2016, Vol. 59
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3. 铁道第三勘察设计院集团有限公司, 天津 300142
, ZHANG You-Quan1
, WANG Rong2, GONG Hui-Li1, GU Zhao-Qin1, KAN Jing-Liang3, LUO Yong2, JIA San-Man2
2. Beijing Institute of Hydrogeology and Engineering Geology, Beijing 100195, China;
3. The Third Railway Survey and Design Institute Group Corporation, Tianjin 300142, China
日本、欧洲以及我国台湾地区已经先后建成时速300km以上的高速铁路运行网络(Hwang et al.，2008)，我国自2008年以来也先后有京津、京沪、京石等多条高铁投入运营(孙树礼等，2009)，美国加州等地也正在规划建设连接旧金山—San Diego地区的高速铁路.高速铁路的建设、运营对轨道和桥梁结构的标准和质量有了新的要求(International Union of Railways，2009)，高铁安全运行对路基和桥梁的稳定性、变形程度及轨道的平顺性等有着严格要求.例如，日本和我国台湾规定高铁简支梁折角损失小于1/1000，连续梁折角损失小于1/1500(Taiwan High Speed Rail Corporation Design Specifications，2001).基于此，国内外学者先后采用干涉测量、GPS、水准和分层标技术对高铁及其沿线地面沉降进行监测，研究结果表明意大利Naples(Cascini et al.，2013)、葡萄牙Lisbon(Heleno et al.，2013)、希腊Melia(Kontogianni et al.，2007)和我国台湾云林(Hung et al.，2012)等地区的高速铁路受到了沉降影响，部分区段沉降已经影响到高铁运行的安全性和舒适性.国内、外学者针对京津高铁沿线沉降问题开展了监测工作，其中Ge等(2010) 等采用差分干涉测量技术对京津高铁沿线区域进行区域形变制图，Ge等(2008) 、刘国祥等(2012) 等运用时序干涉测量技术检测京津高铁沿线区域地面沉降信息，分析发现了局部沉降速率大的地区为高耗水的工业园区.李国和等(2009) 通过试验和数值模拟结合分析地面沉降对不同桥梁类型的影响程度.针对沉降空间分布差异特征以及分层地层压缩特性研究工作未见报道，需开展工作，进而为沉降调控及安全运营提供科学依据.
京津高铁是我国实施的第一条高速运行的城际轨道交通线路，是连接北京、天津两直辖市最为方便快捷的客运通道之一.于2008年8月1日正式开通，设计速度300 km/h以上.京津高铁北京段全长50 km，北起北京南站，南至京津两市交界处永乐镇兴隆庄地区，如图 1所示.桥梁占京津高铁线路总长度的87.7%，北京地区沿线经过北京环线和凉水河两座特大桥，桥梁为桩基础类型.
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图 1 京津高铁北京段线路 Fig. 1 Route map of Beijing-Tianjin high-speed railway |
京津高铁北京段经过永定河冲洪积扇南部平原区，地面沉降是沿线地区主要地质灾害(叶晓宾和何庆成，2006；杨艳等，2010).自21世纪以来，北京平原区地面沉降处于快速发展阶段，最大累积沉降量达到了1.163 m.京津高铁北京段经过的朝阳区和通州区沉降问题比较突出，截止2012年沿线最大累积沉降量达到1 m左右，2012年度沿线最大沉降速率8.5 cm左右，区域地面沉降对高铁的安全运营产生了较大的威胁.
因此需要对京津高铁沿线地面沉降开展立体监测工作.本次论文目的是采用时序干涉测量、水准测量、分层标和地下水分层监测等技术手段结合，对京津高铁沿线地面沉降进行立体监测，在此基础上进一步分析沉降时空差异特征及其成因，以期为未来沉降调控和保障高铁安全运营提供科学依据.
2 监测方法和数据处理 2.1 水准测量针对研究区地面沉降特点以及京津高铁轨道基础类型不同的监测要求，本次采用区域一等水准网(二等补充)、京津高铁沿线高精度水准网以及轨道设标网组合来监测不同尺度变形特征.其中，区域水准测量网用于平原区地表形变制图，高铁沿线高精度水准网用于分析沉降对轨道曲率半径及坡度的影响，轨道设标网用于分析桥梁墩台间差异性沉降及其对列车运行舒适度影响，监测网分布如图 2所示.水准测量的闭合差精度应该控制在1.8 mm左右，其中K为两个相邻测量点的间距(km).区域一等水准测量网每年复测一次，高铁沿线高精度水准网于2007年1月、2007年8月、2008年2月先后测量过三次，轨道设标网主要分布在沉降速率比较大的亦庄地区(12~20 km段)，自2009年12月开始每月复测高程一次.
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图 2 北京平原区水准网分布 Fig. 2 Distributions of leveling networks in Beijing plain |
传统差分干涉测量在非城区易受到去相干影响，为了克服这一不足，Ferretti等(2001) 提出了永久散射体思想，即选取时序干涉对中幅度、相位相对稳定的高相干点，以这些高相干点集为基础，进行时序分析，评估轨道和大气延迟等误差组分，进而最终分离出形变相位信息(Hooper et al.，2004).Ferretti等(2001) 、Hooper等(2012) 随后又发展了时序干涉测量技术，包括小基线技术、永久散射体(PS-InSAR)与小基线结合等技术.使得时序干涉测量技术适用于非稳定形变区，并且无需先验形变知识(刘国祥等，2012)，部分地区时序干涉测量精度可达到毫米级.本次论文工作以欧空局Envisat卫星ASAR数据为数据源，筛选出2003年12月10日至2009年3月18日间覆盖研究区的29景SAR数据，通过对比分析时间基线、空间基线，优选2005年12月14日影像为主图像，其他影像为辅影像进行干涉.
采用Delft大学Doris软件进行差分干涉处理，以SRTM数据为参考DEM，进行地形相位去除.采用开源的STAMPS软件进行SAR数据时序干涉处理，数据处理详细步骤见论文(赵守生等，2008).
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图 3 InSAR影像时空基线分布 Fig. 3 Distribution of temporal-spatial baselines of InSAR images |
区域地下水位监测是揭示地面沉降主要驱动因素、定量掌握含水层系统释水形变特征的重要手段，是制定地面沉降灾害缓解措施和高铁安全运营管理方案的前提.本次工作充分利用北京市平原区已有的分层地下水监测网，作为含水层系统长期动态监测井，并参考北京市多个地面沉降监测站的分层监测水位信息.在此基础上，针对京津高铁重大线性工程的特点以及沿线地面沉降时空分布特征，在京津高铁沿线3 km范围内补充选取60眼代表性开采井作为普测井，用于掌握沿线区域地下水流场变化的细节信息.区域地下水长期动态监测井监测频次每天一次，普测井在枯水期和丰水期各测一次，监测井分布如图 4所示.
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图 4 地下水位监测井和分层标监测站分布 Fig. 4 Distribution of monitoring wells of groundwater and borehole extensometer analyzed in study atrea |
分层标是目前监测含水层系统响应的最常用手段，是掌握不同埋深水文地质单元水力特征、形变力学特性的最有效途径.北京市自2004年起，先后在在昌平(八仙庄)、顺义(天竺和平各庄)、朝阳(来广营和王四营)、通州(土桥)和大兴(榆垡)5个区建立了7座地面沉降监测站，监测不同埋深地层的形变信息、孔压信息和分层含水层水位动态信息，用于掌握典型沉降区的发展演化特征.
在已有7个地面沉降监测站中，王四营监测站距离京津高铁相对最近，约4 km左右.本次选取该站分层标和地下水位动态监测数据进行分析研究.该站设有工程地质孔1眼，基岩标1座，分层标7座，地下水位观测井5眼，并且配有1套自动化监测系统.分层标埋设深度分别为2、15、24、50、66、94 m和147.5 m，如图 8所示.基岩标、分层标、地下水位和孔隙水压力监测数据每隔12 h采集一次.
3 监测结果 3.1 地面沉降图 5 京津高铁沿线一等水准、PSInSAR形变测量结果如图5所示（其中红色曲线为2003—2009年PSInSAR监测）京津高铁北京段沿线水准测量和PSInSAR监测结果如图 5所示(其中红色曲线为2003—2009年PSInSAR监测京津高铁沿线年均沉降结果)，两种方法获取的年均形变结果一致性较好，在1.5 cm范围左右，部分差异是由于两种方法监测的对象和尺度差异所引起的.京津高铁北京段沿线区域一等水准网水准点较少，并且近年城市化建设破坏了部分已有水准点，导致沿线附近仅少量水准点有2007—2013年间的连续测量记录，图 5中水准测量结果主要是京津高铁沿线高精度水准网测量结果.水准测量和PSInSAR两种方法比较结果表明PSInSAR是一个相对可靠的测量方法，可以用于高铁穿行区域的区域地面沉降制图.同时，二者一致性也可以作为两种测量方法的交叉检验.
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图 5 京津高铁沿线一等水准、PSInSAR形变测量结果 Fig. 5 英文标题 |
京津高铁北京段沿线地面沉降近似呈碗状漏斗形状，漏斗底部中心在17 km处附近.基于沿线地面沉降幅度和坡度，将京津高铁北京段沿线地面沉降分为三个等级：
(1) 微小沉降区：0~9 km段，区段内形变微小，年均地面沉降速率为0.5 cm·a-1左右.该段地区形变坡度轻缓，预期折角损失较小.
(2) 严重沉降区：9~27 km段，区段内地面沉降显著，局部地区地面沉降速率超过4 cm·a-1.该段地区不均匀沉降显著，预期折角损失将会比较显著.
(3) 一般沉降区：27~50 km段，区段内地面沉降较轻，年均沉降速率约0.2 cm·a-1左右.该段地区地面沉降幅度相对比较均一.
针对地面沉降对高铁安全运营的可能影响，我国制定了高速铁路桥梁折角容限阈值，如表 1所示.
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表 1 双轨、简支混凝土梁(跨度小于96 m) Table 1 Vertical deflection limits for double-track simple-span concrete girders of span lengths less than 96 m(Zhou et al.，2012) |
2009—2012年实施的轨道设标网多期精密水准测量结果表明，目前评估的折角损失多在允许值阈值1/1400之内.严重沉降区部分地段需要调整梁面高程，用于补偿沉降所引起的高程损失.
3.2 地下水位京津高铁北京段沿线经过地区属于永定河地下水子系统，有5个主要赋水含水层，如图 10所示.分层地下水水位监测井监测结果表明2004—2011年间潜水含水层、第一承压含水层水位下降趋势较缓(图 6所示)，近年水位基本保持稳定.第二、三承压含水层水位处于稳定下降阶段，这主要是由于该地区第二、三承压含水层是目前主要工业、生活用水开采层，水位下降幅度大.其中，第三承压含水层水位下降最快，年均水位下降1.6 m左右.
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图 6 含水层水位变化曲线 Fig. 6 Curves of groundwater level in aquifers in the subsidence area |
依据京津高铁沿线地下水水位调查统测结果绘制含水层地下水流场，结果如图 7所示.京津高铁沿线附近可利用潜水井较少，本次工作没有绘制潜水地下水流场.高铁沿线及周边地区目前潜水层开采量较少，推测近些年地下水流场变动不大，局部地区水位会有小幅回升.
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图 7 京津高铁沿线区域第二、三、四、五含水层流场(2008年6月) Fig. 7 >Flow fields of 2nd，3rd，4th，and 5thaquifers around along Beijing-Tianjin high-speed railway in June 2008 |
区域地下水流向总体上从西向东南，以水平流为主，垂向渗流为辅.第二含水层埋深在80~110 m左右，该层含水层开采井广泛分布，水位较低地区位于DK13-DK15段，形成了小范围的水位降落漏斗.第三含水层埋深约150 m左右，该含水层除了在DK12-DK16段形成水位降落漏斗外，在台湖—牛堡屯(DK21-DK31) 段地区也形成了一个地下水位降落漏斗.第四含水层埋深在180~200 m左右，地下水流场趋势与第三含水层相似.第五含水层埋深一般大于200 m，目前该含水层地下水开采相对较少，在台湖—永乐店(DK22-DK35) 地区初步形成了地下水降落漏斗，水力梯度相对较小.
3.3 分层压缩京津高铁沿线的王四营监测站地层岩性主要包括黏土、粉质黏土、细砂、中砂和砾石等.分层压缩记录埋深2~185 m之间地层的压缩，分层标监测结果如图 8所示.监测结果表明京津高铁北京段沿线地面沉降主要贡献层为埋深50~147.5 m地层，占总累计形变量的76%左右.其中埋深94~147.5 m段占总沉降量的38%左右，50~66 m段占总沉降量的20%，66~94 m段占总沉降量的18%.埋深50 m以浅地层为次要压缩层，仅占总沉降量24%左右，1~15 m层位压缩贡献量最小，占1.7%.
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图 8 王四营地面沉降监测站地层岩性及分层压缩结果 Fig. 8 Strata and cumulative compaction amount from August 2004 during a given time at Wangsiying station |
在水准测量、干涉测量、分层标监测及地下水监测基础上，进一步分析京津高铁北京段沿线地面沉降差异性特征，本文从第四系沉积环境、地下水开采强度和土体变形特性等方面分析相应的驱动因素.主要包括以下三个方面内容.
4.1 第四系沉积条件对地面沉降影响京津高铁北京段沿线地面沉降空间分布差异性明显，部分沉降漏斗边界恰好位于区内构造边界处，其中主要有北西向的来广营凸起带、北东向南苑—通县断裂和北东向大兴隆起，如图 9所示.研究区内同一地区不同时代、同一时代不同地区的构造运动性质差异，一定程度上影响着古地理环境，主要表现为第四系沉积物剥蚀区和沉积区范围的变化，针对地面沉降灾害问题体现在不同地质时期沉积物厚度和岩性的差异方面.京津高铁沿线第四系沉积分区可以分为3部分：
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图 9 区域地质构造及地面沉降速率分布图 Fig. 9 Map showing geology and annual subsidence rates in study area |
(1) 南苑—通县断裂西北侧地区(DK0-DK7段)：该区晚第三纪时下陷，接受了较厚的第三系沉积，而第四纪时期则相对抬升，只接受不到百米的沉积物.
(2) 南苑—通县断裂至大兴隆起带地区(DK7-DK25段)：南苑—通县断裂东南侧区域第四纪总体上呈下降状态，接受第四系沉积，局部受大兴隆起影响，在早更新世地层受到一定剥蚀作用，第四系沉积物厚度相对永乐段地区(DK35-DK50) 较薄，平均厚度200 m左右.
(3) 大兴隆起带东南侧地区(DK35-DK50) ：该地区位于大厂凹陷和固安—武清凹陷内，第四纪时期处于下降状态，接收了较厚的沉积物，高铁沿线第四系最厚可达350 m左右，如图 9所示.第四系沉积环境和沉积厚度分布与沿线地面沉降空间分布有较好的一致性，表明第四系沉积条件差异是影响地面沉降空间发展的一个重要因素.
京津高铁北京段经过地区包括永定河冲洪积扇扇缘和北京冲积平原.第四系厚度变化的总体规律是从西北至东南平原逐渐增大，含水层由单一含水层逐渐演变为多层，含水层颗粒也由粗变细.如前所述，沿线永定河冲洪积扇扇缘地区主要分布在南苑—通县断裂西北侧地区(DK0-DK7段)，第四纪沉积厚度较小，可压缩黏土层厚度低，岩性颗粒相对冲积平原地区较粗，受西山隆起作用，第四系晚更新统地层被剥蚀掉了，区域尺度上缺失第二含水层，如图 10所示.并且由于冲洪积扇地区易于接受山前地下水的侧向径流补给，大气降水补给条件也比较好，地面沉降不显著.相反，在冲积平原地区第四系沉积物厚度大，地层岩性颗粒较细，相对冲洪积扇地区地下水补给条件较差，在相同地下水开采强度下，地面沉降明显.
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图 10 京津高铁沿线水文地质剖面(位置见图 9) Fig. 10 Hydrogeological profile along Beijing-Tianjin high-speed railway(Location is indicated in Fig. 9) |
京津高铁北京段沿线地下水超采问题比较突出，以工业和农业用水为主.过量开采地下水已经引起了区域地下水水位下降，形成了地下水位降落漏斗(如图 7所示)，并诱发了区域性的地面沉降灾害.地面沉降监测结果表明京津高铁北京段沿线地面沉降速率空间差异较大，地面沉降显著地区也多为地下水超采比较严重地区.图 11表明京津高铁亦庄段(DK11-DK20) 沉降问题比较突出，该段恰好也是地下水开采强度比较大的地区，开采强度大于110万m3/km2.由此可见，区域地下水开采强度的差异是京津高铁沿线地区不均匀沉降的另外一个重要影响因素.
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图 11 京津城际轨道交通沿线区域地下水开采模数分布 Fig. 11 Areal distribution of specific pumping rates along Beijing-Tianjin high-speed railway |
同样开采强度比较大的DK0-DK11段，地面沉降却不显著，如3.1节所述，该段位于南苑—通县断裂西南侧，第四系沉积物厚度较薄，且沉积物颗粒较粗，土体可压缩能力低，同时该地区地下水易于接受大气降水和侧向径流补给，因此该地区地面沉降量较小.
4.3 分层土体压缩特性对沉降影响除了第四系沉积环境、地下水开采强度等因素外，不同埋深地层土体力学特性也是差异性地面沉降的影响因素.由于大部分沉积压缩属于水力滞后效应(或残余压缩)，含水层水位恢复后不能使弱透水层的压缩停止.因此，尽管浅部含水层水位近年处于相对稳定状态，但是相邻弱透水层的残余压缩仍然持续至今.
前面分析已知，京津高铁沿线地区中深部地层(50~147.5 m)地面沉降贡献量比较大，达76%左右.通过分析钻孔岩性，该段地层中黏土厚度比较大，其中94~147.5 m的黏土厚度最大，达到41.1 m左右(如图 8所示)，可压缩黏土层厚度大是该层压缩贡献大的一个原因.图 12为该层土体应力-应变关系，该层土体呈弹塑性变形特征，无回滞环出现，目前以塑性变形为主.黏土层不可恢复的永久性形变是该层位沉降贡献量大另一个主要原因.
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图 12 土层应力应变关系图(2004-04—2011-07) (a)埋深50~147 m；(b)埋深147~182 m. Fig. 12 Effective stress versus strain in strata from April 2004 to July 2011 (a)Depth 5~147 m;(b)Depth 147~182 m. |
深部147~182 m段地层黏性土厚度也比较大，同时相邻含水层水位降幅也比较突出，但是该段地层压缩占总沉降量比重较小，分析其原因可能是由于该层土体的前期固结程度较高，土体中有效应力没有超过前期最大固结应力，土体目前处于欠固结状态，形变以弹性为主，塑性为辅.
5 结论和讨论针对京津高铁北京段沿线地面沉降问题，本文采用时序干涉测量技术、水准测量技术和分层标监测、地下水分层监测手段相结合，对京津高铁北京段地面沉降进行监测，并利用监测结果分析其成因，取得了以下主要结果和认识：
5.1 结论(1) 采用多种手段和方法对京津高铁北京段沿线形变进行立体监测，结果表明沿线地区地面沉降问题比较突出，最大沉降速率可达8.5 cm·a-1.依据沿线地面沉降幅度，可以分为微小沉降区(DK0-DK9) 、严重沉降区(DK9-DK27) 和一般沉降区(DK27-DK50) .
(2) 京津高铁北京段沿线经过永定河冲洪积扇扇缘和冲积平原地区，分析研究结果表明研究区不均匀地面沉降主要受到地质条件、补给条件、地下水开采强度和土体释水形变特性等因素影响.沿线区域地面沉降空间分布一定程度上受到来广营凸起、南苑—通县断裂和大兴隆起影响，体现在不同地质时期、不同性质的构造运动影响着区域第四系沉积和水文地质条件，进而表现为部分构造是沿线地区地面沉降漏斗空间展布的“控制边界”.
(3) 京津高铁北京段沿线地面沉降主要贡献层为中深层(50~147.5 m)，占总沉降量的76%左右.目前，该层位含水层是研究区主要的工、农业开采层.且该段地层黏性土厚度较大，应力-应变分析表明该层土体呈弹塑性变形特性，土体压缩以不可恢复的塑性变形为主，是未来地面沉降调控需要重点考虑的层位.
5.2 讨论为了保证京津高铁安全运营，需要对京津高铁北京段沿线地下水开采进行区域调控.本文对沿线第四系沉积环境、含水层系统结构和土体压缩特性开展了一定工作，初步认识了沿线含水层系统沉降响应特征，可以为研究区地面沉降缓解和调控提供一定的科学依据.在南水北调客水进京后，区域用水模式会有一定调整，京津高铁沿线局部地区地下水水位会有所恢复，地层回弹幅度大小以及对高铁安全运行的影响值得研究.同时，在不均匀沉降严重区域，需要加密监测点，提高监测频率，以便掌握含水层系统形变条件下对桥墩负摩阻力以及桥梁折角损失等安全运营的影响.
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