京雄城際鐵路地下水開(kāi)采條件下無(wú)砟軌道路基沉降特性

朱 旭，李 政，馮海龍，湯天笑，沈宇鵬

（1.中國(guó)國(guó)家鐵路集團(tuán)有限公司工程管理中心，北京 100844；2.雄安高速鐵路有限公司，河北保定 071800；3.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司鐵道建筑研究所，北京 100081；4.北京交通大學(xué)軌道工程北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100044）

隨著我國(guó)無(wú)砟軌道的發(fā)展，列車的安全平穩(wěn)運(yùn)營(yíng)對(duì)高速鐵路路基提出了越來(lái)越高的要求。特別是在地下水開(kāi)采過(guò)量的京津冀地區(qū)，地下水位變化導(dǎo)致的區(qū)域性路基沉降嚴(yán)重威脅著高速鐵路基礎(chǔ)設(shè)施的結(jié)構(gòu)安全［1］。地下水位的下降使得地基中孔隙水壓力降低，有效應(yīng)力增大，導(dǎo)致土體壓縮，樁基承載力下降，從而造成路基結(jié)構(gòu)不均勻沉降變形［2］，對(duì)線路的運(yùn)營(yíng)維護(hù)造成極大影響。

過(guò)量的地下水開(kāi)采導(dǎo)致地下水位下降從而引起路基沉降的過(guò)程實(shí)際是一個(gè)滲流場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)相互影響、相互作用的復(fù)雜過(guò)程［3-5］，不同國(guó)家學(xué)者在其機(jī)理、預(yù)測(cè)和預(yù)防措施方面開(kāi)展了大量研究。在沉降機(jī)理方面，Terzaghi［6］在大量試驗(yàn)基礎(chǔ)上，結(jié)合土體有效應(yīng)力原理提出了單向固結(jié)壓縮理論，將飽和多孔介質(zhì)土體看做等效連續(xù)介質(zhì)土體來(lái)研究沉降，為路基沉降研究奠定了基礎(chǔ)；Masoudzade 等［7］開(kāi)展了地面沉降增大與非飽和滲流之間的一維滲透分析，闡明了水的滲透力在地面沉降中所起的作用；Burbey［8］通過(guò)對(duì)地面沉降誘發(fā)次生災(zāi)害研究，揭示了地面沉降產(chǎn)生的水平向應(yīng)變?cè)谝l(fā)地裂縫變形中起到關(guān)鍵作用；孟慶文［9］、蔡德鉤［10］等研究了淺層地下水開(kāi)采導(dǎo)致地面沉降的機(jī)理，計(jì)算分析了淺層水開(kāi)采過(guò)程中路基沉降的大小及各應(yīng)力的變化特征。在沉降預(yù)測(cè)方面，Yazdani 等［11］推導(dǎo)出考慮循環(huán)加載及土體可壓縮性和滲透性變化的方程式，通過(guò)孔隙比-有效應(yīng)力和孔隙比-滲透系數(shù)之間關(guān)系，分析黏性土固結(jié)特性，并通過(guò)有限差分法分析和預(yù)測(cè)地面沉降；陳杰等［12］采用比奧固結(jié)理論分析了地下水開(kāi)采形成的水流運(yùn)動(dòng)場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)，運(yùn)用二維平面有限元程序?qū)σ虻叵滤_(kāi)采引起的地面沉降進(jìn)行預(yù)測(cè)，并通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)驗(yàn)證了該方法的有效性；薛禹群［13］采用修正的Merchant 模型模擬地面沉降過(guò)程中黏彈塑性應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系，并刻畫(huà)出瞬時(shí)彈性、塑性變形以及黏彈性、黏塑性變形，實(shí)現(xiàn)對(duì)地面沉降的預(yù)測(cè)。在沉降預(yù)防措施方面，國(guó)內(nèi)外通常采用限制地下水開(kāi)采量、地下水人工回灌、調(diào)整地下水開(kāi)采層次等措施防治地面沉降，取得了顯著成效［14］。

京雄城際鐵路施工運(yùn)營(yíng)過(guò)程中面臨的路基不均勻沉降問(wèn)題亟待解決，而國(guó)內(nèi)外的地下水流模型基本都是準(zhǔn)三維模型［15］，難以刻畫(huà)由它釋水引起的地面沉降，也未考慮土體的變形參數(shù)和滲透性隨土體中應(yīng)力場(chǎng)改變的動(dòng)態(tài)變化，未從機(jī)理上實(shí)現(xiàn)地下水滲流與地面沉降的耦合［16］，因此，開(kāi)展不同地下水開(kāi)采條件下無(wú)砟軌道路基沉降特性研究很有必要。

為此，本文以京雄城際鐵路所經(jīng)的雄縣沉降區(qū)域?yàn)檠芯繉?duì)象，建立三維水文地質(zhì)模型，分析不同地下水開(kāi)采情況下地下水位的變化特性，在此基礎(chǔ)上建立沉降耦合數(shù)學(xué)模型，分析不同地下水位波動(dòng)條件下無(wú)砟軌道路基沉降變化特征，并提出合理的地下水開(kāi)采量限值。研究成果不僅對(duì)深化高速鐵路基礎(chǔ)設(shè)施安全研究具有理論和實(shí)際意義，而且可為制定高速鐵路所經(jīng)地區(qū)的地下水合理開(kāi)采方案提供重要依據(jù)。

1 工程概況

京雄城際鐵路工程位于北京市和河北省境內(nèi)，新建線路向南經(jīng)北京大興區(qū)和河北廊坊市固安縣、永清縣、霸州市，終到雄安新區(qū)，正線線路全長(zhǎng)92.785 km。正線軌道以CRTSⅢ型板式無(wú)砟軌道為主，個(gè)別區(qū)段采用有砟軌道。北京新機(jī)場(chǎng)至雄安新區(qū)段設(shè)計(jì)速度350 km/h，高速運(yùn)行的列車對(duì)路基沉降控制提出了嚴(yán)格的要求。由于地下水的過(guò)量開(kāi)采，鐵路沿線不均勻沉降嚴(yán)重，已在固安縣、霸州市和雄縣形成多個(gè)沉降漏斗。其中，經(jīng)中國(guó)鐵路設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司現(xiàn)場(chǎng)勘測(cè)，京雄城際鐵路的終點(diǎn)段雄縣沉降漏斗區(qū)近5年的年平均沉降速率達(dá)到30 mm/a以上，如圖1所示。

圖1 2014—2017年地面沉降速率等值線

1.1 工程地質(zhì)條件

雄縣地區(qū)為厚層第四系松散堆積層所覆蓋，勘探深度范圍內(nèi)所揭示地層為第四系全新統(tǒng)（Q4）、上更新統(tǒng)（Q3）沖積、沖洪積地層，下伏上第三系上新統(tǒng)（N2）、寒武系（∈）地層，構(gòu)成較復(fù)雜。為方便計(jì)算，對(duì)地層進(jìn)行簡(jiǎn)化，簡(jiǎn)化后地層物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 地層物理力學(xué)參數(shù)

1.2 水文地質(zhì)條件

雄縣地區(qū)地下水為第四系孔隙潛水，淺層地下水埋深在13～35 m 之間，埋藏淺，局部具有微承壓性，其動(dòng)態(tài)年變化量受降水和人工開(kāi)采控制。由于農(nóng)業(yè)灌溉集中開(kāi)采，5月中旬至6月中旬出現(xiàn)年最低水位；由于降水量增加及開(kāi)采量銳減，8月上旬至9月中旬達(dá)到年最高水位。水位季節(jié)性變化幅度為3～5 m，局部地區(qū)水位變化幅度可達(dá)7～9 m。雄縣地區(qū)年平均降水量571 mm，年平均蒸發(fā)量1 558 mm。

2 不同地下水開(kāi)采條件下地下水位變化特性研究

2.1 模型建立

采用Visual-Modflow 軟件建立研究區(qū)域的三維水文地質(zhì)動(dòng)態(tài)模型。模型長(zhǎng)2 000 m，寬600 m，高100 m，分4層填筑，鐵路線由北至南貫穿模型中部，各地層的物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。模型默認(rèn)模擬區(qū)域與外界不發(fā)生水力聯(lián)系，即為不透水邊界，當(dāng)發(fā)生水力聯(lián)系時(shí)，須通過(guò)設(shè)置定水頭、井、補(bǔ)給、蒸發(fā)等予以體現(xiàn)。根據(jù)水文地質(zhì)調(diào)研結(jié)果，路基以下地下水流動(dòng)方向?yàn)閺木€路東側(cè)向西側(cè)流動(dòng)，因此模型東西兩側(cè)處理為定水頭邊界，南北兩側(cè)處理為零流量邊界；頂部邊界為潛水面，接受灌溉補(bǔ)給、降雨補(bǔ)給、河流補(bǔ)給/排泄、潛水蒸發(fā)、人工抽水等源匯項(xiàng)的補(bǔ)排作用，處理為隨時(shí)間變化的給定流量邊界；第四層底部邊界處理為不透水邊界。灌溉補(bǔ)給、降雨補(bǔ)給概化成面狀補(bǔ)給，按照灌溉/降雨強(qiáng)度與補(bǔ)給系數(shù)的乘積計(jì)算。根據(jù)抽水井調(diào)查結(jié)果，研究區(qū)域內(nèi)存在7個(gè)抽水井（圖2），分布于線路兩側(cè)200 m范圍內(nèi)，單井的實(shí)際平均抽水速率約為1 500 m3/d。選取1 000，1 250，1 500，1 750，2 000 m3/d 5個(gè)抽水速率，來(lái)探究不同地下水開(kāi)采條件下地下水位變化特性和無(wú)砟軌道路基沉降特性。

圖2 模型中抽水井設(shè)置情況（單位：m）

2.2 結(jié)果分析

圖3為不同抽水速率條件下地下水位下降高度隨開(kāi)采時(shí)間的變化曲線，本文運(yùn)算了10年的地下水位變化情況，文中抽水速率指7 個(gè)抽水井的單井平均抽水速率。由圖3可知，地下水位隨開(kāi)采時(shí)間逐漸下降，且地下水位的下降高度隨抽水速率的增加而增大；當(dāng)抽水速率為2 000 m3/d 時(shí)，地下水位下降高度最大，10年間地下水位下降了17.65 m；抽水速率為1 000，1 250，1 500，1 750 m3/d 時(shí)，10年間地下水位下降高度分別為7.31，10.48，13.41，16.09 m。隨著抽水井抽水速率的增加，整個(gè)區(qū)域的抽水量增大，而地下水得不到有效補(bǔ)充，因此地下水位的下降高度逐漸增大。

圖3 地下水位下降高度-時(shí)間曲線

圖4為不同抽水速率條件下地下水位下降速率隨開(kāi)采時(shí)間的變化曲線?？芍叵滤幌陆邓俾孰S開(kāi)采時(shí)間的增加逐漸減小，隨抽水速率的增加逐漸增大。最大地下水位下降速率出現(xiàn)在抽水速率為2 000 m3/d 工況且第 1年抽水時(shí)，為 2.063 m/a；地下水開(kāi)采第10年，抽水速率為1 000 m3/d 工況的地下水位下降速率最小，為0.627 m/a。10年間研究區(qū)域在不同抽水速率條件下地下水位平均下降速率見(jiàn)表2。

圖4 地下水位下降速率-時(shí)間曲線

表2 地下水位平均下降速率

圖5為第10年底不同抽水速率條件下地下水位下降高度?？芍?，地下水位下降高度的增大幅度隨抽水速率的增加而減小。當(dāng)抽水速率從1 000 m3/d 到2 000 m3/d分4 次逐級(jí)增加時(shí)，地下水位下降高度的增大幅度分別為3.17，2.93，2.68，1.56 m，地下水位下降高度分別增加了43.4%，40.1%，36.7%和21.3%，表明隨著抽水速率的增加，地下水位下降高度的增大幅度逐漸減小。同時(shí)可知，減少地下水的開(kāi)采量，將很大程度上緩解地下水位的下降高度。

圖5 第10年底地下水位下降高度-抽水速率曲線

3 不同地下水位變化條件下路基沉降特性研究

3.1 模型建立

采用ABAUQS 有限元軟件建立研究區(qū)域的無(wú)砟軌道路基二維沉降模型，分析不同地下水位波動(dòng)條件下無(wú)砟軌道路基沉降特性。模型高105 m，底部寬68.6 m。設(shè)計(jì)路基填土高度取5 m，路基面寬度取13.6 m，路基邊坡坡度為1︰1.5，地基高度取100 m，分4層填筑，各層的物理力學(xué)參數(shù)參見(jiàn)表1。地基的底面設(shè)為不透水固定邊界，并約束其水平與豎向位移；地基兩個(gè)側(cè)面約束水平位移，地下水位以下設(shè)為不透水邊界；地基頂面設(shè)為排水面；路基底面設(shè)為不排水面。路基沉降模型如圖6所示。

圖6 路基沉降模型（單位：m）

3.2 結(jié)果分析

在本文第2節(jié)中研究區(qū)域在不同抽水速率條件下計(jì)算的地下水位下降結(jié)果的基礎(chǔ)上，本節(jié)研究了不同抽水速率條件下10年間地下水位變化造成的無(wú)砟軌道路基沉降特性。

3.2.1 超靜孔隙水壓力特性

路基中心線距路基頂面43 m 位置點(diǎn)，在不同抽水速率條件下超靜孔隙水壓力隨開(kāi)采時(shí)間的變化曲線如圖7所示?？芍?，測(cè)點(diǎn)的超靜孔隙水壓力隨開(kāi)采時(shí)間的增加而減小，隨著抽水速率的增加而減小。當(dāng)抽水速率為1 000 m3/d 時(shí)，10年間測(cè)點(diǎn)的超靜孔隙水壓力由222.7 kPa減小至178.4 kPa，減小21.7%；抽水速率為 1 250，1 500，1 750，2 000 m3/d 時(shí)，10年間超靜孔隙水壓力分別減小28.7%，35.8%，40.9%和45.7%。隨著開(kāi)采時(shí)間與抽水速率的增加，地下水位的下降高度逐漸增加，同一位置處的超靜孔隙水壓力減小。同時(shí)，超靜孔隙水壓力的減小也是導(dǎo)致路基沉降的直接原因。

圖7 10年間超靜孔隙水壓力-時(shí)間曲線

3.2.2 沉降特性

路基頂面累積沉降隨開(kāi)采時(shí)間變化曲線如圖8所示?？芍?，路基頂面累積沉降隨時(shí)間逐漸增加，且路基頂面累積沉降幅值隨抽水速率的增加而增大。當(dāng)抽水速率為2 000 m3/d 時(shí)，10年間地下水位下降17.65 m，此時(shí)路基頂面累積沉降最大，其值為434.1 mm；抽水速率為1 000，1 250，1 500，1 750 m3/d時(shí)，10年間路基頂面累積沉降分別為205.2，273.8，344.5，401.6 mm。隨著抽水速率的增加，地下水位的下降高度逐漸增大，路基頂面累積沉降逐漸增加，其原因?yàn)槌樗俾试酱?，地下水位下降得越快，隨著地下水位的下降，土層中的飽和土體逐漸轉(zhuǎn)化為非飽和土體，孔隙水壓力減小，土體有效應(yīng)力增加，原來(lái)由孔隙水承擔(dān)的荷載逐漸轉(zhuǎn)移到土骨架，從而引起土體的壓縮沉降。

圖8 10年間路基頂面累積沉降-時(shí)間曲線

路基頂面年沉降隨開(kāi)采時(shí)間變化曲線如圖9所示。可知，每年路基頂面沉降值即年沉降隨開(kāi)采時(shí)間的增加逐漸減小，隨著抽水速率的增加逐漸增大。路基頂面最大年沉降為抽水速率2 000 m3/d 工況在第1年的沉降量，為57.7 mm；地下水開(kāi)采第10年，抽水速率為1 000 m3/d工況的路基頂面年沉降最小，為16.4 mm。不同抽水速率條件下10年間研究區(qū)域的路基頂面平均沉降速率見(jiàn)表3，可知路基頂面平均沉降速率隨抽水速率的增加而增大。

圖9 10年間路基頂面年沉降-時(shí)間曲線

表3 路基頂面平均沉降速率

同時(shí)由圖3—圖5、圖8、圖9可知，路基頂面累計(jì)沉降、年沉降、平均沉降與地下水位的下降高度、下降速率、平均下降速率規(guī)律相似，表明地下水是影響路基沉降的關(guān)鍵因素。由于地下水位下降高度與抽水速率呈正相關(guān)，因此可采用減少地下水開(kāi)采量的方法降低路基沉降?？紤]到工程實(shí)際及保障沿線居民生活，將雄縣地區(qū)沿線單井抽水速率降至1 000 m3/d 以下，可控制京雄城際鐵路路基沉降，保障鐵路安全平穩(wěn)運(yùn)行。

4 結(jié)論

1）隨著開(kāi)采時(shí)間的增加，地下水得不到有效補(bǔ)充，地下水位逐漸下降。隨著水位的降低地下水開(kāi)采難度增大，且低水位時(shí)周圍地下水補(bǔ)充量多于高水位時(shí)的補(bǔ)充量，因此地下水位的下降速率逐漸減小。

2）隨著抽水速率的增加，地下水位下降高度逐漸增大，增大幅度逐漸減小，地下水位下降速率逐漸增大。當(dāng)抽水速率由1 000 m3/d 增大至2 000 m3/d，10年間地下水位累積下降高度增大141.5%，第10年的水位下降速率增大154.1%。減少地下水的開(kāi)采量，將很大程度上緩解地下水位的下降。

3）土體中超靜孔隙水壓力隨開(kāi)采時(shí)間的增加而減小，隨抽水速率的增加而減小。超靜孔隙水壓力與地下水位高度呈正相關(guān)，當(dāng)抽水速率為2 000 m3/d，10年間超靜孔隙水壓力減小45.7%。超靜孔隙水壓力的減小是導(dǎo)致路基沉降的直接原因。

4）路基頂面累積沉降隨地下水開(kāi)采時(shí)間的增加逐漸增大，隨抽水速率的增加逐漸增大；沉降速率隨開(kāi)采時(shí)間的增加逐漸減小，隨抽水速率的增加逐漸增大。隨著地下水位的下降，土層中飽和土體逐漸轉(zhuǎn)化為非飽和土體，超靜孔隙水壓力減小，土體有效應(yīng)力增加，原來(lái)由孔隙水承擔(dān)的荷載逐漸轉(zhuǎn)移到土骨架上，從而引起土體的壓縮沉降。

5）路基沉降特性與地下水位變化特性相似，表明地下水是影響路基沉降的關(guān)鍵因素，因此可采用減少地下水開(kāi)采量的方法降低路基沉降?？紤]到工程實(shí)際及保障沿線居民生活，將雄縣地區(qū)沿線單井抽水速率降至1 000 m3/d 以下，可控制京雄城際鐵路路基沉降，保障鐵路安全平穩(wěn)運(yùn)行。