地鐵建設對地下水環境的影響:以濟南市經十路為例

雷炳霄, 邢立亭, 董亞楠, 竇舒暢, 黃薛, 于苗, 趙振華, 高揚

(1.山東省地質礦產勘查開發局八○一水文地質工程地質大隊, 濟南 250014; 2.中國海洋大學工程學院,青島 266100; 3.山東省地下水環境保護與修復工程技術研究中心, 濟南 250014; 4.濟南大學水利與環境學院, 濟南 250022; 5.濟南軌道交通集團有限公司, 濟南 250100)

進入21世紀以來,地鐵以其安全、便捷、快速的優勢迅速成為改善城市交通環境、提高人民生活水平的重要交通工具[1]。然而,作為大規模的地下線性工程,地鐵在促進社會發展的同時對地下水環境產生的影響也已引起廣泛關注[2]。Colombo等[3]利用數值模擬的方法研究了米蘭地鐵隧道建設引起的地下水上升問題,認為當地下水上升幅度與區域地下水位相互疊加后,會對地下結構產生不利影響。Mossmark等[4]對瑞典西南部隧道施工期間地下水環境變化進行了研究,發現施工期間基坑降水會引發地下水位下降,溪流中基流減少。隧道防水系統完工后,地下水位雖得以迅速恢復,然而工程對地下水水質產生的不良影響將持續數年。中國針對地下工程建設對地下水環境的影響研究主要集中在地下水與巖土體之間相互作用產生的環境地質問題[5-6]、基坑降水引起的地面沉降和變形問題[7]以及地鐵施工對地下水水質[2]的影響等。

濟南地處中國北方巖溶發育區,市區巖溶大泉眾多,地鐵建設沿線地質條件復雜,第四系填土、黏性土、碎石土多種地層相互交錯;寒武-奧陶系灰巖、大理巖以及燕山晚期侵入的輝長巖、閃長巖等分布不均。地鐵工程主體結構若穿過含水層,會導致含水層內部的結構遭受破壞,嚴重影響地下水的補徑排。因此,能否準確評價地鐵建設對地下水環境的影響程度,是實現地下水與地鐵共融共生的關鍵[8]。針對這一問題前人研究多采用定性分析方法研究地鐵全線對地下水環境的總體影響,定量區分細化不同路段對地下水影響的差異性研究較少。現綜合濟南水文地質條件,采用解析法與數值法,量化地鐵建設所引起的環境地質問題,從地下水動態變化角度探討地鐵建設對于濟南地下水環境的影響,為地鐵建設優化設計、地下水環境保護等提供科學依據。

1 研究區地質概況

濟南地勢南高北低,平均年降水量為765 mm,受暖溫帶大陸性季風氣候及地形影響,南部山區降水量大于北部山前平原[9]。現以濟南某段地鐵線路為例,該線路沿東西走向敷設,途徑槐蔭區、市中區、歷下區、高新區、歷城區5個區,按照客流、間距、道路、建筑群等因素擬設立車站30余座,根據濟南市區地質環境特征,各區間段可采用盾構法和淺埋暗挖法施工,車站工程施工以明挖法為主。

工程沿線涉及的主要地層為第四系填土、黏性土、碎石土,下伏巖層主要為寒武-奧陶系灰巖及大理巖等、燕山晚期侵入的輝長巖及閃長巖。第四系主要含水層為沖洪積碎石、黏性土夾碎石,沖積形成的砂土、粉土等,另外在局部第四系黏性土具有一定的富水性。徑流方向總體上自南流向北偏東,以補給區域內河水的方式排泄,少量以地面蒸發方式和人工開采方式排泄[10-12](圖1)。該線路水文地質條件復雜,工程建設中的地下水環境保護問題是工程參建各方關注的重點。

2 數據來源與方法

2.1 數據來源

以線路地質勘察資料為基礎選取鉆孔62個,全面了解沿線的水文地質情況,鉆孔揭露地層涵蓋第四系、閃長巖、輝長巖以及寒武-奧陶系石灰巖,鉆孔深度介于26～490 m;2019—2020年豐水期在研究區地下水水質監測點[圖1(a)]進行取樣并測試。2018年7月—2021年7月期間逐月實測沿線ZK1-ZK16鉆孔地下水位數據,獲取研究區地下水位動態變化特征[圖1(d)]。結合地下水水位、研究區相關水文地質參數、工程地質條件等進一步分析濟南地鐵建設對地下水環境的影響程度。

圖1 研究區水文地質圖及重點區域剖面圖Fig.1 Hydrogeological map and profile of key areas in the study area

2.2 研究方法

2.2.1 解析法

(1)車站基坑降排水預測公式[13]為

(1)

(2)

(3)

式中:Q為基坑總排水量,m3/d;k為滲透系數,m/d;M為含水層厚度,m;Sd為基坑地下水位降深,m;R為降水影響半徑,m;r0為基坑等效半徑,m;A為基坑面積,m2。

(2)地下水位壅高計算公式[14]為

Δh=JR

(4)

式(4)中:Δh為地鐵車站的水位壅高,m;J為地鐵修建前的水力坡度;R為影響半徑,m。

2.2.2 數值法

針對某線路地鐵車站建設對地下水環境的影響進行數值模擬研究,以某線路Ⅱ段A站為例,研究黏性土-卵礫石地層結構的導流方案用以解決地下水壅高問題,實現工程與環境的共融共生。以研究區內水文地質條件為基礎,建立與地下水系統概念模型相對應的三維滲流數學模型,即

(5)

式(5)中:S為儲水系數或給水度;h為地下水系統的水位標高,m;Kxx、Kyy、Kzz為含水介質的滲透系數,m/d;Ω為滲流模擬區;h1為邊界水頭,m;Γ1為水頭邊界;h0為初始水位分布,m。

3 分析與討論

3.1 地鐵建設對地下水環境影響因素識別

根據線路所處位置、下伏基巖性質等地質條件差異,將線路研究區劃分為四段[圖1(c)],依次為Ⅰ段、Ⅱ段、Ⅲ段以及Ⅳ段。根據主體工程設計,地鐵隧道施工主要采用盾構法和淺埋暗挖法,地鐵車站施工以明挖法為主,開挖之前采用地下連續墻或高壓旋噴樁作止水帷幕,其后進行基坑降水施工。Ⅰ段、Ⅱ段基坑開挖深度內揭露的地下水類型主要為孔隙水及裂隙水,Ⅲ段、Ⅳ段開挖深度內揭露的地下水類型為巖溶水。

3.1.1 線路各區段基礎底板高度與水位標高的關系

根據沿線水文地質資料,線路Ⅰ段、Ⅱ段分別位于濟南西部與重點富水區(圖1),地層以第四系、閃長巖為主,基坑開挖范圍內揭露地下水為松散巖類孔隙水或巖漿巖類裂隙水。Ⅰ段第四系孔隙水穩定水位標高介于19.31～34.38 m;Ⅱ段第四系孔隙水年平均水位標高介于30.01～42.57 m,巖漿巖類裂隙水水位標高常年位于第四系以下。由于軌道穿透第四系地層并不會對巖溶水徑流通道產生過大的影響,因此地鐵建造過程當中可以適當的穿過第四系含水層,但考慮到濟南西部孔隙水與東部巖溶水也有一定的水力聯系,大量的施工降水也會在一定程度上影響到市區巖溶水水量,因此從水文地質角度與施工安全角度來說,地鐵建造底板還是應盡可能地淺埋,因此根據各段地下水位高度建議Ⅰ段地鐵基礎底板標高應在5～19 m,Ⅱ段地鐵基礎底板標高在15～37 m。

Ⅲ段地層以第四系雜填土、灰巖為主,勘察期間揭露的地下水類型均為巖溶水,水位年均標高介于29.73～70.48 m;Ⅳ段下伏基巖均為灰巖,少量站點有閃長巖揭露,巖溶水標高常年在80～90 m以下(圖1)。由此可見,Ⅲ、Ⅳ段在地鐵建造過程當中應主要考慮基坑開挖對巖溶水徑流的影響,為了避免建造過程當中地鐵對巖溶水徑流通道造成阻擋從而襲奪泉流量,因此地鐵建設基礎底板高度要盡量高于巖溶水標高且盡量淺埋,因此建議Ⅲ段地鐵基礎底板標高在30～75 m范圍內,Ⅳ段地鐵基礎底板標高在50～90 m范圍內。各區間段地下水位水位與地鐵建設基礎底板高度的關系詳見表1。

表1 各區間段的地下水位與地鐵基礎底板高度詳情Table 1 Buried depth of underground water level and subway foundation slab in each section

3.1.2 地鐵施工期間對地下水環境的影響分析

(1)地鐵施工對地下水水量影響。

地鐵施工建設期間對地下水環境的影響表現為施工期基坑降排水導致地下水動態暫時性變化,根據式(1)對各區段基坑降排水量進行了預測,結果詳見表2。

Ⅰ段、Ⅱ段地層以第四系及閃長巖為主,基坑開挖范圍內揭露地下水為松散巖類孔隙水或巖漿巖類裂隙水[15],含水層滲透系數介于0.005～40.0 m/d。Ⅰ段、Ⅱ段地鐵基礎底板埋深均位于地下水位以下,施工期間大范圍基坑降水將引起地鐵Ⅰ段第四系孔隙水與Ⅱ段孔隙水、裂隙水水位下降;Ⅲ段下伏基巖均為灰巖[圖1(c)],巖溶水埋深自西向東逐漸降低,地鐵建設對地下水環境的影響體現為部分車站施工期臨時性基坑排水導致的淺層巖溶水水量下降;Ⅳ段車站基礎底板埋深均位于巖溶水水位埋深以上,對巖溶水影響較小。

表2 地鐵各區間段站點基坑排水量估算表Table 2 Estimation of foundation pit drainage in a line of Jinan rail transit

根據地鐵施工進度,降水持續時間約6個月,基坑封頂后不再需要降排水,水位逐步恢復,對地下水動態產生的影響也會隨之消失。但是基坑降排水將會造成大量的地下水浪費,如何保護地下水應該是建設過程中應重點考慮的問題之一。

(2)地鐵施工對地下水水質影響

濟南泉域水質優良,地下水水化學類型主要為HCO3·Cl-Ca與SO4·Cl-Ca型。現階段地鐵施工技術已經可以滿足地下水環境保護的要求,在此基礎上可以進一步布設永久監測井加強水質監測,提前預警,確保水質保護萬無一失。

3.1.3 地鐵運營期間對地下水環境的影響

由于研究區巖溶水由東南至西北徑流,規劃地鐵線路為東西走向,地鐵線路阻隔地下水徑流且兩者之間會形成夾角,導致迎水面水位上升,背水面水位下降[16]。計算結果顯示,地鐵Ⅰ段～Ⅲ段各車站結構均會對地下徑流產生一定的阻隔影響,沿線各車站地下水壅高值范圍介于0.51～1.10 m(表3)。地鐵Ⅰ、Ⅱ段主要是孔隙水產生壅高,Ⅲ段主要是淺層巖溶水產生壅高。地鐵迎水面水位上升、背水面水位下降均會產生不良問題[17]。如何消除地下水壅高,實現地下水環境的保護也應是地鐵建設者重點考慮的問題之一。

表3 濟南軌道交通某線路車站地下水壅高值Table 3 Backwater value of groundwater in a line of Jinan rail transit

3.2 地下水環境保護措施

3.2.1 “降水+回灌”,減少地下水外排

基坑開挖過程中大量的地下水外排會對地下水的自然出流產生直接或間接的影響,以及造成水資源浪費。前文得出,地鐵建造過程當中Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ段均需要進行基坑排水工作,其中第四系孔隙水占比最大,雖然外排孔隙水相比于巖溶水來說對市區泉群影響較小,但長時間大量排水仍然會對市區巖溶水水量產生一定的影響。因此施工前先一步進行地質勘探,根據相關監測資料,確定在施工期實際的地下水位標高[18];施工中盡量采取分批次施工的方式,減少工程降水時間與總排水量[8]。在總排水量較大的站點基坑外側下游設置回灌井,采用邊降水邊回灌的方式施工[19]。在完善環境保護措施的同時,減少基坑挖掘工作對地下水環境的影響。

3.2.2 抬高地鐵基礎底板埋深,減少對地下水徑流影響

根據Ⅲ段沿線水文地質資料(圖2),玉函立交橋—泉城公園段巖溶水測壓水頭埋深最小為13.98 m,灰巖頂板埋深最小為13.2 m,泉城公園—歷山路段灰巖頂板埋深最小為7.2 m,巖溶水測壓水頭埋深最小為14.32 m;歷山路—山大路段灰巖頂板埋深范圍為5～10 m,巖溶水測壓水頭埋深在8.21～16.08 m,巖溶水埋深較淺,平均埋深13.58 m。

根據Ⅲ段長期水位觀測資料,該區段巖溶水水位與泉水水位動態相關性較差[20-21](圖2),說明該段淺層地下水與泉群的連通性一般,然而為盡可能減小地鐵施工對地下水徑流的影響,該段工程宜盡量抬高基礎底板埋深。

3.2.3 增加導流措施,降低地下水壅高

因水流受阻產生的水位壅高會引發地下工程滲水、涌水等工程安全問題,地下水壅高將影響軌道交通的建設和后期運營[2]。為避免工程建設可能引起的地下水環境改變及工程事故,應及時消散地下水壓力[22]。

以Ⅱ段A車站為例,該站總體長330.67 m,標準段凈寬21.7 m,基坑埋深約16.86 m,各地層參數如表4所示。為消除水位壅高,利用數值模擬的方法建立地下水流模型,設計導流管將上游受阻地下水沿導水通道疏導至基坑下游(圖3)。因車站區域相較于水文地質單元范圍較小,模型邊界按定水頭邊界處理。根據地層分布將A車站模擬區含水層概化為垂向3層,分別為第四系松散巖類孔隙潛水含水層、第四系承壓水含水層與第三層為閃長巖風化裂隙水含水層。

圖2 濟南軌道交通某線路Ⅲ段觀測孔與泉水位相關性Fig.2 Correlation between observation well and spring water level in Section III of a Jinan rail transit line

根據式(5)對導流措施的導流效果進行模擬,確定6根導流管可使該站地下水流場接近原始狀態(圖4)。導流管直徑1 m、間距47 m(表5),計算表明導流管對消除水位壅高效果明顯。

圖3 導流管結構示意及工作圖Fig.3 Construction of structure model of guide pipe

圖4 不同狀態下車站迎水面水位變化及壅高Fig.4 Variation of water level at the upstream of the station and raising of water level under different conditions

表5 導流管布設信息表Table 5 Information of subway station and layout of diversion pipe

4 結論

(1)地鐵施工建設期間對地下水環境的影響表現為施工期基坑降排水導致地下水動態暫時性變化,基坑封頂后不再需要降排水,水位逐步恢復,對地下水動態產生的影響也會隨之消失。施工中盡量采取分批次施工的方式,減少工程降水時間與總排水量,同時在總排水量較大的站點基坑外側下游設置回灌井,采用邊降水邊回灌的方式施工,可消除施工降水對地下水位的影響。

(2)根據長期水位觀測資料,研究區段淺層巖溶水水位與泉水水位動態相關性較差,說明淺層地下水與泉群的連通性一般,然而為盡可能減小地鐵施工對地下水徑流的影響,地鐵底板盡可能的淺埋。

(3)地鐵線路走向與地下水徑流方向之間存在夾角,因水流受阻產生的水位壅高可能會引發地下工程滲水、涌水等工程安全問題,經計算在不采取導流措施的情況下研究區段地下水壅高值范圍在0.51～1.10 m,通過采取導流措施將上游受阻地下水沿導水通道疏導至基坑下游,可消除水位壅高,使車站附近地下水流場接近原始狀態。