成都地鐵7號線地下水壅高引起的環境地質問題定量化研究

趙 瑞 許 模 張 強 范辰辰

(成都理工大學地質災害防治與地質環境保護國家重點實驗室,610059,成都∥第一作者，博士研究生)

?

成都地鐵7號線地下水壅高引起的環境地質問題定量化研究

趙 瑞 許 模 張 強 范辰辰

(成都理工大學地質災害防治與地質環境保護國家重點實驗室,610059,成都∥第一作者，博士研究生)

成都地鐵7號線路為環線,沿線串聯了火車北站、火車東站和火車南站三個重要交通樞紐,且與城市快速軌道交通和市域軌道交通放射線形成換乘關系,對緩解城市交通狀況具有非常重要意義。然而，地鐵建設將對地下水環境造成直接或間接影響,使水位雍高滲流場發生變化,同時還易引起地面的不均勻沉降和地鐵附近淺基礎建筑物的破壞。通過定量化研究,計算出地鐵7號線修建引起地下水位雍高值為0.003 5～0.550 0 m；由水位壅高導致建筑物地基承載力受到最大影響的地點為火車南站附近。其承載力為修建前的95.49%;車站基坑降水引起的地面沉降值在0.01～2.18 cm范圍內,沉降量普遍很小。

成都地鐵7號線; 地下水雍高; 環境地質問題

Author′s address State Key Laboratory of Geohazard Prevention & Geoenvironment Protection of Chengdu University of Technology,610059，Chengdu,China

隨著城市的發展，地鐵作為一種快速、正點、安全、舒適、運量大、能耗低、污染小的交通工具應運而生,并可能成為未來城市主要的公共交通工具[1]。

地鐵建設過程中所產生的環境地質問題也備受重視。在非巖溶地區,城市地下工程主要關注環境巖土工程問題和環境水文地質問題,文獻[5-7]對地鐵建設中由于地下水與環境巖土體之間相互作用而產生的環境巖土體問題進行了研究。文獻[2-4]以上海近年來的工程實踐為例,就當前城市地下工程活動的環境巖土工程問題加以總結,歸納了最突出和困難的問題。展開地鐵建設中地下水與環境巖土體相互作用研究具有十分重要的理論和實踐意義[8]。本文針對成都地鐵工程及其環境地質問題,進行了量化評價。

成都地鐵工程中,南北走向的1號線和東西走向的2號線均已開通運營,而在建的成都地鐵7號線為封閉的環形線路。

1 工程概況與地質背景

成都地鐵7號線(以下簡為“7號線”)線路全長38.61 km，均為地下線,共設車站31座,包括標準站12座,換乘站19座(見圖1)。線路穿越多個商業區和城市主干道，并下穿多種型式和規模的建筑物。車站埋深1.73～11.3 m,區間隧道埋深6.47～28.01 m。7號線環線位于岷江水系I、II級階地及東部臺地區，處于岷江沖洪積扇的東南邊緣。

7號線經過區域內地表第四系堆積層廣泛分布。地層結構由上到下依次為第四系全新統(Q4)人工填土夾卵石角礫、上更新統(Q3)黏土、卵石土、粉細砂夾零星漂石,下伏白堊系(k2g)灌口組泥巖、泥質砂巖。第四系含水層主要為Q4和Q3孔隙水。Q4卵礫石層厚度較大,富水性好,是主要含水層。Q3黏土層膠結好,厚度小,富水性較差。基巖裂隙水賦存于K2紅層碎屑巖含水層組中,泥巖含量高,富水性差,主要為構造裂隙儲水,水量很小。地鐵經過區域地下水具有埋藏淺、變幅小、季節性變化明顯等特征。主城區至一環路間地下水平均埋深 3.67 m,二環路至城中心地下水平均埋深 3.92 m,二環路以外地下水平均埋深3.69 m。其中,線路萬年場站—琉璃場東站段穿越東部臺地,地形起伏相對較大,地下水埋深相對較大。研究區地下水主要是由北西向南東方向徑流,與地鐵環線呈不同角度相交。

2 隧道施工所引起的環境地質問題

根據文獻[9],車站及人行通道防水等級較高。因此,地鐵建成后會阻礙地下水的徑流,從而造成地下水位壅高，進而引起地鐵附近淺基礎建筑物不均勻沉降。正確評價由地下水位壅高造成的環境巖土地質問題是普遍關注的問題之一。

2.1 地鐵隧道引起的地下水位雍高問題

一般來說,隧道結構引起的地下水壅高值可采用地下水動力學法和數值模擬法來計算獲得。數值法參數要求多,精度相對高;解析法簡單、方便,計算精度相對較低,但普遍能夠滿足評價精度。因此,本文采用解析法計算隧道引起的地下水壅高值。

地下水流向與地鐵走向關系示意圖見圖2。根據達西定律，地鐵修建前,地下水通過地鐵沿線過水斷面的流量Q1和建成后過水斷面的流量Q2分別為:

Q1=K1J1ω1sin θ1

Q2=K2J2ω2sin θ2

式中:

K1——地鐵修建前過水斷面的滲透系數;

K2——地鐵建成后過水斷面的滲透系數;

J1——地鐵修建前過水斷面的水力坡度;

J2——地鐵修建后過水斷面的水力坡度;

ω1——地鐵修建前過水斷面的面積;

ω2——地鐵修建后過水斷面的面積;

θ1——地鐵修建前地下水流方向與地鐵線路方向的夾角;

θ2——地鐵修建后地下水流方向與地鐵線路方向的夾角。

根據《成都市地下水水位等值線圖》可以求得各車站、各區間隧道過水斷面的水力坡度J1。研究區維持在穩定流條件下,Q1=Q2,同時含水層的滲透性不會隨過水斷面的變化而變化,因此K1=K2,則有J1ω1=J2ω2,即J2=J1ω1/ω2,且有地下水位壅高值Δh=(J2-J1)×L=(J1ω1/ω2-J1)×L。其中,L指車站或者區間隧道的寬度(圖2所示)。

圖2 地下水流向與地鐵走向關系示意圖

地下水流向與地鐵隧道結構之間的夾角關系直接影響迎水面水位壅高的幅度。其中,地鐵線琉璃場站處地下水流向與車站走向近似平行,雍高值為零,本次不進行計算。從金沙博物館站—茶店子站隧道走向與地下水流向幾乎呈正交關系;科華南路站、火車南站呈大角度相交。在這些呈正交或者大角度相交地段的地下車站處,地下水位的壅高更為顯著。可計算得到各車站地下水水位壅高值，如表1所示。

表1 成都地鐵7號線各車站修建前后過水斷面變化表

由表1可見,火車南站和神仙樹站附近的地下水位壅高值最大,大于0.500 m,車站幾乎占據了整個過水斷面;火車北站、萬年場站、獅子山站、科華南路站和紅牌樓南站的地下水位壅高值較高,均大于0.100 m;其余大部分車站水位雍高值在0.010～0.100 m之間;還有6個車站雍高值為0.001～0.010 m范圍。

2.2 水位雍高后地基承載力的變化問題

通常情況下,地下水位上升的最大影響深度Zmax是對地基承載力產生影響的地下水位距離基礎底面的界限深度。一旦地下水位升高,處于Zmax之上時,地基承載力便會發生變化。這是由于地下水位升高使水位以下的土體失去由毛細管應力或弱結合水形成的表面凝聚力,同時地下水的浮力作用使土體有效重力減小,從而造成土的承載力降低[9]。目前,毛細管應力或弱結合水的作用機理復雜,尚處于理論研究階段。工程實踐中都假定土體的表面凝聚力不發生變化而忽略此類因素的影響,只考慮水的浮力作用對地基承載力的影響。

文獻[10-11]研究表明,地下水位的上升變化,對地基基礎的影響分為下4種情形:①當地下水位處于Zmax對應水位以下時,則不考慮地下水位對地基土的重度影響;②當地下水位介于基底與Zmax對應水位之間時,基底下的土體重度取在Zmax內的加權平均重度(求加權值時,水中土體重度按有效重度計算);③地下水位位于基底平面時,基底平面以下土體重度取有效重度,基底平面以上的土體重度(基礎埋置深度的范圍內)按其天然重度計算;④地下水位處于基礎埋置深度以內時,水下土體重度采用有效重度,水上土體重度采用土的天然重度。

7號線所處區域內地下水埋深較淺,地鐵沿線大部分淺埋的建筑物基礎位于地下水位以下。因此,本工程水位壅高后屬于上述第④種情況(如圖3所示)。

圖3 地鐵線地下水位影響地基深度示意圖

對于最大影響深度Zmax的確定,雖有很多學者在進行理論研究,但包括我國現行的設計規范在內都沒有給出明確的標準。文獻[12]提出取一倍基礎寬度作為最大影響深度。考慮到本次計算運用的Talor補充公式和Terzaghi公式,從安全角度出發(φ≤25°,φ為土體內摩擦角),令Zmax=B。則水中土體的有效加權平均重度為:

(1)

其中

(2)

式中:

γm——土的加權平均重度;

γ1——有效重度;

γ——土的重度;

γs——土顆粒的重度;

γw——土的干重度;

w——土的天然含水量。

根據Terzaghi極限荷載定律,當地下水位在Zmax以下時,地基承載力為:

(3)

式中:

Nr,Nq,Nc——太沙基承載力系數;

q——基礎兩側土壓力；

c——土的黏聚力。

由于黏土厚度小,考慮c=0,所以

(4)

當地下水位上升至距基底為Z時,地基承載力為:

(5)

則由于水位上升而引起的地基承載力變化比值為:

(6)

將式(1)、(2)代入公式(6),得出原始水位和壅高后水位都位于基底以上的地基承載力變化比值為:

(7)

PΔh=P-P1=Nq(γ-γ1)Δh

(8)

式中：

PΔh——水位壅高后淺基礎承載力降低值。

利用式(2)、(7)和(8)可計算出各車站地下水水位壅高后，其淺基礎承載力的降低值,結果如圖4所示(不包括琉璃場站)。

綜上分析,由地下水位壅高導致的淺基礎建筑物的承載力受到了一定影響。影響最大的火車南站站附近,承載力為修建前的95.49%。但總體來看,建筑物地基承載力減小程度不大,不會對建筑物造成安全隱患。

圖4 成都地鐵7號線各車站修建前后的地基承載力變化

2.3 車站基坑降水引起的地面沉降問題

地鐵車站和隧道在施工過程中的工程降水將使含水層內地下水位下降,從而使土層壓縮固結,或將某些小顆粒沙土沖走引起土層結構被破壞而沉降。

文獻[14]指出,有的隧道工程引起的沉降可能要持續很多年。文獻[15]對一個正常固結黏土中直徑3 m的隧道進行了長達11年的長期監測,發現沉降在10年左右才達到平衡。

成都平原區地勢平坦,地下潛水位埋深較淺,施工過程中車站必將進行基坑排水,由此而產生的沉降不可避免。

目前確定工程降水范圍有兩種方法,第一種方法是將抽水井概化為一個大口徑井或干擾井群,利用井流公式確定影響半徑,但地鐵7號線降水長度遠大于降水寬度,因此將其概化為井點排水是不合理的。考慮到降水范圍的幾何尺寸及深度,這里采用第二種方法，即用隧道涌水預測理論進行計算。根據《鐵路供水水文地質勘測規范》,降水范圍R計算公式為:

(9)

式中:

r0——基坑等效半徑，m;

A——基坑面積，m2;

K——滲透系數;

S——降水深度，m。

根據土力學原理,砂卵石土層中由降水引起的地表沉降值計算公式為:

(10)

式中:

S——土層的沉降量;

HM——土層的厚度;

ΔH1——計算點的水位下降值;

E——砂土的彈性模量,一般為土的壓縮模量ES的幾十倍[16];

γw——水的重度。

地鐵沿線主要為Q3與Q4的沙卵礫石潛水含水層,ES平均值為47.6 MPa[17]。,本次計算從安全的角度出發保守取值E=10ES,用式(9)、(10)可計算得到基坑降水造成的車站附近地面的沉降值,計算結果如表2所示。

表2 7號線車站疏排水引起的地表沉降值

由表2可以看出,車站基坑降排水引起的地面沉降值在0.01～2.18 cm范圍內,沉降量普遍較小,幾乎不存在沉降問題。這是由于地鐵沿線主要含水層為第四系沙卵礫石層,礫石間充填了不同粒徑的沙土,局部還充填有黏性土顆粒,故排水過程中不易產生土體流失。另外,根據太沙基定律,由于上覆荷重引起的總應力不變,水頭波動承受的壓力變化將等量地轉嫁給固體骨架,所以礫石在其間還起到骨架的作用,使得含水層不會輕易被壓縮。

3 結 語

在城市地鐵的建設過程中,影響或干擾原生的地下環境是不可避免的。對于更為敏感的地下水環境,地鐵的施工必會打破原有的動態平衡,可能還會產生改變地下水質、造成污染或者使地下水徑流系統發生變化等一些列的環境水文地質問題。同時地下水是保持巖土體應力和穩定狀態的一個重要因素,改變后的地下水與周圍巖土體相互作用,又會伴生一系列的環境巖土地質問題。施工期間,車站基坑或隧道疏排水會引起地表沉降,影響鄰近建筑物的穩定性;建成后的運營期,地鐵防護結構會阻礙地下水徑流,致潛水位壅高,從而對地基淺埋的建筑物產生安全隱患。

成都地鐵7號線沿線地處重要交通位置,施工期和運營期內,地下水與周圍環境的巖土體會產生相互作用,綜上分析,車站基坑或隧道降排水引起的地面沉降值在0.01～2.18 cm范圍內,沉降量普遍很小。由于地鐵結構導致地下水水位壅高,淺埋建筑物的地基承載力會受到一定程度的影響,影響最大的為火車南站附近,其承載力為修建前的95.49%。

[1] 黃潤秋,戚國慶.地鐵隧道盾構法施工對環境的影響研究[J].巖石力學與工程學報,2003,22(S1):2464.

[2] 徐則民,張倬元，劉漢超，等.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.

[3] 徐巖,趙文等.地鐵建設中的環境巖土工程問題分析[J].工程勘察,2007,(7):11.

[4] 邢崴崴,閻長虹.南京市地鐵工程環境地質評價[J].工程地質學報,2004,12(3):298.

[5] 孫鈞.城市地下工程活動的環境巖土工程問題(上)[J].地下工程與隧道,1999(3)：2.

[6] 孫鈞，方從啟.城市地下工程活動的環境巖土工程問題(中)[J].地下工程與隧道,1999(4):7.

[7] 孫鈞.城市地下工程活動的環境巖土工程問題(下)[J].地下工程與隧道,2000(1):2.

[8] 毛邦燕,許模，唐萬春，等.地鐵建設中地下水與環境巖土體相互作用研究[J].人民長江,2009,40(16):49.

[9] 中華人民共和國住房和城鄉建設部，中華人民共和國質量監督檢驗檢疫總局.地下鐵道設計規范:GB 50157—2013[S].北京:中國建筑工業出版社,2013.

[10] 周健,屠洪權,繆俊發.地下水位與環境巖土工程[M].上海:同濟大學出版社,1995.

[11] 黑瑞文,郭彥龍,趙春香.地下水對淺基礎地基承載力的影響[J].遼寧工程技術大學學報,2004,23(5):633.

[12] 洪毓康,土質學與土力學[M].2版.北京:人民交通出版社,1990.

[13] 中華人民共和國住房和城鄉建設部，中華人民共和國質量監督檢驗檢疫總局.建筑地基基礎設計規范:GB 50007—2011[S].北京:中國建筑工業出版社,1991.

[14] MAIR R J.Tunnelling and geotechnics:new horizons-46th rankine lecture[J].Geotechnique,2008,58(9):695-736.

[15] O’REILLY M P,MAIR R J,ALDERMAN G H.Long-term settlements over tunnels:an eleven-year study at Grimsby[C]∥Proceedings of Conference Tunnelling.London:Institution of Mining and Metallurgy,1991.

[16] 高大釗,袁聚云.土質學與土力學[M].北京：人民交通出版社,1979.

[17] 陳希哲.土力學地基基礎[M].北京:清華大學出版社,1998.

[19] 張克恭，劉松玉.土力學[M].3版.北京:中國建筑工業出版社,2010.

[20] 成璐,許模,毛邦燕.成都地鐵2號線地下水壅高的數值模擬[J].地質災害與環境保護,2008,19(1)：93.

財新網就G 79次高鐵列車在邯鄲附近發生停電故障提出建議

8月12日，由北京開往深圳北的G 79次高鐵發生停電故障，在邯鄲站附近滯留近2 h，上千乘客被困在近40 ℃高溫的車廂內。由于高溫，不少人出現身體不適。當天下午14點46分，北京鐵路局官方微博發布消息稱，因邯鄲市供電公司管轄的辛肖線220 kV上跨京廣高鐵電力線脫落，造成京廣高鐵邯鄲東至安陽東間設備故障，經全力搶修，于8月12日14點07分恢復供電，列車恢復運行。同濟大學孫章教授表示，減少該類事故發生的關鍵，是要提高整個配套體系特別是供電的可靠性。鐵路系統是通過多層次的防護墻來維護其安全的。“但此次事故并非源于鐵路技術，根源在于外部。”對此，他建議，國家電網應提高對高鐵供電的保護等級。孫章說，可靠的供電是高鐵正常工作的保障。就應急處置而言，“只是因為外部斷電停運，沒有出現火災或顛覆等嚴重情況，打開車門通風降溫的做法我認為是正確的。”由于目前高鐵車廂的窗戶設計均為密閉性設計，一旦斷電，空調停止工作，加之夏季天氣炎熱，車內溫度更是悶熱難熬。因此，不少乘客出現不適，想要下車，有的甚至想要打碎車窗。孫章說，“突然斷電，列車停留在區間而非車站，沒有任何安全保障，乘客如果下車，在軌道上會有危險。G 97當時又恰好停在橋上，情況更加復雜。應急處置中必須嚴防發生次生災害。”乘客為了通風一度想要砸窗的做法，孫章也表示不認可，“可以理解乘客的心情，但是，這確實會影響列車運行。”他說，高鐵不是公共汽車，列車運行有自動控制系統，一旦檢測到車窗破損，將無法運行(高鐵列車在會車時要承受很大的壓力波，必須保證其密閉性)。在這種情況下乘客必須換車，耽誤的時間會更長。那么，發生故障，乘客只能在車內“蒸桑拿”？孫章提出，這方面確實需要改進，“建議在列車設計上增備一些功率較小的應急電源，同時儲備一些應急用的電扇。這樣做會增加列車的自重和成本，但這是有必要的，是從乘客角度出發，一旦有情況可以保證車廂內最低限度的通風，適當降溫。”

(摘自2016年8月16日財新網，記者王璐怡報道)

Quantitative Research on the Geo-environment Problems Caused by Rising Water Level during the Construction of Chengdu Metro Line 7Z

HAO Rui, XU Mo, ZHANG Qiang, FAN Chenchen

Chengdu metro Line 7 is a loop-line, connecting three important transportation hubs: the North Railway Station, the East Railway Station and the South Railway Station, and forms convenient transfer relation with city fast orbit transportation and regional rail transit network. Line 7 will have important significance on relieving the tense situation of city traffic in Chengdu City and improving urban environment quality. However, metro construction will have direct or indirect impact on the groundwater environment, making the groundwater seepage field changes, which will cause the uneven settlement of the ground and the destruction of the shallow foundation buildings nearby. Based on a quantitative research, the increased underground water level is calculated within a rang from 0.0035m to 0.55m, and the largest bearing capacity of the building foundation influenced by the rising water level is near the South Railway Station,which bears about 95.49% of the former capability. While the ground subsidence value caused by station foundation pit precipitation is within the scope of 0.01 to 2.18 cm, so the settling volume is rather small.

Chengdu metro Line 7; rising water level; geo-environmental problem;

P 641.2

10.16037/j.1007-869x.2016.09.018

2014-12-18)