地面區域沉降對高速鐵路橋梁工程的影響及對策

王龍

（中交一航局第一工程有限公司，天津 300456）

0 引言

高速鐵路橋梁工程的建設對于我國社會經濟的發展起著極為重要的促進作用，但是由于我國幅員遼闊擁，自然環境復雜多樣，形成了各具特色的地理區域，因此在進行高速鐵路橋梁工程建設時會受到很多環境因素的影響，特別是在平原地區，由于地面區域沉降問題越來越嚴重，進而為高速鐵路橋梁工程的建設帶來了極大的影響。所以，進一步研究地面區域沉降問題的形成原因、影響范圍以及解決對策，對有效促進我國高速鐵路橋梁工程行業的發展至關重要。

1 地面區域沉降問題的特點以及對高速鐵路橋梁工程的影響

地面區域沉降問題是一個緩慢發生的問題，其具有發生成長慢、影響時間持續性長、影響波及范圍廣、形成原因復雜以及治理難度大的特點，是一種極為嚴重的地質災害。如果在高速鐵路橋梁工程的建設過程中出現地面區域沉降問題，會對高速鐵路橋梁工程帶來嚴重的安全隱患，同時一旦對地面區域沉降問題處理不當，會給整個高速鐵路工程造成不可估量的損失。

1.1 地面區域沉降問題的特點

1.1.1 地面區域沉降問題分布范圍廣。按照地面區域沉降問題調查機構的調查監測數據顯示，華北平原地區一大半區域存在地面區域沉降，并且在華北平原上不同的地區，沉降問題的影響依然在擴大，這對于高速鐵路橋梁工程將會造成嚴重的影響。除此之外，很多地面區域沉降問題不但影響波及范圍廣，而且多發生在農村地區或者地理位置偏僻地區，由于交通不便，使得建設區域的地面區域沉降問題很難得到有效的控制和治理，這會直接導致橋梁工程建設區域的地面區域沉降問題影響范圍越來越大。

1.1.2 地面區域沉降影響的深度大。經過對地面區域沉降問題的進一步研究，造成地面區域沉降問題的主要原因是地下水的過度開采。如在華北平原地區范圍內，由于地下水過度開采，使得地面區域沉降問題越來越嚴重。在現實情況中，除我國北京地區地下水開采引起的地面區域沉降影響深度比較淺以外，在我國河北滄州地區、天津地區、山東德州地區由于地下水開采而造成的地面區域沉降影響深度非常深，平均在200～400m。在有些地區地面區域沉降的影響深度已經達到了500m 以上，甚至在很多沿海地區在地下水的過度開采和地面區域沉降的雙重影響下還出現了海水倒灌的現象。而我國高速鐵路橋梁工程的地基通常情況下能夠達到40～60m，所以地面區域沉降導致地基變形，會嚴重影響我國高速鐵路橋梁工程的安全與穩定[1]。

1.1.3 地面區域沉降問題發展的階段性和不均勻性。通常情況下，地面區域沉降問題的發展過程是極為緩慢的，其大致的發展過程可以分為三個階段。首先，地面區域沉降問題的形成階段。在這個階段，地面已經開始出現不同程度的沉降，但是其沉降發展較為緩慢，地面區域沉降量也很小，影響波及范圍也非常有限，屬于地面區域沉降問題的初級階段。其次，地面區域沉降問題的發展階段。在這個階段中，地面區域沉降開始出現快速的發展，地面區域沉降發展最為迅速的區域逐漸形成了以漏斗狀為中心的沉降區域，并且這個階段的地面區域沉降不均勻性表現最為突出，同時地面區域沉降所影響波及的范圍也變得越來越大。最后，地面區域沉降的快速擴展階段。在這個階段，地面區域沉降的速度逐漸變緩，但是其沉降影響波及的區域卻越來越大，并且在影響波及范圍的不斷擴大中，還出現了新的地面區域沉降中心。這個階段的地面區域沉降問題最為復雜，同時也最難治理。除此之外，需要重點關注的問題是，地面出現最大不均勻性沉降的階段屬于地面區域沉降問題發展的中期階段，隨著地面區域沉降的發展其發展速度逐漸變慢并且其發展慢慢變得穩定。因此，在現實情況中一旦發現地面區域沉降問題的發展正處于中期發展階段或者早期發展階段，應立即采取有效手段對地面區域沉降進行治理，盡可能穩定其進一步的發展并減小其影響波及的范圍。

1.2 地面區域沉降問題對高速鐵路橋梁工程的影響

1.2.1 地面區域沉降對橋梁工程建設測量方面的影響。在高速公路橋梁工程進行建設之前，會對建設區域進行科學嚴謹的環境測量，只有得到精準的測量數據，才能進一步保證整體高速鐵路橋梁工程的后期施工建設。但是，一旦建設區域出現地面區域沉降問題，會直接影響該區域的建設環境，并會導致在前期測量工作中出現測量數據失真的問題。尤其是對地面水平角度以及坡度測量時，地面區域沉降問題會嚴重影響測量的數據，進而影響整體施工方案的制定，這會給后期的工程建設帶來極大的施工安全隱患[2]。

1.2.2 地面區域沉降對橋梁工程地基建設的影響。在高速鐵路橋梁工程的建設過程中，橋墩地基的建設是非常重要的，其保證了橋梁工程的整體穩定性與安全性。一旦高速鐵路橋梁工程建設區域出現地面區域沉降問題，會直接造成工程建設地基出現變形形成坡度差，甚至當地面區域沉降問題嚴重時會導致橋梁工程地基出現塌陷和斷裂，這嚴重影響了橋梁工程建設的安全穩定施工。除此之外，地面區域沉降問題會嚴重影響建設環境的地質穩定性，導致地表水位發生變化，這會給后期高速鐵路橋梁工程的通航能力造成嚴重的影響。

1.2.3 地面區域沉降問題對高速鐵路舒適度的影響。高速鐵路建設是為了大眾更安全更舒適的出行，在國家不斷提升高速鐵路舒適度的要求下，地面出現不均勻的沉降會導致地面出現不同程度的起伏，這嚴重影響了高速鐵路的舒適度。除此之外，當地面出現不同程度的沉降后，勢必會影響整體高速列車的通行速度，這在很大程度上嚴重影響了大眾的快速安全通行[3]。

2 地面區域沉降問題對于高速鐵路不同類型橋梁的影響

現階段，我國高速鐵路橋梁的建設，分為三種不同類型的橋梁：剛性橋梁、簡支連續橋梁以及簡支桁架橋梁（見圖1）。地面區域沉降問題對于三種不同類型的高速鐵路橋梁有著不同的影響。首先，對于剛性橋梁，由于地面區域沉降問題的出現，會使得地面承受應力發生嚴重變化，尤其是對剛性橋梁中兩側的橋墩處產生嚴重的作用力影響，同時地面區域沉降問題還會導致剛性橋梁的橋面發生變形，這嚴重影響了剛性橋梁的安全與穩定。其次，對簡支連續橋梁的影響。地面區域沉降問題會影響整體簡支持連續橋梁橋墩的整體受力面發生改變，最突出的表現是會影響簡支連續橋梁橋端因為地面區域沉降作用力的影響，會向中間部位進行擠壓進而導致橋梁中間部位突起變形，嚴重影響橋梁的安全與穩定。最后，對簡支桁架橋梁的影響。簡支桁架橋梁與剛性橋梁和簡支連續橋梁不同，其軸向應力分布較為均勻，與前兩種橋相比應對應力變化造成的影響最好，但是地面區域沉降問題會嚴重影響簡支桁架橋梁的應力分布的均勻性，使得橋梁各個受力點發生變化，進而導致橋梁因為受力點不均勻而發生橋面嚴重變形。

圖1 三種不同類型高速鐵路橋梁

3 地面區域沉降對高速鐵路橋梁工程的影響的對策及措施

3.1 嚴格控制地下水的開采

眾所周知，我國是一個用水大國，在我國很多地區都會進行地下水開采來滿足大眾的日常生活及生產需要，但是如果對地下水過度開采不進行有效的治理和嚴格的控制，會直接造成地面出現嚴重的沉降問題。這不僅不利于我國大眾生活水平的提高，同時也會嚴重影響我國高速鐵路橋梁工程的建設。因此，相關政府部門應高度重視地下水過度開采問題，并制定相應的管理制度，嚴格控制地下水的開采。除此之外，在我國很多地區由于地下水資源的嚴重匱乏，在進行地下水開采時往往集中在某一個特定的區域，這使得該區域的地下水迅速下降，如果在地下水開采區域上建設有高速鐵路橋梁工程，會直接造成高速鐵路橋梁工程整體結構的嚴重變形，甚至出現地面塌陷橋梁斷裂的情況出現，這會給整體高速鐵路橋梁工程造成嚴重的安全隱患。因此，相關政府部門不僅要嚴格控制地下水開采量，同時也要合理規劃地下水的開采區域，杜絕在同一個地點進行地下水的大量開采。與此同時，針對地下水的開采，相關部門要根據不同地區的特點制定不同的地下水開采方案，對于水資源相對匱乏的地區，應提高地下水的開采深度，并采取多點開采的方式保證地面不出現沉降問題。而對于水資源相對充足的地區，相關政府部門應尋找更多的水資源進行補充，盡可能減少對地下水資源的開采。比如在南方地區，應注重江河水資源的引入與利用，有效減少地下水資源的使用量[4]。

3.2 加強高速鐵路橋梁工程選址的科學合理性

如果要避免地面區域沉降問題對高速鐵路橋梁工程的影響，不僅要嚴格控制地面區域沉降的形成，同時也要進行高速鐵路橋梁工程的科學選址。對于高速鐵路橋梁工程的選址，主要從兩個方面考慮。首先，要選擇地面沒有沉降問題的區域進行高速鐵路橋梁的建設，同時在選擇橋梁建設場地時要選擇地質結構穩定、建設風險小的區域，以保證橋梁工程的安全穩定施工。其次，如果高速鐵路橋梁工程的建設必須要建立在地面區域沉降區域，就需要對該區域的地面區域沉降問題進行科學的檢測和細致的觀察，同時還要考慮高速鐵路橋梁橋墩的沉降差值是否能夠達到工程結構受力的要求。尤其是對一些連續性橋梁或者特殊結構的橋梁，必須對地面區域沉降率進行嚴格的測算，進而得到相應的準確數據以制定地面加固方案，保證橋梁工程能夠安全、穩定地進行施工。

3.3 橋梁工程適應性措施

為了有效增加橋梁結構對地面區域沉降的適應能力，橋梁地基支座應采用可調節性支座。目前，市場中的橋梁地基可調節支座所設計的坡度最大可以達到25%左右，通過科學采用可調節支座，可以有效應對地面區域沉降對橋梁工程所造成的影響。除此之外，為了有效加固橋梁工程建設區域地面的穩固性，可以對建設區域沉降地面進行建筑材料的填充。在進行沉降地面建筑材料填充時，首先要對地面區域沉降區域進行科學的測量與觀察，找到形成區域地面區域沉降的真正原因，判斷地面區域沉降問題處于何種發展階段。如果地面區域沉降問題已經發展到中后期，地面區域沉降趨于穩定并不再出現連續沉降，則可以進行建筑材料的填充。其次，在進行建筑材料填充加固地面穩定性時，要分析地面區域沉降所產生縫隙的大小，進而選擇適合的建筑材料進行填充。比如，地面區域沉降造成的地質縫隙較小時，可以采用細顆粒建筑材料制作成澆筑液體進行填充，也可以采用化學澆筑液進行填充。而對于地質縫隙較大的地面區域沉降問題可以選用顆粒較為粗大的建筑材料進行填充。

3.4 加強地面區域沉降問題的監測以及災害預警

在高速鐵路橋梁工程實際建設的過程中，相關部門要不斷加強地面區域沉降問題的監測和預警工作。尤其是對連續性橋梁等重點區域要建立長期穩定的地面區域沉降監測點，對地面區域沉降問題進行全天候實時的監測。而對于特殊地段要采用常規監測方法與自動化監測技術相結合的方式對地面區域沉降問題進行監測。其中，常規監測方法是在特殊地段進行定點定時的人工監測，以保證能夠對地面區域沉降數據能夠進行實時的更新與記錄。而自動化監測技術監測方法，可以通過在特殊地段設計安裝高科技監測設備，以實現對地面區域沉降問題進行全天候實時監測。值得注意的是，不管是常規監測方法還是自動化技術監測方法，都要建立在不影響橋梁正常使用的前提下進行。除此之外，相關部門還要建立相應的預警機制，對于地面區域沉降問題的實時監測，一旦出現安全隱患，要立即停止橋梁的使用，積極采取科學手段進行地面區域沉降問題的治理，盡可能保證高速鐵路橋梁的使用安全。

4 結語

高速鐵路橋梁工程的施工安全決定著整個高速鐵路工程的質量，因此，深入研究地面區域沉降問題對于高速鐵路橋梁的影響以及提升整體高速鐵路工程質量有著至關重要的作用。而為了能有效提高高速鐵路橋梁工程的建設水平，相關部門不僅要深入研究分析地面區域沉降問題的形成原因，還要積極制定相應的治理方案，進一步保證橋梁工程能夠在安全穩定的環境下進行施工。相信通過廣大高速鐵路橋梁工程建設工作者的不斷努力，我國的高速鐵路工程建設行業一定能夠取得更加輝煌的成就。