鲁南高铁菏曲段区域地面沉降的防治.pdf

DOI:10.13379/j.issn.1003-8825.202304034开放科学（资源服务）标识码（OSID）鲁南高铁菏曲段区域地面沉降的防治王亚男（中国国家铁路集团有限公司工程质量监督管理局，北京100038）摘要：区域地面沉降已成为近年来影响高铁达速运营的关键原因之一，鲁南高铁菏曲段建设过程中通过开展变形观测发现部分地段观测数据长期不能收敛，结合沿线水井、矿井排查和 InSAR 解译成果，确定沉降因素主要为地下水开采和采空区影响。本文分别论述了地下水开采和采空区对区域地面沉降的影响，在鲁南高铁菏曲段建设经验基础上总结了预防和整治措施，可为其他高铁建设控制区域地面沉降提供参考。关键词：高铁；区域地面沉降；地下水开采；采空区；预防整治中图分类号：P642.26文献标志码：A文章编号：1003 8825(2023)04 0194 04 0 引言截至 2022 年底，我国高铁运营总里程已达4.2 万 km，列车高速运营的安全性和舒适度对沉降提出了严格限制要求，高铁无砟轨道路基工后沉降值15 mm，无砟轨道简支梁墩台基础工后沉降值20 mm。但是，从近年来铁路建设和运营经验看，沉降问题尤其是区域地面沉降多发，控制高铁沿线区域地面沉降是建设和运营中的一项重要课题。1 工程概况鲁南高铁菏曲段东起济宁市管辖的曲阜市，西至菏泽市牡丹区，正线长 160.750 km，其中桥梁141.211 km，其余均为路基，于 2019 年 1 月开工建设。在建设中通过沉降变形观测发现部分区段持续下沉，根据 20162018 年沿线 InSAR 解译沉降量和 CPI 水准测量结果，鲁南高铁沿线沉降量，见图 1。全线存在不同程度的沉降，其中 DK276DK279、DK306DK313、DK360DK419 共 3 个区段沉降量较大，最大沉降量达 90.5 mm。2 原因分析鲁南高铁菏曲段沿线各地区存在不同程度的地下水开采问题，2018 年济宁、菏泽两市地下水年开采总量约 13.86 亿 m3，其中约 12.06 亿 m3为浅层孔隙水，主要用于农业灌溉。DK270DK317段线路经过兖州、济宁两大煤田，距线路 2 km 范围内分部有 7 座煤矿，埋深 2001 200 m，沿线矿区分布，见图 2。10080604020020DK256DK268DK280DK296DK306DK318DK333DK354DK366DK382DK392DK406DK419CPIInSAR里程沉降量/mm图120162018 年鲁南高铁沿线沉降量 图2沿线矿区分布（亮黄色为采空区）地下水开采和采空区问题同时存在，二者造成地面沉降的机理不同，但都具有影响范围广、滞后性、不可恢复性等特点，应坚持预防为主的治理原则，针对性制定控制措施，以减少对高铁安全运营 收稿日期：2023 04 19作者简介：王亚男（1986），男，河南信阳人。工程师，主要从事铁路工程质量监督与管理工作。E-mail：。路基工程 194 Subgrade Engineering2023 年第 4 期（总第 229 期）的影响。2.1 地下水开采对地面沉降的影响 2.1.1 地下水开采引起地面沉降的成因降水引起的地面沉降主要由两部分组成：一部分沉降是有效应力增大引起地基土的压缩沉降，地下水被开采后，土体的总应力基本不变，孔隙水压力由于地下水位下降而减小，有效应力增大，土体压缩变形引起地面沉降。回灌后孔隙水压力恢复，压缩的土层将发生部分反弹，黏性土大部分沉降量无法恢复1。另一部分沉降由于地下水开采时土中细颗粒连同地下水一起被抽走，在上部土体重力的作用下，土体重新组合产生沉降，该部分沉降不可恢复。2.1.2 降水影响半径铁路设备设施应处于水井降水影响范围之外，影响半径可通过水文地质试验确定，缺少试验资料时也可用下式估算：库萨金公式（适用于潜水含水层）为R=2skH（1）吉哈尔特公式（适用于承压水含水层）为R=10sk（2）RskH式中：为降水影响半径，m；为井内水位降深，m，不足 10 m 时取 10 m；为土层渗透系数，m/d；为潜水含水层厚度，m。以 DK276DK279、DK366DK419 两处沉降漏斗为例。DK276DK279 段潜水含水层以中砂为主，含水层厚度23.70 m，综合渗透系数7.00 m/d，单井深 35.0060.00 m，利用式（1）计算不同降深下的影响半径，可知井内水位每下降 10.00 m，影响半径增加 257.60 m。DK366DK419 段含水层为粉土、粉细砂，局部夹中粗砂，含水层厚度50.00240.00 m，综合渗透系数 1.74 m/d，单井深 300.00500.00 m，利用式（2）计算不同降深下的影响半径，可知井内水位每下降 10.00 m，影响半径增加 131.91 m，且水井距线路越近，线路处水位下降程度越明显，水位降深与距水井距离关系，见图 3。铁路安全管理条例对高铁沿线地下水禁采作出了要求，目前多数项目采用的是 200 m 范围内禁止抽取地下水。有关资料表明：当含水层为粉细砂，渗透系数为 18 m/d，抽水量控制在 5 000 m3/d以内时，降水影响半径一般不超过 200 m2。因此，需要在建设过程中，设计单位结合水文地质、开采层位、水井降深、水井半径、抽水量、沉降变形观测、地下水位监测等资料，就各类水井的降水影响范围和管控措施进一步提出要求，建设单位要与地方政府沟通协商，由地方政府牵头做好地下水禁采、限采工作。051015202525.851.577.3103.0128.8154.6180.3206.1231.8257.6283.4309.1334.9360.6386.4412.2437.9463.7489.4515.2地下水位下降深度/m距水井距离/m降深20 m降深15 m降深10 m（a）DK276DK279段地下水位下降深度/m010203040506026.452.879.1105.5131.9158.3184.7211.1237.4263.8290.2316.6343.0369.3395.7422.1448.5474.9501.3527.6554.0580.4606.8633.2659.5距水井距离/m降深10 m降深20 m降深30 m降深40 m降深50 m（b）DK366DK419段图3水位降深与距水井距离关系 2.2 采空区对地面沉降的影响 2.2.1 采空区引起地面沉降的成因地下矿层开采后，采空区顶板岩层失去支撑，在自重和上部岩层重力的作用下，产生弯曲变形，当拉应力超过顶板的抗拉强度时，顶板发生破碎、冒落，称为冒落带；其上岩层沿层理面法线方向发生离层、裂隙，称为裂隙带；岩层的弯曲变形发展到地表形成小型凹地，随着开采范围逐步扩大最终形成移动盆地。移动盆地的位置形状与矿层、岩性、地质构造、地下水、开采条件等因素有关3。2.2.2 移动盆地边界与线路安全距离铁路选线时应绕避大型、重要矿区以及规划矿区，与采空区塌陷影响范围保持一定的安全距离，高铁保护煤柱受护范围应在路基坡脚、路堑顶边缘、桥梁基础外边缘、隧道建筑限界外 51 m4。3 沉降整治在建设阶段通过开展沉降变形观测，发现部分地段沉降数据长期不能稳定，全线于 2019 年 6 月对沿线水井进行排查，在确定不同类型水井的影响半径后，经与地方政府协商，对 DK252+000DK321+000 段线路两侧 300 m 范围内和 DK321+王亚男：鲁南高铁菏曲段区域地面沉降的防治 195 000DK419+050 段线路两侧 200 m 范围内的浅层、中层水井进行关闭，1 km 范围内的水井根据开采规划管控，新开水井距线路不得小于 1 km。对沉降敏感区段内桥梁设置调节范围60 mm 的可调支座。采取封井、限采措施后，2019 年 8 月份之后上述区段的沉降量逐渐恢复稳定。DK276+350DK279+925 段线路右侧 1.54.5 km 范围内为某煤矿区域，选线时已避开采空区影 响 边 界。通 过 对 比 分 析 2017 2018 年 的InSAR 解译等沉线结果，发现该段沉降漏斗中心持续向线路移动，地面沉降已影响线路安全。通过大能量可控震源车，可控大地电磁法深源物探手段和走访核实重新对采空区进行探明，明确了采空区边界，发现了该煤矿不按规划方案开采的问题。为了更适宜区域环境和养护维修的需要，将 DK276+350DK279+925 段调整为有砟轨道，同时与煤矿企业重新划定禁采范围，要求其严格按照压覆协议开采。2018 年末该煤矿停采后，根据20192020 年InSAR 解译结果，沉降漏斗中心无变化，下沉量无明显增大，至 2020 年已稳定，见图 4。进一步验证了该区段沉降特征与该煤矿的平面分布和开采历程相符。（a）2019年2月NWES线路方案煤矿开采工作面01 km高:15.6347201902/mm低:29.4281（b）2020年7月高:3.26704202007/mm低:168.348NWES线路方案煤矿开采工作面01 km图42019 年 2 月2020 年 7 月 InSAR 干涉云图 工程主体建设完成后，对重点区域沉降地段设置了自动监测预警系统，及时掌握地面和铁路设备设施变形情况，有效确保轨道平顺性和运营安全。全线于 2021 年 12 月份开通运营至今，变形监测数据保持稳定，线路状态正常。4 鲁南高铁区域沉降防治给我们的启示铁路沿线开采地下水主要由农业灌溉、工业生产所致，具有开采无规划、开采量不可控、季节抽水不均衡、防控难度大等特点，矿区开采同样具有实施隐蔽性、影响滞后性、治理难度大等特点。在防治上是一项任重道远的事情，受人为因素影响较大，需要多部门多方位协调配合，保证铁路工程安全。（1）坚持预防为主原则，合理优化选线方案。选线时应绕避正在开采或者规划开采的地下水源地，无法绕避的，应查明区域沉降范围，提出防治方案，确保线路安全通过。针对采空区，应系统全面收集区域地质资料、矿区规划、开采方案等，结合实地调查、沉降观测、物探等手段，查明开采层位、开采方式、沉降变形等情况，进行场地稳定性评价，确保线路与采空区的安全距离满足要求。（2）建立与政府和企业沟通协调机制，落实各方责任。在建设、运营过程中，建设、运营单位要与地方政府、矿区企业加强沟通，分类提出对地下水和矿井限采、禁采的建议，由政府牵头建立行政管理制度，强化对地下水和矿井开采的管理，加强对沿线水井、矿井的排查和管控。（3）在行政管理的基础上，兼顾民生关怀。铁路沿线抽水主要用于农业灌溉和工业取水，在工程造价中可适当考虑给予耕种补贴或解决水源等费用，提高居民配合意愿，从根本上解决封井后复采、偷采问题。（4）加强对区域地面沉降变形的监测。设计单位要对地面沉降变形进行设计，建立起水准测量、基岩标、分层标以及 InSAR 监测等单一监测手段或多种监测手段组成的监测网络。在建设和运营中定期对地面和高铁设备设施开展监测，发现数据异常及时查明原因，并采取相应措施。（5）在地下水位变化影响显著的区段，建立水位远程自动监测系统。及时掌握水位变化的特征和趋势，分析农业用水、工业用水、新增水井和季节性因素等造成水位变化的影响，识别水位变化的主要原因，判别其发展趋势，为线路附近地下水抽取管理和线路运营维护提供技术支持。（6）加强构筑物基础刚度和上部结构强度，增加可维护性措施。如减少路基段采取桥梁跨越，梁型选用简支结构，桥梁基础采用合理的布置形式和桩长5，桥梁支座采用可调支座，采取有碴轨路基工程 196 Subgrade Engineering2023 年第 4 期（总第 229 期）道、调高量较大的扣件等方式。（7）在建设、运营过程中监测到发生地面沉降的，应分析原因并采取相应措施。调整地下水开采方案，避免集中开采模式，优化开采层位，进行回灌等方式。对于浅层采空区可对冒落带、裂隙带中的孔隙进行注浆加固处理6。针对煤矿可采用充填法全部充填，或采用房柱式、条带式开采等，以减少地表变形。铺轨前结合沉降变形观测数值对轨面标高进行调整，以消除施工期间沉降影响7。运营过程中发生沉降的，可通过调整扣件系统、道碴厚度、桥梁支座高度、路基地段注浆抬升等方式调整轨面标高，确保线路平顺性和稳定性。5 结语通过开展沉降变形观测，发现鲁南高铁菏曲段沿线区域地面沉降隐患。结合 InSAR 解译成果，区分不同地段沉降的成因，针对沿线地下水和煤矿开采问题，采取禁采限采、调整轨道形式、增设可调支座等措施，及时消除了区域地面沉降隐患，确保了鲁南高铁菏曲段的顺利验收和安全运营。该项成果可为加强高铁建设区域地面沉降防治提供参考。参考文献(References)：1 邓帅,马涛.华北平原区域沉降分析及对高速铁路的影响 J.铁道勘察,2013,39(2):39 42.DOI:10.3969/j.issn.1672-7479.2013.02.014.DENG S,MA T.The analysis of regional subsidence of North Chinaplain and the influence on high-speed railwayJ.Railway Investigationand Surveying,2013,39(2):39 42.DOI:10.3969/j.issn.1672-7479.2013.02.014.2 李国和,张建民,张嘎,等.水井抽水引起地基沉降影响范围探讨 J.铁道工程学报,2014,31(12):23 27,32.DOI:10.3969/j.issn.1006-2106.2014.12.005.LI G H,ZHANG J M,ZHANG G,et al.Exploration on the influencescope of ground settlement due to pumping groundwaterJ.Journal ofRailway Engineering Society,2014,31(12):23 27,32.DOI:10.3969/j.issn.1006-2106.2014.12.005.3 铁道部第一勘察设计院.铁路工程地质手册 M.2 版.北京:中国铁道出版社,1999.The First Survey and Design Institute of the Ministry of Railways.Handbook of railway engineering geologyM.2nd ed.Beijing:ChinaRailway Publishing House,1999.4 国家安全生产监督管理总局.建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规范 M.北京:煤炭工业出版社,2017.State Administration of Work Safety.Code for coal pillars reserving andmining coal under building,water,railway and main tunnelM.Beijing:China Coal Industry Publishing House,2017.5 范建国.区域地面沉降地区铺设无砟轨道的应对措施研究 J.铁道建筑,2008(增刊 1):146 149.DOI:10.3969/j.issn.1003-1995.2008.z1.040.FAN J G.Study on countermeasures of ballastless track-laying in area ofregional surface settelementJ.Railway Engineering,2008(S1):146 149.DOI:10.3969/j.issn.1003-1995.2008.z1.040.6 严栋.铁路采空区工程地质勘察及稳定性评价 J.铁道工程学报,2014(4):11 14,56.DOI:10.3969/j.issn.1006-2106.2014.04.003.YAN D.Engineering geological investigation and evaluation on stabilityof coal gob area for railwayJ.Journal of Railway Engineering Society,2014(4):11 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factors were groundwaterextraction and the coal gob area.This article discusses the impact of groundwater extraction and coal gob area onregional land subsidence,and summarizes prevention and governance measures based on the constructionexperience of the Hequ section of the Lunan high-speed railway.It can provides reference for other high-speedrailway construction to control regional land subsidence.Key words:high-speed railway；regional land subsidence；groudwater exploitation；coal gob area；prevention and governance王亚男：鲁南高铁菏曲段区域地面沉降的防治 197