雅万高铁沿线地面沉降分析及主要防治对策

李国和,黄大中,高文峰

(中国铁路设计集团有限公司,天津 300251)

自20世纪末至21世纪初，随着印尼城市建设和纺织工业的快速发展，城市人口迅猛增长，工业及居民用水量急剧增加。由于印尼水资源大部分来源于地下水，超量开采地下水情况十分严重，导致雅加达、万隆等多个大、中城市发生了地面沉降，大范围地面高程损失使本来就低洼的城市及周边地区更加低洼，其不仅加剧了洪水灾害，而且不均匀沉降也导致建筑物结构变形及破坏现象屡屡发生。近年来，地面沉降范围不断向周边地区扩展，危害愈加严重，成为印尼经济发展和基础设施建设一个十分棘手的问题[1-6]。

雅万高铁是印尼第一条高速铁路，连接了印尼大雅加达特区和万隆两大城市，线路穿越了雅加达平原及万隆盆地内两大地面沉降区，影响线路长度总计50余km。雅万高速铁路的建设和运营势必受其较大的影响，若处理不妥善，后果将十分严重。因此，开展雅万高铁沿线地面沉降观测、分析评价，及时采取应对措施，对指导铁路工程设计、施工及运营维护具有十分现实的意义。

1 雅万高铁沿线地质环境条件

雅万高铁自印度尼西亚的雅加达至万隆，经过雅加达平原、低山丘陵区和万隆盆地平原等三大地貌单元。其中，雅加达位于印度尼西亚爪哇岛西北海岸低地，地势北高南低，北部和中部处于0°～2°的地形斜坡，南部处于0°～5°的地形斜坡，海拔-2～50 m。万隆位于印度尼西亚西爪哇省的火山高地包围的大型山内盆地。盆地中部海拔650～700 m，周围被高达2 400 m高的晚第三纪和第四纪火山地带环抱。见图1。地面沉降主要发生在平原地区城镇化集中的区域内。

图1 雅加达平原(A)和万隆盆地(B)地理位置及周边地形

2 雅万高铁沿线地面沉降现状及危害

2.1 雅加达段地面沉降现状

雅加达平原地面沉降由来已久[1-2]，围绕大雅加达特区已经形成一个十分显著的沉降槽，周边区域地面沉降有加剧趋势，尤其在西部地区又形成了多个次级沉降中心。多年来，雅加达的多个地区存在不同程度的地面沉降。雅加达地面沉降的发生首次发现于1926年，沉降证据来源于在雅加达北部进行的重复水准测量。据雅加达当地矿山局，在1982年～1997年间，在雅加达的几个区域存在明显的地面沉降，累积沉降量20～200 cm。水准测量、GPS测量、InSAR等监测结果表明[1]，在1982年～2008年间，雅加达地面沉降存在时空变化，沉降率一般为1～15 cm/a，在一定位置和一定时期可以达到20～25 cm/a。通过不同方法得到的雅加达地面沉降速率变化见表1。

表1 雅加达地面沉降速率随时间的变化

中国铁设在2017年印尼雅万高铁勘察设计期间，采用D-InSAR技术对雅加达DAK10+000～DK41+200段地面沉降进行了监测分析。采用2014年10月至2017年4月时间段的40期Sentinel-1A/1B数据，利用时间序列InSAR技术，获取了印尼雅万高铁雅加达地区在2014年10月至2017年4月时间段内的沿线位地面沉降信息。如图2所示。

本次监测结果表明，雅加达地区地面沉降范围较2008年之前有明显的扩展，向西部扩展十分明显。地面沉降严重区仍然对应工业活动密集区，围绕大雅加达特区形成一个十分显著的沉降槽，沉降中心最大沉降速率达90 mm/a，较2008年之前有所减缓。而周边区域地面沉降有加剧趋势，尤其在西部地区又形成了多个次级沉降中心。雅万高铁雅加达段线位从该沉降区域的边缘穿过，穿过区域的沉降速率为10～35 mm/a。

2.2 万隆段地面沉降现状

万隆盆地地面沉降发生发展历史虽然晚于雅加达平原，但其近年来的发展趋势及沉降速率已经逐渐超过雅加达平原，成为印尼地面沉降灾害最为严重的城市之一[5-10]。

图2 雅加达段年均沉降量等值线(单位：mm/a)

由于人口增长和工业发展，特别是纺织业发展，导致万隆盆地地下水开采量急剧增加[8]。大量农田转化为建筑及工业用地，使环境严重恶化，万隆盆地过量开采地下水已经导致地下水位的下降和地面沉降的发生。根据自2000年至2011年进行的9次GPS调查结果，显示万隆盆地的多个区域发生了地面沉降，沉降速率约为8 cm/a，在某些地方可以达到23 cm/a[6-7]。

Mokhamad等(2014)采用差分干涉合成孔径雷达(D-InSAR)和干涉点目标分析(IPTA)研究万隆盆地的沉降历史超过4年的时间，基于D-InSAR结果，再结合水井分布和含水层损害图等数据，得到万隆盆地的沉降图，从地质角度描述了地面沉降特征[8]。以2007年3月1日为基础参照，采用从2007年3月1日至2011年3月12日的周期内两次重复性的D-InSAR测量结果，在地图上定位历史位移。结果表明，沉降特征为万隆盆地内从西北至东南方向。历史上个别沉降开始于城市几个工业地区。目前，沉降集中在城镇地区，如Cimahi、Rancaekek、Dayeuh Kolot、Ketapang、Margaasih、Majalaya。通过D-InSAR技术观测到Cimahi地区沉降速率为12 cm/a，地面总沉降达到45 cm。

中国铁设在2017年6月印尼雅万高铁勘察设计期间，采用D-InSAR技术对万隆DK110～DK140段地面沉降进行了监测分析。本次监测范围为雅万高铁万隆段DK109+000～DK142+900，采用经典PS-InSAR时间序列方法，获取了监测段落沿线的区域沉降信息。监测结果显示，整个万隆地区存在大范围的地面沉降，在市中心出现了较大的沉降漏斗。监测段落中DK118+000～DK142+900段位于万隆地区的较大沉降漏斗中，线位经过区域地面沉降十分严重。整个万隆地区最大沉降速率超过150 mm/a，为了更完整地描述形变区域的范围和形变中心，对PS点采用克里金插值，然后生成等值线，并将等值线叠加显示，具体结果如图3所示。

图3 万隆段年均沉降量等值线(单位：mm/a)

铁路线位自DK118+000～DK142+900处于地面沉降区中，沿线最大沉降速率达135.7 mm/a，地面沉降十分严重。

2.3 地面沉降影响及危害

雅加达及万隆地区地面沉降的危害存在多种形式，包括永久性建筑和道路开裂、河道和排水系统恶化、洪泛区扩大、排水系统失灵、海水入侵及潮水覆盖范围扩大等，造成了巨大的经济损失[8-10]。图4显示了近年来地面沉降造成的一些危害现象。

图4 雅加达及万隆地区地面沉降危害迹象

图5显示了2011年地面沉降影响的分布情况，将其与2000年～2011年全球定位系统得到的年平均沉降重叠。从图5可以看出，受地面沉降影响的建筑物、房屋和其他基础设施的数量众多，表现出开裂、倾斜或一般损坏。图5还显示，大多数建筑物损害现象发生在高沉降速率地区，以及空间上具有差异沉降的区域[9]。

图5 万隆地区沉降灾害现象分布与2000年～ 2011年平均沉降速率重叠图

3 地面沉降原因与趋势预测

3.1 地面沉降原因分析

大量的调查及监测资料表明[1，2，5-8]，雅加达、万隆地区快速的区域性地面沉降与工业用地密切相关，城市的快速扩展使主要农业区广泛转化为住宅区和工业区，大片陆地生态功能区转化为水源补给区，由于工业活动加剧和人口高速增长，需要大量抽取地下水，由此产生了严重的地面沉降。

地下水提取按用途可分为两种类型[1，8]：家庭用浅层地下水提取和工业及农业用途的深层地下水提取。浅部开采(<40 m)采用铲斗、手摇泵或小型电泵操作，而深层地下水开采(大于40 m)则大多采用钻井方式。浅层地下水开采在区内被人们广泛采用，且分布普遍，但每口井的开采率相对较低。深层开采通常由工业企业实施，分布比较集中，且每口井具有较高的开采率。据Wirakusumah(2006)[11]，万隆地区所需清洁水(约5.1亿m3)的约60%是由地下水供应，而且工业用水几乎100%来自地下水。增加地下水开采导致平原地下水位迅速下沉，进而引发地面沉降。20世纪80年代，盆地水位平均每年下降1.0 m，在地下水开采规模最大的地区，每年水位下降达2.5 m。从1980年到2004年，即24年间，万隆盆地的地下水位下降20～100 m。

监测数据进一步表明[2，3，12]，雅加达、万隆地区的地面沉降速率是恒定的，没有明显的季节变化。地面沉降速率不随季节变化，反映了从承压含水层中提取地下水的可能性。由于只有工业深井进入承压含水层，说明在上述地区，工业深井地下水开采是快速沉降的原因。大部分浅井供家庭使用，而深井由当地供水公司或纺织工业、制造公司和酒店等私营公司使用。

根据GPS观测到的重点沉降区域位于纺织工业区[9]。纺织业通常会抽取大量的地下水。过度开采地下水一般会降低对应区域的地下水位。一些地区的沉降与地下水位的下降呈正相关关系。

图6显示了万隆盆地4个地区的地面沉降与地下水位下降之间的相关性实例[9]，分别为Cimahi(CMHI)，Dayeuh Kolot(DYHK)，Banjaran(BNJR)和Rancaekek(RCK2)，都是有许多纺织工业的地区。通过In-SAR技术还发现，在通常提取非常大量地下水的纺织工业区域发生了明显的沉降[7]。该InSAR结果支持了这样的假设，即过度提取地下水导致相应区域下沉。

(注：地下水位深度数据来自印度尼西亚地质局)图6 万隆部分地区地面沉降与地下水位降低的相关性

监测资料进一步表明[2，13]，地面沉降主要发生在冲积层和湖泊沉积区，而在雅加达南部及万隆盆地周边固结成岩区域却没有发生地面沉降，如万隆盆地Cimahi东北地区，尽管也存在大量抽取地下水的情况。因此，在雅加达及万隆地区，地下水超量开采是诱发地面沉降关键因素，而地面沉降分布同时受可压缩的松软土层分布控制。

3.2 铁路沿线地面沉降趋势预测

(1)雅加达段

为预测铁路沿线未来一定年限内的地面沉降发展趋势，首先根据中国铁设雅加达段地面沉降D-inSAR监测数据，在线位附近选择PS点进行分析，做形变量时间序列如图7所示。从PS点的时间序列曲线可以看出，其沉降特征在2014年10月至2017年4月时间段内表现为线性沉降，在监测时间段内，沉降没有减缓的趋势，可以预见该地表将继续沉降。

图7 PS点沉降量时间序列(DK12+230)

从图7可以看出，线位区域沉降特征同样表现为线性沉降，并且沉降没有减缓的趋势，同时由于线位从沉降区边缘穿过，而且该沉降区范围较大，因此建议在后续工程中对该区域进行关注。

根据InSAR地面沉降监测结果，对沉降严重区段DK8+000～DK29+000段进行建模预测分析。根据钻孔勘探和相关文献数据，确定区域承压层和潜水层，土层厚度分布和力学参数，建立三维地质模型[3，13-14]。利用InSAR监测数据对地质模型进行反分析后，进行地面沉降量预测计算。保持当前下降速度时，地面沉降量随之不断增加，水位下降速度越快，地面沉降量越大。随着时间的增加，地面沉降引发的高铁沿线不均匀坡度也越来越大。水位下降保持当前下降速度时，5年、10年、20年后最大沉降量分别为0.3、0.5 m和0.9 m，最大坡度分别为0.15‰、0.25‰和0.46‰。见图8。

图8 DK8+000～DK29+000段沿线地面沉降趋势

(2)万隆段

地面沉降变形主要发生在地下水下降漏斗范围内，漏斗中心部位沉降变形量最大。如前所述，区内主要发育多个地下水下降漏斗，以漏斗中心地段为例，对其地面沉降变形进行概略预测。DK125+540处PS点沉降量时间序列见图9。

图9 PS点沉降量时间序列(DK125+540)

从图9可以看出，其沉降特征在2014年10月至2017年4月时间段内表现为线性沉降，在监测时间段内，沉降没有减缓的趋势，可以预见该地表将继续沉降。由于线位从该沉降漏斗中心区域穿过，沉降区范围较大，且从沉降速率图中没有看到减缓的趋势，因此在后续工程中对该区域进行持续关注。

根据InSAR地面沉降监测结果和地质勘探结果，对万隆地区分2个区段进行建模，分别为DK118+000～DK126+800段和DK133+000～DK142+900段。

DK118+000～DK126+800区段：当地下水位继续下降时，地面沉降量随之不断增加，水位下降速度越快，地面沉降量越大。随着时间的增加，地面沉降引发的高铁沿线不均匀坡度也越来越大。水位下降保持当前下降速度时，5年、10年、20年后最大沉降量分别为1.0、1.7 m和3.1 m，最大坡度分别为1.3‰、2.3‰和4.1‰。见图10。

图10 DK118+000～DK126+800段沿线地面沉降趋势

DK133+000～DK142+900区段：当地下水位继续下降时，地面沉降量随之不断增加，水位下降速度越快，地面沉降量越大。随着时间的增加，地面沉降引发的高铁沿线不均匀坡度也越来越大。水位下降保持当前下降速度时，5年、10年、20年后最大沉降量分别为1.0、1.8 m和3.2 m，最大坡度分别为0.7‰、1.1‰和2.0‰。见图11。

图11 DK133+000～DK142+900段沿线地面沉降趋势

上述分析表明，雅万高铁沿线地面沉降十分严重，势必对高铁工程建设及运营产生较大的影响，必须采取科学可靠的综合防治措施加以解决。

4 主要防治措施

由于地下水超量开采是导致雅加达及万隆地区地面沉降发生的根本原因，因此，禁止和限制雅万高铁两侧地下水开采，控制外围地下水开采量是高铁沿线地面沉降综合防控的根本途径，需从禁采、限采及控采三方面去合理地制定地面沉降综合防控方案。

雅加达平原及万隆盆地地下水开采浅井多在40 m以内，深井深度在40～250 m，开采深度小于中国华北平原及长江三角洲地区。结合我国高铁沿线地面沉降研究成果及经验[15-21]，且考虑到主要地面沉降区段内已经采用有砟轨道形式，初步制定雅万高铁沿线地面沉降综合防控方案和工程措施。

4.1 地下水禁采、限采及控采措施

根据监测和评估结果，结合沿线地下水开采利用情况进行横向分区、纵向分段，进而确定各区段具体的禁采、限采和控采方案。

(1)禁采区：在雅加达起点DK0～DK33段及万隆DK115～DK142+900终点段两侧各100 m范围内设置禁采区，严格禁止新增地下水开采井，对原有机井逐步关停。

(2)限采区：禁采区之外至铁路沿线两侧100～500 m范围内设置限采区，在限采区范围内限制地下水开采量。尽量禁止新增深层地下水开采井和新增许可水量。限制深层地下水大规模集中开采。

(3)控采区：在铁路沿线两侧限采区之外至2 000 m范围内划定地下水控制开采区，在控采区内可维持现有地下水开采量和地下水开采模式，控制新增许可水量，控制新增井数量。禁止新增地下水集中开采的水源地。

4.2 工程设计措施

(1)铁路选线

雅万高铁雅加达段总体走行于雅加达地面沉降区南侧边缘地带，已经避开了沉降最为严重的区域。线位从该沉降区域的边缘穿过，线位穿过区域的沉降速率为10～35 mm/a。局部路段不均匀沉降仍相对明显，建议有条件时线位可适当南移，即可避开次级沉降中心，使线路走行于南侧地面沉降平缓地带。万隆段线路很长段落经过了万隆盆地地面沉降中心区域，将受到地面沉降较为严重的影响。因此，在目前的线路方案条件下，工程建设及运营期间的地面沉降防治工作必将面临严峻的挑战，要切实制定并实施科学合理的地面沉降防控措施及工程结构优化措施，来解决地面沉降问题。

(2)轨道选型

雅万高铁原设计无砟轨道段落为：隧道段可采用CRTS Ⅲ型板式无砟轨道。将沉降区段与无砟轨道段落进行比对，万隆地面沉降区内线路均采用有砟轨道，而经过雅加达地面沉降区的部分路段也采用有砟轨道，对地面沉降的适应性明显增强。考虑到雅加达沉降区内部分路段地面沉降也相对较明显，且有加剧趋势，建议将较为严重沉降路段的无砟轨道设计调整为有砟轨道。同时，对于地面沉降区内桥梁要采用可调高支座，无砟轨道段落需设置调高量较大的扣件系统。

(3)桥梁设计措施

对于地面沉降影响较为强烈的路段，在合理选址及采取禁止地下水开采措施的同时，需采用必要的结构措施，以此来应对不均匀沉降对桥梁结构可能造成的影响。穿越地面沉降区的桥梁结构措施主要包括采用简支结构、增加桩长，采用可调高支座、加大活动铰变形范围等。地面沉降区内路基段立交、灌溉涵应尽可能采用框架涵，尽量不采用圆涵，涵洞采用分节设计，预留沉降缝。沉降较严重地段在设计时适当加大断面尺寸，主要是加大涵洞洞内净高，增加的高度可根据地面沉降预测的结果确定。

(4)路基设计措施

路基设计中，应避免将路、桥结合点布置在地面沉降漏斗中心及沉降速率变化较大的地段。在地面沉降区内，当采用有砟轨道时，为了便于在地基下沉引起的路基沉降后的抢修，根据沉陷预测结果，将路基面每侧加宽1.0～1.5 m，当路基下沉时可填筑道砟补充下沉量。在地面沉降区内，地基加固设计深度还要考虑浅层地下水开采引起的地面沉降与工后沉降的叠加作用，有条件时，在设计检算过程中要综合考虑浅层地下水位变动引起的沉降影响，可根据该段落内浅层地下水开采深度及压缩层所处位置适当增加桩长。路桥过渡段及邻近桥梁墩台桩基设计检算，均要考虑浅层地下水位变动引起的沉降影响，检算条件及沉降控制标准尽量保持协调匹配。当桥梁桩基与路基地基加固深度相差较大时，过渡段的地基加固深度可采取渐变的方式，过渡段适当加长，以减轻差异沉降对坡度的影响。

5 结语

雅万高铁经过了雅加达平原沉降区和万隆盆地地面沉降区。雅加达段从沉降区南侧边缘经过，避开了地面沉降中心，但线位附近地面沉降有加剧趋势。万隆段近25 km路段穿过地面沉降区，10余km位于地面沉降中心区内，地面沉降影响十分严重。

鉴于铁路沿线地面沉降主要原因为超量开采地下水引起，采取严格的禁采、限采及控采措施是防治地面沉降的根本途径，在铁路沿线一定范围内设立禁采区、限采区和控采区是十分必要的。同时，在铁路建设期间采取适宜的工程措施，以确保铁路建设及运营的安全。首先，地面沉降严重区段宜采用有砟轨道，以增加轨道对持续沉降变形的适应性和可修复性，而无砟轨道段落需设置调高量较大的扣件系统。其次，对于地面沉降区内桥梁宜采用简支结构桥梁，并设置可调高支座。地面沉降严重的有砟轨道段落路基要预留一定高程，同时加宽路基。加强路桥及路涵过渡段设计，采取合理的地基处理方式及处理深度，切实保证平顺过渡。

为了准确掌握铁路沿线地面沉降发生、发展规律，十分有必要建立铁路沿线地面沉降监测网、地下水动态监测点，建立分层标、基岩标，分别监测第四系沉降变形。同时，利用英萨(InSAR)技术对地面沉降区进行大范围的动态监测。在监测的基础上，准确预测地面沉降发育特征及发展趋势，为铁路工程提供准确的预测预警，指导采取可靠的措施，确保铁路建设及运营的安全。