地面沉降对高速铁路的影响分析

王 荣，刘明坤，贾三满，杨 艳，田 芳，刘欢欢

(1.北京市水文地质工程地质大队，北京 100195;2.首都师范大学，北京 100048)

0 引言

近年来，我国高铁时代已经开始全面来临，路基是高铁线路工程中一个非常重要的组成部分，它是承受列车荷载以及轨道结构重量的基础，也是整个线路工程中最不稳定最薄弱的环节，对路基沉降和变形的控制极为重要。北京是高铁发展的中心和重要区域，但是随着北京的快速发展，过量开采地下水引发了严重的地面沉降，已经成为影响高速铁路安全运行的主要问题［1-6］。

地面沉降大致可划分区域沉降和局部沉降两种类型。区域地面沉降对高速铁路的影响，一方面表现为降低了铁路路基的绝对高程，随着绝对高程的丧失，高速铁路抵抗极端恶劣灾害的能力降低。另一方面，由于沉降区内不同部位沉降速率和幅度均有所不同，会造成地面坡度发生变化，产生附加坡度，其与线路本身坡度的叠加，就会对行车造成一定的影响。局部沉降主要是由于局部浅层土体较为松散，固结程度不高，一般认为局部开采浅层地下水引起的地面沉降，尤其是局部不均匀地面沉降较大，峻工后沉降耦合后可能造成线路不平顺，影响高速铁路行车安全。特别是高速铁路无砟轨道对于基础沉降变形特别敏感，地面沉降会显著影响路基上无砟轨道的受力变形及使用寿命，影响高速列车安全平稳运行。西南交通大学蔡小培［7］等计算出当地面沉降量20mm、沉降范围小于15m时，路基及轨道结构离缝现象明显，沉降范围大于15m时结构变形趋于平缓、轨面曲率半径增大。

地面沉降的发展与过量开采地下水造成的水位变化有直接密切的关系［8-9］，因此在北京地区，通过有针对性地开展基于高速铁路的地下水动态与地面沉降相关关系研究对于高铁安全运行意义重大，特别是对于制定高铁沿线地下水开采方案、地面沉降减缓措施和工程措施至关重要。本文定量分析了地下水水位变化与区域、局部这两种地面沉降的相关关系。利用北京地区监测数据分析了地下水水位变化与区域地面沉降的关系，对于局部地区，计算分析了局部浅层地下水水位变化与典型代表性工程周边沉降的数值关系。

1 北京地下水与地面沉降状况

1.1 北京地下水分析

北京地区地下水位总体呈下降趋势。1980～1986年，地下水水位呈现持续下降态势，地下水埋藏深度为7.73～11.29m，1987年地下水水位出现回升，地下水埋深为9.30m;1988年～1993年，地下水水位连续下降，埋深为11.17～13.29m;1994～1996年，地下水水位有所回升，地下水埋深为11.94～13.10m。1997～1998年，地下水埋深为 12.07～12.36m。1999～2010年，地下水位持续下降，地下水埋深为14.23～24.92m。1978～2010年北京市地下水年际变化情况见图1。

图1 1978～2010年末地下水历年埋深过程线图Fig.1 Groundwater depth of 1978～2010

1.2 北京地面沉降分析

北京地面沉降最早于20世纪30年代中期在西单-东单一带发现，先后经历形成阶段、发展阶段、扩展阶段和快速发展阶段，目前仍处于地面沉降快速发展阶段［10］。

截止2010年年底，北京平原区地面沉降量大于50mm的面积为4281km2。大于100mm的面积为3901km2。分布整体呈南北分区状态，各沉降中心的分布及发展现状主要表现为:原有的昌平沙河—八仙庄、朝阳来广营、东八里庄—大郊亭以及大兴榆垡—礼贤等老沉降中心继续快速发展。受区域沉降快速发展的影响，顺义平各庄沉降中心尽管继续发展，但已经与周边沉降中心连成一片。通州地区成为近年来北京平原区沉降速率和沉降区域扩展发展最为迅速的地区之一，除台湖—梨园一带继续快速发展之外，通州新城、宋庄等地区受城市工程建设影响，地面沉降迅速发展，最大年沉降速率超过90mm。平谷城区、海淀苏家坨地区，近年来沉降速率不断增加，逐渐形成新的沉降中心或区域。北京平原区累计最大沉降量达到1233mm，最大年沉降速率达到137.5mm。各沉降中心位置及累计沉降量分布情况如图2所示。

图2 北京平原区1955～2010年累计地面沉降量图Fig.2 Cumulative distribution of ground subsidence of Beijing plain area from 1955 to 2010

2 地下水与地面沉降定量关系分析

2.1 地下水与区域地面沉降定量关系

在地下水位反复升降过程中，地层处于反复加卸荷状态，地面沉降主要是粘性土层压密造成的，且表现为持续沉降［11-13］。为研究地下水动态与地面沉降关系，本文选取典型沉降区监测站点水位与沉降数据定量分析不同层位地下水水位变化与地面沉降的相关关系。

(1)浅部承压水动态变化与地层沉降变化研究

王四营站D1-3水位在反复升降过程中呈持续下降状态，对应层段的地层66～94m的沉降量以较快的速度呈持续累加状态，到目前为止未出现减缓的迹象，沉降量仍在不断累加，即使地下水位出现回升现象，沉降量仍然会在相当长的一段时间内继续增加(图3)。

浅层承压水的水位下降比较小，但仍能看出地面沉降变化与浅部承压水的变化趋势的一致性，即在长时间序列下，多个地面沉降监测站浅部地层沉降的变化趋势与相邻或对应层段内地下水水位变化趋势基本一致，即地下水位下降，地面沉降量持续增加，地下水位上升，地面沉降存在滞后，下降趋势减缓。

选取典型地面沉降监测点王四营站F1～3分析地下水水位变化与地面沉降的响应关系。采用logistic方程拟合地面沉降与水位之间的关系，其关系式为:

图3 王四营站F1～3(66～94m地层)沉降量与该层段内的D1～3水位标高Fig.3 3 Groundwater level and compression of Wangsiying stations F1～3(66～94m strata)

式中:

S——表示累积沉降;

H——表示水位标高。

拟合曲线如图4所示。拟合效果较好，相关系数达到0.92，基本反映水位与沉降之间的关系。初期随水位下降地面沉降增加较小，中期随水位下降沉降量增加较快，后期地面沉降有所减缓，但幅度不大，说明此阶段是地面沉降的持续发展期，地下水位变化较易造成地面沉降。

图4 王四营站F1～3(66～94m地层)地下水位与沉降量相关关系Fig.4 Correlation between groundwater level and Settlement ofWangsiying stations F1～3(66～94m strata)

(2)中深部承压水动态变化与地层沉降变化关系研究

长时间序列下的年际变化中，天竺、望京及王四营监测站内100m以深地层沉降的变化趋势与该层段内地下水水位变化趋势基本一致，即地下水位在反复升降中呈持续下降状态，地面沉降量呈持续增加状态。

在年内变化中，在地下水水位反复升降过程中，沉降速率也随之呈现周期性变化(图5)，一般在每年的丰水期6月、7月或者8月达到最大，随后逐渐减小，到翌年的3月或4月，沉降速率达到最小，而后又逐渐增大，到了丰水期6月、7月或者8月又达到最大，由此可见，地面沉降速率的周期性变化与地下水水位的季节性反复升降过程是相当吻合的。

图5 望京站F2～2(99m以下)沉降量与该层段内的D2～1水位标高Fig.5 Groundwater level with the D2－1 and compression of F2－2(below 99m)of Wangjing stations

选取地面沉降监测点望京站F2-2分析地下水水位变化与地面沉降的响应关系。其关系式为:

式中:

S——表示累积沉降;

H——表示水位标高。

拟合曲线如图6所示，拟合效果较好，相关系数达到0.95，较好的反映水位与沉降之间的关系。初期随水位下降地面沉降增加较小，中期随水位下降沉降量增加较快，后期地面沉降增加较慢，说明此阶段地面沉降趋于稳定。

图6 望京站F2－2(99m以下)地下水位与地面沉降相关关系Fig.6 Correlation between groundwater level and land subsidence of Wangjing station F2－2(below 99m)

通过对长时间序列下，区域地下水和监测站内地下水动态变化与地面沉降变化趋势的对比，以及监测站内不同深度含水层地下水位动态变化与分层地面沉降变化趋势的对比，可以看出:地面沉降变化趋势与地下水水位动态变化具有良好的一致性，地下水位在反复升降中呈持续下降状态，地面沉降量呈持续增加状态，沉降速率的周期性变化与地下水水位的季节性反复升降过程吻合。

2.2 地下水与局部地面沉降相关关系

通过ABAQUS有限元软件流固耦合方法分析地下水位下降引起的地基沉降［14-15］。假设采用CFG桩体为线弹性材料，弹性模量Ep=10GPa，桩土接触采用库仑摩擦模型，加固区范围内的渗透系数为常量，渗透系数k=2m/d=2.31×10～3cm/s，静水位深度5m，地下水位以下土体各向同性，假设地基土体为D-P模型，对于加固区范围内压缩模量Es1=10MPa，初始孔隙比e1=1.1，泊松比0.3，内摩擦角φ=15°，初始屈服应力 σ0=30kPa，下卧层压缩模量 Es2=100MPa，e2=0.7。路基填筑高度为6m，京津城际以挡墙式路基为主，因而简化路基为矩形。水井位于线路右侧，模型深度和左侧宽度为加固区深度和宽度的2倍，另外在线路的右侧宽度为线路至水井距离的2倍。施加的荷载根据浸润线所对应位置因水位下降引起的附加荷载确定。地基面至地面下5m范围内孔压为零，为透水界面，地基底面和两个侧面为不透水面。基底约束竖向和水平两个方向位移，两个侧面约束水平位移，地基面位移自由。

计算中假设浅井抽水后水位下降至不变位置，形成固定的浸润线，此时与抽水前水位相比产生的应力变化即为附加荷载。计算分为两步，第一步为初始应力平衡，第二步为施加附加荷载。针对不同浸润线对应的附加荷载引起的沉降进行对比分析，以亦庄段典型工况为例，加固区范围15m，计算10年后地基面沉降(图7)，由于线路范围内采用CFG桩处理，线路外侧地基面沉降大于线路内侧，地下水位下降引起的地面沉降从路基外侧向内侧逐渐减小。

计算结果表明，水位下降引起的沉降(沉降较大处，挡墙下方桩间土)相当显著，对于桩间距为1.5m及无桩帽条件下的沉降时间关系(图8)，水位降深2m、4m、6m、8m和10m，水井距离路基边缘25m，沉降随水位下降深度明显增加，水位降深10m，将发生84.6mm的沉降，而且沉降达到稳定需要的时间较长。对于有桩帽结构而言，沉降有所减小，10m水位降深，引起的沉降约为60.9mm(图9)。

图7 模型沉降云图Fig.7 Settlement cloud model

图8 沉降与时间关系(桩间距1.5m，无桩帽)Fig.8 The relations between subsidence and time(Pile spacing 1.5m，no pile caps)

图9 沉降与时间关系(桩间距1.5m，桩帽1.0m)Fig.9 The relations between subsidence and time(Pile spacing 1.5m，1.0m pile caps)

3 结论

(1)北京平原区地面沉降快速发展，截止到2010年底，最大累计沉降量已达到1233mm，最大年沉降速率达到137.5mm。快速发展的地面沉降对高速铁路的发展构成了威胁，特别是对铁路路基的影响较为严重。

(2)地面沉降大致可划分区域沉降和局部沉降两种类型。区域地面沉降对路基的影响，主要表现为降低了路基的绝对高程和产生附加坡度。局部地面沉降是由于局部开采浅层地下水引起的不均匀地面沉降较大，施工后沉降耦合后可能造成线路不平顺性，影响高速铁路行车安全。

(3)利用望京及王四营分层地面沉降和地下水位数据，利用Logistic方程，构建了不同层位地下水水位变化与地面沉降之间的相关关系模型，地面沉降与地下水水位变化表明，二者之间有很好的相关性，沉降变化速率与水位变化速率变化过程基本吻合，地下水水位变化时地面沉降发生发展的主要诱因，查清了地下水水位与区域地面沉降的相关关系。

(4)通过ABAQUS计算可知，在局部地区，对于6m高路堤和15mCFG桩处理深度的地基而言，当渗透系数k=2m/d，距离线路边缘25m处浅层地下水下降10m将产生约61～85mm的沉降。

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