基于长时序水准监测数据的北京东北部地区地面沉降趋势分析

陶 灿 曹成度 滕焕乐 闵 阳

(中铁第四勘察设计院集团有限公司，湖北武汉 430063)

地面沉降对城市建设及经济发展有着显著的负面影响，如北京市的地面沉降对于北京周边在建和运行的高速铁路网、南水北调工程等众多基础线性工程的影响尤为突出[1-2]。其中，高速铁路对轨道的平顺性有着非常严格的要求，区域地面沉降对高速铁路的影响主要表现为降低线路设计高程、引起线路坡度变化、造成线下工程沉降差异等，严重时可能造成结构破坏、影响轨道平顺性并危及正常安全运营[3]。因此，实时和全方位掌握地面沉降动态与发展趋势至关重要，可为高速铁路的设计施工与运营管理提供基础数据和技术支持，也有助于地面沉降研究与防治工作。

近几年，国内很多学者对北京地区地面沉降的发育现状、成因机理、监测方法、发展趋势等方面进行了大量研究。研究结果表明：随着北京市政建设的高速发展及地下水持续超采，北京市地面沉降仍处于持续快速发展的阶段，沉降区面积也在不断扩大[4]，尤其是东部地区已经成为北京地面沉降发育最显著的区域[5]。王荣通过研究发现，地面沉降对运营中的京津城际铁路桥梁、路基及轨道平顺性都会产生影响[6]；杨艳分析了沉降对其线路坡度的影响[7]；刘运明以北京地铁14号线工程建设为背景展开研究，发现当轨道交通穿越沉降漏斗区和沉降带时，会对城市轨道交通线路的建设及运营产生非常大的不利影响[8]。

目前，国内对于高速铁路的沉降监测主要采用水准测量网、GPS监测网[9]、InSAR监测网[10-11]和地下水动态监测网[12]等方法。其中，高速铁路水准测量网是对铁路两侧一定范围内的地面沉降现状进行监测，确定地面沉降范围、速率、幅度及其与线路的关系的方法[13-14]。以下采用传统的高精度水准测量方法，对北京市东北部区域二等水准点四年时序的监测数据进行分析，得到北京东北部沉降区的变化分布规律。

1 精密高程控制网情况

为满足高速铁路施工和运营需要，按照《高速铁路工程测量规范》(TB10601—2009)相关技术要求，以分级布网、逐级控制的原则，于2014年5月建立了精密测量控制网，并于2015年12月进行了第一次精密工程控制网复测，2016年9月进行了第二次精密工程控制网复测。

建网和复测均采用1985国家高程基准。联测国家水准点4个(I京通2、I京通6、I沙怀11和I沙怀10新)、京沪高铁基岩点1个(JY01)、深埋水准点4个(SMBM1001、SMBM1002、SMBM1003和SMBM1004)及其他二等水准BM点32个。通过对起算点稳定情况的分析，认为国家水准点I京通2、I沙怀10新和桥墩深埋点SMBM1004较为稳定，并将其作为平差起算点对全段落水准点进行平差计算，水准路线见图1和图2。

图1 高程控制网水准路线

图2 高程控制点分布

2 高程控制点年监测结果(2014～2016)

以某高速铁路为例，该铁路通过北京东北部沉降漏斗区，从DK0引出至DK60处区域沉降情况较为严重。对2014年4月～2016年9月(为期两年半)的三次水准监测数据进行统计分析，结果如表1和图3所示。

表1 高程点沉降量比较

图3 累计沉降量分析

从表1和图3可以看出，该区域沉降体现了不均匀性。沉降量最大的区域为国家铁道试验中心铁路环行试验线，在2014年4月到2015年12月(一年零八个月的时间内)，沉降量最大的点位沉降量超过200 mm，年均沉降量为120.3 mm；从2014年4月到2016年9月(两年零五个月的时间内)，其沉降量为294.5 mm，年均沉降量为121.86 mm。

沉降次大的区域主要集中在高丽营镇和马泉营村，在2014年4月到2015年12月(一年零八个月的时间内)，两个地区沉降量最大的点位分别沉降了122.8 mm和108.2 mm，年均沉降量分别为73.68 mm和64.92 mm；在2014年4月到2016年9月(两年零五个月的时间内)，分别沉降了176.3 mm和170.4 mm，年均沉降量分别为72.95 mm和70.51 mm。从上述统计数据可以得出，在沉降量较大的几个沉降点(即图3中波谷点位)，2014～2015和2015～2016两年间的年均沉降量较为接近且沉降均匀[15-16]。

3 高程控制点年监测结果(2016～2018)

2016年9月起，对DK0～DK60精密工程控制测量高程网进行两个月一次的高程控制网复测，以获取最新的水准控制网成果。截止2018年9月，一共开展了12次复测，其中有连续性统计的点位为36个，其中有2个国家水准点、3个深埋水准点和31个二等水准点(见表2)，其整体趋势见图4，可体现出沉降的区域性和季节性。

从表2和图4可以看出，该区域2016年～2018两年间的沉降依旧体现了不均匀性，北京东四环、黄港和怀柔地区沉降量相对较小，沉降量最大的区域依旧位于国家铁道试验中心铁路环行试验线，该区域东侧的BM1006号点最大年沉降量达到了109.4 mm，两年累计沉降量达到了198.7 mm，年均沉降量为99.3 mm。同2014年～2016年的监测结果类似，与这一片区相邻的马泉营村和北京正北六环外高丽营镇的点位沉降量也较大，马泉营村的BM10071号点最大年沉降量达到了59.8 mm，两年累计沉降量达到了104.5 mm，年均沉降量为52.3 mm；高丽营镇的BM1013号点最大年沉降量达到了44.1 mm，两年累计沉降量达到了87.7 mm，年均沉降量为43.9 mm。

表2 2016～2018两个月一次的高程点复测成果

图4 2016年～2018年两个月一次的高程点复测累计沉降量曲线

4 高程控制点月监测结果(2016～2018)

以2016年9月份的数据为参照，每两个月一次的复测结果如表3、图5和图6，从两年的时序数据可以看出，最大的累计沉降量在BM1006号点，里程为DK19+463，其位置在国家铁道试验中心铁路环行试验线区域的东侧；两年内累计沉降量小于10 mm的点位均在DK49+026里程以后，该区域处在北京顺义区和怀柔区交界的位置。

表3 每两个月一次复测结果与2016年9月单期沉降量的比较

图5 2016年～2018年每两月一次的复测高程点累计沉降量曲线

图6 2016年～2018年每两月一次的复测高程点单期沉降量曲线

图5和图6是以2016年9月成果为基准，开展2个月一次复测的成果，从2016年9月～2018年9月统计的累计沉降量曲线和单期沉降量曲线可以看出：2016年9月至2017年3月的成果相对较为稳定，沉降量较小；从2017年11月～2018年1月的成果比较来看，沉降量也相对较小，该月份部分位置累计沉降量曲线甚至出现了重合的状况。从该季节性的表现可以推测，北京地区冬季地下水消耗量较少，小于降雨补给量，并且冻结后地面沉降相对较为稳定。从图5中红色区域和图6的深紫色曲线可以看出，2017年6月的沉降量有一个突然的明显增大。结合前人的研究结果，北京地面沉降与地下水开采具有很大的相关一致性[14]，其原因一方面是由于4月地下水冻融后会产生一定的地面沉降，另一方面是由于6月～8月为北京夏季用水高峰期，地下水抽取严重，两方面因素导致了较为严重的地面沉降。3月～11月的沉降量也表现出局部沉降较大的情况，说明在北京东北部区域，春夏季6月～8月的沉降量较大，春秋季3月～6月和8月～11月份的沉降量稍小，冬季11月～次年3月的沉降量较小，即3月～11月是每年的沉降发生较为明显的月份。

5 结论

采用传统的水准测量方法，对北京东北部在建工程的二等水准点2014年4月～2018年9月四年半时序的监测数据进行了分析，对其地面沉降的情况和趋势进行了总结，得到以下结论。

(1)北京市东北部地区的地面沉降仍然处于快速发展阶段，沉降量较大的区域比较固定，其年均沉降量较为稳定均匀，最大的年均沉降量在10 cm左右。

(2)北京市距离市区较近的人口密集区域表现出沉降的不均匀性，其中国家铁道试验中心铁路环行试验线区域、马泉营镇、顺义区高丽营镇的沉降都较为严重。北京东四环和黄港地区沉降量相对较小，监测数据表明，从顺义区进入怀柔区后地面沉降明显变小。

(3)北京东北部地区整体的沉降情况随着季节的变化体现了不同的沉降趋势，春夏季6～8月份的沉降量较大，春秋季3月～6月份和8月～11月份的沉降量稍小，冬季11月～次年3月份的沉降量较小。这表明北京地区冬季地下水消耗量较少，小于降雨补给量，并且冻结后地面沉降相对较为稳定。而6月～8月份为北京夏季用水高峰期，地下水抽取严重，因而在人口密集的区域表现出了较为严重的地面沉降。

(4)利用每两个月复测一次的高程更新成果，对线路及已完工工程的实际高程进行了检测，并与设计高程进行对比分析，准确地掌握区域地面沉降及其对在建高速铁路施工的影响。根据检测结果，必要时可调整施工图纸等设计资料，确保同步推进的施工工点能平顺对接，并为后续高速铁路线路运营维护提供沉降观测资料和沉降监测方法。