鲁南高铁沿线地面沉降现状及原因分析

岳建刚

(中铁第四勘察设计院集团有限公司，湖北武汉 430063)

鲁南高铁位于山东省西南部经济隆起带的临、枣、济、菏发展轴。近年来，随着城市建设节奏的加快，地下水需求与日俱增，导致沿线部分地区地下水位出现了持续下降的趋势，形成了多个以城镇为中心的沉降漏斗(以菏泽城区、济宁城区最为明显)。因不同区域内沉降速率和沉降幅度存在差异[1]，鲁南高铁沿线的地面沉降也存在不均匀性。为了控制地面沉降继续发展，菏泽市提出了“禁止超量开采地下水、引水入塘、工程蓄水”等治理措施[2]；张文治等[3]对济宁地区1989～2002年间的地面沉降监测数据进行了统计分析；周建伟等[4]结合济宁城区的自然地理等条件，研究了地面沉降的成因，认为济宁城区地面沉降主要是因为超采地下水所致，与新构造运动无关；韩飞等[5]根据监测资料，研究了济宁地区地面沉降与地下水位下降的关系，认为地下水位下降是导致区域性地面沉降的直接原因；姜明丽等[6]根据济宁地区矿区分布、地下水的补给条件，对其地面沉降进行了预测；张静等[7]基于InSAR技术，研究了盘锦地区地面沉降的演变规律；徐中华等[8]分析了地面沉降的机理并预测了未来的地面沉降量；胡卸文等[9]根据地面沉降量与地下水位的关系，得出了不同开采量、不同开采时间与地面沉降量的关系；崔昭[10]分析了基坑降水与地面年沉降量的关系，并提出了应对措施；张辉等[11]研究了深层地下水开采与地面沉降的关系，认为监测网络需控制监测单元的面积及分布；段晓飞[12]研究了鲁北平原的地面沉降与地下水位的相互关系；李绍武[13]介绍了中国城市地面沉降和岩溶塌陷的现状与成因，并提出了相应的防治对策；熊隽[14]对天津地区的地面沉降问题和地下水开采状况进行了研究；赵东明等[15-16]研究了抽采地下水引发的地面沉降对高铁建设的影响，并提出了针对性的防治措施。

根据已有的研究成果，分析鲁南高铁沿线济宁和菏泽区域的地层分布特征、岩溶发育程度、煤矿采空区分布特征、地下水抽采情况等，并有针对性地提出了控沉措施及建议。

1 高铁沿线地面沉降现状

鲁南高铁主要经由曲阜市，济宁市兖州区、任城区、汶上县和嘉祥县，菏泽市巨野县、郓城县、定陶区和牡丹区。以京杭大运河为界，主要划分为汶泗河冲洪积平原和黄河冲积平原两大地貌单元(见图1)。

沿线大部分段落第四系地层埋深超过200 m，菏泽段超过400 m。由于自然因素或人类工程活动加剧，引发了第四系松散岩类固结压缩并导致了地表一定范围内的地面沉降现象，目前已形成了以济宁城区、菏泽城区为中心的降落漏斗区。

图1 沿线地貌单元划分

沿线地面沉降监测资料及水准测量资料显示，济宁及菏泽地区存在明显的地面下沉(济宁地区累计沉降量为6～20 cm)。1988～2005年间，济宁地区地面沉降速率为17～18 mm/a(见图2)；在采取限采措施后，2013～2017年间，地面沉降速率稳定在6 mm/a(见图3)。菏泽地区沉降亦较明显，2002～2003年间，最大沉降速率近27 mm/a(见图4)，其中，超过50%的区域沉降速率大于10 mm/a；2004年后，菏泽市采取了限采措施，地面沉降速率有所趋缓，2014～2015年间，地面沉降速率为5～15 mm/a(见图5)。

图2 济宁市地面沉降等值线(1988～2005)

图3 济宁市地面沉降等值线(2013～2017)

图4 菏泽市地面沉降等值线(2002～2003)

图5 菏泽市地面沉降等值线(2014～2015)

依据2016～2018年的SAR卫星影像资料，采用常规D-InSAR和时序InSAR相结合的解译方法，综合分析鲁南高铁沿线地表的形变特征。采用D-InSAR方法处理得到的差分干涉图能够直观反映不同时段地表形变情况，可从定性角度确定沉陷形态。而时序InSAR分析方法则可以获取连续时段内的累计沉降量。

图6 鲁南高铁2016～2018年InSAR解译地表形变离散点

在现场调查的基础上，对InSAR的解译成果进行分析(见图6)，沿线地面沉降主要分为以下4段：兖州段DK272～DK284、巨野段DK366～DK372、济宁段DK306～DK318，DK390～419段，以上段落沉降量较大。

提取InSAR解译范围内鲁南高铁沿线的地表形变数据(见图7)，鲁南高铁2016～2018年地面沉降量在-95～12 mm之间，年沉降速率为0～32 mm/a。

其中，沉降较为明显的段落主要有3段。DK276+350～DK279+926段：累计沉降量为51.139～95.382 mm，沉降差为0.378～30.122 mm/km，不均匀沉降较明显。通过走访调查，该段范围内无集中供水水源地，且地下水位一直处于稳定的状态，初步分析该段范围的沉降主要由煤矿采空区所致，其地表形变符合采空塌陷影响特征。

图7 鲁南高铁2016～2018年沿线地面沉降分布及沉降

DK306+600～DK313+000段：累计沉降量为27.212～55.488 mm，沉降差为0.677～25.650 mm/km。该段范围左侧为济宁开发区，地下水开采量较大，导致地下水位持续下降，可认为该段范围的沉降主要由超量开采地下水所致(整体处于均匀沉降的状态)。

DK360+545～DK419+050段：累计沉降量为9.917～92.472 mm，沉降差为0.756～2.217 mm/km。该段范围右侧为菏泽工业园区，监测资料显示，该段范围内地下水位呈逐年下降的趋势，形成了以工业园区为中心的水位下降漏斗，地面沉降的趋势基本与地下水位下降趋势一致，可认为该段范围的沉降主要由超量开采地下水所致(整体处于均匀沉降的状态)。

2 高铁沿线地面沉降原因

地面沉降是一种全球性的城市地质灾害，其影响具有区域性、缓变性和累计不可逆性[6]。地下水位下降，第四系松散岩类被压缩，导致地表发生沉降，高铁轨道的平顺性受到影响。此外，地表沉降还导致土体对桩基础产生负摩阻力，进而影响桩基承载力。

综合分析鲁南高铁沿线的地质构造及地层分布特征，造成地面沉降的原因主要有区域构造运动、超采地下水、城市建设、采空区塌陷、岩溶塌陷等因素。

2.1 构造运动

新构造运动在鲁西南地区的主要表现形式为地壳形变[3]，根据近20年的地壳形变资料，华北平原地区地壳整体上以小于3 mm/a的速率稳定沉降，局部表现出一定的差异性，如沿线济宁地区有升有降，嘉祥至郓城为上升区，菏泽为下降区。在菏泽市区的工程勘察过程中，曾发现了大量的人和动物骨片，巨野县也发现了古塔下沉被埋的现象，这些文化层的现象也说明沿线新构造运动仍在继续。

因此，鲁南高铁沿线地面沉降与新构造运动相关，但因其沉降量小，且具有整体下沉的特性，不会产生显著的局部不均匀沉降，不会对高铁运营产生影响。

2.2 地下水超采

太沙基一维固结理论认为：饱和多孔介质可以看作等效的连续介质，其总应力与孔隙压力的差被视为有效应力。土颗粒本身的压缩量很微小，在研究中可以忽略，骨架的压缩只有通过颗粒的排列变化(拓扑变化)来实现，即只有通过颗粒接触点传递的有效应力，才能引起土的变形和影响土的强度。因此，超量抽采地下水造成饱和土孔隙水压力消散，引起土颗粒间有效应力的增加，是土层发生压缩变形的基本机理[8]。

(1)济宁地区地下水利用特征

济宁属于汶泗河冲洪积地貌区，主要接受第四系全新统和更新统的沉积，以粉质黏土、粉土、中-细砂为主，第四系地层厚度为0～200 m，曲阜段局部分布有剥蚀残丘，基岩出露。[10]根据第四系埋藏特征、水文地质特征及地下水赋存条件等，将济宁段地下水划分为浅层孔隙水含水岩组、中深层孔隙水含水岩组、深层孔隙水含水岩组。其水文地质特征见表1。

表1 济宁段第四系含水岩组水文地质特征

济宁段抽采的地下水主要为浅层孔隙水及中深层孔隙水，一般用于农业灌溉以及城镇工业和居民生活用水。因浅层孔隙水接受大气降水及地表水的补给，其水位变化幅度不大，一般情况下可以达到采补平衡，对地面沉降的影响较小。而中深层孔隙水接受补给量少，补给来源单一，集中抽水后易形成降落漏斗，水位逐渐下降，压缩层固结压缩，导致地面发生形变。

InSAR解译成果分析表明，DK306+600～DK313+000段线位两侧均出现多个不同大小的沉降漏斗，地下水的变化情况显示，济宁城区中心地下水位呈逐年下降的趋势，2014～2018年，地下水位由原来的27 m下降至25 m，地表也出现一定程度的变形。因此，该段沉降是因为过度抽采中深层孔隙水，上部土层被压缩，进而引发的地面沉降。

根据走访调查，济宁城北开发区有多处大型水井。资料显示，供水水源地向城北方向发展，地面沉降也在逐渐向北延展，地下水抽采与地面沉降的趋势基本一致。

(2)菏泽地区地下水利用特征

菏泽属于黄河冲积扇的前部，因黄河多次改道和泛滥，使得黄河泥沙不断淤积。菏泽地区地层主要为第四系全新统冲积层，以粉土、粉质黏土、粉砂为主，第四系地层厚度为300～500 m，局部发育有湖沼积淤泥质土，埋深35～50 m。根据第四系埋藏特征、水文地质特征及地下水赋存条件，将菏泽段地下水划分为浅层孔隙水含水岩组、中深层孔隙水含水岩组、深层孔隙水含水岩组。其水文地质特征见表2。

济宁段抽采的地下水主要为浅层孔隙水及深层孔隙水。近年来，菏泽大部分地区不再抽采深层孔隙水，而改用黄河水，浅层孔隙水主要用于农业灌溉，深层孔隙水主要用于工业生产(主要集中分布在菏泽牡丹区工业园)。

表2 菏泽段第四系含水岩组水文地质特征

InSAR解译成果分析表明， DK360+545～DK419+050段处于一个明显的沉降区，且出现了多个漏斗中心，根据中深层孔隙水水位的变化情况，菏泽地区地下水位呈现逐年下降的趋势，2013～2018年，深层地下水水位下降约20 m，形成了局部地下水降落漏斗。因此，菏泽地区地面沉降的主要原因是中深层地下水的超采(尤其是深层地下水)，降落漏斗影响边界大，且补给来源单一，导致地面沉降的不可逆。

资料显示，自改革开放以来，菏泽地区工农业发展迅速，城镇用水量激增，水位持续下降，现已形成了以牡丹区工业园为中心的沉降漏斗，地面出现了一定程度的下沉(见图8、图9)。

图8 菏泽文心花园深层孔“长高”

图9 菏泽东城区井管“抬升”

2.3 城市建设

在饱和砂层或饱和淤泥质软土层进行基坑开挖，有可能造成支护结构失稳，从而导致基坑周边地区的地面沉降。

地面高层建筑物的建设或者大面积土石方的堆积，亦可增加地面荷载，作用在土体上的有效应力增大，引起土体固结，导致地面沉降。

本线通过区域位于济宁、菏泽地区的郊区，线路两侧少有高层建筑及深基坑工程，但城市建设引起的地面沉降不应被忽视。根据《铁路安全管理条例》中“铁路线路两侧应当设立铁路线路安全保护区”的规定，对于高铁沿线两侧的深基坑工程及高层建筑施工，应充分考虑基坑降水及高层建筑对高铁运营安全的影响并进行安全评估，并预留足够的安全距离。

2.4 采空区塌陷

现场调查及资料显示，沿线引发采空塌陷的开采矿产均为煤炭，已形成了大面积采空区。其中，DK276～DK280段邻近煤矿采空区。InSAR监测资料显示，该段具有明显的降落漏斗形态，煤矿的开采序列及沉降变化趋势也基本一致，且漏斗中心与煤矿采区的中心也基本一致。在勘测阶段，已对煤矿采空区进行了充分的调查，并对其进行了绕避(于采空区影响边界外通过)。

2.5 岩溶塌陷

资料显示，距离线位4.5 km的范围内发生过岩溶塌陷的地质灾害[13]。

沿线曲阜段和嘉祥段发育有寒武系、奥陶系灰岩、白云岩等可溶岩，其中DK255～260段覆盖层厚度小于50 m。根据本线勘察资料，该段地层主要为泥质灰岩夹页岩，岩溶弱发育，本线选线阶段已避开岩溶强烈发育地段。岩溶塌陷具有突发性、局部性等特点，加强地下水及地表形变的监测是预防岩溶塌陷的有效手段。

3 结论与建议

3.1 结论

对地质水文资料及InSAR解译成果进行了综合分析，得出以下结论。

(1)InSAR解译成果为多因素集合的地表形变差值，无法定量分析超采地下水导致的地面沉降量。

(2)鲁南高铁沿线的济宁、菏泽地区存在长期超采地下水的历史，且地下水位持续下降，地表形变明显，现已形成了以菏泽、济宁为中心的沉降漏斗区。

(3)鲁南高铁济宁段沉降速率为5～33 mm/a，菏泽段沉降速率为0～32 mm/a，沉降量较大，且局部存在不均匀沉降。

(4)地面沉降的原因主要有新构造运动、超采地下水、城市建设、采空塌陷、岩溶塌陷等。

(5)地下水开采与地面沉降的趋势一致，超采地下水是引起地面沉降的主要原因。

3.2 建议

(1)超采地下水引起的地面沉降具有不可逆性，高铁沿线应严格控制地下水的开采。

(2)对于集中开采地下水的工矿企业应该进行重新规划，避免因大量集中开采造成沉降漏斗，引起不均匀沉降。

(3)本线局部段落临近煤矿采空区，应严格控制线路两侧一定范围内的采掘，预留安全距离。

(4)在可溶岩发育段落，应加强地下水及地表形变的监测。

(5)对于临近高铁的深基坑工程及高层建筑施工，应在确保高铁运营安全的前提下预留安全距离，避免因降水引起浅层地下水变化，进而引发高铁沿线的不均匀沉降现象。