合京沪高速铁路的线位、技术标准,提出针对性的意见和建议,对确保高速铁路的顺利建成,以及“高安全性、高平顺性”运营也具有十分重要的意义。

1 苏锡常地面沉降基本情况

1.1 地面沉降历史沿革

1960年以前,苏锡常地区未发现地面沉降。20世纪70～80年代初期,沉降主要发生在三个中心城市及锡西地区。20世纪80年代中期至90年代末,随着地下水开采区的扩大和开采强度的逐年骤增,地面沉降不断加速,迅速扩大至整个区域,发生的程度也越来越严重,最大沉降速率达30～90 mm/a,个别达120 mm/a,特别是城市外围地区发展较快,形成了区域性地面沉降漏斗。累计沉降大于500 mm的等值线已连片闭合了三个中心城市,见表1。

表1 苏锡常地区地面沉降发展变化情况统计

伴随着地面沉降发展,在特定的地质环境背景条件,包括基岩潜山、古埋藏阶地、含水层厚度突变处,以及开采地下水强度较大的地段,局部因不均匀沉降引发了地裂缝,由20世纪80年代末1处发展至90年代20余处。

自2000年开始,苏锡常地区逐步推进禁采地下水，到2005年基本实现全面禁采,至今该地区主开采层的地下水位得到了不同程度地恢复,地面沉降自2005也逐渐趋缓。

1.2 地面沉降成因机理

已有研究资料表明：苏锡常地区地面沉降的发生发展均与地下水的开采强弱紧密相关。当地下水位埋深低于-30～-40 m时即产生地面沉降,且沉降量与地下水开采量的大小呈同步变化趋势。相比新构造活动、城市建筑荷载、软土固结、蠕变等其他原因引起的地面沉降,苏锡常地区超量开采地下水是诱发地面沉降的主要原因。

长期超量开采地下水必然会导致区域地下水位不断下降,破坏天然地基土原有的水土应力平衡。根据有效应力原理,含水层孔隙水压力要转嫁于砂层颗粒骨架承担,使含水层本身压密,产生似瞬时弹性变形,局部也会出现不同程度的塑性变形或永久变形；对含水层上下渗透性较差的饱和黏性土隔水层而言,因孔隙水压力下降会产生以向含水层竖向排水为主的固结效应,形成不可逆的沉降变形；两种性质的变形量大小主要与水位下降程度、地层工程特性和厚度强相关。因此,地面沉降主要源于含水层本身的释水压密和其上下黏性土隔水层的排水固结,前者具有部分可恢复的特征,而后者则不具有可逆性。同时,因为地面沉降是由深部地层逐渐向地表发展,以及黏性土排水固结时间效应,地面沉降又表现为渐进性、累计性和滞后性。

1.3 地面沉降特征

苏锡常地区主要承压水含水层有3层,其中第Ⅱ层含水层为主要开采层,也是诱发地面沉降的关键层位。是由一套中更新统1～3层中细纱、中粗砂及含砾中粗砂构成。其分布受古河道和古地形控制,除江阴、锡山及残丘附近缺失外,在广阔平原区广泛分布。顶板埋深自西向东由浅60 m变深至130 m,厚度20～50 m,中心条带位于常州—无锡—苏州一线,宽度8～20 km。自1960年代以来,围绕城市中心逐步向外围地区的经济发展模式,决定了地下水集中层位、集中时间、集中地点的“三集中”开采模式,也就决定了该区地面沉降的分布特征。

平面分布表现为由城市中心建筑、居民密集区逐渐向外发生和发展,最终形成以三座城市为核心的区域性沉降漏斗；在含水层厚度大的地段地面沉降也明显偏大,无锡市锡西地区最大,常州地区次之,苏州地区相对要小一些。

根据深层沉降监测及取样试验资料,对不同地区地层结构、厚度沉降发生层位的分析结果表明：含水层释水压密约占总沉降变形的60%～70%；黏性土层排水固结变形约占总变形的30%～40%。差异沉降主要分布在含水层厚度突变地段、残丘周边第四系地层厚度变化较大地段。相关性分析表明：在上述区域内地面沉降量大于10 mm/a时,地面沉降控制地裂缝的发生,往往会因过大的差异沉降形成地裂缝,如石塘湾、横林、堰桥等地。

2 地面沉降的现状及发展趋势

2.1 地下水禁采及水文地质条件改善情况

自2000年开始江苏省推行苏锡常地区禁采地下水后,苏锡常三市积极响应,在水利厅、国土厅、建设厅组成的督察小组领导下开始了有计划的封井改水工程。至2005年共封井4 831眼,其中苏州2 798眼,无锡1 100眼,常州933眼。地下水开采量由1996年的4.5亿m3下降到2001年的2.88亿m3、2005年的0.23亿m3,下降幅度95%,除特种行业外,基本实现了全面禁采。

图1 苏锡常三市Ⅱ承压水位动态曲线

禁采后苏锡常地区水文地质条件发生了明显改善。第Ⅱ承压含水层的地下水位回升显著(见图1)。原区域性地下水位降落漏斗逐年减小。自2001年至2007年间,苏锡常地区主采层水位上升区面积约7 025 km2,水位稳定区面积1315 km2,仅有约258 km2略有下降。苏州、无锡、常州三市2006年平均水位埋深分别为23.03 m、49.91 m、49.50 m,分别比2005年上升2.85 m、2.35 m、3.48 m,上升区占全区面积的74%。2006年水位降落漏斗区面积(20 m水位埋深等值线范围)约6170 km2,40 m水位埋深等水位线范围1 350 km2,分别比2005年同期缩小了30 km2、118 km2。2007年,地下水位总体上继续回升,苏州市区和无锡东部最为显著,目前,苏州东部及阳澄湖一线以南水位已达20 m以上。与2006年相比,20～40 m埋深漏斗区面积减小364 km2,40 m以下区面积减小160 km2。

2.2 地面沉降现状及发展趋势分析

伴随着地水位回升,苏锡常地区地面沉降逐年减缓,沉降范围也逐年缩小。据2007年监测资料,苏锡常地区地面沉降主要集中在常州—无锡地区和吴江南部两块区域,除在常州西南、无锡苏州交界的硕放—望亭、昆山市区存在局部大于5 mm的沉降区,其他地区地面沉降基本稳定。东部苏州地区地面沉降率先得到控制,年沉降量均降到5 mm以下。当2004年苏州东部及北部地下水位埋深回升到30 m附近时,千灯、渭塘都出现了反弹,累计回弹量达8 mm,沿江地区也都处于微沉降或是反弹状态。作为苏锡常沉降中心的锡西地区近年沉降明显减弱,2006～2007年分别下降至10.51 mm 和10.1 mm。地面沉降趋缓,地裂缝灾害也得到有效遏制,没有发现新增地裂缝灾害。通过加强对原地裂缝易发区的监测发现,石塘湾地裂缝经过多年的持续减弱后,已于2008年基本达到稳定。

根据对苏锡常地区地下水位与地面沉降相关性研究,发现-30～-40 m水位埋深是地面沉降发展的临界深度区间。目前,东部的苏州区段和西部常州龙虎塘以西区段基本稳定,常州东部至无锡东部深层地下水位目前仍然偏低。在今后一个较长的时间段内区域性沉降将会继续存在,但程度会逐渐趋缓直至稳定,其相对较为均匀的沉降对京沪高速铁路沿线的影响也随之减弱。但对于清明山基岩隆起区的常州横林地裂缝,以及无锡东部浅埋型基岩起伏区的长泾、河塘地裂缝，最新监测数据显示,在区域性地面沉降大背景下,局部地面应力集中区所表现的差异性沉降仍可达到8 mm/100 m,这是京沪高铁等线状展布工程应重点关注的问题。

3 地面沉降对京沪高铁的影响分析

3.1 京沪高铁苏锡常段工程特点

根据京沪高铁功能定位,既有交通工程分布,结合沿线经济发展要求,京沪高铁苏锡常段线位走行于城市外围北部,距常州、无锡、苏州三座城市中心分别为6 km、8 km、10 km,位于受地面沉降影响一般-中等区,见图2。

综合考虑经济发展水平、土地资源、路基填料来源、工后沉降控制难易程度、可靠性等因素,并受与京沪高铁相交的已建交通工程控制,该段线路全部以高架桥梁形式通过,单座桥梁全长约164 km,桥梁高度6～15 m。

图2 京沪高铁与地面沉降2005年累计沉降曲线关系示意

与其他地面交通方式相比,高速铁路具有“安全、高速、平顺、舒适”的特点,也对工程建成后的沉降变形量提出了严格的控制要求。350 km/h高速铁路对墩台工后沉降的控制要求见表2。

表2 静定结构墩台工后沉降限值

由表2可知,无砟轨道桥面工后沉降比有砟轨道更为严格,而在地面沉降地区,除考虑工程本身的沉降变形外,还必须考虑地面沉降对工程的不利影响,包括均匀沉降和差异沉降。对京沪高速铁路涉及到桥梁墩台基础设计、轨道结构类型选择和可调支座、扣件设置等三个方面的关键技术问题。

3.2 地面沉降对京沪高铁的影响分析

苏锡常地区地下水禁采后水位普遍回升,地面沉降明显趋缓,目前处于滞后沉降阶段。根据区域监测资料,沿线沉降速率下降至0～10 mm/a,大部分地段沉降速率在5 mm/a以下,随着时间延长沉降速率将进一步减小,地面沉降基本得到了控制。考虑高速铁路桥梁墩台桩基深度一般为60 m,约占可压缩土层厚度的40%～50%,桩端以下地层变形量更小,可以认为一般地段相对较为均匀的地面沉降对桥梁墩台沉降影响较小。

对距线路2～20 km已发生的横林、长泾、河塘及石塘湾等地裂缝带进行了监测。自2004年以来观测资料表明：横林、长泾、河塘地裂缝带年沉降差异为5.7～6.7 mm/100 m,最大8 mm/100 m,石塘湾地裂缝带年沉降差异趋向0 mm,反映出地下水禁采后随着地面沉降减缓,地裂缝也逐渐趋向稳定。考虑高速铁路虽然没有直接穿越上述地裂缝带,但常州附近清明山基岩隆起区及无锡东部浅埋型基岩起伏区存在条件类似的隐患区段,墩台基础设计时应根据实际工程地质条件,通过调整桩长、设置可调支座，解决墩台间差异沉降问题。

基于现状地面沉降控制水平,考虑桥梁桩基长度已占可压缩层的50%左右,通过合理设置桩长过渡、可调高式支座,以及轨道扣件的调高功能,并适当延长基础完工后铺轨前放置时间,可以最大程度地减小现状地面沉降和工程沉降对工后沉降的不利影响,实现工后沉降的有效控制,可以满足铺设无砟轨道要求。

当然,上述分析的前提条件是在工程建设前全面禁采地下水的顺利实施。若工程建成后再长期超采地下水,势必会引起更为严重的后果,也将会造成更大的的损失。因此,有计划、合理地利用地下水,特别是严禁在线路附近开采地下水是一项长期、艰巨的任务,也是保证京沪高铁安全运营的必要条件。同时,鉴于地面沉降的复杂性、不确定性和时间效应,还必须加强工程建设期间和建成后监测和检查,以便动态掌握沉降变形情况,为列车开行和养护维修提供依据。

4 结论与建议

(1)苏锡常地区广为第四系地层覆盖,60～130 m以下发育第Ⅱ承压含水砂层,含水层厚15～40 m。由于历史上超采地下水,因含水层释水压密和黏性土排水固结,曾引起了较为严重的地面沉降,局部因差异沉降引发了地裂缝,是京沪高速铁路需慎重考虑的问题。

(2)自2000年开始实施深层地下水禁采后,地下水位普遍回升,区域地面沉降基本得到了控制。根据区域监测资料,沿线年沉降速率0～10 mm/a,大部分地段年沉降速率在5 mm/a以下,随着时间延长沉降速率将进一步减小,考虑高速铁路桥梁墩台桩基深度一般为60 m,约占可压缩土层厚度的40%～50%,桩端以下地层变形量更小,可以认为一般地段较为均匀的地面沉降对桥梁墩台沉降影响较小。

(3)线路所经常州附近清明山基岩隆起区及无锡东部浅埋型基岩起伏区,基岩埋深和含水层变化较大,在地面沉降的大背景下仍存在差异沉降,参考已有地裂缝观测资料估算,32 m跨度桥梁相邻墩台桩端以下差异沉降可达1～2 mm/a,再加上工程自身差异沉降,势必对京沪高铁造成不利影响,是需重点关注和解决的问题。

(4)基于现状地面沉降控制水平,通过合理设置桩长过渡、可调高式支座,以及轨道扣件的调高功能等针对性措施,并适当延长基础完工后铺轨前放置时间,可实现工后沉降的有效控制,铺设无砟轨道是可行的。

(5)限采地下水是一项长期而艰巨的任务,特别是严禁在建成后的京沪高铁线路附近开采地下水,是保证高铁安全运营的必要条件之一。同时还要定期加强地面沉降的监测、检查,为列车开行和线路养护维修提供依据。

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