新建鲁南高铁菏曲段地面沉降易发性分区及防控措施研究

杨传伟

(山东省鲁南地质工程勘察院/山东省地勘局第二地质大队，山东 兖州 272100)

高速铁路为满足安全、舒适的要求，对地面沉降特别是工后沉降控制非常严格[1]。而修建在厚层、巨厚层第四系地层上的高速铁路，存在不同程度地抽取地下水引起地面沉降的问题，这也是地面沉降现象中发育最普通、危害性最严重的一类[2-3]。如位于华北平原、黄河冲积平原的石武客运专线，局部地段由于超采地下水，就存在地面沉降风险性问题[4-5]。

新建鲁南高铁菏泽至曲阜段起点位于曲阜市南辛镇小烟庄东南0.1 km，向西经曲阜市、兖州区、济宁市、嘉祥县、巨野县、郓城县至牡丹区，终点位于菏泽市牡丹区马庙西南0.3 km，正线全长160.750 km。另外包括曲阜段两条联络线及菏泽段一条动走线。其地形地貌、工程地质条件、水文地质条件和石武客专非常相似，位于黄河冲积平原，沿线多个城镇(如菏泽及济宁等)曾大量抽取地下水，导致沿线形成多个以城镇为中心的降水漏斗，地面沉降已在近20 a内出现[6-9]，为评价沿线抽取地下水对鲁南高铁菏曲段的影响，并为后续高铁安全运营提供可靠的依据，研究地面沉降易发性分区以及提出针对性的防治对策显得非常必要。

1 评价指标权重的确定

本文采用模糊层次分析方法[10-11]，根据地面沉降危险性评价指标体系，依据粘性土层累积厚度、地面沉降速率和地下水开采量三个指标对产生地面沉降的影响大小[12-13]，划分评价指标隶属度关系(表1)，构建模糊一致矩阵(R)[14]。

表1 评价指标隶属度划分表

根据表1，得出矩阵：

根据构造的模糊一致矩阵，经数学变换后，利用下式求解各个指标的权重值Wi：

式中：n为矩阵R的阶数，α=(n-1)/2。

经计算，得到粘性土层累积厚度、地面沉降速率和地下水开采量三个评价指标的权重分别为0.533，0.333和0.134。

2 单指标分区及特征值确定

根据已完成的鲁南高铁菏曲段地质灾害危险性评估报告建议及审查、建设等方面要求，针对沿线不同地区地面沉降的特征，确定鲁南高铁菏曲段沿线地面沉降地质灾害专项评估的范围：线位两侧各10 km，面积约3 800 km2。在充分获取研究区资料基础上，经过严格地分析并结合区内实际情况，绘制单指标分区图，并对评价指标进行等级划分，按照1～100分值对各个等级进行量化。

1-粘性土层累积厚度小于50 m；2-粘性土层累积厚度介于50～100 m；3-粘性土层累积厚度介于100～150 m；4-粘性土层累积厚度介于150～200 m；5-粘性土层累积厚度介于200～250 m；6-粘性土层累积厚度介于250～300 m；7-粘性土层累积厚度大于300 m；8-高铁线路及里程号；9-研究区范围

2.1 粘性土层累积厚度分区

厚层、巨厚层粘性土层分布是造成地面沉降的主要内因[15-16]。鲁南高铁荷曲段沿线为黄河冲积平原、山前倾斜滨湖冲积平原，局部为剥蚀残丘区。地势总体呈北高南低，东西高中间洼的南倾凹形。沿线以新生界第四系地层为主，主要岩性为含砂砾石粘土、亚粘土、粘土质粉细砂等，第四系各类成因的松散堆积物全线广袤分布，厚度变化大，从东往西厚度逐渐增加，济宁附近约100～200 m，菏泽附近约300～400 m。根据收集钻孔资料，统计得到研究区内粘性土层累计厚度数据，结合MAPGIS的空间分析功能，绘制出了区内粘性土层累积厚度分区图(图1)，并对各等级指标进行量化、赋值(表2)。

表2 粘性土层累积厚度各等级量化与赋值表

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-高铁线路及里程号；5-研究区范围

2.2 地面沉降速率分区

基于研究区2014年1月～2018年12月期间InSAR地面沉降速率实测数据，将地面沉降速率分成3个区(图2、表3)，地面沉降速率大于30mm/a的地区集中位于菏泽城东区域，主要因为该区存在过量开采深层地下水的情况。

表3 地面沉降速率各等级量化与赋值表

2.3 地下水开采量分区

研究区的地面沉降漏斗中心与深水井的分布有一定的相关性，深层地下水的开采是引起地面沉降的主要因素[8-9]。根据调查及收集资料，按照区县对地下水开采量进行统计，将其分成5个区(图3、表4)，其中年开采量大于2.2亿 m3的主要集中在菏泽和济宁城区附近。

3 地面沉降易发性分区

利用MAPGIS空间分析功能，将已绘制好的粘性土层累积厚度分区图、地面沉降速率分区图和地下水开采量分区图网格化后进行叠加运算，即得到地面沉降易发性分区图(图4)。再提取地面沉降易发性分区图中的“zhzb”属性字段，将其从小到大分为四个区间(表5)。

1-地下水开采量亿小于1.3 m3/a；2-地下水开采量亿介于1.3～1.6 m3/a；3-地下水开采量亿介于1.6～1.9 m3/a；4-地下水开采量亿介于1.9～2.2 m3/a；5-地下水开采量亿大于2.2 m3/a；6-高铁线路及里程号；7-研究区范围

1-地面沉降不易发性区；2-地面沉降低易发性区；3-地面沉降中易发性区；4-地面沉降高易发性区；5-高铁线路及里程号；6-研究区范围

表5 研究区地面沉降易发性分区表

3.1 地面沉降不易发区

DK252+000～DK302段、DK312+800～DK334段：综合属性值小于30，该区段主要分布于高铁沿线除济宁城区外的嘉祥县—曲阜市一带，粘性土层累积厚度多小于100 m，地面沉降速率多小于30 mm/a，含水层结构较为单一，富水性好，有节制的过量开采地下水不会引发地面沉降。

3.2 地面沉降低易发区

DK302～DK312+800段、DK334+800～DK343段：综合属性值介于30～50，该区段主要分布于嘉祥县卧龙山镇—巨野县麒麟镇及济宁市李营街道北至高铁线一带，粘性土层累积厚度较小，地面沉降速率多小于30 mm/a，含水层夹有粘土层，富水性较好，有节制的过量开采地下水，一般不易发生地面沉降。

3.3 地面沉降中易发区

DK343～DK384+600段：综合属性值介于50～70，该区段主要分布于巨野县麒麟镇—郓城县唐庙镇及济宁城区李营街道一带，粘性土层累积厚度较大，除济宁城区李营街道附近外，地面沉降速率多小于30 mm/a，过量开采地下水较易引发地面沉降。

3.4 地面沉降高易发区

DK384+600～DK419+050段：综合属性值大于70，该区段主要分布于郓城县唐庙镇至菏泽东城区一带，粘性土层累积厚度均大于250 m，地面沉降速率较大，尤其在菏泽城东区域地面沉降速率多大于30 mm/a，过量开采地下水易引发地面沉降。

4 地面沉降防控措施与建议

建成后的鲁南高铁菏曲段将是山东省交通运输大动脉，其安全运行影响到国民经济发展与社会稳定。为确保该项工程的永久稳定，应加强地面沉降管理，建立地面沉降灾害综合监测网。并从引起地面沉降的原因出发，对铁路周边一定范围的抽水井点采取禁采、限采措施，严禁新增对铁路安全有影响的抽水井点。同时，应该从工程措施设计(如轨道形式选择、桥梁可调支座选择、轨面拟合调整等)、施工质量保证和运营的监测预警等，即从工程技术上把地面沉降对线路的影响降到最小。

4.1 管理措施

区域性地面沉降危害是巨大的，直接影响到国土、水利、城建、交通以及工农业生产的各个行业单位[17]。应对这种跨地区的涉及多部门的地质灾害，首先要建立一支由主管部门牵头，相关单位参加的防灾领导小组，统一规划全区的地下水开采管理和地面沉降防控目标。其次是必须针对地面沉降地质灾害出台地方性法规，从预防、监测、治理、管理各个方面明确相关责任义务，突出开采地下水、工程建设等人类活动的地质环境属性，同时对地面沉降的监测、评价等技术问题作出明确规定。

4.2 监测措施

在区域已有地面沉降监测网络基础上[18]，以鲁南高铁菏曲段沿线为重点，建立由基岩标、分层标、水准点、地下水位观测孔组成的立体监测网，综合运用InSAR、GPS、RS、GIS等技术[19]，实现地面沉降数据的自动采集、远程传送、快速处理，以便实时监控铁路施工和运营中的沉降与地下水位变化。同时，加强与地方环境监测总站合作，从地质结构，水文地质条件，工程地质条件，数值模拟等多方面研究地面沉降机理，加强监测数据分析，进行地面沉降灾害综合研究，为规避地质灾害提供科学依据。

4.3 地下水开采的合理控制措施

地下水的全面禁采是为遏制地面沉降快速发展而采取的非常举措，地下水作为一种优质天然资源，具有地表水无法比拟的优势，在国民经济建设中占据重要地位。只要合理开发，完全可以做到避免地面沉降前提下的资源最优配置，发挥其应有的价值。

首先，从工程环境的保护上对沿线地下水开采进行合理控制，转变城市供水方式，避免集中开采模式，优化开采层位，逐渐减小开采强度或开采量，使地面沉降逐渐减少或趋缓；其次，高铁沿线附近分布有集中供水水源地，开采地下水会严重影响高铁工程的地区，应当与相关部门协商实施关停部分供水井点或限量开采地下水；最后，严禁审批对铁路沉降有影响的新增水源地或抽水井点[20]。

考虑到抽水引起地面沉降的复杂性，为确保铁路工程的安全，结合抽水井点降深与影响距离综合分析，建议对线路两侧200～300 m范围农业与工业水井和中深层或深层承压水深井进行关闭；线路两侧200～1 000 m范围水井应进行根据地方压采计划进行控制，严禁新增许可水量；新开井点距离线路左右两侧不小于1 000 m；对水源地等开采量大的水井，建议对线路两侧3 000 m以内禁止抽水；对于岩溶水抽水井，由于水力联系比较复杂，建议5 km范围内严格控制开采，并设置地下水的长期监测；对线路附近的城市建筑物基坑抽水，建议对线路两侧500 m范围内的建筑物基坑降水设计应充分考虑对铁路工程变形的影响，应当由政府部门会同铁路管理机构组织进行安全论证，需保证离开铁路足够距离，不得降低铁路范围地下水位，否则不宜采用抽水措施。

4.4 工程措施

(1)考虑到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段沉降量较大，局部不均匀沉降明显，建议以上桥梁段落设置可调支座预留沉降措施。

(2)采空塌陷会造成地表一定程度的变形，形成塌陷坑范围较大，对高铁的安全运营造成影响。对于线路两侧靠近线位的煤矿应严格控制开采，距离线位两侧2km范围内的煤矿向线位方向开采时，应根据地表变形监测情况，提出切实可行的开采计划，逐步开采，逐步确认安全距离；在确保开采范围不影响线路安全的情况下，并报当地政府部门及铁路管理部门，征求各部门意见，经同意后，进行合理规划的开采，不得越界开采。如DK276+350～DK279+926段右侧1.5～4.5 km范围内为古城煤矿，2016年勘测期间，线路选线已避开其采空区安全影响边界。本次沉降分析中，发现其塌陷区漏斗中心向线路方向移动，线路穿过区域累计沉降量达55～95 mm，建议DK276+350～DK279+926段铺设有砟轨道，与DK279+926～DK281+910段有砟轨道相连，消除沉降影响，桥梁段设置可调支座预留沉降措施，同时加强地面沉降监测措施。

5 结语

(1)采用模糊层次分析方法，综合考虑粘性土层累积厚度、地面沉降速率、地下水开采量三个评价指标对地面沉降影响，利用MAPGIS技术划分地面沉降易发性分区，将鲁南高铁菏曲段评估范围划分为地面沉降高易发区、地面沉降中易发区、地面沉降低易发区和地面沉降不易发区四个区间。其中，地面沉降高易发区主要分布在DK384+600～DK419+050段，该区段位于郓城县唐庙镇至菏泽东城区一带，粘土层累积厚度均大于250 m，地面沉降速率较大，过量开采地下水易引发地面沉降。

(2)鉴于高铁沿线引起地面沉降的主要因素是地下水的超采，合理控制地下水开采，对铁路周边一定范围的抽水井点采取禁采、限采措施是十分必要的。同时，还应加强主管部门对地面沉降的管理，建立沿线地面沉降长期监测网络，加强地面沉降灾害研究；并在铁路建设期间采取适宜的工程措施，以确保铁路建设及运营的安全。