開采淺層地下水對高速鐵路工程的影響分析

1、2006年第4期水文地質工程地質開采淺層地下水對高速鐵路工程的影響分析孟慶文12,閏澍旺1(1.天津大學建工學院,天津300072;2.鐵道第三勘察設計院,天津300142摘要:本文根據(jù)淺層地下水的性質,闡述了抽水引起的地面沉降機理和計算方法,結合實例計算了由于抽取淺層地下水引起的小范圍地面沉降和影響范圍,分析了這種小范圍地面沉降對客運專線路基、橋梁、軌道工程的影響。關鍵詞:高速鐵路;淺層地下水;地面沉降中圖分類號:P631.11;P641.132;P642.26文獻標識碼:A文章編號:10003665(200604.0037.03引起地面沉降的原因很多,如路基荷載、軌道荷載、橋梁墩臺荷載等等

2、,同時還有大量抽取地下流體等引起的地面沉降。由建筑荷載引起的地面沉降會隨著時間的推移而逐漸趨向穩(wěn)定,因此只要設計時采取適當?shù)拇胧┚筒粫瓦\專線工程造成很大的影響。長期超量抽取深層地下水(流體引起的沉降范圍一般都很大,在小范圍內(nèi)一般不會形成大的不均勻沉降,沉降漏斗相對平緩,因此對客運專線工程的影響也相對較小。但是如果長期抽取淺層地下水將會在相對較小的范圍內(nèi)產(chǎn)生沉降,從而引起相對較大的不均勻沉降,所以對客運專線工程的影響也就較大。本文結合高速鐵路建設的實際,探討淺層地下水的性質和長期抽取淺層地下水對高速鐵路工程建設和運行的影響,愿與同行交流。1淺層地下水的性質淺層地下水是指平原區(qū)含水層埋深不大,

3、第一穩(wěn)定承壓含水層之上的含水層組,一般與大氣降水聯(lián)系較為緊密的地下水體。淺層地下水的含水層多由弱含水層構成,常具有明顯的垂向不均勻性,一般把淺層地下水處理為統(tǒng)一的層狀含水層。在天然狀態(tài)下,由于弱含水層之間的相對隔水層具有隔水的作用,有時具有局部的微承壓性質;在人工干擾條件下,受含水介質垂向非均勻性的影響,淺層地下水水動力狀況將發(fā)生迅速而復雜的改變。如在基坑排水中,基坑內(nèi)外形成水頭差,由于下部相對含水層與上部地層滲透系數(shù)的收稿日期:20060123;修訂日期:2006.02.07作者簡介:孟慶文(1967一,男,工學碩士,高級工程師,副總工程師,主要從事鐵路、軌道交通工程的勘察設計工作。Emai

4、l:mengqingwencr-tsdi.corn 差異,微承壓水又可轉化為非承壓性的層間水。2抽取淺層地下水引起的地面沉降分析2.1抽取地下水引起的地面沉降機理分析地下水經(jīng)過抽取后會使地層壓密,這是由于含水層中水位下降引起土層孔隙水壓力降低、土層顆粒間有效應力增加的緣故。因此,有效應力原理是抽水引起土層壓密的基本原理,見圖1。形杉/抽水前一、水位1抽水后水位滁圖1抽水前后土層中有效應力的變化Fig.1Variation in effective stress in soil layersbefore and after pumping water根據(jù)有效應力原理,抽水前上述各力處于平衡狀態(tài),

5、即:P=盯+“。(1式中:p土層的總應力;盯抽水前的有效應力;M。抽水前的孔隙水壓力。抽水后水位下降了u,土層中孔隙水壓力隨之下 2006年第4期水文地質工程地質能通過上部軌道結構進行調整。雖然降低地下水位引起的沉降不會導致路基結構的破壞,但是長期降水引起的最終沉降將使線路坡度發(fā)生變化,導致線路坡度超限,影響線路平順性的要求,因此必須限制在路基附近長期抽取淺層地下水。4.2對橋梁工程的影響關于橋梁基礎的沉降控制,修訂中的京滬高速鐵路設計暫行規(guī)定有著嚴格的規(guī)定:墩臺基礎的沉降量應按恒載計算,其工后沉降量不應超過下列容許值:墩臺均勻沉降量:對于無碴橋面橋梁20nun。靜定結構相鄰墩臺沉降量之差:對

6、于無碴橋面橋梁:=5mm。橋梁設計中沉降計算只是考慮橋梁本身由于恒載引起的沉降,控制沉降的標準也是針對橋梁本身沉降制定的。對于地面下沉引起的橋梁沉降以往的橋梁設計中是沒有考慮過的。由此可見,若考慮抽取淺層地下水引起的地面沉降對橋梁工程的影響,就應針對不同的結構類型來分析。對于簡支梁結構的橋梁而言,因為橋墩的沉降差對簡支梁結構受力沒有影響,只需滿足軌道變形要求即可;對于大跨度連續(xù)梁,若在連續(xù)梁范圍內(nèi)有淺層井長期抽取淺層地下水,就會在連續(xù)梁上出現(xiàn)沉降拐點,將導致結構破壞。因此必須限制在連續(xù)梁影響范圍內(nèi)抽取淺層地下水。4.3對軌道工程的影響通過對橋梁、路基的分析,可以看出,抽取地下水引起的地面沉降對

7、橋梁、路基的工后沉降會產(chǎn)生一定影響,但在不破壞橋梁、路基結構破壞的條件下,均可以滿足鋪設無碴軌道對橋梁、路基的技術要求,即使出現(xiàn)小范圍的不均勻沉降,也可采取研制調高量較大的扣件系統(tǒng)、選擇可修復性較強的軌道結構等措施進行解決。5結論長期抽取淺層地下水引起的地面沉降影響的范圍小,但對高速鐵路工程的影響比較大。若在橋梁連續(xù)梁范圍內(nèi)有淺層井長期抽取淺層地下水,就會在連續(xù)梁上出現(xiàn)沉降拐點,將導致結構破壞,危及線路安全。雖然降低地下水位引起的沉降不會導致路基結構、橋梁簡支梁結構的破壞,但是長期降水引起的最終沉降將使線路坡度發(fā)生變化,導致線路坡度超限,影響線路平順性的要求。即使可以采取調高量較大的扣件系統(tǒng)、

8、選擇可修復性較強的軌道結構等措施進行解決小范圍的不均勻沉降,但是為保證結構安全和線路的平順性要求,必須限制在線路兩側一定范圍內(nèi)長期抽取淺層地下水。參考文獻:1Lowe J.New concepts in consolidation arId setdementAnalysisJ.Pmc.AscE,1974.No.G7116.2錢家歡,殷宗澤.土工原理與計算M.北京:水利水電出版社,1994.3中華人民共和國鐵道部.京滬高速鐵路設計暫行規(guī)定M.北京:鐵道出版社,2005.4黃文熙.土的工程性質M.北京:水利水電出版社,1983.5鐵道第三勘察設計院,等.區(qū)域地面沉降對京津軌道工程的影響及對策研究

9、(初稿R.天津:2005.An analysis of tl熗iIlnuence of p啪ping shaUow groundwater t0passenger express railwaysMENG Qingwenl一,YAN Shu.wan91(1.ScooZ礦C如以魄i,聊矗ng,孔口柳n沁瑙渺,孔。彬n300072,醌iM;2.硯e死i以如i伽町|snw&胍咖凰砒e,彬n300142,現(xiàn)iMAbs仃act:In this article,the principle and calculation method of laIld subsidence caused by pu

10、mping gmundwater are described according to the characteristics of shallow groundwater.Combined with engineering example,the land settlement and innuence scope which cu】sed by pumping shallow groundwater aIcalculated.ne innuence of the laIld subsidence in small area onsubgrade,bridge aIld railtracks

11、 ofexpress railwaysis alsoanalyzed.Key words:express milway;shallow groundwater;land subsidence編輯:吳霞芬 開采淺層地下水對高速鐵路工程的影響分析作者:孟慶文, 閆澍旺, MENG Qing-wen, YAN Shu-wang作者單位:孟慶文,MENG Qing-wen(天津大學建工學院,天津,300072;鐵道第三勘察設計院,天津,300142, 閆澍旺,YAN Shu-wang(天津大學建工學院,天津,300072刊名: 水文地質工程地質英文刊名:HYDROGEOLOGY & ENGIN

12、EERING GEOLOGY年,卷(期:2006,33(4引用次數(shù):1次參考文獻(5條1.Lowe J New Concepts in Consolidation and Settlement Analysis 1974(GT62.錢家歡.殷宗澤土工原理與計算 19943.中華人民共和國鐵道部京滬高速鐵路設計暫行規(guī)定 20054.黃文熙土的工程性質 19835.鐵道第三勘察設計院區(qū)域地面沉降對京津軌道工程的影響及對策研究(初稿 2005相似文獻(1條1.期刊論文李國和.張建民.張嘎.孫振岳.許再良.LI Guo-he.ZHANG Jian-Min.ZHANG Ga.SUN Zhen-Yue.XU Zai-Liang淺層地下水開采對高速鐵路工程的影響及對策-鐵道工程學報2007,24(12研究目的:研究掌握淺層地下水開采引起的地面沉降特征及其對高速鐵路工程的影響,提出針對性的防治對策與工程措施,供高速鐵路勘測、設計及施工參考.研究方法:結合華北平原地面沉降情況,建立淺層地下水開采引起地面沉降的固結沉降模型.研制離心場中地基抽水的模擬和測量系統(tǒng),進行了離心模型試驗,測量抽水過程中粉土地基孔隙水壓力和沉降的變化及分布規(guī)律,并對比分析了對不同型式橋梁的影響.研究結果:對淺層地下水開采引起的地面沉降機理進行初步分析,基于離心模型試驗結果探