津秦客运专线天津滨海北站地质灾害的现状与预测

张像源，王 瑶，高俊杰，焦 洋，张 昕

(天津市地质调查研究院，天津 300191)

津秦客运专线天津滨海北站地质灾害的现状与预测

张像源，王 瑶，高俊杰，焦 洋，张 昕

(天津市地质调查研究院，天津 300191)

津秦客运专线滨海北站是综合交通枢纽站，是该专线的重要节点。本文基于该工程的地质背景条件和地质灾害监测资料进行分析，对其范围内的地面沉降、饱和粉(砂)土液化和水土腐蚀地质灾害的发育现状进行探讨与分析，并依次应用2阶多项式回归分析、标准贯入试验法、取样分析法分别进行了预测分析，结果表明在现状条件下，本工程近五年地面沉降速率有所减缓，饱和粉(砂)土液化灾害等级为轻微液化-中等液化，浅层水土腐蚀对工程基础中的钢筋混凝土的腐蚀性为中腐蚀。通过进行现状分析和趋势预测，从而为地质灾害防治和确保铁路的安全运营提供信息。

津秦客运专线;滨海北站;地质灾害;现状与预测

0 引言

津秦客运专线是国家中长期铁路网规划中的重要组成部分，起自天津站，止于秦皇岛。目前，全线已经进入铺轨阶段。位于天津境内的站点之一的滨海北站位于滨海新区汉沽蓟运河西侧、茶淀镇范围内，是集多种交通方式为一体的综合交通枢纽站，服务范围包括滨海新区汉沽、中新生态城、宁河县等重要地区，建成后将成为这些地区对外服务辐射的重要节点。为此，本文将基于该工程的地质背景条件分析，对其范围内的各类地质灾害的发育现状进行探讨与分析，并依据已有的地质灾害监测资料进行趋势预测，从而为地质灾害防治和确保铁路的安全运营提供信息。

1 工程概况与地质背景条件

1.1 工程概况

津秦客运专线滨海北站工程位于滨海新区汉沽蓟运河西侧，整个工程规划包括站前广场和规划路二、广场路一、广场路二、广场路三五个道路工程子项目，其中站前广场规划总面积1.88×104m2，道路总长1.251km，整体占地面积约6.67hm2(图1)。

1.2 地质背景条件

工程所处地貌单元为海积冲积低平原，整体地势平坦，地面高程为0.3～4.0m，整体由东北向西南微倾，微地貌特征大部为沟渠、葡萄园等，土质多为盐化湿潮土类。

图1 滨海北站工程平面位置示意图Fig.1 Location sketch map of North Binhai Station

工程周边发育有较大的汉沽断裂、茶淀断裂，二者均为活动断裂［1］。地震活动和活动断裂是影响本工程的主要内动力地质作用，也是影响本工程区域地壳稳定性的主导因素之一，根据《中国地震动参数区划图》(GB18306-2001)及《建筑抗震设计规范》(GB 50011-2010)，本工程地震设防烈度为Ⅷ度区，设计基本加速度值为0.20g。

工程场地勘察结果，所揭露的30m深度范围内地层均为第四纪松散沉积物，本场地天然地基(第一陆相层)缺失，软土厚度一般在8m以内，主要是淤泥质土、黏性土(如粉土)，在20m以浅范围内，场地地层自上而下分别为人工填土层(Qml)、新近组古河道、洼淀冲积层()、第Ⅰ海相层()和第Ⅱ陆相层()，其中后二者存在可能液化的粉土层。

工程场地地下水类型均为第四系松散岩类孔隙水，多次海侵在垂向上第Ⅰ含水组为冲海积层()，全部为咸水，矿化度一般2～5g/L，地下水化学类型为Cl-Na型水，水位埋深3～6m，富水性差。咸水下伏的深层水(包括Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ含水组)为高水头承压淡水，分布广，厚度大，是主要开采含水层。第Ⅱ含水组承压水()、第Ⅲ含水组承压水()、第Ⅳ含水组水()等深层水含水组富水性从西向东呈现增强的趋势，矿化度一般小于0.5g/L，地下水化学类型为HCO3-Na型水。深层水是工程所在区域上的主要开采层，但近年来开采有减少趋势。

2 地质灾害发育现状

根据本工程所处的地质环境条件，经野外调查与监测分析，确定本工程所在区域的主要地质灾害类型有:地面沉降、饱和粉(砂)土液化和水土腐蚀。

2.1 地面沉降

2.1.1 现状

据调查，研究区内分布若干眼机井，用于灌溉和生活用水。加之所在区域历史上过量进行地下水的开采，且以第Ⅱ含水组最多，其次是第Ⅲ含水组，第Ⅳ组的开采量相对较少。利用工程区内地面沉降监测点的资料，经过分析，除2006年沉降速率为20～30mm/a外，2007～2010年连续四年的年沉降速率值10～20 mm/a，且各年沉降速率值相对稳定。从沉降监测点沉降标高历时曲线可以看出(图2)，从2002年以来，具有逐渐减缓的趋势，且逐年沉降速度较为稳定。

图2 GC1监测点地面沉降标高历时曲线图Fig.2 Land subsidence elevation curve of monitoring point GC1.

2.1.2 原因分析

一般引起地面沉降的原因很多，综合考虑工程沿线所处构造部位、地下水开采等因素，认为影响地面沉降的原因除了自然因素外，大强度开采地下水，特别是深层地下水，产生大幅度水位下降，容易引发地面沉降［2-3］，这是由于超采破坏了地层内原始应力平衡状态，使孔隙水压力降低，有效应力增加，所产生的附加荷载，使土层固结。这是产生地面沉降的主要原因。

2.2 饱和粉(砂)土液化

场地粉(砂)土液化指饱和松散砂土或粘聚力较弱的轻亚粘土在振动或地震等动荷载的作用下产生急剧的状态改变和强度丧失，表现出类似液体性状的现象。

砂土液化现象往往伴随地震产生，通过野外调查时对年长村民的走访，1976年唐山大地震期间，本工程范围内出现少量的喷砂、冒水现象。

2.3 水土腐蚀地质灾害

工程场地属半干旱地区，浅层地下水为第四系孔隙水，地下水基本没有开采，地下水动态多处于自然状态，埋深稳定，且一般小于2m，土层为弱透水层，地下水主要受到大气降水及河水等地表水体渗透补给，处于临界返盐深度以上且地下水径流迟缓，并以蒸发及补给地表水体等方式排泄，矿化度高，一般2～5g/L，地下水类型主要是 Cl-Na型水，Cl-含量较高，一般在500mg/L以上，因而对钢筋混凝土中钢筋有中腐蚀性。

受浅部海相地层广泛分布和海水浸渍的影响，工程范围发育大面积盐化湿潮土，而氯离子是易溶盐中的主要阴离子，属氯化物盐渍土，根据相关调查结果［4］，对钢筋混凝土中钢筋也有中等腐蚀性。

3 地质灾害发展预测

3.1 地面沉降预测

据勘察资料，本工程范围内地质环境大体相同，但20m范围内存在一定的软土层，受局部地下水开采、局部建筑和路桥施工等因素的影响，工程沿线产生不均匀沉降也是可能的。

随着滨海新区城市建设和社会经济的快速发展，为减轻受害程度、控制地面沉降，天津市自1987年开始控制使用地下水，采取了一定的措施减缓了地面沉降的发展［5］。伴随着引黄济津、南水北调等工程的深入，外来水源很大程度上缓解了该区过于依赖地下水的压力，而且政府的减采、控采规划也正在逐步实施，受此影响，未来本研究区地面沉降规律总体为趋于减缓状态。

据工程区多年的沉降观测资料进行未来地面沉降量的预测，假设引发地面沉降的地质环境背景因素、触发要素维持目前较为稳定的现状，应用2阶多项式回归分析的理论进行预测，列出预测方程，预测该工程内水准监测点未来5年内的累计沉降量、沉降速率及高程变化趋势。据 GC0、GC1两个水准点1990～2010历年观测沉降量，进行回归分析计算其变化趋势方程式:运用上述方程分别预测了监测点2012～2015年历年累计沉降量(图3、图4)，并计算了其沉降速率，预测显示:在当前影响地面沉降的自然和人为因素不变的前提下，到2015年，本工程近5年累计沉降量小于1000mm，平均地面沉降速率18mm/a，沉降变化总体呈现稳中趋缓的规律，这一结论与现状发展趋势的判断一致。

图3 监测点GC0累计沉降量趋势预测历时曲线图Fig.3 Predicted accumulative land subsidence trend curves of monitoring point GC0

图4 监测点GC1累计沉降量趋势预测历时曲线图Fig.4 Predicted accumulative land subsidence trend curves of monitoring point GC1

3.2 饱和粉(砂)土液化预测

工程在20m深度范围内存在粉土、粉砂层，依据《公路桥梁抗震设计细则》(JTG/T B02-01-2008)，采用标准贯入试验法判断地面以下20m深度范围内土的液化，当采用桩基或埋深大于5m的基础时，判别15～20m范围内土的液化。当饱和土标准贯入锤击数(未经杆长修正)小于液化判别标准贯入锤击数临界值Ncr时，应判为液化土。

3.2.1 预测理论依据

在地面下15m深度范围内，液化判别标准贯入锤击数临界值按下式计算:

在地面下15～20m范围内，液化判别标准贯入锤击数临界值按下式计算:

式中:Ncr——液化判别标准贯入锤击数临界值;

N0——液化判别标准贯入锤击数基准值，此处按细则取10;

ds——饱和土标准贯入点深度(m);

dw——地下水位(m);

ρc——黏粒百分含率(%)，当小于3或为砂土时，应采用3。

对存在液化土层的地基，根据探明的各液化土层的深度和厚度，按下式计算每个钻孔的液化指数，并划分地基的液化等级。

式中:IIE——液化指数;

Ni、Ncri——分别为i点标准贯入锤击数的实测值和临界值;

di——i点所代表的土层厚度(m);

Wi——i土层单位土层厚度的层位影响权函数值(m-1)。

3.2.2 预测结果

依据标准贯入试验对场地前20m深度范围的粉土层，本场地在抗震设防烈度8度条件下，对8个测点进行预测计算，结果表明，局部点存在地震液化点，液化指数为4.02、9.77，液化等级为轻微液化-中等液化，其余测点不液化。

3.3 水土腐蚀地质灾害的危险性预测

根据《公路工程地质勘察规范》(JTG C204-2011)第K.0.3条，拟建场地环境类型为Ⅱ类，按照环境类型，进行野外取样分析，浅层地下水Cl-含量500 ～1600 mg/L，含量72～700mg/L，水化学类型Cl-Na型，PH值7.38～8.42，呈弱碱性。按照规范相关规定，浅层地下水对混凝土结构的腐蚀性为弱腐蚀，而在干湿交替环境下，对工程基础中的钢筋混凝土的腐蚀性为中腐蚀(表1)。

盐渍化土类型为中盐渍化土，据监测资料表明，天然状态下，滨海新区浅部土层(0～100cm)含盐量受降雨影响年内变化大，但年际变化较小;深部土层没有明显退盐现象［4］，因此在工程设计和施工时将采取一定防护措施，且工程建设不会引发水土腐蚀加重，土地利用方式可能会发生一定的改变，但对工程区水土腐蚀现状影响不大。

表1 浅层地下水对钢筋混凝土结构中钢筋的腐蚀性Table 1 Steel corrosion by shallow groundwater in reinforced concrete structure

3.4 综合预测

综上所述，本研究区不良地质灾害受地质环境要素和触发要素的控制，按照“就高不就低”的原则，预测未来其在现状条件下中等发育，因而本工程建设未来可能遭受地质灾害危害的可能性存在，应引起有关建设部门的重视。

4 初步认识

在综合调查和综合分析区域地质、水文地质、工程地质、灾害地质资料的基础之上，确定影响研究区工程的地质灾害种类主要有地面沉降、饱和粉(砂)土液化和水土腐蚀。根据预测，在当前影响地面沉降的自然和人为因素不变的前提下，到2015年，本工程近5年平均地面沉降速率18mm/a，累计沉降量小于1000mm，较之历史沉降速率有所减缓，这与政府实施的控沉措施不无关系;而饱和粉(砂)土液化局部等级为轻微液化-中等液化，在干湿交替环境下，浅层水对工程基础中的钢筋混凝土的腐蚀性为中腐蚀。在未来，只要对其予以高度重视，因地制宜加强地质灾害对工程影响的监测力度，同时采取必要的防治规划措施和工程措施，如合理控制研究区内地下水开采量，调整区域工业布局，采取工程防震、防腐蚀措施等等，通过合理选择对比，选择最佳防治方案［2］，均可有效地预防或减少地质灾害对本工程的危害。

［1］天津市地质矿产局.天津市地质环境图集［M］.北京:地质出版社，2004:41.

Tianjin Bureau of Geology and Mineral Resources.Tianjin geological environment atlas［M］.Beijing:Geological Publishing House，2004:41.

［2］陈梦熊.中国水文地质环境地质问题研究［M］.北京:地震出版社，1998:332-334.

CHEN Mengxiong.Research on Chinese hydrogeology and environmental geology issues［M］.Beijing:Earthquake Publishing House，1998:332-334.

［3］王家兵.控制地面沉降条件下天津深层地下水资源持续利用［J］.水文地质工程地质，2007，34(4):80-84.

WANG Jiabing.The sustainable use of deep groundwater resources on condition of ground subsidence control［J］.Engineering Geology and Hydrogeology，2007，34(4):80-84.

［4］李继军，等.天津城市地质调查报告［R］.天津:天津市地质调查研究院，2010.

LI Jijun，et al.Survey report on Tianjin urban geology［R］.Tianjin:Tianjin Geological Survey，2010.

［5］吴铁钧，崔小东，牛修俊，等.天津市地面沉降研究及综合治理［J］. 水文地质工程地质，1998，25(5):17-20.

WU Tiejun，CUI Xiaodong，NIU Xiujun，et al.A research on Tianjin ground subsidence and its integrated management［J］.Engineering Geology and Hydrogeology，1998，25(5):17-20.

Present situation and trend prediction of geological hazards of North Binhai Station on Tianjin-Qinhuangdao passenger dedicated line

ZHANG Xiang-yuan1，WANG Yao，GAO Junjie，JIAO Yang，ZHANG Xin
(Tianjin Geology Investigation ＆ Research Institute，Tianjin，Tianjin 300191，China)

North Binhai station is a crucial transportation junction of Tianjin-Qinhuangdao Passenger Dedicated Line.This paper，based on the analysis of North Binhai Station geological condition and existing geological disaster monitoring data，first analyzes the station’s present geological disaster situation including land subsidence，saturated silts/sands liquefaction and water and soil corrosion.Then the paper gives a predictive analysis of above geological disaster situation through second-order polynomial regression model analyses，standard penetration test and sampling respectively.And the result indicates that in the next five years，if the current situation remains，land subsidence will slow down，saturated silts/sands liquefaction grade will be light liquefaction to middle liquefaction and shallow groundwater and soil corrosion will be moderately corrosive.By the analysis and projection above，this paper intends to provide useful information for the geological disasters prevention and safe railway operation.

Tianjin-Qinhuangdao passenger dedicated line;north Binhai station;geological disaster;present situation and trend prediction

1003-8035(2012)03-0057-04

P642

A

2012-06-04;

2012-07-03

张像源(1970—)，男，高级水工环工程师，现在从事水工环地质专业及信息系统研发等方面的工作。

E-mail:qzhangxy@vip.qq.com