地面沉降：高速铁路影响因素

地面沉降发育是受多重因素综合影响的复杂过程。如上海市城市建设的沉降影响约占地面沉降总量的 30%，是上海地面沉降另一重要制约因素。天津地区的构造沉降基本年速率为1.3～2.0 mm，是一个背景性的长期性的过程。人们将这种受自然因素和人为因素共同作用的地面沉降称为广义地面沉降，但考虑到自然沉降在沉降总量中的微弱比重，实际研究中多只分析人为地面沉降。

1.开采地下水引起的地面沉降

世界上广泛存在因超量开采地下水资源而引发的地面沉降现象。据调查，美国 80%以上已确定的地面沉降是人类抽取地下水的结果，我国因抽水而导致的地面沉降已遍及17 个省区市，总沉降面积达7 万平方千米。开采地下水导致地面沉降的机理，普遍采用有效应力原理进行解释。长期大量开采承压地下水，引起地下水降低，相邻各黏土层孔隙水向含水层释水，孔隙水压力降低，有效应力增大，黏性土被压缩；水体流动、渗透力作用及重力场变化，使黏性土颗粒重新排列、结构变形或破坏，造成土层压密；抽水作用使含水砂层颗粒排列紧密，间隙减小。上述三者共同作用，造成地面沉降。

监测显示地面沉降量与地下水位下降幅度呈高度正相关，地面沉降分布范围与地下水位降落漏斗基本吻合，而且地面沉降发育和生长的过程与地下水的开采过程基本保持一致或滞后一个时段。一般而言，地面沉降的发展都经历过缓慢沉降、显著沉降、急剧沉降等几个阶段，与同期地下水少量、大量、超量开采几个阶段相对应。在开展压缩开采量、人工回灌等治理措施之后，随着地下水位逐步恢复，沉降速率减小。特别是人工回灌地下水，可能引起地面在一段时间内回弹。

地面沉降是渗流场变化和地层应力重分布的过程。过量开采地下水会引起松散地层大量释水，造成含水层水位下降，孔隙水压力减小，同时含水层水位的下降也会影响相邻弱透水层水场的稳定，引起弱透水层水位下降，从而弱透水层孔隙水压力也减小。根据太沙基的有效应力原理，在土体总应力不变的情况下，这部分减少的孔隙水压力必然转化成土骨架承担的有效应力。故最终有效应力增加，引起土层压密，表现出地面沉降。

地面沉降量主要来源于弱透水层（黏性土层）压缩变形和含水砂层压缩变形，对弱透水层和含水砂层变形特征的研究是抽水地面沉降机理研究的重要内容。黏性土的变形具有塑性变形和蠕变的特点，而砂性土的变形特征较为复杂。薛禹群等试验表明，不同的砂性土在不同的应力条件下会有不同的表现，有的表现为弹性变形，有的表现为非线性变形，压缩变形以塑性变形为主并包含有蠕变是它变形的基本特点。所以砂土层变形也可能存在迟后效应。

发生地面沉降的地区一般都是由岩性不同的多种土层（如砂土层、黏质土层等）组成，各土层的沉降量不仅与土层自身特性（如压缩性）有关，还与土层的厚度以及地下水的采灌格局有关。压缩性小的砂性土层如果厚度大，也会引起较大的沉降。抽采和回灌水的状况影响地下水位的变化，导致土层经历不同的应力路径和应力历史，进而使土层表现不同的变形特征。薛禹群等研究了上海土层在5 种地下水位变化模式下的变形特征。

对于大面积区域性地面沉降，由于水文地质背景复杂，各土层的变形特征不可一概而论。

研究区域性地面沉降的成因需要将不同的水文地质单元分离出来分别研究。试验证明，由于地下水位的不同，相同的水文地质单元在不同的时期也可能表现出不同的变形特征。

为分析开采浅层地下水引起的地面沉降对线状工程——高标准轨道交通工程的影响，孟庆文等人（2006）依据浅层地下水的性质和特点，阐述了抽水引起的地面沉降机理和计算方法，估算了由于抽取浅层地下水引起的地面沉降和影响范围，初步分析了这种地面沉降对客运专线路基、桥梁、轨道工程的影响。李国和等人（2009）分析了华北平原地面沉降对高速铁路桥梁工程的影响，提出在抽水井附近及地面沉降的中心区域，不均匀沉降较为严重，对桥梁结构变形影响较大，对不同结构形式的桥梁影响有所不同；在地面沉降的扩展区域内，表现为桥梁与地基一同下沉，对高速铁路桥梁工程影响不大。需采取适宜的对策和措施进行防治。孟庆文（2016）阐述了京津冀地区地面沉降状况和原因，分析了开采地下水引起的地面沉降对高标准轨道工程的影响，提出了地面沉降地区高标准轨道交通工程地质选线原则和综合防护措施。(www.xing528.com)

2.地面建筑荷载引起的地面沉降

近20 年来，城市建筑物高层化和密集化趋势明显，地面荷载急剧增大，逐渐成为城市地面沉降新的重要制约因素。研究发现，大规模城市建设使上海在1989 至1995 年间的平均沉降率比在1972 至1988 年间的平均沉降率增长了 3 倍。城市建设的规模及其增长速度直接导致工程性地面沉降的同步增长，且建筑密度越大，容积率越高，地面沉降越明显。

在地面建筑荷载的作用下，土体产生附加应力，导致持力土层变形并伴随瞬时沉降，这一般在施工阶段瞬时完成。之后运营期间，土体的超静水压力迫使土中水产生流动的渗流（形成了水头差），土的孔隙比改变。随着时间推移，土的应力应变关系不断改变，土的固结逐渐趋于稳定。故饱和土体在外荷载作用下的沉降过程包含有瞬时沉降和固结沉降。

通常，单体建筑荷载引起的基础变形是浅部的和局部的，历时较短，危害性也有限。

但对于高群体集中建筑物荷载，由于在基底一定深度处产生附加应力的叠加，其对地面沉降的影响也表现出相邻建筑的单体基础变形的相互叠加，因此在一定的地质条件下，可能诱发大面积区域性地面沉降。

针对上海城市建设对地面沉降的影响，沈国平、王莉（2003）通过对典型地区调查研究认为地面沉降与建筑规模、建筑容积率、集中建设或分散建设、新增建筑等均存在关联关系。

介玉新等（2007）提出了等效影响荷载的概念，并据此较好地分析和解释了上海大面积建筑荷载引起的地面沉降的现象。唐益群等（2007）对密集高层建筑物群诱发的地面沉降叠加效应及其影响范围展开了初步研究，为防治因密集建筑荷载引发地面沉降提供了有益的参考。

3.构造运动引起的地面沉降

2011 年在东北太平洋海岸发生地震后，发生了许多严重的地面沉降和塌陷，日本学者K.Yasuhara 针对东北和关东地区，对比分析了地震前后地面沉降变化情况，是一种持续的、长时间的地面沉降，提出了这种持续的沉降情况主要是由地震构造运动引起的，其次是液化作用的影响。