基于長時(shí)序水準(zhǔn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的北京東北部地區(qū)地面沉降趨勢(shì)分析

陶 燦 曹成度 滕煥樂 閔 陽

(中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，湖北武漢 430063)

地面沉降對(duì)城市建設(shè)及經(jīng)濟(jì)發(fā)展有著顯著的負(fù)面影響，如北京市的地面沉降對(duì)于北京周邊在建和運(yùn)行的高速鐵路網(wǎng)、南水北調(diào)工程等眾多基礎(chǔ)線性工程的影響尤為突出[1-2]。其中，高速鐵路對(duì)軌道的平順性有著非常嚴(yán)格的要求，區(qū)域地面沉降對(duì)高速鐵路的影響主要表現(xiàn)為降低線路設(shè)計(jì)高程、引起線路坡度變化、造成線下工程沉降差異等，嚴(yán)重時(shí)可能造成結(jié)構(gòu)破壞、影響軌道平順性并危及正常安全運(yùn)營[3]。因此，實(shí)時(shí)和全方位掌握地面沉降動(dòng)態(tài)與發(fā)展趨勢(shì)至關(guān)重要，可為高速鐵路的設(shè)計(jì)施工與運(yùn)營管理提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和技術(shù)支持，也有助于地面沉降研究與防治工作。

近幾年，國內(nèi)很多學(xué)者對(duì)北京地區(qū)地面沉降的發(fā)育現(xiàn)狀、成因機(jī)理、監(jiān)測(cè)方法、發(fā)展趨勢(shì)等方面進(jìn)行了大量研究。研究結(jié)果表明：隨著北京市政建設(shè)的高速發(fā)展及地下水持續(xù)超采，北京市地面沉降仍處于持續(xù)快速發(fā)展的階段，沉降區(qū)面積也在不斷擴(kuò)大[4]，尤其是東部地區(qū)已經(jīng)成為北京地面沉降發(fā)育最顯著的區(qū)域[5]。王榮通過研究發(fā)現(xiàn)，地面沉降對(duì)運(yùn)營中的京津城際鐵路橋梁、路基及軌道平順性都會(huì)產(chǎn)生影響[6]；楊艷分析了沉降對(duì)其線路坡度的影響[7]；劉運(yùn)明以北京地鐵14號(hào)線工程建設(shè)為背景展開研究，發(fā)現(xiàn)當(dāng)軌道交通穿越沉降漏斗區(qū)和沉降帶時(shí)，會(huì)對(duì)城市軌道交通線路的建設(shè)及運(yùn)營產(chǎn)生非常大的不利影響[8]。

目前，國內(nèi)對(duì)于高速鐵路的沉降監(jiān)測(cè)主要采用水準(zhǔn)測(cè)量網(wǎng)、GPS監(jiān)測(cè)網(wǎng)[9]、InSAR監(jiān)測(cè)網(wǎng)[10-11]和地下水動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)網(wǎng)[12]等方法。其中，高速鐵路水準(zhǔn)測(cè)量網(wǎng)是對(duì)鐵路兩側(cè)一定范圍內(nèi)的地面沉降現(xiàn)狀進(jìn)行監(jiān)測(cè)，確定地面沉降范圍、速率、幅度及其與線路的關(guān)系的方法[13-14]。以下采用傳統(tǒng)的高精度水準(zhǔn)測(cè)量方法，對(duì)北京市東北部區(qū)域二等水準(zhǔn)點(diǎn)四年時(shí)序的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得到北京東北部沉降區(qū)的變化分布規(guī)律。

1 精密高程控制網(wǎng)情況

為滿足高速鐵路施工和運(yùn)營需要，按照《高速鐵路工程測(cè)量規(guī)范》(TB10601—2009)相關(guān)技術(shù)要求，以分級(jí)布網(wǎng)、逐級(jí)控制的原則，于2014年5月建立了精密測(cè)量控制網(wǎng)，并于2015年12月進(jìn)行了第一次精密工程控制網(wǎng)復(fù)測(cè)，2016年9月進(jìn)行了第二次精密工程控制網(wǎng)復(fù)測(cè)。

建網(wǎng)和復(fù)測(cè)均采用1985國家高程基準(zhǔn)。聯(lián)測(cè)國家水準(zhǔn)點(diǎn)4個(gè)(I京通2、I京通6、I沙懷11和I沙懷10新)、京滬高鐵基巖點(diǎn)1個(gè)(JY01)、深埋水準(zhǔn)點(diǎn)4個(gè)(SMBM1001、SMBM1002、SMBM1003和SMBM1004)及其他二等水準(zhǔn)BM點(diǎn)32個(gè)。通過對(duì)起算點(diǎn)穩(wěn)定情況的分析，認(rèn)為國家水準(zhǔn)點(diǎn)I京通2、I沙懷10新和橋墩深埋點(diǎn)SMBM1004較為穩(wěn)定，并將其作為平差起算點(diǎn)對(duì)全段落水準(zhǔn)點(diǎn)進(jìn)行平差計(jì)算，水準(zhǔn)路線見圖1和圖2。

圖1 高程控制網(wǎng)水準(zhǔn)路線

圖2 高程控制點(diǎn)分布

2 高程控制點(diǎn)年監(jiān)測(cè)結(jié)果(2014～2016)

以某高速鐵路為例，該鐵路通過北京東北部沉降漏斗區(qū)，從DK0引出至DK60處區(qū)域沉降情況較為嚴(yán)重。對(duì)2014年4月～2016年9月(為期兩年半)的三次水準(zhǔn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果如表1和圖3所示。

表1 高程點(diǎn)沉降量比較

圖3 累計(jì)沉降量分析

從表1和圖3可以看出，該區(qū)域沉降體現(xiàn)了不均勻性。沉降量最大的區(qū)域?yàn)閲诣F道試驗(yàn)中心鐵路環(huán)行試驗(yàn)線，在2014年4月到2015年12月(一年零八個(gè)月的時(shí)間內(nèi))，沉降量最大的點(diǎn)位沉降量超過200 mm，年均沉降量為120.3 mm；從2014年4月到2016年9月(兩年零五個(gè)月的時(shí)間內(nèi))，其沉降量為294.5 mm，年均沉降量為121.86 mm。

沉降次大的區(qū)域主要集中在高麗營鎮(zhèn)和馬泉營村，在2014年4月到2015年12月(一年零八個(gè)月的時(shí)間內(nèi))，兩個(gè)地區(qū)沉降量最大的點(diǎn)位分別沉降了122.8 mm和108.2 mm，年均沉降量分別為73.68 mm和64.92 mm；在2014年4月到2016年9月(兩年零五個(gè)月的時(shí)間內(nèi))，分別沉降了176.3 mm和170.4 mm，年均沉降量分別為72.95 mm和70.51 mm。從上述統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)可以得出，在沉降量較大的幾個(gè)沉降點(diǎn)(即圖3中波谷點(diǎn)位)，2014～2015和2015～2016兩年間的年均沉降量較為接近且沉降均勻[15-16]。

3 高程控制點(diǎn)年監(jiān)測(cè)結(jié)果(2016～2018)

2016年9月起，對(duì)DK0～DK60精密工程控制測(cè)量高程網(wǎng)進(jìn)行兩個(gè)月一次的高程控制網(wǎng)復(fù)測(cè)，以獲取最新的水準(zhǔn)控制網(wǎng)成果。截止2018年9月，一共開展了12次復(fù)測(cè)，其中有連續(xù)性統(tǒng)計(jì)的點(diǎn)位為36個(gè)，其中有2個(gè)國家水準(zhǔn)點(diǎn)、3個(gè)深埋水準(zhǔn)點(diǎn)和31個(gè)二等水準(zhǔn)點(diǎn)(見表2)，其整體趨勢(shì)見圖4，可體現(xiàn)出沉降的區(qū)域性和季節(jié)性。

從表2和圖4可以看出，該區(qū)域2016年～2018兩年間的沉降依舊體現(xiàn)了不均勻性，北京東四環(huán)、黃港和懷柔地區(qū)沉降量相對(duì)較小，沉降量最大的區(qū)域依舊位于國家鐵道試驗(yàn)中心鐵路環(huán)行試驗(yàn)線，該區(qū)域東側(cè)的BM1006號(hào)點(diǎn)最大年沉降量達(dá)到了109.4 mm，兩年累計(jì)沉降量達(dá)到了198.7 mm，年均沉降量為99.3 mm。同2014年～2016年的監(jiān)測(cè)結(jié)果類似，與這一片區(qū)相鄰的馬泉營村和北京正北六環(huán)外高麗營鎮(zhèn)的點(diǎn)位沉降量也較大，馬泉營村的BM10071號(hào)點(diǎn)最大年沉降量達(dá)到了59.8 mm，兩年累計(jì)沉降量達(dá)到了104.5 mm，年均沉降量為52.3 mm；高麗營鎮(zhèn)的BM1013號(hào)點(diǎn)最大年沉降量達(dá)到了44.1 mm，兩年累計(jì)沉降量達(dá)到了87.7 mm，年均沉降量為43.9 mm。

表2 2016～2018兩個(gè)月一次的高程點(diǎn)復(fù)測(cè)成果

圖4 2016年～2018年兩個(gè)月一次的高程點(diǎn)復(fù)測(cè)累計(jì)沉降量曲線

4 高程控制點(diǎn)月監(jiān)測(cè)結(jié)果(2016～2018)

以2016年9月份的數(shù)據(jù)為參照，每兩個(gè)月一次的復(fù)測(cè)結(jié)果如表3、圖5和圖6，從兩年的時(shí)序數(shù)據(jù)可以看出，最大的累計(jì)沉降量在BM1006號(hào)點(diǎn)，里程為DK19+463，其位置在國家鐵道試驗(yàn)中心鐵路環(huán)行試驗(yàn)線區(qū)域的東側(cè)；兩年內(nèi)累計(jì)沉降量小于10 mm的點(diǎn)位均在DK49+026里程以后，該區(qū)域處在北京順義區(qū)和懷柔區(qū)交界的位置。

表3 每兩個(gè)月一次復(fù)測(cè)結(jié)果與2016年9月單期沉降量的比較

圖5 2016年～2018年每兩月一次的復(fù)測(cè)高程點(diǎn)累計(jì)沉降量曲線

圖6 2016年～2018年每兩月一次的復(fù)測(cè)高程點(diǎn)單期沉降量曲線

圖5和圖6是以2016年9月成果為基準(zhǔn)，開展2個(gè)月一次復(fù)測(cè)的成果，從2016年9月～2018年9月統(tǒng)計(jì)的累計(jì)沉降量曲線和單期沉降量曲線可以看出：2016年9月至2017年3月的成果相對(duì)較為穩(wěn)定，沉降量較小；從2017年11月～2018年1月的成果比較來看，沉降量也相對(duì)較小，該月份部分位置累計(jì)沉降量曲線甚至出現(xiàn)了重合的狀況。從該季節(jié)性的表現(xiàn)可以推測(cè)，北京地區(qū)冬季地下水消耗量較少，小于降雨補(bǔ)給量，并且凍結(jié)后地面沉降相對(duì)較為穩(wěn)定。從圖5中紅色區(qū)域和圖6的深紫色曲線可以看出，2017年6月的沉降量有一個(gè)突然的明顯增大。結(jié)合前人的研究結(jié)果，北京地面沉降與地下水開采具有很大的相關(guān)一致性[14]，其原因一方面是由于4月地下水凍融后會(huì)產(chǎn)生一定的地面沉降，另一方面是由于6月～8月為北京夏季用水高峰期，地下水抽取嚴(yán)重，兩方面因素導(dǎo)致了較為嚴(yán)重的地面沉降。3月～11月的沉降量也表現(xiàn)出局部沉降較大的情況，說明在北京東北部區(qū)域，春夏季6月～8月的沉降量較大，春秋季3月～6月和8月～11月份的沉降量稍小，冬季11月～次年3月的沉降量較小，即3月～11月是每年的沉降發(fā)生較為明顯的月份。

5 結(jié)論

采用傳統(tǒng)的水準(zhǔn)測(cè)量方法，對(duì)北京東北部在建工程的二等水準(zhǔn)點(diǎn)2014年4月～2018年9月四年半時(shí)序的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析，對(duì)其地面沉降的情況和趨勢(shì)進(jìn)行了總結(jié)，得到以下結(jié)論。

(1)北京市東北部地區(qū)的地面沉降仍然處于快速發(fā)展階段，沉降量較大的區(qū)域比較固定，其年均沉降量較為穩(wěn)定均勻，最大的年均沉降量在10 cm左右。

(2)北京市距離市區(qū)較近的人口密集區(qū)域表現(xiàn)出沉降的不均勻性，其中國家鐵道試驗(yàn)中心鐵路環(huán)行試驗(yàn)線區(qū)域、馬泉營鎮(zhèn)、順義區(qū)高麗營鎮(zhèn)的沉降都較為嚴(yán)重。北京東四環(huán)和黃港地區(qū)沉降量相對(duì)較小，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表明，從順義區(qū)進(jìn)入懷柔區(qū)后地面沉降明顯變小。

(3)北京東北部地區(qū)整體的沉降情況隨著季節(jié)的變化體現(xiàn)了不同的沉降趨勢(shì)，春夏季6～8月份的沉降量較大，春秋季3月～6月份和8月～11月份的沉降量稍小，冬季11月～次年3月份的沉降量較小。這表明北京地區(qū)冬季地下水消耗量較少，小于降雨補(bǔ)給量，并且凍結(jié)后地面沉降相對(duì)較為穩(wěn)定。而6月～8月份為北京夏季用水高峰期，地下水抽取嚴(yán)重，因而在人口密集的區(qū)域表現(xiàn)出了較為嚴(yán)重的地面沉降。

(4)利用每兩個(gè)月復(fù)測(cè)一次的高程更新成果，對(duì)線路及已完工工程的實(shí)際高程進(jìn)行了檢測(cè)，并與設(shè)計(jì)高程進(jìn)行對(duì)比分析，準(zhǔn)確地掌握區(qū)域地面沉降及其對(duì)在建高速鐵路施工的影響。根據(jù)檢測(cè)結(jié)果，必要時(shí)可調(diào)整施工圖紙等設(shè)計(jì)資料，確保同步推進(jìn)的施工工點(diǎn)能平順對(duì)接，并為后續(xù)高速鐵路線路運(yùn)營維護(hù)提供沉降觀測(cè)資料和沉降監(jiān)測(cè)方法。