地下水抬升對城市安全運維影響分析

馬海志

(北京城建勘測設計研究院有限責任公司, 北京 100101)

地下水是北京市最主要的供水水源之一，南水進京前，地下水占北京市總供水量的2/3，長期大量開采使北京地下水位持續下降[1]。2014年南水北調中線一期工程通水后，北京利用南水替代部分地下水進行供水，多個大型水源地減采地下水，通過潮白河道對懷柔應急水源地、水源八廠和懷柔水源地等多個大型水源地進行人工補給，置換大量的自備井等[2]。此外，北京市2016年實施生態補水工程，于2019—2021年連續3年開展了大規模永定河(北京段)生態補水工作[4-6]，共補給水資源量約6.5億m3。由于上述因素影響，北京市平原區淺層地下水位持續抬升。地下水位的抬升改變了地下水與城市基礎設施的垂向位置關系，對城市基礎設施特別是地下工程產生不利影響，本文在分析了近3年地下水位變化情況的基礎上，總結了地下水位抬升對城市基礎設施地下工程安全運維的影響，并探討了管控與治理措施要點。

1 北京市地下水位變化情況

北京市平原區地勢西北高，東南低，地下水總體由西北流向東南，地下水位埋深西北至東南由深變淺。在南水北調進京替代部分地下水開采、生態補水工程、大氣降水等因素綜合作用下，北京市地下水位出現不同程度的抬升，據統計，2018年8月—2021年8月，北部密懷順地區、西部海淀區、石景山區、豐臺區、門頭溝區地下水位抬升幅度超過5 m，永定河兩岸地下水位抬升達到10～17 m，南部大興和東北平谷地區抬升幅度一般3～10 m，東部朝陽區和通州區抬升幅度小于3 m。全市平原區地下水平均埋深由23.12 m抬升至19.36 m，平均抬升高度3.76 m，其中，石景山區地下水平均埋深由40.64 m抬升至30.53 m，平均抬升高度達10.11 m，地下水位抬升范圍為3 572.2 km2。

2 城市安全運維影響分析

北京市地下水位出現大幅抬升對城市軌道交通、市政道路、城市地下管網、地下建構筑物等都產生了不同程度的影響，以北京市軌道交通為例，目前北京市正在運營線路22條，總里程690.3 km，2018年運營線路中有15條線路存在隧道底板位于在地下水位以下的情況，涉及里程146.4 km，占當年總里程21%；2021年運營線路中有18條線路存在隧道底板位于在地下水位以下的情況，涉及里程330.9 km，占當年總里程48%，對比顯示隧道底板位于在地下水位以下的里程增加了185 km。地下水位的抬升改變了地下工程周圍水土應力環境，增大了對基礎設施工程的破壞風險，勢必對其產生較大影響，主要體現在幾個方面。

2.1 滲漏水情況加劇

城市基礎設施中軌道交通、綜合管廊、電力隧道等大型地下工程主體結構的抗滲性能主要依靠抗滲混凝土及外包防水層來保證，但施工縫、變形縫、穿墻管件等節點始終是抗滲的薄弱環節，隨著線路運行時間的增長、地下水環境的變化、防水材料老化等因素影響，滲漏水病害日益突出。地下水位抬升后將改變水土應力環境，對上述薄弱環節進一步破壞，因此地下水位抬升增大了滲漏的風險，導致滲漏點從無到有，從少到多增多，滲漏量增加，同時結構滲漏會引起混凝土鈣質流失、增加鋼筋銹蝕風險，降低結構的耐久性，縮短使用年限。

2.2 運營設備與電力系統安全風險加大

地下水抬升會導致結構滲漏日趨嚴重，對地下工程中的運營設備與電力系統安全風險加大，尤其是城市軌道交通工程，其影響主要集中在地鐵車站和地下區間隧道內。車站滲漏水問題一方面會直接影響車站電扶梯、安全門等帶電設備的穩定運行，另一方面對乘客的出行服務造成影響。隧道內由于滲漏水問題會導致隧道內長期積水并處于潮濕環境影響：

(1)影響隧道內電氣設備及接觸軌系統等帶電設備的穩定運行，出現設備短路、接地、打火等故障問題。

(2)導致隧道內鋼軌扣件、電纜支架等金屬銹蝕加速，降低設備使用壽命。

(3)隧道滲漏水嚴重時，積水無法及時排出，導致水漫道床影響正常運營。

2.3 結構抗浮穩定性降低

處于地下水位以下的城市軌道交通結構、地下管網、建構筑物等，依靠結構自重及覆土重抵抗所受的地下水浮力，以保持穩定性。隨著地下水位上升，抗浮措施的安全儲備在逐漸降低，同時地下水位短期大幅度變化對地下結構的內力產生一定影響，會出現側向受壓變形和豎向位移，嚴重情況下會出現結構裂縫或超限變形、掉塊等結構病害，降低了主體結構的局部抗浮穩定性。

2.4 地下管網破壞及路面塌陷

城市地下管線錯綜復雜，數量眾多，結構材料類型多樣，且部分管線年久失修，地下水位上升導致管線周圍地層條件惡化，造成管線彎曲變形甚至開裂滲漏，另外，管線周圍地層因長期浸泡，會形成流砂、空洞或水囊，若周邊有開挖擾動時，管線及地層破壞加劇，甚至會引發涌水，造成地層被掏空形成大面積空洞，進而導致地層失穩發生地面坍塌。

3 城市安全運維管控和治理探討

3.1 以精準探測為原則，多專業協作治理，突破傳統治理理念

針對地下水位抬升導致的滲漏病害問題，傳統治理理念“輕探測，重治理”，即在未明晰滲漏水路徑、滲漏水來源、地層滲透性以及空洞水囊分布與演變特性的情況下，進行盲目的注漿治理，無法達到滲漏水標本兼治的目的，且可能加速滲水。因此，要突破傳統治理理念，就必須進行多專業協作，采取以“精準探測、疏堵結合、多道設防、綜合治理”的原則，利用多元物探探測技術，精準探測滲漏水路徑、滲漏水來源、地層滲透性以及空洞水囊分布，有針對性地采取封堵措施，同時對地層進行補強加固，對結構外表面的水囊進行擠壓驅趕，以達到改善地下結構外表面防水性能的目的。

3.2 建立“城市安全運維管理體系”

建立城市基礎設施風險安全檢測、監測、預警、診斷與維護一體化的“城市安全運維管理體系”。

將大數據信息與城市安全運維融合，建立城市基礎設施風險檢測、監測、預警、診斷與維護一體化的“城市安全運維管理體系”，包括4個部分：

(1)檢測體系。針對大型地下工程，如軌道交通工程，可直接利用大型三維掃描技術與探測雷達對工程體內部病害進行檢測識別，并與物聯網相連實現病害的診斷；針對地下管網，可從地上采用雷達、電法、微動等探測技術進行病害探測，也可采用小型機器人進入工程體內部進行掃描探測。

(2)監測體系。使用自動化采集與傳輸技術，監測結構位移、變形，周邊環境，捕獲結構與環境狀態。

(3)預警體系，掃描結果經診斷后，得出各病害的分階段預警值，根據監測系統顯示的病害嚴重程度、及時發出預警信號。

(4)診斷體系?？筛鶕A警等級和病害癥狀進行預判推理，并結合專家經驗，輸出相應病害養護、維修和治理措施。

3.3 實現跨行業聯動，統籌水資源規劃與城市安全運維管理協同發展

城市安全運維管理需要跨行業聯動，統籌規劃協同發展，以工程抗浮為例，地下水位雖然在整體上升，但距抗浮設防水位尚有5～15 m的差值，也就是說現狀地下水位對于工程抗浮來講是安全的，但是隨著地下水位的持續抬升，安全儲備會逐漸減少，風險也越來越大。因此，有必要建立城市基礎設施地下水位監測網，實時監測地下水位數據，為極端情況實施預警。對于未來北京市地下水整體變化趨勢需與北京市水務系統建立聯動機制，統籌水資源規劃與基礎設施安全運維協同發展，基于水資源保護與基礎設施運維安全角度，規劃設計地下水位上限值。

4 結論

本文分析了近3年地下水位變化情況，分析了地下水位抬升對城市安全運維的影響，并探討了管控與治理措施技術，得出結論：

(1)北京市平原區地下水受南水北調、生態補水工程、大氣降水等因素影響，近年整體呈抬升趨勢，2021年地下水位抬升范圍為3 572.2 km2。

(2)地下水位的抬升改變了地下工程周圍水土應力環境，增加了對基礎設施工程的破壞風險，對城市基礎設施安全運維風險主要體現在滲漏水情況加劇、運營設備與電力系統安全風險加大、結構抗浮穩定性降低以及地下管網破壞及路面塌陷風險加大。

(3)提出以精準探測為原則，多專業協作治理為理念的城市基礎設施安全風險檢測、監測、預警、診斷與維護一體化的“城市安全運維管理體系”，實現跨行業聯動，統籌水資源規劃與城市安全運維管理協同發展。