趙明東

(中國(guó)鐵路設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司，天津 300142)

地面沉降具有初期不易察覺(jué)、地域性明顯等特點(diǎn)，尤其是不均勻沉降，對(duì)鐵路等線形工程危害巨大[1]。在地面沉降多發(fā)區(qū)的工程地質(zhì)選線中，必須充分考慮地面沉降對(duì)鐵路的影響。已有許多學(xué)者進(jìn)行了相關(guān)研究：李國(guó)和等通過(guò)統(tǒng)計(jì)線路所在地區(qū)的沉降量，分析不均勻沉降給線路帶來(lái)的影響，提出適宜的防治對(duì)策與工程措施[2]；武濤采用現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查、物探和鉆探等手段，對(duì)某煤田礦區(qū)的小范圍地面沉降進(jìn)行了研究[3]；祁彪采用統(tǒng)計(jì)分析方法對(duì)某鐵路段落的地面沉降進(jìn)行了分析，認(rèn)為鐵路運(yùn)營(yíng)會(huì)加劇不均勻沉降[4]。雖然眾多學(xué)者對(duì)地面沉降的影響做了大量研究，但使用InSAR空間對(duì)地觀測(cè)技術(shù)來(lái)指導(dǎo)工程地質(zhì)選線的研究還較少。以某高速鐵路東營(yíng)-濰坊段為例，采用InSAR空間對(duì)地觀測(cè)技術(shù)等綜合勘察手段，對(duì)該地區(qū)地面沉降情況進(jìn)行研究。

某擬建高速鐵路東營(yíng)-濰坊段為平原區(qū)，主要包括沖積、沖洪積平原及濱海平原，地勢(shì)低平，河渠縱橫，洼淀眾多，地面高程一般為1～10 m，整體地勢(shì)自西南向東北微傾[5]。該地區(qū)分布大量的鹽田和耕地，地下水和地下鹵水的大量開(kāi)采導(dǎo)致該地區(qū)發(fā)生了大規(guī)模的地面沉降[6-7]。因此，如何通過(guò)綜合的地質(zhì)勘察手段查明沉降區(qū)范圍，是該段線路選線的重要工作。

1 地面沉降對(duì)高速鐵路的影響

地面沉降又被稱為地陷和地面下沉，是由于人類的活動(dòng)或自然因素導(dǎo)致的地殼表層松散土固結(jié)壓縮、地面高程下降的工程地質(zhì)現(xiàn)象[8-9]。地面沉降主要有三種形式：構(gòu)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學(xué)術(shù)界認(rèn)為是形成地面沉降的主要原因。

按照沉降形式，地面沉降可分為區(qū)域沉降和局部沉降。區(qū)域沉降會(huì)降低高鐵的絕對(duì)高程，產(chǎn)生附加坡度，降低線路抵抗災(zāi)害的能力，并對(duì)行車安全產(chǎn)生影響；局部沉降尤其是局部差異性沉降，會(huì)造成線路的不平順，嚴(yán)重影響竣工后的行車安全。

2 InSAR空間對(duì)地觀測(cè)技術(shù)

2.1 InSAR技術(shù)工作原理

InSAR(Synthetic Aperture Radar Interferometry)是一種遙感技術(shù)與射電天文干涉技術(shù)相結(jié)合的新興空間對(duì)地觀測(cè)技術(shù)[12-13]。其通過(guò)兩幅以上的SAR圖像共軛相乘求取的相位差獲得干涉圖像，進(jìn)而計(jì)算出地表的微小變化。該技術(shù)具有全天候、全天時(shí)、高分辨率、高精度和數(shù)據(jù)處理高自動(dòng)化等特征，且不受地形和人為因素的干擾，在多個(gè)領(lǐng)域的研究應(yīng)用中取得了很好的效果[14-15]。

2.2 InSAR地面沉降監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

在本次研究中，InSAR數(shù)據(jù)源選取2016年12月～2018年12月的德國(guó)TerrSAR-X衛(wèi)星數(shù)據(jù)。圖1為東營(yíng)-壽光地區(qū)(以下簡(jiǎn)稱“研究區(qū)”)的InSAR監(jiān)測(cè)結(jié)果。從圖1中可以看出，在研究區(qū)范圍內(nèi)存在東營(yíng)廣饒鹽場(chǎng)和東八路村落兩個(gè)主要的沉降片區(qū)。其中，東營(yíng)廣饒鹽場(chǎng)沉降區(qū)的面積為145.5 km2，東八路村落沉降區(qū)的面積為11.3 km2。

在東營(yíng)廣饒鹽場(chǎng)沉降區(qū)范圍內(nèi)，出現(xiàn)了5個(gè)(A、B、C、D、E)顯著的沉降漏斗區(qū)。其中，沉降漏斗A、B中心的最大沉降速率為120 mm/a，沉降漏斗C、D和E中心的最大沉降速率為130 mm/a。在東八路村落沉降區(qū)范圍內(nèi)，存在F、G兩個(gè)沉降漏斗，其中，沉降漏斗F中心的最大沉降速率為90 mm/a，沉降漏斗G中心的最大沉降速率為60 mm/a。

圖1 研究區(qū)InSAR監(jiān)測(cè)結(jié)果

3 地面沉降現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查

3.1 村落地面沉降調(diào)查

東八路村落沉降區(qū)為村莊群落，村中都有多處深水井和鹵水井，多分布在村周圍的田間地頭。鹵水井在2018年底均已關(guān)停(見(jiàn)圖2)。深水井建井時(shí)間為2013～2015年，井深約為300 m。該批深水井抽取深度大，抽取水量大(見(jiàn)表1)，是造成該區(qū)域地面沉降的主要因素。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，截止到目前，水井井筒相對(duì)頂出高度約為30 cm(見(jiàn)圖3)。

圖2 村落周圍廢棄的鹵水井

村莊北部一處倉(cāng)庫(kù)墻體出現(xiàn)開(kāi)裂現(xiàn)象，裂縫與地面呈45°，長(zhǎng)度約為1.5 m，寬度約為1.5 cm；村莊東部一民房后墻體出現(xiàn)兩處開(kāi)裂現(xiàn)象，裂縫與地面呈90°，長(zhǎng)度約為4 m，寬度約為0.5～1 cm；村莊南部一民房前屋檐出現(xiàn)一處開(kāi)裂現(xiàn)象，與地面平行，延伸到房屋墻體處有兩處放射狀開(kāi)裂，開(kāi)裂總長(zhǎng)度約為2 m，寬度約為0.5～1.5 cm(見(jiàn)圖3)，其他村落民房無(wú)開(kāi)裂情況。

表1 村落沉降區(qū)水井調(diào)查

3.2 東營(yíng)廣饒鹽場(chǎng)片區(qū)地面沉降調(diào)查

該鹽場(chǎng)片區(qū)靠近渤海，地層較疏松，且在2015年前后新建設(shè)一大批開(kāi)采深度超過(guò)200 m的深層鹵水井，每眼鹵水井的日抽水量約為240 m3。

該鹽場(chǎng)片區(qū)涉及多個(gè)鹽場(chǎng)化工企業(yè)，因此片區(qū)內(nèi)鹵水井個(gè)數(shù)無(wú)法準(zhǔn)確計(jì)量。通過(guò)面積輻射法對(duì)片區(qū)內(nèi)鹵水井的個(gè)數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)：相鄰兩個(gè)鹵水井的平均間距約為80 m，即鹽場(chǎng)片區(qū)內(nèi)單個(gè)鹵水井的輻射面a=80×80=6 400 m2，該鹽場(chǎng)片區(qū)的總面積約為A=145 528 173 m2，故鹽場(chǎng)片區(qū)鹵水井的總數(shù)N=A/a=22 738眼。深層鹵水的大量開(kāi)采造成了該鹽場(chǎng)片區(qū)高速率、大面積的地面沉降。

圖3 地面沉降造成水井井筒頂出和房屋墻體開(kāi)裂

4 線路方案比選

該高速鐵路線路走向除了受到地面沉降的影響外，還受到油田分布、站位布置、重大廠礦和河流分布的影響。在大的線路走向控制下，主要研究了繞北辛村方案和穿北辛村方案(如圖4所示)。兩個(gè)方案的有利因素和不利因素如表2所示。

圖4 研究區(qū)方案比選示意

表2 線路方案比選

從圖4和表2可以看出，穿北辛莊方案在CIK298+600～CIK304+750段穿越東營(yíng)廣饒縣的大面積鹽場(chǎng)片區(qū)，穿越長(zhǎng)度為6.15 km，InSAR圖像顯示，該區(qū)域?yàn)槌两德┒分行膮^(qū)，沉降速率均超過(guò)60 mm/a，最大沉降速率為120 mm/a，且線路大段落切割沉降等值線，勢(shì)必使線路受到大規(guī)模不均勻沉降的影響。繞北辛莊方案雖然在施工中會(huì)涉及拆遷和占用少量的耕地，但是該方案的線路里程較短、線形更加順直，而且避開(kāi)了大規(guī)模的地面沉降區(qū)，由圖4可以看出，線路經(jīng)過(guò)村落主沉降區(qū)的西側(cè)，該區(qū)域的沉降速率僅為0～11 mm/a，線路與沉降等值線的外擴(kuò)線方向一致，避免了線路的不均勻沉降，極大降低了鐵路建成后的運(yùn)營(yíng)風(fēng)險(xiǎn)和后續(xù)處理地面沉降的巨額投資。因此，從地質(zhì)專業(yè)角度，推薦繞北辛莊方案。

5 工程措施建議

5.1 控制線路附近地下水的開(kāi)采

線路附近過(guò)度開(kāi)采地下水，會(huì)改變?cè)摰貐^(qū)地下水的水位和流向，形成降落漏斗，進(jìn)而出現(xiàn)不均勻地面沉降。針對(duì)該地區(qū)地下淡水開(kāi)采引起的地面沉降問(wèn)題，給出的工程措施建議為：鐵路線位兩側(cè)3 km范圍內(nèi)禁止開(kāi)發(fā)新的地下水開(kāi)采點(diǎn)，加強(qiáng)含水層自然修復(fù)、地下水人工回灌，并加強(qiáng)地面沉降監(jiān)測(cè)。

針對(duì)鹽場(chǎng)鹵水礦開(kāi)采引起的地面沉降問(wèn)題，給出的工程措施建議為：鐵路線位兩側(cè)200 m范圍內(nèi)嚴(yán)禁開(kāi)采鹵水，并加強(qiáng)地面沉降監(jiān)測(cè)等措施；針對(duì)農(nóng)田灌溉引起的地面沉降問(wèn)題，建議鐵路線位兩側(cè)200 m范圍內(nèi)嚴(yán)禁開(kāi)采地下水，并加強(qiáng)地面沉降監(jiān)測(cè)。鐵路部門(mén)和當(dāng)?shù)卣南嚓P(guān)部門(mén)應(yīng)緊密合作，完善鐵路沿線的水資源管理制度[15-16]。

5.2 鐵路施工應(yīng)對(duì)措施

在該地區(qū)，建議線路整體以橋梁形式通過(guò)。在施工過(guò)程中，應(yīng)對(duì)不均勻沉降的措施有：(1)根據(jù)預(yù)測(cè)計(jì)算結(jié)果給出橋梁工程坡度。(2)在沉降區(qū)附近，橋梁工程應(yīng)盡可能使用簡(jiǎn)支梁等簡(jiǎn)單易修復(fù)的形式。

6 結(jié)論

(1)采用InSAR空間對(duì)地觀測(cè)技術(shù)和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查等綜合勘察手段查明了研究區(qū)的地面沉降分布和影響范圍，鹽場(chǎng)片區(qū)和村落區(qū)大面積地面沉降的主要原因分別為近幾年深層鹵水的大量開(kāi)采和村落周邊農(nóng)田灌溉對(duì)深層地下水的大量開(kāi)采。

(2)給出了線路在研究區(qū)內(nèi)兩個(gè)走向方案的比選意見(jiàn)：繞北辛莊方案的線路設(shè)計(jì)里程較短、線形更加順直，繞避了東營(yíng)廣饒鹽場(chǎng)大面積地面沉降區(qū)，在跨越村落沉降區(qū)時(shí)，沿沉降漏斗等值線穿過(guò)，避免了線路的不均勻沉降，降低了鐵路建成后的運(yùn)營(yíng)風(fēng)險(xiǎn)和后續(xù)處理地面沉降的巨額投資。

(3)提出了線路在地面沉降區(qū)設(shè)計(jì)施工的措施建議：①控制線路附近地下水的開(kāi)采；②盡量以橋梁形式通過(guò)沉降區(qū)并選用合理的坡度。