地面沉降地區高速鐵路工程地質選線

趙明東

(中國鐵路設計集團有限公司，天津 300142)

地面沉降具有初期不易察覺、地域性明顯等特點，尤其是不均勻沉降，對鐵路等線形工程危害巨大[1]。在地面沉降多發區的工程地質選線中，必須充分考慮地面沉降對鐵路的影響。已有許多學者進行了相關研究：李國和等通過統計線路所在地區的沉降量，分析不均勻沉降給線路帶來的影響，提出適宜的防治對策與工程措施[2]；武濤采用現場調查、物探和鉆探等手段，對某煤田礦區的小范圍地面沉降進行了研究[3]；祁彪采用統計分析方法對某鐵路段落的地面沉降進行了分析，認為鐵路運營會加劇不均勻沉降[4]。雖然眾多學者對地面沉降的影響做了大量研究，但使用InSAR空間對地觀測技術來指導工程地質選線的研究還較少。以某高速鐵路東營-濰坊段為例，采用InSAR空間對地觀測技術等綜合勘察手段，對該地區地面沉降情況進行研究。

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

1 地面沉降對高速鐵路的影響

地面沉降又被稱為地陷和地面下沉，是由于人類的活動或自然因素導致的地殼表層松散土固結壓縮、地面高程下降的工程地質現象[8-9]。地面沉降主要有三種形式：構造沉降、抽水沉降和采空沉降[10-11]，其中抽水沉降和采空沉降被學術界認為是形成地面沉降的主要原因。

按照沉降形式，地面沉降可分為區域沉降和局部沉降。區域沉降會降低高鐵的絕對高程，產生附加坡度，降低線路抵抗災害的能力，并對行車安全產生影響；局部沉降尤其是局部差異性沉降，會造成線路的不平順，嚴重影響竣工后的行車安全。

2 InSAR空間對地觀測技術

2.1 InSAR技術工作原理

InSAR(Synthetic Aperture Radar Interferometry)是一種遙感技術與射電天文干涉技術相結合的新興空間對地觀測技術[12-13]。其通過兩幅以上的SAR圖像共軛相乘求取的相位差獲得干涉圖像，進而計算出地表的微小變化。該技術具有全天候、全天時、高分辨率、高精度和數據處理高自動化等特征，且不受地形和人為因素的干擾，在多個領域的研究應用中取得了很好的效果[14-15]。

2.2 InSAR地面沉降監測結果分析

在本次研究中，InSAR數據源選取2016年12月～2018年12月的德國TerrSAR-X衛星數據。圖1為東營-壽光地區(以下簡稱“研究區”)的InSAR監測結果。從圖1中可以看出，在研究區范圍內存在東營廣饒鹽場和東八路村落兩個主要的沉降片區。其中，東營廣饒鹽場沉降區的面積為145.5 km2，東八路村落沉降區的面積為11.3 km2。

在東營廣饒鹽場沉降區范圍內，出現了5個(A、B、C、D、E)顯著的沉降漏斗區。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范圍內，存在F、G兩個沉降漏斗，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InSAR監測結果

3 地面沉降現場調查

3.1 村落地面沉降調查

東八路村落沉降區為村莊群落，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年底均已關停(見圖2)。深水井建井時間為2013～2015年，井深約為300 m。該批深水井抽取深度大，抽取水量大(見表1)，是造成該區域地面沉降的主要因素。經現場調查，截止到目前，水井井筒相對頂出高度約為30 cm(見圖3)。

圖2 村落周圍廢棄的鹵水井

村莊北部一處倉庫墻體出現開裂現象，裂縫與地面呈45°，長度約為1.5 m，寬度約為1.5 cm；村莊東部一民房后墻體出現兩處開裂現象，裂縫與地面呈90°，長度約為4 m，寬度約為0.5～1 cm；村莊南部一民房前屋檐出現一處開裂現象，與地面平行，延伸到房屋墻體處有兩處放射狀開裂，開裂總長度約為2 m，寬度約為0.5～1.5 cm(見圖3)，其他村落民房無開裂情況。

表1 村落沉降區水井調查

3.2 東營廣饒鹽場片區地面沉降調查

該鹽場片區靠近渤海，地層較疏松，且在2015年前后新建設一大批開采深度超過200 m的深層鹵水井，每眼鹵水井的日抽水量約為240 m3。

該鹽場片區涉及多個鹽場化工企業，因此片區內鹵水井個數無法準確計量。通過面積輻射法對片區內鹵水井的個數進行統計：相鄰兩個鹵水井的平均間距約為80 m，即鹽場片區內單個鹵水井的輻射面a=80×80=6 400 m2，該鹽場片區的總面積約為A=145 528 173 m2，故鹽場片區鹵水井的總數N=A/a=22 738眼。深層鹵水的大量開采造成了該鹽場片區高速率、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)。兩個方案的有利因素和不利因素如表2所示。

圖4 研究區方案比選示意

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段穿越東營廣饒縣的大面積鹽場片區，穿越長度為6.15 km，InSAR圖像顯示，該區域為沉降漏斗中心區，沉降速率均超過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，勢必使線路受到大規模不均勻沉降的影響。繞北辛莊方案雖然在施工中會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，而且避開了大規模的地面沉降區，由圖4可以看出，線路經過村落主沉降區的西側，該區域的沉降速率僅為0～11 mm/a，線路與沉降等值線的外擴線方向一致，避免了線路的不均勻沉降，極大降低了鐵路建成后的運營風險和后續處理地面沉降的巨額投資。因此，從地質專業角度，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采

線路附近過度開采地下水，會改變該地區地下水的水位和流向，形成降落漏斗，進而出現不均勻地面沉降。針對該地區地下淡水開采引起的地面沉降問題，給出的工程措施建議為：鐵路線位兩側3 km范圍內禁止開發新的地下水開采點，加強含水層自然修復、地下水人工回灌，并加強地面沉降監測。

針對鹽場鹵水礦開采引起的地面沉降問題，給出的工程措施建議為：鐵路線位兩側200 m范圍內嚴禁開采鹵水，并加強地面沉降監測等措施；針對農田灌溉引起的地面沉降問題，建議鐵路線位兩側200 m范圍內嚴禁開采地下水，并加強地面沉降監測。鐵路部門和當地政府的相關部門應緊密合作，完善鐵路沿線的水資源管理制度[15-16]。

5.2 鐵路施工應對措施

在該地區，建議線路整體以橋梁形式通過。在施工過程中，應對不均勻沉降的措施有：(1)根據預測計算結果給出橋梁工程坡度。(2)在沉降區附近，橋梁工程應盡可能使用簡支梁等簡單易修復的形式。

6 結論

(1)采用InSAR空間對地觀測技術和現場調查等綜合勘察手段查明了研究區的地面沉降分布和影響范圍，鹽場片區和村落區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采和村落周邊農田灌溉對深層地下水的大量開采。

(2)給出了線路在研究區內兩個走向方案的比選意見：繞北辛莊方案的線路設計里程較短、線形更加順直，繞避了東營廣饒鹽場大面積地面沉降區，在跨越村落沉降區時，沿沉降漏斗等值線穿過，避免了線路的不均勻沉降，降低了鐵路建成后的運營風險和后續處理地面沉降的巨額投資。

(3)提出了線路在地面沉降區設計施工的措施建議：①控制線路附近地下水的開采；②盡量以橋梁形式通過沉降區并選用合理的坡度。