地下水位变化条件下高速铁路路基变形机制分析

王凌霄，沈宇鹏，2，石天奇，3，魏向阳，蔡港钰，寇大力

(1.北京交通大学土木建筑工程学院,北京 100044; 2.北京交通大学轨道工程北京市重点实验室,北京 100044;3.中铁第四勘察设计院集团有限公司,武汉 430063)

引言

由于城市经济的高速发展,伴随“八纵八横”高速铁路网的初步形成,地下水位变化诱发的地层局部不均匀变形已经导致高速铁路子系统的一系列病害凸显,比如基床表层和底座板底面脱空、无砟轨道结构应力集中开裂破坏等,特别是路基结构的工后沉降问题,将危及高速列车行车安全,严重影响高速铁路路基结构的可持续健康发展。高速铁路路基工程沿线附近地下水随意开采的现象频发,而地下水位变化下地基-路基协同变形机制或量化研究较少[1],且高速铁路无砟轨道以其良好的稳定性和安全性得到了广泛的应用,这些优点是基于对铁路路基结构变形的严格控制。因此,开展地下水位变化下高速铁路路基结构变形机制分析对于解决其引发的路基不均匀变形问题是必要的。

过度抽取地下水诱发地层沉降的机制颇为复杂,影响因素亦很多,不仅会影响高铁工程,同样可能对所有工程造成影响,对于地下水位变化下的地基沉降变形问题已经引起国内外学者的高度关注。CHAI[2]基于一维固结理论针对不同地下水位下降工况分别计算了相应的地面沉降;MOMOYA[3]在1∶5的有砟轨道路基模型上进行了低速试验,认为铁路路基在移动荷载作用下的变形是至关重要的;DONG[4]通过建立地下水渗流运动偏微分方程,引入随机场研究了地下水位周期性变化特征;BIAN[5]发现波长较短的轨道不平顺会引起轨道和地面的高振动;VARANDAS[6]通过三维模拟分析了过渡段道砟层和路堤沉降增加的原因;SATTARI[7]对伊朗西北部的Ardebil平原地下水位研究中发现,过度开采地下水灌溉农田是导致地下水位下降的主要原因;王建秀[8]对传统的分层总和法进行了修正,进一步精确了分层沉降计算值;郭帅杰[9]研究了地下水位降低对桩网、桩板及桩筏复合地基结构变形规律和桩侧摩阻力分布的影响;邓洋洋[10]系统研究了开采地下铁矿资源对相应区域地下水位埋深的影响机理和地面变形塌陷的驱动因素;张治国[11]利用两种复变势函数模拟二维土体颗粒应力状态,提出了地下水位变化条件下盾构隧道结构及周围地层变形受力计算方法,并通过数值仿真验证了方法的正确性;朱邦彦[12]利用永久散射体雷达干涉技术获取的InSAR(Interferometric Synthetic Aperture Radar)地层形变数据与同期水准数据,结合地下水位变化规律以及分层形变数据,分析了南京市河西地区的地层局部不均匀变形成因;赵玉峰[13]选取多种数据源通过相关性分析和主成分分析的方法,识别出研究区域单元影响地下水位升降的主要因素是社会经济发展;刘祥勇[14]在富水深厚砂性土层中开展抽灌水试验,得到了地下水位升降条件下地层沉降和回弹变化机理;谭淋耘[15]分析了速率参数和降雨量参数变化条件下岩质滑坡的诱发成因。目前,大多数研究主要集中于地下水位变化条件下地层沉降规律,涉及高速铁路路基结构变形机制的成果较少,路基结构变形特征尚不清楚,缺乏现场监测数据验证。

以京雄城际铁路霸州北站路基结构为依托,基于饱和土体的渗流理论和固结理论,建立一种地下水位变化条件下的路基变形计算方法;并开展霸州北站路基变形现场监测试验,进一步探究研究区域路基结构的变形机制,研究成果可为类似铁路路基工程提供理论基础和科学参考。

1 工程地质条件和监测数据源

1.1 工程地质概况

霸州北站场区位于华北平原北缘,车站中心里程为DIIK82+520,路基结构分布区间在DIIK82+120～DIIK82+760,为高速铁路无砟轨道标准双线路基。线路覆盖区域自晚第三系以来持续下沉,上部沉积巨厚层的第三、第四纪松散沉积物,断裂属隐伏断裂。根据霸州北站工程地质断面图,勘探深度范围内地层为第四系全新统冲积层(Q4)、上更新统冲积层(Q3)、冲洪积地层和下伏上第三系上新统(N2)。

地下水受大气降水及地下水侧向径流补给,以地下水侧向径流、大气蒸发和人工开采为排泄条件,埋深18.80～20.50 m。浅层地下水位呈周期性变化,每年年初至3月中旬为相对稳定期;3月中旬至6月中旬为春采水位下降期,农业灌溉集中开采,下降幅度因开采强度不同而异,5月中旬至6月中旬出现年最低水位;6月中旬以后,由于降水量增加,开采量锐减,地下水水位回升,到8月上旬至9月中旬达到年最高水位;进入秋冬开采期,农业开采量相对较小,地下水位缓慢下降,11月底秋冬采停止,地下水位回升进入相对稳定期。

1.2 现场监测布置方案

监测范围为DIIK81+580～DIIK83+227,共47个监测断面。观测基准点分别为QJ01、ZB02-1、ZB02-2、ZB04、ZB05、ZB08、JM17、CPI2011、CPII2035,路基沉降监测范围内划分成10条观测线路,详细的监测点位布置方案及观测线路的走向见图1。霸州北站路基沉降监测范围DIIK81+580～DIIK83+227内共选取2种监测断面类型,具体布置方案示意见图2,沉降观测板和沉降观测桩布置在同一监测断面上。

图1 霸州北站路基沉降观测线路平面

图2 不同监测断面沉降观测元件布置方式

2 理论推导

根据有效应力原理,孔隙水压力的变化量等于有效应力的变化量,土体抽水后会发生孔隙水的“开挖效应”,即土中的孔隙水被排走。在地层沉降曲线下取一微小土体单元,在z轴方向上所受的应力为Δσz,与地下水位整体下降土体所受应力对称不同的是,随距离抽水中心远近的不同呈现不均匀分布的趋势,分析引起沉降变形的成因比较困难。但可以将抽水中心至影响半径范围内的有效应力变化量划分为两部分,第Ⅰ部分是有效应力变化不同引起的差异沉降,有效应力变化量为Δσ1;第Ⅱ部分是有效应力变化相等引起的均匀沉降,有效应力变化量为Δσ2,如图3所示。从土体所受应力角度分析不同原因产生的两部分地基沉降,对第Ⅰ部分土体取微小单元进行受力分析,垂直方向上受到的剪应力τxz比水平方向上的剪应力τzx大,以此来平衡垂直方向上的有效应力,同时垂直方向较水平方向大的剪应力部分τxz-τzx还会产生剪切力矩,这表明,当抽取地下水时,土体不仅会发生竖直方向上的固结变形,还会发生剪切变形和旋转变形,剪切变形和旋转变形均可以使土体颗粒发生随抽水中心距离不同的差异性沉降。

图3 土体微分单元受力分析示意

抽取地下水导致孔隙水压力减小,有效应力增加的部分应将导致垂直方向不均匀变形而增加的剪切应力扣除,因为在该方向上的剪切应力可以抵消一部分有效应力增加值,所以砂性土在不考虑侧向变形条件下产生的沉降量可以用式(1)表示。

(1)

式中,Es为土体的压缩模量,kPa;H为地层厚度,m;G为剪切模量,kPa。

若不计土体的径向位移,根据土颗粒所受剪应力-应变几何关系及柱坐标系转换公式,可以化简成关于地层沉降s的微分方程,见式(2)。

(2)

将垂直方向的地层划分成n层,依次记为w1、w2…,对于每一层的土体沿水平径向进行微分,其微分方程选取考虑剪切应力存在的地基沉降计算公式(2)。以任意一层土层wi为例,建立微分方程及边界条件,见式(3)。

(3)

式中,si为第i层土体顶部沉降量,m。

对地基沉降的控制微分方程组由第1层至底部最后一层依次进行计算,第1层土体的微分方程是非齐次微分方程,对应的齐次微分方程为零阶贝赛尔方程。

(4)

不计高阶无穷小量,计算得到第1层土体的通解,见式(5)。

(5)

式中,J0(x)、Y0(x)分别为零阶第一、二类贝赛尔函数。

将初始变量代入式(5),得到第1层土体因水位变化产生的地面变形方程的通解,见式(6)。

(6)

其余各层土体同理推导得到与第1层土体相似的通解,将各层土体计算的通解进行各项累加,得到整个抽水层地基沉降量s1,见式(7)。

s1=(s1-s2)+(s2-s3)+…+(sn-sn+1)=

(7)

经上述推导分析可知,水位呈漏斗状下降时,导致的地面变形沉降曲线符合对数线性发展规律。

3 路基变形机制及驱动因素分析

3.1 路基结构变形机制分析

图4为新建霸州北站DIIK81+580～DIIK83+227区间内选取的9个典型监测断面路基变形量随时间的变化曲线,由于不同区段路基填筑和堆载预压的起始时间不同,因此将9个典型监测断面划分为2组。各个断面的路基累计变形量在整体上均表现出随时间增加而加大的趋势,在堆载预压完成之前,路基变形近似呈线性增加,路基变形发展较快,这是由于此过程路基的变形不仅包括外界环境条件变化诱发的变形,还包括因路基结构自身产生的变形。而在堆载预压完成之后,堆载预压等因素造成的路基结构自身变形的影响逐渐减弱,变形速率随时间的增加逐渐降低,但是所有监测点位的累积变形量仍有不断发展的趋势,变形沉降量最大的点位分别为DIIK82+260和DIIK82+680。

图4 监测点位路基累积变形趋势

由图4(a)进一步分析可知,全部点位路基累积变形量均在140 mm范围内。DIIK81+580～DIIK82+120段落中变形最大的点位为DIIK81+680,累积变形量为20.02 mm,沉降速率最大达到0.28 mm/d,造成堆载预压完成后该点位产生微小变形的原因是段落内现场路肩护坡施工、线间技术局部开挖等施工,引起小幅下沉,但总体上DIIK81+580～DIIK82+120段落路基沉降速率逐渐减小,路基变形基本趋于稳定。DIIK82+120～DIIK82+400段落中平均沉降速率最大的点位为DIIK82+260,达到0.69 mm/d,累积变形量为135.6 mm。需要指出的是,DIIK82+400点位在堆载预压完成后变形速率突然有较大幅度的增加,这是由于现场站台墙施工过程中,运输土方车辆行驶碾压监测点位,造成局部沉降增大,破坏沉降监测点位所致。

由图4(b)进一步分析可知,DIIK82+400～DIIK82+680 段落中路基累计变形量最大点位为DIIK82+680,为177.11 mm,DIIK82+400～DIIK82+680区段路基变形量较DIIK82+120～DIIK82+400区段大幅增加。其中,2020年3月26日沉降速率最大的点位是DIIK82+500,沉降速率为0.80 mm/d,沉降速率有加大趋势。

DIIK81+580～DIIK82+680段落全部监测点位中,在2019年11月19日之前完成堆载预压施工工作,堆载预压后段落内选取的9个监测断面测得的变形量仍有进一步增加的趋势,因此,对9个监测断面监测点附近的点位从2020年1月27日开始进行监测点位加密观测,观测周期为7 d/次,至2020年3月23日,监测数据见图5。由图5(a)分析,DIIK81+580～DIIK82+680段落沉降最大的点位为距离DIIK82+680点40 m处的DIIK82+640,最大累积变形量为18.2 mm,因此可以确定该点位局部沉降过大,且沉降还有进一步加大的趋势。同时,由图5(b)也可以看出,DIIK82+720、DIIK82+760两处点位累积变形量分别达到22.4 mm和21.6 mm,其余点位均有较小程度的局部沉降。

图5 加密观测点位路基累积变形趋势

3.2 路基变形驱动因素识别

(1)地质构造及构造运动

京雄城际铁路穿越受区域构造运动影响的华北平原,华北平原具有第四纪地层沉积条件,厚度较大的第四纪地层是产生区域地面沉降的重要因素,因此第四纪沉积厚度的不同会影响地面沉降的发展。同时铁路沿线断裂发育,各主要断裂第四纪以来均有不同程度的活动,少数断裂(或断裂段)在晚更新世或全新世仍有活动,结合华北平原区域地震活动与构造环境的关系,其地震构造环境具有以下基本特征。

近场区地处华北平原、太行山和燕山三大构造区的结合部,北东向和北西向两组断裂构造带相互交汇,形成复杂的地质构造。北京坳陷及其内部次级凹陷和相关的北东向断裂在古近纪和新近纪期间强烈活动。第四纪特别是晚期以来,构造活动发生变化,向北迁移至北西向张家口—蓬莱断裂构造带(区内为南口—孙河断裂)及其控制或关联的第四纪凹陷和北东向断裂(段)。近场区断裂和凹陷的活动第四纪以来总体呈减弱趋势。早、中更新世活动较为普遍,晚更新世以来活动逐渐减弱,甚至停止活动,全新世仅部分段落仍有活动。近场区内历史上发生过多次中强地震,是中强地震活动区,现代小震活动与晚更新世以来断裂活动关系密切,因此近场区内具备发生7级左右地震的构造条件。但与华北平原和山西断陷带内部断裂相比,近场区断裂无论规模和活动强度均不大,不构成特大地震孕育与发生的控制构造。

根据有关的地质、物探、钻探等资料,工程场地及其5 km范围内不存在晚更新世以来的活动断裂,构造环境比较稳定,与工程线路交叉的顺义—良乡断裂(中段)、通县—南苑断裂(南西段)、夏垫—礼贤断裂(南段)和牛驼镇凸起东断裂的最新活动主要发生在早、中更新世期间,晚更新世以来不活动,因此可忽略断裂活动产生的地表破裂对线路工程的直接影响。

(2)气候条件

沿线周边主要存在大城县降落漏斗、廊坊降落漏斗和沧州降落漏斗,与新建铁路相对位置关系如图6所示。

图6 京雄城际铁路沿线典型降落漏斗分布

依据当地水文资料,全线深层地下水埋深在37～50 m之间,赋存于第四系松散堆积层中,图7表示3个主要的降落漏斗在1975—2015年的深层地下水位埋深变化规律和同期年标准化降水指数(Standardized Precipitation Index,SPI),其中SPI指数反映对应年份的干旱程度,指标值越接近1表示降水量充沛,气候湿润;指标值接近-1时则是代表对应年份干旱。由图7可知,华北平原气候干旱年份数量在1975—2015年中所占的比例较大,对应年份的SPI值会对地下水位产生影响,在较为干旱的年份深层地下水位埋深有略微下降的趋势,影响程度较弱,但是典型水位降落漏斗所处地区深层地下水位埋深随用水量的增加逐年下降,变化幅度显著。

图7 1975—2015年深层地下水位埋深变化和同期年标准化降水指数SPI[16]

因此,从自然因素影响的角度分析,地层岩性、地质构造及气候条件对路基不均匀沉降产生的影响较小。同时,由于沿线建筑物稀少,建筑物产生的附加地面荷载也不是造成霸州北站路基不均匀沉降的重要因素。

(3)油气和地热资源开采

在不同类型地下资源的开采对地面沉降影响方面,京雄城际铁路主要地下资源包括油气和地热田,沿线石油开采主要位于牛驼镇凸起以东,随着对地下油层的开采,局部油层上部含水层中地下水需要注入到油层中,以便开采石油,减小油层的压缩量。但是开采石油引起含水层地下水位变化的影响区域只是在局部地点出现,并没有造成较大范围的地面下沉。同时,沿线牛驼镇地热田位于华北平原中部,地热田主要覆盖雄县、固安、永清及霸州4个行政区域,开采出的地热资源主要用于居民供暖、养殖业和农业。牛驼镇地热资源从补给区到排泄区需要经过相当长时间的渗透过程,一般牛驼镇地热资源的补给区来自较远山区。因此,开采油气和地热田地下资源不是影响新建铁路路基不均匀沉降的主要因素。

(4)地下水资源开采

在地面沉降与地下水降落漏斗影响范围的一致性方面,线路经过华北平原地面沉降区域,途径礼贤榆垡、雄县两个区域地下水下降漏斗的影响范围。这两个地区地面沉降目前都处于快速发展时期,在未来一段时期内,沉降面积和沉降速率有进一步加大的趋势,其中新机场至雄安段2014—2017年地面累计沉降量和沉降速率等值线见图8。由图8可知,在地面沉降严重的地区与图6中大城县降落漏斗和廊坊降落漏斗范围高度重合,发现华北平原的地面沉降和地下水位变化有紧密的联系。

图8 新机场至雄安段2014—2017年地面累计沉降量和沉降速率等值线

在霸州北站沿线抽取地下水导致地面沉降现场实测值与理论计算差异方面,现场实测值与理论计算结果具有一致性,可以认为线路纵向DIIK82+120～DIIK82+870段落路基沉降与地下水位变化相关。s1和r/2呈对数线性发展规律,本节需要计算距离抽水中心一定位置时,沿线路纵向的路基变形沉降变化曲线,则应对式(7)换算,见式(8)。

(8)

图9 地面沉降变化线性拟合值与实测值对比

综上所述,从人为因素影响的角度分析,开采油气和地热资源对地面沉降的影响较小,不作为主要因素。但是,分别从地面沉降与地下水降落漏斗影响范围的一致性以及霸州北站沿线抽取地下水导致地面沉降现场实测值与理论计算差异两个方面分析,发现京雄城际铁路典型地段路基不均匀沉降的主要驱动因素是沿线过度开采地下水。

4 结论

(1)根据对土颗粒微分单元的受力分析,将抽水中心至影响半径范围内的地基沉降划分为两部分,第Ⅰ部分地层变形的主要原因是土体颗粒受到的剪切应力以及剪切力矩,第Ⅱ部分地层变形则是普通的地基沉降变形。

(2)通过提出的地基沉降变形计算方法,发现当水位呈漏斗状下降时,导致的地面变形沉降曲线符合对数线性发展规律,验证了地下水位变化诱发的沉降计算方法的正确性,为后续进行的现场监测、数值仿真模拟提供理论支撑。

(3)根据地下水位变化时霸州北站路基9个典型监测断面结构变形监测案例可知,在堆载预压完成之前,路基变形近似呈线性增加;在堆载预压完成之后,变形速率逐渐降低,但累积变形量仍有不断发展的趋势,其中DIIK82+720、DIIK82+760两处点位累积变形量分别达到了22.4 mm和21.6 mm,其余点位也均有较小程度的局部沉降。

(4)从自然因素影响的角度分析,地层岩性、地质构造和气候条件对路基不均匀沉降产生的影响较小,同时建筑物产生的附加地面荷载也不应该是造成霸州北站路基不均匀沉降的重要因素。

(5)从人为因素影响的角度分析,开采油气和地热资源对地面沉降的影响较小,可不作为主要因素;但发现了路基不均匀沉降的主要驱动因素是沿线过度开采地下水。