楊傳偉

(山東省魯南地質(zhì)工程勘察院/山東省地勘局第二地質(zhì)大隊(duì)，山東 兗州 272100)

高速鐵路為滿足安全、舒適的要求，對地面沉降特別是工后沉降控制非常嚴(yán)格[1]。而修建在厚層、巨厚層第四系地層上的高速鐵路，存在不同程度地抽取地下水引起地面沉降的問題，這也是地面沉降現(xiàn)象中發(fā)育最普通、危害性最嚴(yán)重的一類[2-3]。如位于華北平原、黃河沖積平原的石武客運(yùn)專線，局部地段由于超采地下水，就存在地面沉降風(fēng)險(xiǎn)性問題[4-5]。

新建魯南高鐵菏澤至曲阜段起點(diǎn)位于曲阜市南辛鎮(zhèn)小煙莊東南0.1 km，向西經(jīng)曲阜市、兗州區(qū)、濟(jì)寧市、嘉祥縣、巨野縣、鄆城縣至牡丹區(qū)，終點(diǎn)位于菏澤市牡丹區(qū)馬廟西南0.3 km，正線全長160.750 km。另外包括曲阜段兩條聯(lián)絡(luò)線及菏澤段一條動走線。其地形地貌、工程地質(zhì)條件、水文地質(zhì)條件和石武客專非常相似，位于黃河沖積平原，沿線多個城鎮(zhèn)(如菏澤及濟(jì)寧等)曾大量抽取地下水，導(dǎo)致沿線形成多個以城鎮(zhèn)為中心的降水漏斗，地面沉降已在近20 a內(nèi)出現(xiàn)[6-9]，為評價沿線抽取地下水對魯南高鐵菏曲段的影響，并為后續(xù)高鐵安全運(yùn)營提供可靠的依據(jù)，研究地面沉降易發(fā)性分區(qū)以及提出針對性的防治對策顯得非常必要。

1 評價指標(biāo)權(quán)重的確定

本文采用模糊層次分析方法[10-11]，根據(jù)地面沉降危險(xiǎn)性評價指標(biāo)體系，依據(jù)粘性土層累積厚度、地面沉降速率和地下水開采量三個指標(biāo)對產(chǎn)生地面沉降的影響大小[12-13]，劃分評價指標(biāo)隸屬度關(guān)系(表1)，構(gòu)建模糊一致矩陣(R)[14]。

表1 評價指標(biāo)隸屬度劃分表

根據(jù)表1，得出矩陣：

根據(jù)構(gòu)造的模糊一致矩陣，經(jīng)數(shù)學(xué)變換后，利用下式求解各個指標(biāo)的權(quán)重值Wi：

式中：n為矩陣R的階數(shù)，α=(n-1)/2。

經(jīng)計(jì)算，得到粘性土層累積厚度、地面沉降速率和地下水開采量三個評價指標(biāo)的權(quán)重分別為0.533，0.333和0.134。

2 單指標(biāo)分區(qū)及特征值確定

根據(jù)已完成的魯南高鐵菏曲段地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性評估報(bào)告建議及審查、建設(shè)等方面要求，針對沿線不同地區(qū)地面沉降的特征，確定魯南高鐵菏曲段沿線地面沉降地質(zhì)災(zāi)害專項(xiàng)評估的范圍：線位兩側(cè)各10 km，面積約3 800 km2。在充分獲取研究區(qū)資料基礎(chǔ)上，經(jīng)過嚴(yán)格地分析并結(jié)合區(qū)內(nèi)實(shí)際情況，繪制單指標(biāo)分區(qū)圖，并對評價指標(biāo)進(jìn)行等級劃分，按照1～100分值對各個等級進(jìn)行量化。

1-粘性土層累積厚度小于50 m；2-粘性土層累積厚度介于50～100 m；3-粘性土層累積厚度介于100～150 m；4-粘性土層累積厚度介于150～200 m；5-粘性土層累積厚度介于200～250 m；6-粘性土層累積厚度介于250～300 m；7-粘性土層累積厚度大于300 m；8-高鐵線路及里程號；9-研究區(qū)范圍

2.1 粘性土層累積厚度分區(qū)

厚層、巨厚層粘性土層分布是造成地面沉降的主要內(nèi)因[15-16]。魯南高鐵荷曲段沿線為黃河沖積平原、山前傾斜濱湖沖積平原，局部為剝蝕殘丘區(qū)。地勢總體呈北高南低，東西高中間洼的南傾凹形。沿線以新生界第四系地層為主，主要巖性為含砂礫石粘土、亞粘土、粘土質(zhì)粉細(xì)砂等，第四系各類成因的松散堆積物全線廣袤分布，厚度變化大，從東往西厚度逐漸增加，濟(jì)寧附近約100～200 m，菏澤附近約300～400 m。根據(jù)收集鉆孔資料，統(tǒng)計(jì)得到研究區(qū)內(nèi)粘性土層累計(jì)厚度數(shù)據(jù)，結(jié)合MAPGIS的空間分析功能，繪制出了區(qū)內(nèi)粘性土層累積厚度分區(qū)圖(圖1)，并對各等級指標(biāo)進(jìn)行量化、賦值(表2)。

表2 粘性土層累積厚度各等級量化與賦值表

1-沉降速率小于30 mm/a；2-沉降速率介于30～60 mm/a；3-沉降速率大于60 mm/a；4-高鐵線路及里程號；5-研究區(qū)范圍

2.2 地面沉降速率分區(qū)

基于研究區(qū)2014年1月～2018年12月期間InSAR地面沉降速率實(shí)測數(shù)據(jù)，將地面沉降速率分成3個區(qū)(圖2、表3)，地面沉降速率大于30mm/a的地區(qū)集中位于菏澤城東區(qū)域，主要因?yàn)樵搮^(qū)存在過量開采深層地下水的情況。

表3 地面沉降速率各等級量化與賦值表

2.3 地下水開采量分區(qū)

研究區(qū)的地面沉降漏斗中心與深水井的分布有一定的相關(guān)性，深層地下水的開采是引起地面沉降的主要因素[8-9]。根據(jù)調(diào)查及收集資料，按照區(qū)縣對地下水開采量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，將其分成5個區(qū)(圖3、表4)，其中年開采量大于2.2億 m3的主要集中在菏澤和濟(jì)寧城區(qū)附近。

3 地面沉降易發(fā)性分區(qū)

利用MAPGIS空間分析功能，將已繪制好的粘性土層累積厚度分區(qū)圖、地面沉降速率分區(qū)圖和地下水開采量分區(qū)圖網(wǎng)格化后進(jìn)行疊加運(yùn)算，即得到地面沉降易發(fā)性分區(qū)圖(圖4)。再提取地面沉降易發(fā)性分區(qū)圖中的“zhzb”屬性字段，將其從小到大分為四個區(qū)間(表5)。

1-地下水開采量億小于1.3 m3/a；2-地下水開采量億介于1.3～1.6 m3/a；3-地下水開采量億介于1.6～1.9 m3/a；4-地下水開采量億介于1.9～2.2 m3/a；5-地下水開采量億大于2.2 m3/a；6-高鐵線路及里程號；7-研究區(qū)范圍

1-地面沉降不易發(fā)性區(qū)；2-地面沉降低易發(fā)性區(qū)；3-地面沉降中易發(fā)性區(qū)；4-地面沉降高易發(fā)性區(qū)；5-高鐵線路及里程號；6-研究區(qū)范圍

表5 研究區(qū)地面沉降易發(fā)性分區(qū)表

3.1 地面沉降不易發(fā)區(qū)

DK252+000～DK302段、DK312+800～DK334段：綜合屬性值小于30，該區(qū)段主要分布于高鐵沿線除濟(jì)寧城區(qū)外的嘉祥縣—曲阜市一帶，粘性土層累積厚度多小于100 m，地面沉降速率多小于30 mm/a，含水層結(jié)構(gòu)較為單一，富水性好，有節(jié)制的過量開采地下水不會引發(fā)地面沉降。

3.2 地面沉降低易發(fā)區(qū)

DK302～DK312+800段、DK334+800～DK343段：綜合屬性值介于30～50，該區(qū)段主要分布于嘉祥縣臥龍山鎮(zhèn)—巨野縣麒麟鎮(zhèn)及濟(jì)寧市李營街道北至高鐵線一帶，粘性土層累積厚度較小，地面沉降速率多小于30 mm/a，含水層夾有粘土層，富水性較好，有節(jié)制的過量開采地下水，一般不易發(fā)生地面沉降。

3.3 地面沉降中易發(fā)區(qū)

DK343～DK384+600段：綜合屬性值介于50～70，該區(qū)段主要分布于巨野縣麒麟鎮(zhèn)—鄆城縣唐廟鎮(zhèn)及濟(jì)寧城區(qū)李營街道一帶，粘性土層累積厚度較大，除濟(jì)寧城區(qū)李營街道附近外，地面沉降速率多小于30 mm/a，過量開采地下水較易引發(fā)地面沉降。

3.4 地面沉降高易發(fā)區(qū)

DK384+600～DK419+050段：綜合屬性值大于70，該區(qū)段主要分布于鄆城縣唐廟鎮(zhèn)至菏澤東城區(qū)一帶，粘性土層累積厚度均大于250 m，地面沉降速率較大，尤其在菏澤城東區(qū)域地面沉降速率多大于30 mm/a，過量開采地下水易引發(fā)地面沉降。

4 地面沉降防控措施與建議

建成后的魯南高鐵菏曲段將是山東省交通運(yùn)輸大動脈，其安全運(yùn)行影響到國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展與社會穩(wěn)定。為確保該項(xiàng)工程的永久穩(wěn)定，應(yīng)加強(qiáng)地面沉降管理，建立地面沉降災(zāi)害綜合監(jiān)測網(wǎng)。并從引起地面沉降的原因出發(fā)，對鐵路周邊一定范圍的抽水井點(diǎn)采取禁采、限采措施，嚴(yán)禁新增對鐵路安全有影響的抽水井點(diǎn)。同時，應(yīng)該從工程措施設(shè)計(jì)(如軌道形式選擇、橋梁可調(diào)支座選擇、軌面擬合調(diào)整等)、施工質(zhì)量保證和運(yùn)營的監(jiān)測預(yù)警等，即從工程技術(shù)上把地面沉降對線路的影響降到最小。

4.1 管理措施

區(qū)域性地面沉降危害是巨大的，直接影響到國土、水利、城建、交通以及工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的各個行業(yè)單位[17]。應(yīng)對這種跨地區(qū)的涉及多部門的地質(zhì)災(zāi)害，首先要建立一支由主管部門牽頭，相關(guān)單位參加的防災(zāi)領(lǐng)導(dǎo)小組，統(tǒng)一規(guī)劃全區(qū)的地下水開采管理和地面沉降防控目標(biāo)。其次是必須針對地面沉降地質(zhì)災(zāi)害出臺地方性法規(guī)，從預(yù)防、監(jiān)測、治理、管理各個方面明確相關(guān)責(zé)任義務(wù)，突出開采地下水、工程建設(shè)等人類活動的地質(zhì)環(huán)境屬性，同時對地面沉降的監(jiān)測、評價等技術(shù)問題作出明確規(guī)定。

4.2 監(jiān)測措施

在區(qū)域已有地面沉降監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上[18]，以魯南高鐵菏曲段沿線為重點(diǎn)，建立由基巖標(biāo)、分層標(biāo)、水準(zhǔn)點(diǎn)、地下水位觀測孔組成的立體監(jiān)測網(wǎng)，綜合運(yùn)用InSAR、GPS、RS、GIS等技術(shù)[19]，實(shí)現(xiàn)地面沉降數(shù)據(jù)的自動采集、遠(yuǎn)程傳送、快速處理，以便實(shí)時監(jiān)控鐵路施工和運(yùn)營中的沉降與地下水位變化。同時，加強(qiáng)與地方環(huán)境監(jiān)測總站合作，從地質(zhì)結(jié)構(gòu)，水文地質(zhì)條件，工程地質(zhì)條件，數(shù)值模擬等多方面研究地面沉降機(jī)理，加強(qiáng)監(jiān)測數(shù)據(jù)分析，進(jìn)行地面沉降災(zāi)害綜合研究，為規(guī)避地質(zhì)災(zāi)害提供科學(xué)依據(jù)。

4.3 地下水開采的合理控制措施

地下水的全面禁采是為遏制地面沉降快速發(fā)展而采取的非常舉措，地下水作為一種優(yōu)質(zhì)天然資源，具有地表水無法比擬的優(yōu)勢，在國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)中占據(jù)重要地位。只要合理開發(fā)，完全可以做到避免地面沉降前提下的資源最優(yōu)配置，發(fā)揮其應(yīng)有的價值。

首先，從工程環(huán)境的保護(hù)上對沿線地下水開采進(jìn)行合理控制，轉(zhuǎn)變城市供水方式，避免集中開采模式，優(yōu)化開采層位，逐漸減小開采強(qiáng)度或開采量，使地面沉降逐漸減少或趨緩；其次，高鐵沿線附近分布有集中供水水源地，開采地下水會嚴(yán)重影響高鐵工程的地區(qū)，應(yīng)當(dāng)與相關(guān)部門協(xié)商實(shí)施關(guān)停部分供水井點(diǎn)或限量開采地下水；最后，嚴(yán)禁審批對鐵路沉降有影響的新增水源地或抽水井點(diǎn)[20]。

考慮到抽水引起地面沉降的復(fù)雜性，為確保鐵路工程的安全，結(jié)合抽水井點(diǎn)降深與影響距離綜合分析，建議對線路兩側(cè)200～300 m范圍農(nóng)業(yè)與工業(yè)水井和中深層或深層承壓水深井進(jìn)行關(guān)閉；線路兩側(cè)200～1 000 m范圍水井應(yīng)進(jìn)行根據(jù)地方壓采計(jì)劃進(jìn)行控制，嚴(yán)禁新增許可水量；新開井點(diǎn)距離線路左右兩側(cè)不小于1 000 m；對水源地等開采量大的水井，建議對線路兩側(cè)3 000 m以內(nèi)禁止抽水；對于巖溶水抽水井，由于水力聯(lián)系比較復(fù)雜，建議5 km范圍內(nèi)嚴(yán)格控制開采，并設(shè)置地下水的長期監(jiān)測；對線路附近的城市建筑物基坑抽水，建議對線路兩側(cè)500 m范圍內(nèi)的建筑物基坑降水設(shè)計(jì)應(yīng)充分考慮對鐵路工程變形的影響，應(yīng)當(dāng)由政府部門會同鐵路管理機(jī)構(gòu)組織進(jìn)行安全論證，需保證離開鐵路足夠距離，不得降低鐵路范圍地下水位，否則不宜采用抽水措施。

4.4 工程措施

(1)考慮到DK276+350～DK277+307段、DK279+181～DK279+926段、DK281+910～DK282+900段、DK285+000～DK287+000段、DK306+600～DK313+000段、DK362+000～DK379+550段沉降量較大，局部不均勻沉降明顯，建議以上橋梁段落設(shè)置可調(diào)支座預(yù)留沉降措施。

(2)采空塌陷會造成地表一定程度的變形，形成塌陷坑范圍較大，對高鐵的安全運(yùn)營造成影響。對于線路兩側(cè)靠近線位的煤礦應(yīng)嚴(yán)格控制開采，距離線位兩側(cè)2km范圍內(nèi)的煤礦向線位方向開采時，應(yīng)根據(jù)地表變形監(jiān)測情況，提出切實(shí)可行的開采計(jì)劃，逐步開采，逐步確認(rèn)安全距離；在確保開采范圍不影響線路安全的情況下，并報(bào)當(dāng)?shù)卣块T及鐵路管理部門，征求各部門意見，經(jīng)同意后，進(jìn)行合理規(guī)劃的開采，不得越界開采。如DK276+350～DK279+926段右側(cè)1.5～4.5 km范圍內(nèi)為古城煤礦，2016年勘測期間，線路選線已避開其采空區(qū)安全影響邊界。本次沉降分析中，發(fā)現(xiàn)其塌陷區(qū)漏斗中心向線路方向移動，線路穿過區(qū)域累計(jì)沉降量達(dá)55～95 mm，建議DK276+350～DK279+926段鋪設(shè)有砟軌道，與DK279+926～DK281+910段有砟軌道相連，消除沉降影響，橋梁段設(shè)置可調(diào)支座預(yù)留沉降措施，同時加強(qiáng)地面沉降監(jiān)測措施。

5 結(jié)語

(1)采用模糊層次分析方法，綜合考慮粘性土層累積厚度、地面沉降速率、地下水開采量三個評價指標(biāo)對地面沉降影響，利用MAPGIS技術(shù)劃分地面沉降易發(fā)性分區(qū)，將魯南高鐵菏曲段評估范圍劃分為地面沉降高易發(fā)區(qū)、地面沉降中易發(fā)區(qū)、地面沉降低易發(fā)區(qū)和地面沉降不易發(fā)區(qū)四個區(qū)間。其中，地面沉降高易發(fā)區(qū)主要分布在DK384+600～DK419+050段，該區(qū)段位于鄆城縣唐廟鎮(zhèn)至菏澤東城區(qū)一帶，粘土層累積厚度均大于250 m，地面沉降速率較大，過量開采地下水易引發(fā)地面沉降。

(2)鑒于高鐵沿線引起地面沉降的主要因素是地下水的超采，合理控制地下水開采，對鐵路周邊一定范圍的抽水井點(diǎn)采取禁采、限采措施是十分必要的。同時，還應(yīng)加強(qiáng)主管部門對地面沉降的管理，建立沿線地面沉降長期監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，加強(qiáng)地面沉降災(zāi)害研究；并在鐵路建設(shè)期間采取適宜的工程措施，以確保鐵路建設(shè)及運(yùn)營的安全。