地面沉降地区高速铁路工程地质选线

赵明东

(中国铁路设计集团有限公司，天津 300142)

地面沉降具有初期不易察觉、地域性明显等特点，尤其是不均匀沉降，对铁路等线形工程危害巨大[1]。在地面沉降多发区的工程地质选线中，必须充分考虑地面沉降对铁路的影响。已有许多学者进行了相关研究：李国和等通过统计线路所在地区的沉降量，分析不均匀沉降给线路带来的影响，提出适宜的防治对策与工程措施[2]；武涛采用现场调查、物探和钻探等手段，对某煤田矿区的小范围地面沉降进行了研究[3]；祁彪采用统计分析方法对某铁路段落的地面沉降进行了分析，认为铁路运营会加剧不均匀沉降[4]。虽然众多学者对地面沉降的影响做了大量研究，但使用InSAR空间对地观测技术来指导工程地质选线的研究还较少。以某高速铁路东营-潍坊段为例，采用InSAR空间对地观测技术等综合勘察手段，对该地区地面沉降情况进行研究。

某拟建高速铁路东营-潍坊段为平原区，主要包括冲积、冲洪积平原及滨海平原，地势低平，河渠纵横，洼淀众多，地面高程一般为1～10 m，整体地势自西南向东北微倾[5]。该地区分布大量的盐田和耕地，地下水和地下卤水的大量开采导致该地区发生了大规模的地面沉降[6-7]。因此，如何通过综合的地质勘察手段查明沉降区范围，是该段线路选线的重要工作。

1 地面沉降对高速铁路的影响

地面沉降又被称为地陷和地面下沉，是由于人类的活动或自然因素导致的地壳表层松散土固结压缩、地面高程下降的工程地质现象[8-9]。地面沉降主要有三种形式：构造沉降、抽水沉降和采空沉降[10-11]，其中抽水沉降和采空沉降被学术界认为是形成地面沉降的主要原因。

按照沉降形式，地面沉降可分为区域沉降和局部沉降。区域沉降会降低高铁的绝对高程，产生附加坡度，降低线路抵抗灾害的能力，并对行车安全产生影响；局部沉降尤其是局部差异性沉降，会造成线路的不平顺，严重影响竣工后的行车安全。

2 InSAR空间对地观测技术

2.1 InSAR技术工作原理

InSAR(Synthetic Aperture Radar Interferometry)是一种遥感技术与射电天文干涉技术相结合的新兴空间对地观测技术[12-13]。其通过两幅以上的SAR图像共轭相乘求取的相位差获得干涉图像，进而计算出地表的微小变化。该技术具有全天候、全天时、高分辨率、高精度和数据处理高自动化等特征，且不受地形和人为因素的干扰，在多个领域的研究应用中取得了很好的效果[14-15]。

2.2 InSAR地面沉降监测结果分析

在本次研究中，InSAR数据源选取2016年12月～2018年12月的德国TerrSAR-X卫星数据。图1为东营-寿光地区(以下简称“研究区”)的InSAR监测结果。从图1中可以看出，在研究区范围内存在东营广饶盐场和东八路村落两个主要的沉降片区。其中，东营广饶盐场沉降区的面积为145.5 km2，东八路村落沉降区的面积为11.3 km2。

在东营广饶盐场沉降区范围内，出现了5个(A、B、C、D、E)显著的沉降漏斗区。其中，沉降漏斗A、B中心的最大沉降速率为120 mm/a，沉降漏斗C、D和E中心的最大沉降速率为130 mm/a。在东八路村落沉降区范围内，存在F、G两个沉降漏斗，其中，沉降漏斗F中心的最大沉降速率为90 mm/a，沉降漏斗G中心的最大沉降速率为60 mm/a。

图1 研究区InSAR监测结果

3 地面沉降现场调查

3.1 村落地面沉降调查

东八路村落沉降区为村庄群落，村中都有多处深水井和卤水井，多分布在村周围的田间地头。卤水井在2018年底均已关停(见图2)。深水井建井时间为2013～2015年，井深约为300 m。该批深水井抽取深度大，抽取水量大(见表1)，是造成该区域地面沉降的主要因素。经现场调查，截止到目前，水井井筒相对顶出高度约为30 cm(见图3)。

图2 村落周围废弃的卤水井

村庄北部一处仓库墙体出现开裂现象，裂缝与地面呈45°，长度约为1.5 m，宽度约为1.5 cm；村庄东部一民房后墙体出现两处开裂现象，裂缝与地面呈90°，长度约为4 m，宽度约为0.5～1 cm；村庄南部一民房前屋檐出现一处开裂现象，与地面平行，延伸到房屋墙体处有两处放射状开裂，开裂总长度约为2 m，宽度约为0.5～1.5 cm(见图3)，其他村落民房无开裂情况。

表1 村落沉降区水井调查

3.2 东营广饶盐场片区地面沉降调查

该盐场片区靠近渤海，地层较疏松，且在2015年前后新建设一大批开采深度超过200 m的深层卤水井，每眼卤水井的日抽水量约为240 m3。

该盐场片区涉及多个盐场化工企业，因此片区内卤水井个数无法准确计量。通过面积辐射法对片区内卤水井的个数进行统计：相邻两个卤水井的平均间距约为80 m，即盐场片区内单个卤水井的辐射面a=80×80=6 400 m2，该盐场片区的总面积约为A=145 528 173 m2，故盐场片区卤水井的总数N=A/a=22 738眼。深层卤水的大量开采造成了该盐场片区高速率、大面积的地面沉降。

图3 地面沉降造成水井井筒顶出和房屋墙体开裂

4 线路方案比选

该高速铁路线路走向除了受到地面沉降的影响外，还受到油田分布、站位布置、重大厂矿和河流分布的影响。在大的线路走向控制下，主要研究了绕北辛村方案和穿北辛村方案(如图4所示)。两个方案的有利因素和不利因素如表2所示。

图4 研究区方案比选示意

表2 线路方案比选

从图4和表2可以看出，穿北辛庄方案在CIK298+600～CIK304+750段穿越东营广饶县的大面积盐场片区，穿越长度为6.15 km，InSAR图像显示，该区域为沉降漏斗中心区，沉降速率均超过60 mm/a，最大沉降速率为120 mm/a，且线路大段落切割沉降等值线，势必使线路受到大规模不均匀沉降的影响。绕北辛庄方案虽然在施工中会涉及拆迁和占用少量的耕地，但是该方案的线路里程较短、线形更加顺直，而且避开了大规模的地面沉降区，由图4可以看出，线路经过村落主沉降区的西侧，该区域的沉降速率仅为0～11 mm/a，线路与沉降等值线的外扩线方向一致，避免了线路的不均匀沉降，极大降低了铁路建成后的运营风险和后续处理地面沉降的巨额投资。因此，从地质专业角度，推荐绕北辛庄方案。

5 工程措施建议

5.1 控制线路附近地下水的开采

线路附近过度开采地下水，会改变该地区地下水的水位和流向，形成降落漏斗，进而出现不均匀地面沉降。针对该地区地下淡水开采引起的地面沉降问题，给出的工程措施建议为：铁路线位两侧3 km范围内禁止开发新的地下水开采点，加强含水层自然修复、地下水人工回灌，并加强地面沉降监测。

针对盐场卤水矿开采引起的地面沉降问题，给出的工程措施建议为：铁路线位两侧200 m范围内严禁开采卤水，并加强地面沉降监测等措施；针对农田灌溉引起的地面沉降问题，建议铁路线位两侧200 m范围内严禁开采地下水，并加强地面沉降监测。铁路部门和当地政府的相关部门应紧密合作，完善铁路沿线的水资源管理制度[15-16]。

5.2 铁路施工应对措施

在该地区，建议线路整体以桥梁形式通过。在施工过程中，应对不均匀沉降的措施有：(1)根据预测计算结果给出桥梁工程坡度。(2)在沉降区附近，桥梁工程应尽可能使用简支梁等简单易修复的形式。

6 结论

(1)采用InSAR空间对地观测技术和现场调查等综合勘察手段查明了研究区的地面沉降分布和影响范围，盐场片区和村落区大面积地面沉降的主要原因分别为近几年深层卤水的大量开采和村落周边农田灌溉对深层地下水的大量开采。

(2)给出了线路在研究区内两个走向方案的比选意见：绕北辛庄方案的线路设计里程较短、线形更加顺直，绕避了东营广饶盐场大面积地面沉降区，在跨越村落沉降区时，沿沉降漏斗等值线穿过，避免了线路的不均匀沉降，降低了铁路建成后的运营风险和后续处理地面沉降的巨额投资。

(3)提出了线路在地面沉降区设计施工的措施建议：①控制线路附近地下水的开采；②尽量以桥梁形式通过沉降区并选用合理的坡度。