京广高铁郑州段地面沉降原因分析

夏飞雪，姚 青，聂明军

(河南省地质矿产勘查开发局第二地质环境调查院，河南郑州450053)

京广高铁从黄河花园口一带通过，在北至黄河南至陇海铁路之间，分布有郑州北郊水源地、黄河渔场地下水集中开采区和城市建设区众多的基坑排水。为监测此带地面沉降的时空变化规律，沿京广高铁线布设了地面水准高程点，进行了长时间连续的系统监测，结果表明:本段线路2010年1月至2012年6月地面水准点高程变化对比可知，铁路沿线地面沉降呈中间低两端高的漏斗状，2010年1月与2012年1月相比较，黄河至陇海铁路之间地面水准点高程大部分测点下沉了30～40 mm，最大为45.6 mm，而两端测点下沉了2～3 mm。通过调查认为，地面沉降的差异变化与地下水开采强度、地质沉积环境相关。

1 地质环境

地貌属黄河冲积扇平原区，形成于全新世。黄河冲积扇的形成机制比较复杂，新老冲积扇相互叠置。由于黄河多次改道及频繁的决口泛滥，在黄河两岸形成了放射状相间分布的古河道高地，河槽洼地、沙岗高地、泛滥洼地等波状起伏的地形。依据遥感解译及地貌成因和形态的差异将沿线区间地貌划分为砂土岗地区、冲泛平原区、黄河漫滩区。

1.1 砂土岗地区

分布于陇海铁路以南、以郑州市圃田乡西营岗、小王庄、东刘庄一线为界。形成于全新世。地势较高，地面标高在95～116 m，高出黄河泛流平原区10 m左右。地势西南高东北低，坡降为2.5‰，地表岩性为粉细砂，有后期形成的风成砂丘分布，砂丘一般高3～5 m。砂丘由松散的黄色细砂、粉细砂组成，砂丘地带有人工种植的槐树林。现砂丘已基本固定。

1.2 冲泛平原区

分布于黄河两岸广大地区。形成于全新世晚期，地形平坦，有零星砂丘分布。黄河以南西北高东南低，倾向东南。地面标高在82.2～85.0 m，地面坡降为 0.17‰。地表岩性以粉质粘土、粉土、粉细砂为主。依据微地貌细分为泛流平地、背河洼地二个亚区。

此区为1938年5月19日，蒋介石采取“以水代兵”的办法，炸开花园口，造成人为的黄河决堤，形成大片的黄泛区。花园口决堤形成的决口扇，黄河泥沙在此处沉积厚度15～20 m，沉积时间距现在也只有70余年，地层固结时间短，鱼塘遍布，淤泥质土分布较广，地层松软，承载力较小，压缩性高。

1.3 黄河漫滩区

分布于黄河南北大堤之间，受黄河大堤控制，黄河泥沙在河道中落淤使河道抬高。近几百年来使黄河形成典型的地上“悬河”。现堤内地面标高在90 m左右，已高出堤外地面5～7 m。

2 地下水开采情况

本段处在地下水强烈开采地段，为郑州北郊水源地及渔业区，开采井密度大。北郊水源地规划开采量20万 m3/d。北郊水源地主要开采层位是浅层含水层组(潜水－微承压水)和中深层含水层组(承压水)，开采井主要分布在八堡、凌庄、马头岗一带。浅层水取水井取水量为100 m3/h，开采时间为24 h连续开采。深层水取水井取水量为50 m3/h，24 h连续开采。

此带鱼塘大面积分布，鱼塘用水以开采地下水为主，开采井密度大，井深一般小于70 m。鱼塘井开采时间为每年4月至10月，年开采天数约200 d，每天开采4～5 h，每小时抽水50～60 m3。

地下水的强烈开采，在此带已经形成地下水位降落漏斗。地下水位埋深由开采前的2～3 m变为现在的10～20 m，最大降深值20 m左右。

连霍高速以南为郑东新区城市建设区，建筑物密集，主要为基坑降水、城市建设用水和零星的地热井开采。在郑州东站一带，为郑州地铁1号线，从郑州东站下面穿过，在地铁开挖和建设中，大量集中抽降地下水。因城市建设过程中生产生活的需要，城市建设供水井开采在此处也较大。

3 地下水开采强度与地面沉降的相关性

3.1 黄河至连霍高速区间

本段共调查水井114眼，其中距铁路200 m以内有54眼，距铁路200～500 m有13眼，距铁路500～1 000 m有19眼，距铁路1 000 m以上有28眼。本段约有郑州市北郊水源地深层水取水井10眼，浅层水取水井35眼。鱼塘用水均为开采地下水为主，鱼塘大面积分布，开采井密度较大。

此段地下水开采较强烈，年开采水量大，超过3 510万m3，使得地下水位呈持续下降状态，在此带已经形成地下水位降落漏斗，地下水位埋深由开采前的2～3 m变为现在的10～20 m，地下水下降明显，导致本段产生较大沉降。地面水准点2010年1月至2012年1月间沉降33.5～42.3 mm。同时地面沉降速率与抽水强度有明显的相关性，沉降速率在抽水高峰期有所增大，4～10月为鱼塘井抽水高蜂期、抽水强度高、沉降速率加快，10月份以后鱼塘井抽水量大幅减少、抽水强度降低、沉降速率减缓。

3.2 连霍高速至郑州东站区间

本段为郑东新区城建区，主要为基坑降水、城市建设取水井和零星的地热井开采。本段共调查水井21眼，其中距铁路200 m以内有9眼，距铁路200～500 m有9眼，距铁路1 000 m以上有3眼。因城市建设过程中生产生活的需要，城市建设用水量较大。在郑州东站一带，铁路周边高层建筑密集，地铁1号线横穿车站中心，存在大量基坑开挖抽排地下水。

受基坑降水、城市建设需要，此段地下水开采较强烈，年开采水量大，使得地下水位呈持续下降状态，由原来的埋深2～3 m变为现在的6～10 m。局部基坑降水使地下水位下降20余米。地面水准点2010年1月至2012年1月间沉降37.8～45.6 mm。

3.3 郑州东站以南

本段共调查水井2眼，均距铁路1 000 m以上。此段地下水抽采很小。地面水准点2010年1月至2012年1月间沉降0～1.4 mm。

4 地面沉降的防护措施

4.1 完善防灾组织管理及强化施工管理

地面沉降是一种具有隐蔽性、累进性等特点的地质灾害，防治的基本原则应该是以监测、预防为主，防治结合，并坚持依法治理地面沉降。考虑在工程沿线一定范围内应设立保护区，在保护区范围内进行的各类工程建设活动需经管理部门论证和批准。

4.2 沿线抽水井关闭与限采

应对沿线农用井、影响较大的水源地水井和常年开采的其他水井进行关闭或限采，具体如下:

(1)建议对线路左右两侧200 m范围内农用井进行关闭，线路两侧300～500 m范围内水井应进行限制开采，新开水井距离线路两侧不小于500 m。

(2)建议对线路两侧1 000 m范围内常年连续开采的水源地供水井进行关闭。新开水源地供水井距离线路两侧不小于2 000 m。

4.3 沿线路附近基坑工程设计建议

沿线附近建筑物基坑工程施工，对位于线路700 m范围内的建筑物基坑降水工程，基坑重要性等级应设定为一级，设计应充分考虑降水施工对高速铁路的影响，并采取有效措施防止地下水位发生较大变化。如采用轻型井点降水，在实际工程中根据地下水位变化情况，确定轻型井点启动时机;增加止水帷幕，预留适当的回灌井;控制每次土方开挖的区块大小和深度;施工过程中应加强地下水位和变形监测，并加密观测频次。

4.4 建立沿线地面沉降长期监测网络

建立地下水位、地面沉降及高速铁路工程变形的地面沉降灾害综合监测网。实时监控地下水位变化、地面高程变化、轨道平顺度、变形等指标。

5 结语

根据郑东新区地面沉降与地下水开采强度、地下水位变化的动态相关性调查，认为地下水抽采是地面沉降产生的主要影响因素。郑东新区存在大面积的欠固结土，地下水抽采使得土中的重力水渗出，形成负孔隙压。根据太沙基的有效应力原理，地下水位下降使有效应力增加，导致土体颗粒发生压缩变形，地基产生固结沉降。

地面沉降可能影响到京广高铁的正常平稳运行，建议对沿线200 m以内的开采井关闭。在200 m以内不产生新的开采井，在2 000 m以内不允许建设新的水源地。

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