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随着我国经济的稳步发展,人民群众对于交通便利的要求越来越高,高铁以快捷,高效,安全环保等优势成为长途出行的首选。津潍高速铁路是十四五规划中长期铁路网规划“八纵八横”高速铁路网沿海通道的组成部分,作为津潍高铁的一部分,东营南至寿光段南起寿光市留吕乡,北至广饶丁庄镇,全长约60公里,途径山东东北部地面沉降区,其建设和运营可能会受此影响。通过调查拟建铁路所在区域内的地面沉降发育历史与现状,查明该地区地面沉降的主要成因是地下水过量开采。为保证铁路建成后平稳高效运行,研究该工程沿线地面沉降的发展趋势是十分必要的。本文以地下水动力学和土力学理论为基础,以拟建津潍铁路东营南至寿光段为工程背景开展铁路沿线地面沉降预测与危险性评估,主要内容如下:
(1)借助InSAR监测技术对研究区地面沉降发育历史与现状作出归纳分析:据2016~2018年InSAR监测数据,区内大部分线路穿越10~20mm/a沉降区,仅在DK337+150~DK338+100区段穿越20~30mm/a沉降区;据2019~2020年监测数据,DK316+900~DK324+500m区域地面沉降速率较大,为20~30mm/a,其余线路沉降速率在20mm/a以下。结合研究区地质条件和地下水开采概况对区域地面沉降成因进行分析,确定地下水超采是主要诱导因素,并采用有效应力原理对沉降机理作出阐述。
(2)基于拟建铁路所在研究区的地质钻孔和地质剖面图资料,建立了三维地质可视化实体模型,实现了研究区地层结构的多角度展示,据此对研究区地层进行概化并结合自然地理和水文地质条件构建了三维地下水流和一维土体变形耦合的数值模型。在对地下水渗流模型和地面沉降模型分别进行识别检验后,采用达到准确性要求的数值模型对铁路沿线地面沉降开展数值模拟研究。
模拟结果显示,在维持现状地下水开采量的方案下,沿线地面沉降峰值位于DK321与DK323之间,最大沉降速率为16mm/a,坡度峰值为0.0531‰,位于DK315附近;在线路两侧200米实施禁采方案下,沿线地面沉降和地下水位均有所回弹,但部分里程段沉降速率仍无法满足≤10mm/a设计目标,基于此预测结果,对DK295-DK309、DK315-DK325段扩大禁采范围,模拟结果显示该方案下铁路沿线沉降速率和坡度值均达到设计目标。
(3)基于预测结果,结合FAHP和综合评价法,选取地面沉降严重性、地面沉降坡度和地下水位降深作为评价因子,将沿线两侧4km的范围按危险性等级由低到高划分为Ⅰ~Ⅳ四个等级,占比分别为39.66%,31.31%,17.30%和11.73%。根据分区结果,拟建铁路无里程段穿越Ⅳ级危险区,大部分位于Ⅰ区,危险性很小;DK285~DK295;DK315~DK323;DK327~DK329段穿越Ⅱ区,该区地面沉累计值在70mm~130mm之间;DK302~DK309段因沉降坡度变化较大位于Ⅲ区。
(1)借助InSAR监测技术对研究区地面沉降发育历史与现状作出归纳分析:据2016~2018年InSAR监测数据,区内大部分线路穿越10~20mm/a沉降区,仅在DK337+150~DK338+100区段穿越20~30mm/a沉降区;据2019~2020年监测数据,DK316+900~DK324+500m区域地面沉降速率较大,为20~30mm/a,其余线路沉降速率在20mm/a以下。结合研究区地质条件和地下水开采概况对区域地面沉降成因进行分析,确定地下水超采是主要诱导因素,并采用有效应力原理对沉降机理作出阐述。
(2)基于拟建铁路所在研究区的地质钻孔和地质剖面图资料,建立了三维地质可视化实体模型,实现了研究区地层结构的多角度展示,据此对研究区地层进行概化并结合自然地理和水文地质条件构建了三维地下水流和一维土体变形耦合的数值模型。在对地下水渗流模型和地面沉降模型分别进行识别检验后,采用达到准确性要求的数值模型对铁路沿线地面沉降开展数值模拟研究。
模拟结果显示,在维持现状地下水开采量的方案下,沿线地面沉降峰值位于DK321与DK323之间,最大沉降速率为16mm/a,坡度峰值为0.0531‰,位于DK315附近;在线路两侧200米实施禁采方案下,沿线地面沉降和地下水位均有所回弹,但部分里程段沉降速率仍无法满足≤10mm/a设计目标,基于此预测结果,对DK295-DK309、DK315-DK325段扩大禁采范围,模拟结果显示该方案下铁路沿线沉降速率和坡度值均达到设计目标。
(3)基于预测结果,结合FAHP和综合评价法,选取地面沉降严重性、地面沉降坡度和地下水位降深作为评价因子,将沿线两侧4km的范围按危险性等级由低到高划分为Ⅰ~Ⅳ四个等级,占比分别为39.66%,31.31%,17.30%和11.73%。根据分区结果,拟建铁路无里程段穿越Ⅳ级危险区,大部分位于Ⅰ区,危险性很小;DK285~DK295;DK315~DK323;DK327~DK329段穿越Ⅱ区,该区地面沉累计值在70mm~130mm之间;DK302~DK309段因沉降坡度变化较大位于Ⅲ区。