武漢地鐵三、四號線工程建設對地下水流場的影響分析

熊志濤，張 藝，文美霞，柯鵬振，楊 登，劉長憲，肖建紅

(1.湖北省地質環境總站，湖北 武漢 430034;2.湖北省地質災害防治中心，湖北 武漢 430034;3.湖北省環境監測中心站，湖北 武漢 430070;4.恩施市環境監測站，湖北 恩施 445000)

0 引言

按武漢市軌道交通近期建設規劃，武漢軌道交通到2040年將建成9條地鐵干線和3條城市快線，全長約540 km，共設站309座。主城區線網規模將達到333 km，共有7條長江通道，其中6條位于主城區。從2012年至2017年，武漢市每年都將建成開通一條地鐵線。地鐵隧道建成之后，大范圍的線形隧道可能局部阻斷地下水的徑流，造成地下水位局部壅高，對周邊地層的穩定和附近建筑物的安全造成一定的影響［1］。

1 研究區概況

武漢市位于江漢平原東部。區內地勢大致南東高、北西低，以丘陵和平原相間的波狀起伏地形為主。市區主要有兩列東西走向、南北平行的基巖殘丘。長江、漢江將區內切割成武昌、漢口、漢陽3大地段。地鐵三號線沿線地貌從南向北依次為:剝蝕堆積壟崗，高程一般在24.91～30.34 m之間，地形波狀起伏;河流沖積平原，高程一般在19.2～21.0 m之間，地形較平坦;湖沖積平原，高程一般在21.5～22.0 m之間，地形較平坦。地鐵四號線沿線地貌從西向東依次為:河流沖積平原，高程一般在19.7～21.5 m之間，地形較平坦;剝蝕堆積壟崗，地面高程一般在24.91～35.34 m之間，地形波狀起伏;河流沖積平原，地勢漸平坦、開闊，地面標高多在23.1～27.2 m之間，剝蝕堆積壟崗，地面高程一般在23.91～30.30 m之間，地形波狀起伏;湖沖積平原，高程一般在22.5～24.0 m之間，地形較平坦。

地鐵沿線地下水含水層類型可分為第四系孔隙水和基巖水兩大類，以第四系孔隙水水量最為豐富，分布最廣泛，也是武漢城區供水的主要開采層;基巖水總體水量較貧乏，除局部分布的碳酸鹽巖裂隙巖溶水外，其他含水巖類的富水性弱(見圖1)。

圖1 地鐵沿線含水層富水性分區圖Fig.1 Zonemap ofwater abundance of aquifer

第四系全新統孔隙承壓含水巖組:該含水巖組地下水由第四系全新統沖積、沖洪積砂、砂礫(卵)石孔隙承壓水組成，巖性自下而上為砂(卵)石—中粗砂—粉細砂之韻律層。全新統含水層厚度變化較大，階地中前緣厚度較大，向后緣逐漸變薄，武漢市城區一般為13.58～44.85m。地下水位埋深0.5～9.0m。含水巖組富水性，在地域上呈明顯規律性，一級階地前緣為水量豐富和較豐富地段，單井涌水量＞1 000或500～1 000 m3/d，階地后緣富水性中等，單井涌水量100～500 m3/d。地鐵三號線主要分布于漢口城區宗關站—市民中心站;地鐵四號線主要分布于北部鐵機路—工業路站。

碳酸鹽巖裂隙巖溶水:該類型地下水賦存于三疊系下統—中統(嘉陵江組)、石炭系上統—二疊系下統(棲霞組)碳酸鹽巖裂隙巖溶中。含水巖組的巖性主要由灰巖、白云巖、白云質灰巖、生物碎屑灰巖、燧石結核灰巖、大理巖等組成。該類型地下水水質良好，含水巖組富水性受巖性、斷裂構造以及巖溶發育程度控制而極不均一，單井涌水量141.00～385.00 m3/d及542.00 ～878.00 m3/d，水量中等—較豐富，是區內較好的具集中供水意義的地下水源。

圖2 地鐵走向與地下水流場關系圖Fig.2 Relation graph ofmetro trend and groundwater flow field

地鐵工程主要穿越大橋倒轉向斜，其中地鐵三號線在王家灣—江漢二橋站穿越該向斜;地鐵四號線在玫瑰苑站—鐘家村站沿該向斜核部鋪設，在梅苑小區—中南路站穿越該向斜。

根據地鐵沿線地層分布規律、巖土體物理力學性質［2］、地下水開采現狀等，結合地下水動態特征、補徑排條件的分析，工程區地下水流問題可以概化為非均質三維地下水滲流模型［3］。

2 地鐵建設對地下水流場的影響

2.1 地鐵走向與地下水流向的關系

(1)地鐵三號線走向與周邊地下水流向的關系。雙墩—趙家條區間的線路走向與地下水流向基本呈正交關系;江漢二橋—雙墩區間呈中等角度相交關系;文嶺—江漢二橋、趙家條—市民中心區間兩者間相交角度較小(見圖2)。

(2)地鐵四號線走向與周邊地下水流向的關系。黃金口—鐘家村和鐵機村—工業路路段的隧道走向與地下水流向基本呈正交關系;東亭—鐵機村和工業路—武漢火車站段呈中等角度相交關系;鐘家村—長江邊、長江邊—武昌火車站、武昌火車站—東亭呈小角度相交關系。

2.2 地鐵結構使地下水過水斷面發生變化

武漢地鐵三、四號線工程分別穿越漢江及長江。地鐵三號線沿線在漢口城區的宗關—市民中心區段，地鐵四號線在漢陽區的黃金口—永安堂區段及武昌城區的鐵機村—工業四路區段，工程施工均位于富水性強的第四系全新統承壓水含水層中，地鐵線路的防水和阻水作用，將降低原地下水過水斷面面積［4］。

地鐵三號線23座地下車站，地鐵總長約27.8 km，在修建前的天然狀態下，地下水過水斷面總計達486 500 m2，建成后則減小至389 200 m2，減小數為97 300 m2，減小幅度平均為20%。其中23座車站長度為5 760 m，建成后過水面積減小至92 516 m2，減小數為51 840 m2，減小幅度平均為35.9%。盾構隧道長22.04 km，修建前的過水斷面為342 144 m2，建成后的過水斷面為296 684m2，減少數為45 460m2，減少的平均幅度為13.3%。

地鐵四號線28座地下車站，地鐵總長約33.388 km，在修建前的天然狀態下，地下水過水斷面總計達353 880 m2，建成后則減小至291 504 m2，減小數為62 376 m2，減小幅度平均為17.6%。其中28座車站長度為5 860 m，建成后過水面積減小至42 740 m2，減小數為27 580 m2，減小幅度平均為39.22%。盾構隧道長27.52 km，修建前的過水斷面為283 560 m2，建成后的過水斷面為248 764m2，減少數為34 796m2，減少的平均幅度為12.3%。

由此可見，武漢地鐵三、四號線工程建成后，地下水過水斷面減少對地下水徑流會產生明顯的影響［5］。

2.3 地鐵建成前后的地下水流場對比分析

本文采用三維地下水流動數值模擬軟件GMS進行地下水位壅高的模擬預測［6］，利用建立好的模型，模擬出地鐵建設前后第四系孔隙承壓水含水層地下水流場分布狀況(見圖3－圖5)，所產生的影響具體包括:

(1)受地鐵三、四號線工程建設的影響，第四系承壓含水層地下水徑流方向總體改變不大。其中，地鐵工程建設期對地下水徑流的影響相對較大，地鐵建成后對區域流場產生的總體影響將逐漸變小。主要是由于武漢市特別是沿江區域地下水量較為豐富，含水層厚度較大。地鐵建設造成含水層過水斷面的減小，會在短時期內對地下水流場產生一定的影響;但工程建成后，在采取適當的工程恢復措施后，工程運行期間對地下水流場的影響可相應降低［7］。

圖3 第四系孔隙承壓含水層地下水流場初始分布圖Fig.3 Initial distributionmap of groundwater flow field of pore confined aquifer in the Quaternary

(2)地鐵工程的興建，將減少沿線地下水過水斷面的面積，從而使第四系全新統承壓含水層地下水水位產生一定程度的壅高。通過對比分析，地鐵三號線工程建設對地下水流場的影響要比地鐵四號線影響更大，工程建設過程中將形成若干地段的地下水短時壅高，對周邊地質環境影響更大;地鐵建成后，地鐵工程造成的地下水壅高值將逐步減?。?］。

(3)對比圖3、圖4，在其它條件均不變的情況下，地鐵建成前后在迎水面區域內，水位處于同一地點、同一時間段內總體相對升高，可認為在地鐵建成阻水后，地下水主要通過下部含水層徑流，由于過水斷面的減小，在水力梯度不變的情況下，影響地下水徑流排泄，水位總體將相對升高。

2.4 地下水位壅高的模擬預測

2.4.1 僅地鐵三號線時車站的地下水位壅高

地鐵三號線工程對于地下水的壅高值根據流場變化呈現同步變化，越靠近地鐵迎水面壅高值越大;其變化受地下水流場控制，根據地下水流場模擬，其結果見圖6。

圖4 地鐵施工期第四系孔隙承壓含水層地下水流場預測分布圖Fig.4 Prediction distribution map of groundwater flow field of pore confined aquifer in the Quaternary during themetro construction period

圖5 地鐵建成后5年第四系孔隙承壓含水層地下水流場預測分布圖Fig.5 Prediction distribution map of groundwater flow field of pore confined aquifer in the Quaternary after construction

通過圖6的分析可知，地鐵三號線地鐵車站建設對地下水流場產生的影響具有局部性和較大的差異性。地鐵工程對地下水流場影響最大區域位于趙家條—市民中心站區間內，主要使流場發生壅高，地鐵兩側水位升高，升高值在0.35～0.77 m之間;其次為宗關站—惠濟二路站區間，受地鐵阻隔作用影響，使原水位在小范圍內造成地下水位壅高，壅高值在0.07～0.13 m之間;地鐵三號線其它區間段內(文嶺站—王家灣站)，由于其走向與地下水流向基本一致，對地下水的阻隔作用不甚顯著，地下水流場所受到的影響較小［9］。

2.4.2 同時考慮三號、四號線時車站的地下水位壅高

考慮存在地鐵四號線的情況下，地鐵三號線地下車站地下水位壅高值的結果見圖7。地鐵四號線與地鐵三號線在王家灣站換乘，兩者之間的相互影響主要位于王家灣車站處，地鐵建設對地下水流場總體影響較小;其它區域兩者的影響較小。

圖6 地鐵三號線建成后地下水位壅高曲線圖Fig.6 Curve of the groundwater level raising after the construction of Metro line 3

圖7 同時考慮地鐵三、四號線時地下水位壅高曲線圖Fig.7 Curve of the groundwater level raising considering the construction of Metro line 3 and Line 4

3 結語

武漢市城區建筑密集、河流眾多、地下水量較豐富，根據以上分析可以看出地鐵工程建設將直接影響武漢市地下水環境。而這種影響具有長期性和隱蔽性的特點，特別是隨著多條地鐵工程的建成，將對整個地區地下水流場產生影響。對地下水流場形成區域分割，將對武漢市區地下水流場形成再均衡效應，此過程為適應與再適應的長期不斷變化過程，只有長期監測地下水流場動態變化特征，才能做出符合實際的決策而趨利避害。

［1］黃家祥，張曉春.城市地鐵工程的地下水問題分析［J］.巖土工程界，2008，1(1):109 －111.

［2］黃文熙.土的工程性質［M］.北京:水利電力出版社，1983.

［3］華東水利學院土力學教研室.土工原理與設計［M］.北京:水利電力出版社，1982.

［4］高過瑞.近代土質學［M］.南京:東南大學出版社，1990.

［5］許劼，王國權，李曉昭.城市地下空間開發對地下水環境影響的初步研究［J］.工程地質學報，1999，7(1):15 －19.

［6］徐則民，張倬元，劉漢超.成都地鐵環境工程地質評價［J］.中國地質災害與防治學報，2002，13(2):63 －69.

［7］莊乾城，羅國煜，李曉昭，等.地鐵建設對城市地下水環境影響的探討［J］.水文地質工程地質，2003，4(4):69 －102.

［8］成璐.成都地鐵1、2號線工程主要水文地質問題分析［D］.成都:成都理工大學，2008.

［9］林國慶，馮青華.淺談地下水對武漢市地鐵工程建設的影響［J］.資源環境與工程，2011，25(1):46 －51.