基于長時序水準監測數據的北京東北部地區地面沉降趨勢分析

陶 燦 曹成度 滕煥樂 閔 陽

(中鐵第四勘察設計院集團有限公司，湖北武漢 430063)

地面沉降對城市建設及經濟發展有著顯著的負面影響，如北京市的地面沉降對于北京周邊在建和運行的高速鐵路網、南水北調工程等眾多基礎線性工程的影響尤為突出[1-2]。其中，高速鐵路對軌道的平順性有著非常嚴格的要求，區域地面沉降對高速鐵路的影響主要表現為降低線路設計高程、引起線路坡度變化、造成線下工程沉降差異等，嚴重時可能造成結構破壞、影響軌道平順性并危及正常安全運營[3]。因此，實時和全方位掌握地面沉降動態與發展趨勢至關重要，可為高速鐵路的設計施工與運營管理提供基礎數據和技術支持，也有助于地面沉降研究與防治工作。

近幾年，國內很多學者對北京地區地面沉降的發育現狀、成因機理、監測方法、發展趨勢等方面進行了大量研究。研究結果表明：隨著北京市政建設的高速發展及地下水持續超采，北京市地面沉降仍處于持續快速發展的階段，沉降區面積也在不斷擴大[4]，尤其是東部地區已經成為北京地面沉降發育最顯著的區域[5]。王榮通過研究發現，地面沉降對運營中的京津城際鐵路橋梁、路基及軌道平順性都會產生影響[6]；楊艷分析了沉降對其線路坡度的影響[7]；劉運明以北京地鐵14號線工程建設為背景展開研究，發現當軌道交通穿越沉降漏斗區和沉降帶時，會對城市軌道交通線路的建設及運營產生非常大的不利影響[8]。

目前，國內對于高速鐵路的沉降監測主要采用水準測量網、GPS監測網[9]、InSAR監測網[10-11]和地下水動態監測網[12]等方法。其中，高速鐵路水準測量網是對鐵路兩側一定范圍內的地面沉降現狀進行監測，確定地面沉降范圍、速率、幅度及其與線路的關系的方法[13-14]。以下采用傳統的高精度水準測量方法，對北京市東北部區域二等水準點四年時序的監測數據進行分析，得到北京東北部沉降區的變化分布規律。

1 精密高程控制網情況

為滿足高速鐵路施工和運營需要，按照《高速鐵路工程測量規范》(TB10601—2009)相關技術要求，以分級布網、逐級控制的原則，于2014年5月建立了精密測量控制網，并于2015年12月進行了第一次精密工程控制網復測，2016年9月進行了第二次精密工程控制網復測。

建網和復測均采用1985國家高程基準。聯測國家水準點4個(I京通2、I京通6、I沙懷11和I沙懷10新)、京滬高鐵基巖點1個(JY01)、深埋水準點4個(SMBM1001、SMBM1002、SMBM1003和SMBM1004)及其他二等水準BM點32個。通過對起算點穩定情況的分析，認為國家水準點I京通2、I沙懷10新和橋墩深埋點SMBM1004較為穩定，并將其作為平差起算點對全段落水準點進行平差計算，水準路線見圖1和圖2。

圖1 高程控制網水準路線

圖2 高程控制點分布

2 高程控制點年監測結果(2014～2016)

以某高速鐵路為例，該鐵路通過北京東北部沉降漏斗區，從DK0引出至DK60處區域沉降情況較為嚴重。對2014年4月～2016年9月(為期兩年半)的三次水準監測數據進行統計分析，結果如表1和圖3所示。

表1 高程點沉降量比較

圖3 累計沉降量分析

從表1和圖3可以看出，該區域沉降體現了不均勻性。沉降量最大的區域為國家鐵道試驗中心鐵路環行試驗線，在2014年4月到2015年12月(一年零八個月的時間內)，沉降量最大的點位沉降量超過200 mm，年均沉降量為120.3 mm；從2014年4月到2016年9月(兩年零五個月的時間內)，其沉降量為294.5 mm，年均沉降量為121.86 mm。

沉降次大的區域主要集中在高麗營鎮和馬泉營村，在2014年4月到2015年12月(一年零八個月的時間內)，兩個地區沉降量最大的點位分別沉降了122.8 mm和108.2 mm，年均沉降量分別為73.68 mm和64.92 mm；在2014年4月到2016年9月(兩年零五個月的時間內)，分別沉降了176.3 mm和170.4 mm，年均沉降量分別為72.95 mm和70.51 mm。從上述統計數據可以得出，在沉降量較大的幾個沉降點(即圖3中波谷點位)，2014～2015和2015～2016兩年間的年均沉降量較為接近且沉降均勻[15-16]。

3 高程控制點年監測結果(2016～2018)

2016年9月起，對DK0～DK60精密工程控制測量高程網進行兩個月一次的高程控制網復測，以獲取最新的水準控制網成果。截止2018年9月，一共開展了12次復測，其中有連續性統計的點位為36個，其中有2個國家水準點、3個深埋水準點和31個二等水準點(見表2)，其整體趨勢見圖4，可體現出沉降的區域性和季節性。

從表2和圖4可以看出，該區域2016年～2018兩年間的沉降依舊體現了不均勻性，北京東四環、黃港和懷柔地區沉降量相對較小，沉降量最大的區域依舊位于國家鐵道試驗中心鐵路環行試驗線，該區域東側的BM1006號點最大年沉降量達到了109.4 mm，兩年累計沉降量達到了198.7 mm，年均沉降量為99.3 mm。同2014年～2016年的監測結果類似，與這一片區相鄰的馬泉營村和北京正北六環外高麗營鎮的點位沉降量也較大，馬泉營村的BM10071號點最大年沉降量達到了59.8 mm，兩年累計沉降量達到了104.5 mm，年均沉降量為52.3 mm；高麗營鎮的BM1013號點最大年沉降量達到了44.1 mm，兩年累計沉降量達到了87.7 mm，年均沉降量為43.9 mm。

表2 2016～2018兩個月一次的高程點復測成果

圖4 2016年～2018年兩個月一次的高程點復測累計沉降量曲線

4 高程控制點月監測結果(2016～2018)

以2016年9月份的數據為參照，每兩個月一次的復測結果如表3、圖5和圖6，從兩年的時序數據可以看出，最大的累計沉降量在BM1006號點，里程為DK19+463，其位置在國家鐵道試驗中心鐵路環行試驗線區域的東側；兩年內累計沉降量小于10 mm的點位均在DK49+026里程以后，該區域處在北京順義區和懷柔區交界的位置。

表3 每兩個月一次復測結果與2016年9月單期沉降量的比較

圖5 2016年～2018年每兩月一次的復測高程點累計沉降量曲線

圖6 2016年～2018年每兩月一次的復測高程點單期沉降量曲線

圖5和圖6是以2016年9月成果為基準，開展2個月一次復測的成果，從2016年9月～2018年9月統計的累計沉降量曲線和單期沉降量曲線可以看出：2016年9月至2017年3月的成果相對較為穩定，沉降量較小；從2017年11月～2018年1月的成果比較來看，沉降量也相對較小，該月份部分位置累計沉降量曲線甚至出現了重合的狀況。從該季節性的表現可以推測，北京地區冬季地下水消耗量較少，小于降雨補給量，并且凍結后地面沉降相對較為穩定。從圖5中紅色區域和圖6的深紫色曲線可以看出，2017年6月的沉降量有一個突然的明顯增大。結合前人的研究結果，北京地面沉降與地下水開采具有很大的相關一致性[14]，其原因一方面是由于4月地下水凍融后會產生一定的地面沉降，另一方面是由于6月～8月為北京夏季用水高峰期，地下水抽取嚴重，兩方面因素導致了較為嚴重的地面沉降。3月～11月的沉降量也表現出局部沉降較大的情況，說明在北京東北部區域，春夏季6月～8月的沉降量較大，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月的沉降量較小，即3月～11月是每年的沉降發生較為明顯的月份。

5 結論

采用傳統的水準測量方法，對北京東北部在建工程的二等水準點2014年4月～2018年9月四年半時序的監測數據進行了分析，對其地面沉降的情況和趨勢進行了總結，得到以下結論。

(1)北京市東北部地區的地面沉降仍然處于快速發展階段，沉降量較大的區域比較固定，其年均沉降量較為穩定均勻，最大的年均沉降量在10 cm左右。

(2)北京市距離市區較近的人口密集區域表現出沉降的不均勻性，其中國家鐵道試驗中心鐵路環行試驗線區域、馬泉營鎮、順義區高麗營鎮的沉降都較為嚴重。北京東四環和黃港地區沉降量相對較小，監測數據表明，從順義區進入懷柔區后地面沉降明顯變小。

(3)北京東北部地區整體的沉降情況隨著季節的變化體現了不同的沉降趨勢，春夏季6～8月份的沉降量較大，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月份的沉降量較小。這表明北京地區冬季地下水消耗量較少，小于降雨補給量，并且凍結后地面沉降相對較為穩定。而6月～8月份為北京夏季用水高峰期，地下水抽取嚴重，因而在人口密集的區域表現出了較為嚴重的地面沉降。

(4)利用每兩個月復測一次的高程更新成果，對線路及已完工工程的實際高程進行了檢測，并與設計高程進行對比分析，準確地掌握區域地面沉降及其對在建高速鐵路施工的影響。根據檢測結果，必要時可調整施工圖紙等設計資料，確保同步推進的施工工點能平順對接，并為后續高速鐵路線路運營維護提供沉降觀測資料和沉降監測方法。