津秦客運專線天津濱海北站地質(zhì)災害的現(xiàn)狀與預測

張像源，王 瑤，高俊杰，焦 洋，張 昕

(天津市地質(zhì)調(diào)查研究院，天津 300191)

津秦客運專線天津濱海北站地質(zhì)災害的現(xiàn)狀與預測

張像源，王 瑤，高俊杰，焦 洋，張 昕

(天津市地質(zhì)調(diào)查研究院，天津 300191)

津秦客運專線濱海北站是綜合交通樞紐站，是該專線的重要節(jié)點。本文基于該工程的地質(zhì)背景條件和地質(zhì)災害監(jiān)測資料進行分析，對其范圍內(nèi)的地面沉降、飽和粉(砂)土液化和水土腐蝕地質(zhì)災害的發(fā)育現(xiàn)狀進行探討與分析，并依次應用2階多項式回歸分析、標準貫入試驗法、取樣分析法分別進行了預測分析，結(jié)果表明在現(xiàn)狀條件下，本工程近五年地面沉降速率有所減緩，飽和粉(砂)土液化災害等級為輕微液化-中等液化，淺層水土腐蝕對工程基礎中的鋼筋混凝土的腐蝕性為中腐蝕。通過進行現(xiàn)狀分析和趨勢預測，從而為地質(zhì)災害防治和確保鐵路的安全運營提供信息。

津秦客運專線;濱海北站;地質(zhì)災害;現(xiàn)狀與預測

0 引言

津秦客運專線是國家中長期鐵路網(wǎng)規(guī)劃中的重要組成部分，起自天津站，止于秦皇島。目前，全線已經(jīng)進入鋪軌階段。位于天津境內(nèi)的站點之一的濱海北站位于濱海新區(qū)漢沽薊運河西側(cè)、茶淀鎮(zhèn)范圍內(nèi)，是集多種交通方式為一體的綜合交通樞紐站，服務范圍包括濱海新區(qū)漢沽、中新生態(tài)城、寧河縣等重要地區(qū)，建成后將成為這些地區(qū)對外服務輻射的重要節(jié)點。為此，本文將基于該工程的地質(zhì)背景條件分析，對其范圍內(nèi)的各類地質(zhì)災害的發(fā)育現(xiàn)狀進行探討與分析，并依據(jù)已有的地質(zhì)災害監(jiān)測資料進行趨勢預測，從而為地質(zhì)災害防治和確保鐵路的安全運營提供信息。

1 工程概況與地質(zhì)背景條件

1.1 工程概況

津秦客運專線濱海北站工程位于濱海新區(qū)漢沽薊運河西側(cè)，整個工程規(guī)劃包括站前廣場和規(guī)劃路二、廣場路一、廣場路二、廣場路三五個道路工程子項目，其中站前廣場規(guī)劃總面積1.88×104m2，道路總長1.251km，整體占地面積約6.67hm2(圖1)。

1.2 地質(zhì)背景條件

工程所處地貌單元為海積沖積低平原，整體地勢平坦，地面高程為0.3～4.0m，整體由東北向西南微傾，微地貌特征大部為溝渠、葡萄園等，土質(zhì)多為鹽化濕潮土類。

圖1 濱海北站工程平面位置示意圖Fig.1 Location sketch map of North Binhai Station

工程周邊發(fā)育有較大的漢沽斷裂、茶淀斷裂，二者均為活動斷裂［1］。地震活動和活動斷裂是影響本工程的主要內(nèi)動力地質(zhì)作用，也是影響本工程區(qū)域地殼穩(wěn)定性的主導因素之一，根據(jù)《中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖》(GB18306-2001)及《建筑抗震設計規(guī)范》(GB 50011-2010)，本工程地震設防烈度為Ⅷ度區(qū)，設計基本加速度值為0.20g。

工程場地勘察結(jié)果，所揭露的30m深度范圍內(nèi)地層均為第四紀松散沉積物，本場地天然地基(第一陸相層)缺失，軟土厚度一般在8m以內(nèi)，主要是淤泥質(zhì)土、黏性土(如粉土)，在20m以淺范圍內(nèi)，場地地層自上而下分別為人工填土層(Qml)、新近組古河道、洼淀沖積層()、第Ⅰ海相層()和第Ⅱ陸相層()，其中后二者存在可能液化的粉土層。

工程場地地下水類型均為第四系松散巖類孔隙水，多次海侵在垂向上第Ⅰ含水組為沖海積層()，全部為咸水，礦化度一般2～5g/L，地下水化學類型為Cl-Na型水，水位埋深3～6m，富水性差。咸水下伏的深層水(包括Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ含水組)為高水頭承壓淡水，分布廣，厚度大，是主要開采含水層。第Ⅱ含水組承壓水()、第Ⅲ含水組承壓水()、第Ⅳ含水組水()等深層水含水組富水性從西向東呈現(xiàn)增強的趨勢，礦化度一般小于0.5g/L，地下水化學類型為HCO3-Na型水。深層水是工程所在區(qū)域上的主要開采層，但近年來開采有減少趨勢。

2 地質(zhì)災害發(fā)育現(xiàn)狀

根據(jù)本工程所處的地質(zhì)環(huán)境條件，經(jīng)野外調(diào)查與監(jiān)測分析，確定本工程所在區(qū)域的主要地質(zhì)災害類型有:地面沉降、飽和粉(砂)土液化和水土腐蝕。

2.1 地面沉降

2.1.1 現(xiàn)狀

據(jù)調(diào)查，研究區(qū)內(nèi)分布若干眼機井，用于灌溉和生活用水。加之所在區(qū)域歷史上過量進行地下水的開采，且以第Ⅱ含水組最多，其次是第Ⅲ含水組，第Ⅳ組的開采量相對較少。利用工程區(qū)內(nèi)地面沉降監(jiān)測點的資料，經(jīng)過分析，除2006年沉降速率為20～30mm/a外，2007～2010年連續(xù)四年的年沉降速率值10～20 mm/a，且各年沉降速率值相對穩(wěn)定。從沉降監(jiān)測點沉降標高歷時曲線可以看出(圖2)，從2002年以來，具有逐漸減緩的趨勢，且逐年沉降速度較為穩(wěn)定。

圖2 GC1監(jiān)測點地面沉降標高歷時曲線圖Fig.2 Land subsidence elevation curve of monitoring point GC1.

2.1.2 原因分析

一般引起地面沉降的原因很多，綜合考慮工程沿線所處構(gòu)造部位、地下水開采等因素，認為影響地面沉降的原因除了自然因素外，大強度開采地下水，特別是深層地下水，產(chǎn)生大幅度水位下降，容易引發(fā)地面沉降［2-3］，這是由于超采破壞了地層內(nèi)原始應力平衡狀態(tài)，使孔隙水壓力降低，有效應力增加，所產(chǎn)生的附加荷載，使土層固結(jié)。這是產(chǎn)生地面沉降的主要原因。

2.2 飽和粉(砂)土液化

場地粉(砂)土液化指飽和松散砂土或粘聚力較弱的輕亞粘土在振動或地震等動荷載的作用下產(chǎn)生急劇的狀態(tài)改變和強度喪失，表現(xiàn)出類似液體性狀的現(xiàn)象。

砂土液化現(xiàn)象往往伴隨地震產(chǎn)生，通過野外調(diào)查時對年長村民的走訪，1976年唐山大地震期間，本工程范圍內(nèi)出現(xiàn)少量的噴砂、冒水現(xiàn)象。

2.3 水土腐蝕地質(zhì)災害

工程場地屬半干旱地區(qū)，淺層地下水為第四系孔隙水，地下水基本沒有開采，地下水動態(tài)多處于自然狀態(tài)，埋深穩(wěn)定，且一般小于2m，土層為弱透水層，地下水主要受到大氣降水及河水等地表水體滲透補給，處于臨界返鹽深度以上且地下水徑流遲緩，并以蒸發(fā)及補給地表水體等方式排泄，礦化度高，一般2～5g/L，地下水類型主要是 Cl-Na型水，Cl-含量較高，一般在500mg/L以上，因而對鋼筋混凝土中鋼筋有中腐蝕性。

受淺部海相地層廣泛分布和海水浸漬的影響，工程范圍發(fā)育大面積鹽化濕潮土，而氯離子是易溶鹽中的主要陰離子，屬氯化物鹽漬土，根據(jù)相關調(diào)查結(jié)果［4］，對鋼筋混凝土中鋼筋也有中等腐蝕性。

3 地質(zhì)災害發(fā)展預測

3.1 地面沉降預測

據(jù)勘察資料，本工程范圍內(nèi)地質(zhì)環(huán)境大體相同，但20m范圍內(nèi)存在一定的軟土層，受局部地下水開采、局部建筑和路橋施工等因素的影響，工程沿線產(chǎn)生不均勻沉降也是可能的。

隨著濱海新區(qū)城市建設和社會經(jīng)濟的快速發(fā)展，為減輕受害程度、控制地面沉降，天津市自1987年開始控制使用地下水，采取了一定的措施減緩了地面沉降的發(fā)展［5］。伴隨著引黃濟津、南水北調(diào)等工程的深入，外來水源很大程度上緩解了該區(qū)過于依賴地下水的壓力，而且政府的減采、控采規(guī)劃也正在逐步實施，受此影響，未來本研究區(qū)地面沉降規(guī)律總體為趨于減緩狀態(tài)。

據(jù)工程區(qū)多年的沉降觀測資料進行未來地面沉降量的預測，假設引發(fā)地面沉降的地質(zhì)環(huán)境背景因素、觸發(fā)要素維持目前較為穩(wěn)定的現(xiàn)狀，應用2階多項式回歸分析的理論進行預測，列出預測方程，預測該工程內(nèi)水準監(jiān)測點未來5年內(nèi)的累計沉降量、沉降速率及高程變化趨勢。據(jù) GC0、GC1兩個水準點1990～2010歷年觀測沉降量，進行回歸分析計算其變化趨勢方程式:運用上述方程分別預測了監(jiān)測點2012～2015年歷年累計沉降量(圖3、圖4)，并計算了其沉降速率，預測顯示:在當前影響地面沉降的自然和人為因素不變的前提下，到2015年，本工程近5年累計沉降量小于1000mm，平均地面沉降速率18mm/a，沉降變化總體呈現(xiàn)穩(wěn)中趨緩的規(guī)律，這一結(jié)論與現(xiàn)狀發(fā)展趨勢的判斷一致。

圖3 監(jiān)測點GC0累計沉降量趨勢預測歷時曲線圖Fig.3 Predicted accumulative land subsidence trend curves of monitoring point GC0

圖4 監(jiān)測點GC1累計沉降量趨勢預測歷時曲線圖Fig.4 Predicted accumulative land subsidence trend curves of monitoring point GC1

3.2 飽和粉(砂)土液化預測

工程在20m深度范圍內(nèi)存在粉土、粉砂層，依據(jù)《公路橋梁抗震設計細則》(JTG/T B02-01-2008)，采用標準貫入試驗法判斷地面以下20m深度范圍內(nèi)土的液化，當采用樁基或埋深大于5m的基礎時，判別15～20m范圍內(nèi)土的液化。當飽和土標準貫入錘擊數(shù)(未經(jīng)桿長修正)小于液化判別標準貫入錘擊數(shù)臨界值Ncr時，應判為液化土。

3.2.1 預測理論依據(jù)

在地面下15m深度范圍內(nèi)，液化判別標準貫入錘擊數(shù)臨界值按下式計算:

在地面下15～20m范圍內(nèi)，液化判別標準貫入錘擊數(shù)臨界值按下式計算:

式中:Ncr——液化判別標準貫入錘擊數(shù)臨界值;

N0——液化判別標準貫入錘擊數(shù)基準值，此處按細則取10;

ds——飽和土標準貫入點深度(m);

dw——地下水位(m);

ρc——黏粒百分含率(%)，當小于3或為砂土時，應采用3。

對存在液化土層的地基，根據(jù)探明的各液化土層的深度和厚度，按下式計算每個鉆孔的液化指數(shù)，并劃分地基的液化等級。

式中:IIE——液化指數(shù);

Ni、Ncri——分別為i點標準貫入錘擊數(shù)的實測值和臨界值;

di——i點所代表的土層厚度(m);

Wi——i土層單位土層厚度的層位影響權函數(shù)值(m-1)。

3.2.2 預測結(jié)果

依據(jù)標準貫入試驗對場地前20m深度范圍的粉土層，本場地在抗震設防烈度8度條件下，對8個測點進行預測計算，結(jié)果表明，局部點存在地震液化點，液化指數(shù)為4.02、9.77，液化等級為輕微液化-中等液化，其余測點不液化。

3.3 水土腐蝕地質(zhì)災害的危險性預測

根據(jù)《公路工程地質(zhì)勘察規(guī)范》(JTG C204-2011)第K.0.3條，擬建場地環(huán)境類型為Ⅱ類，按照環(huán)境類型，進行野外取樣分析，淺層地下水Cl-含量500 ～1600 mg/L，含量72～700mg/L，水化學類型Cl-Na型，PH值7.38～8.42，呈弱堿性。按照規(guī)范相關規(guī)定，淺層地下水對混凝土結(jié)構(gòu)的腐蝕性為弱腐蝕，而在干濕交替環(huán)境下，對工程基礎中的鋼筋混凝土的腐蝕性為中腐蝕(表1)。

鹽漬化土類型為中鹽漬化土，據(jù)監(jiān)測資料表明，天然狀態(tài)下，濱海新區(qū)淺部土層(0～100cm)含鹽量受降雨影響年內(nèi)變化大，但年際變化較小;深部土層沒有明顯退鹽現(xiàn)象［4］，因此在工程設計和施工時將采取一定防護措施，且工程建設不會引發(fā)水土腐蝕加重，土地利用方式可能會發(fā)生一定的改變，但對工程區(qū)水土腐蝕現(xiàn)狀影響不大。

表1 淺層地下水對鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中鋼筋的腐蝕性Table 1 Steel corrosion by shallow groundwater in reinforced concrete structure

3.4 綜合預測

綜上所述，本研究區(qū)不良地質(zhì)災害受地質(zhì)環(huán)境要素和觸發(fā)要素的控制，按照“就高不就低”的原則，預測未來其在現(xiàn)狀條件下中等發(fā)育，因而本工程建設未來可能遭受地質(zhì)災害危害的可能性存在，應引起有關建設部門的重視。

4 初步認識

在綜合調(diào)查和綜合分析區(qū)域地質(zhì)、水文地質(zhì)、工程地質(zhì)、災害地質(zhì)資料的基礎之上，確定影響研究區(qū)工程的地質(zhì)災害種類主要有地面沉降、飽和粉(砂)土液化和水土腐蝕。根據(jù)預測，在當前影響地面沉降的自然和人為因素不變的前提下，到2015年，本工程近5年平均地面沉降速率18mm/a，累計沉降量小于1000mm，較之歷史沉降速率有所減緩，這與政府實施的控沉措施不無關系;而飽和粉(砂)土液化局部等級為輕微液化-中等液化，在干濕交替環(huán)境下，淺層水對工程基礎中的鋼筋混凝土的腐蝕性為中腐蝕。在未來，只要對其予以高度重視，因地制宜加強地質(zhì)災害對工程影響的監(jiān)測力度，同時采取必要的防治規(guī)劃措施和工程措施，如合理控制研究區(qū)內(nèi)地下水開采量，調(diào)整區(qū)域工業(yè)布局，采取工程防震、防腐蝕措施等等，通過合理選擇對比，選擇最佳防治方案［2］，均可有效地預防或減少地質(zhì)災害對本工程的危害。

［1］天津市地質(zhì)礦產(chǎn)局.天津市地質(zhì)環(huán)境圖集［M］.北京:地質(zhì)出版社，2004:41.

Tianjin Bureau of Geology and Mineral Resources.Tianjin geological environment atlas［M］.Beijing:Geological Publishing House，2004:41.

［2］陳夢熊.中國水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)問題研究［M］.北京:地震出版社，1998:332-334.

CHEN Mengxiong.Research on Chinese hydrogeology and environmental geology issues［M］.Beijing:Earthquake Publishing House，1998:332-334.

［3］王家兵.控制地面沉降條件下天津深層地下水資源持續(xù)利用［J］.水文地質(zhì)工程地質(zhì)，2007，34(4):80-84.

WANG Jiabing.The sustainable use of deep groundwater resources on condition of ground subsidence control［J］.Engineering Geology and Hydrogeology，2007，34(4):80-84.

［4］李繼軍，等.天津城市地質(zhì)調(diào)查報告［R］.天津:天津市地質(zhì)調(diào)查研究院，2010.

LI Jijun，et al.Survey report on Tianjin urban geology［R］.Tianjin:Tianjin Geological Survey，2010.

［5］吳鐵鈞，崔小東，牛修俊，等.天津市地面沉降研究及綜合治理［J］. 水文地質(zhì)工程地質(zhì)，1998，25(5):17-20.

WU Tiejun，CUI Xiaodong，NIU Xiujun，et al.A research on Tianjin ground subsidence and its integrated management［J］.Engineering Geology and Hydrogeology，1998，25(5):17-20.

Present situation and trend prediction of geological hazards of North Binhai Station on Tianjin-Qinhuangdao passenger dedicated line

ZHANG Xiang-yuan1，WANG Yao，GAO Junjie，JIAO Yang，ZHANG Xin
(Tianjin Geology Investigation ＆ Research Institute，Tianjin，Tianjin 300191，China)

North Binhai station is a crucial transportation junction of Tianjin-Qinhuangdao Passenger Dedicated Line.This paper，based on the analysis of North Binhai Station geological condition and existing geological disaster monitoring data，first analyzes the station’s present geological disaster situation including land subsidence，saturated silts/sands liquefaction and water and soil corrosion.Then the paper gives a predictive analysis of above geological disaster situation through second-order polynomial regression model analyses，standard penetration test and sampling respectively.And the result indicates that in the next five years，if the current situation remains，land subsidence will slow down，saturated silts/sands liquefaction grade will be light liquefaction to middle liquefaction and shallow groundwater and soil corrosion will be moderately corrosive.By the analysis and projection above，this paper intends to provide useful information for the geological disasters prevention and safe railway operation.

Tianjin-Qinhuangdao passenger dedicated line;north Binhai station;geological disaster;present situation and trend prediction

1003-8035(2012)03-0057-04

P642

A

2012-06-04;

2012-07-03

張像源(1970—)，男，高級水工環(huán)工程師，現(xiàn)在從事水工環(huán)地質(zhì)專業(yè)及信息系統(tǒng)研發(fā)等方面的工作。

E-mail:qzhangxy@vip.qq.com