浅层地下水开采对高速铁路路基的影响

Shanghai Land & Resources上海国土资源浅层地下水开采对高速铁路路基的影响

黄路炜，肖　宏，韩宇刚，陈民子

（北京交通大学土木建筑工程学院，北京 100044）

摘　要：地下水开采造成的地面沉降会使高速铁路路基产生较大变形，进而影响行车安全。为研究在高速铁路附近开采浅层地下水对路基变形的影响，本文结合土体渗透固结理论，利用有限元软件ABAQUS建立三维流固耦合模型，系统分析不同抽水速度和与抽水井不同距离条件下的路基变形。分析结果表明：抽水速度和抽水井距离对高速铁路路基的变形具有显著影响。当抽水速度一定时，路基的变形随着与抽水井的距离增大而减小；当与抽水井的距离一定时，路基的变形随抽水速度增大而增大。故为减小地下水位下降对路基的影响，应严格禁止在铁路附近增加新的开采井，严格控制在影响范围内开采地下水。

关键词：地下水开采；路基沉降；高速铁路；数值模拟

中图分类号：P642.26 文献标志码：A 文章编号：2095-1329(2014)04-0127-03

doi:10.3969/j.issn.2095-1329.2014.04.030

我国是世界上高速铁路运营里程最长、在建规模最大的国家。高速铁路对路基变形要求十分严格，《高速铁路设计规范》规定，当列车运营速度达到300km/h时，有砟轨道路基工后沉降量不应大于5cm，桥台台尾过渡段路基工后沉降量不应大于3cm，沉降速率不应大于2cm/a；无砟轨道路基工后沉降应满足扣件调整和线路竖曲线圆顺的要求，工后沉降一般不应超过扣件允许的沉降调高量15mm[1]。目前很多高铁穿越地面沉降严重地区[2~5]，如京沪铁路途经的北京、天津、河北沧州、山东德州、江苏苏锡常、上海等地的地面沉降均很明显[6~10]。地面沉降与地下水开采有着直接关系，由于超量开采地下水而产生的区域地面沉降与路基工后沉降的耦合，使得上部结构可能会产生过大沉降和不均匀沉降以及附加坡度等[11,12]，这些都会严重影响列车的安全可靠运行。因此，严格控制路基变形对高速铁路的运营有着重要意义。

1 模型构建

1.1 影响范围与抽水速度的确定

（1）抽水影响范围

对于开采浅层地下水，抽水影响半径可由抽水试验确定，这里由下述经验公式进行估算：

（1）式中：S为水位降深（m），K为含水层渗透系数（m/s），R为影响半径（m）。

（2）抽水速度

模型建立一个半径为r的抽水井，根据实际工况假定地下水位为地表以下3m，抽取深度为整个含水地层（深度为3~17m），则水井表面的抽水速度可由下式得出[13]

：

（2）

式中：Q为抽水量（m3/d），r为抽水井半径（m），n 为孔隙率，l为抽水井滤水管长度（m），v为经过滤水管表

面的水流速度（m/d）。

1.2 几何模型

本文采用ABAQUS软件建立三维流固耦合模型。构建有限元模型时，根据上文计算所得抽水的影响范围，考虑到有限元模型中边界效应的影响，模型的大小以较抽水影响范围略大为宜。经过试算，当有限元模型的长宽均取300m时，边界的影响可降至较低水平。路基与水井的相互关系如图1，路基左侧（无抽水井）为50m，路基右侧250m，其中抽水井距边界50m，线路纵向长度为300m。

图1　路基与抽水井的相互关系（单位：m）Fig.1 Relationship between subgrade and pumping well (unit: m)

地层28m深度内分为3层，线路为双线无砟轨道。路基面宽度为13.6m，路基厚度为4.2m，路基边坡坡度为1:1.5。

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2014·V ol.35·№.4