雷炳霄, 邢立亭, 董亚楠, 窦舒畅, 黄薛, 于苗, 赵振华, 高扬

(1.山东省地质矿产勘查开发局八○一水文地质工程地质大队, 济南 250014; 2.中国海洋大学工程学院,青岛 266100; 3.山东省地下水环境保护与修复工程技术研究中心, 济南 250014; 4.济南大学水利与环境学院, 济南 250022; 5.济南轨道交通集团有限公司, 济南 250100)

进入21世纪以来,地铁以其安全、便捷、快速的优势迅速成为改善城市交通环境、提高人民生活水平的重要交通工具[1]。然而,作为大规模的地下线性工程,地铁在促进社会发展的同时对地下水环境产生的影响也已引起广泛关注[2]。Colombo等[3]利用数值模拟的方法研究了米兰地铁隧道建设引起的地下水上升问题,认为当地下水上升幅度与区域地下水位相互叠加后,会对地下结构产生不利影响。Mossmark等[4]对瑞典西南部隧道施工期间地下水环境变化进行了研究,发现施工期间基坑降水会引发地下水位下降,溪流中基流减少。隧道防水系统完工后,地下水位虽得以迅速恢复,然而工程对地下水水质产生的不良影响将持续数年。中国针对地下工程建设对地下水环境的影响研究主要集中在地下水与岩土体之间相互作用产生的环境地质问题[5-6]、基坑降水引起的地面沉降和变形问题[7]以及地铁施工对地下水水质[2]的影响等。

济南地处中国北方岩溶发育区,市区岩溶大泉众多,地铁建设沿线地质条件复杂,第四系填土、黏性土、碎石土多种地层相互交错;寒武-奥陶系灰岩、大理岩以及燕山晚期侵入的辉长岩、闪长岩等分布不均。地铁工程主体结构若穿过含水层,会导致含水层内部的结构遭受破坏,严重影响地下水的补径排。因此,能否准确评价地铁建设对地下水环境的影响程度,是实现地下水与地铁共融共生的关键[8]。针对这一问题前人研究多采用定性分析方法研究地铁全线对地下水环境的总体影响,定量区分细化不同路段对地下水影响的差异性研究较少。现综合济南水文地质条件,采用解析法与数值法,量化地铁建设所引起的环境地质问题,从地下水动态变化角度探讨地铁建设对于济南地下水环境的影响,为地铁建设优化设计、地下水环境保护等提供科学依据。

1 研究区地质概况

济南地势南高北低,平均年降水量为765 mm,受暖温带大陆性季风气候及地形影响,南部山区降水量大于北部山前平原[9]。现以济南某段地铁线路为例,该线路沿东西走向敷设,途径槐荫区、市中区、历下区、高新区、历城区5个区,按照客流、间距、道路、建筑群等因素拟设立车站30余座,根据济南市区地质环境特征,各区间段可采用盾构法和浅埋暗挖法施工,车站工程施工以明挖法为主。

工程沿线涉及的主要地层为第四系填土、黏性土、碎石土,下伏岩层主要为寒武-奥陶系灰岩及大理岩等、燕山晚期侵入的辉长岩及闪长岩。第四系主要含水层为冲洪积碎石、黏性土夹碎石,冲积形成的砂土、粉土等,另外在局部第四系黏性土具有一定的富水性。径流方向总体上自南流向北偏东,以补给区域内河水的方式排泄,少量以地面蒸发方式和人工开采方式排泄[10-12](图1)。该线路水文地质条件复杂,工程建设中的地下水环境保护问题是工程参建各方关注的重点。

2 数据来源与方法

2.1 数据来源

以线路地质勘察资料为基础选取钻孔62个,全面了解沿线的水文地质情况,钻孔揭露地层涵盖第四系、闪长岩、辉长岩以及寒武-奥陶系石灰岩,钻孔深度介于26～490 m;2019—2020年丰水期在研究区地下水水质监测点[图1(a)]进行取样并测试。2018年7月—2021年7月期间逐月实测沿线ZK1-ZK16钻孔地下水位数据,获取研究区地下水位动态变化特征[图1(d)]。结合地下水水位、研究区相关水文地质参数、工程地质条件等进一步分析济南地铁建设对地下水环境的影响程度。

图1 研究区水文地质图及重点区域剖面图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)车站基坑降排水预测公式[13]为

(1)

(2)

(3)

式中:Q为基坑总排水量,m3/d;k为渗透系数,m/d;M为含水层厚度,m;Sd为基坑地下水位降深,m;R为降水影响半径,m;r0为基坑等效半径,m;A为基坑面积,m2。

(2)地下水位壅高计算公式[14]为

Δh=JR

(4)

式(4)中:Δh为地铁车站的水位壅高,m;J为地铁修建前的水力坡度;R为影响半径,m。

2.2.2 数值法

针对某线路地铁车站建设对地下水环境的影响进行数值模拟研究,以某线路Ⅱ段A站为例,研究黏性土-卵砾石地层结构的导流方案用以解决地下水壅高问题,实现工程与环境的共融共生。以研究区内水文地质条件为基础,建立与地下水系统概念模型相对应的三维渗流数学模型,即

(5)

式(5)中:S为储水系数或给水度;h为地下水系统的水位标高,m;Kxx、Kyy、Kzz为含水介质的渗透系数,m/d;Ω为渗流模拟区;h1为边界水头,m;Γ1为水头边界;h0为初始水位分布,m。

3 分析与讨论

3.1 地铁建设对地下水环境影响因素识别

根据线路所处位置、下伏基岩性质等地质条件差异,将线路研究区划分为四段[图1(c)],依次为Ⅰ段、Ⅱ段、Ⅲ段以及Ⅳ段。根据主体工程设计,地铁隧道施工主要采用盾构法和浅埋暗挖法,地铁车站施工以明挖法为主,开挖之前采用地下连续墙或高压旋喷桩作止水帷幕,其后进行基坑降水施工。Ⅰ段、Ⅱ段基坑开挖深度内揭露的地下水类型主要为孔隙水及裂隙水,Ⅲ段、Ⅳ段开挖深度内揭露的地下水类型为岩溶水。

3.1.1 线路各区段基础底板高度与水位标高的关系

根据沿线水文地质资料,线路Ⅰ段、Ⅱ段分别位于济南西部与重点富水区(图1),地层以第四系、闪长岩为主,基坑开挖范围内揭露地下水为松散岩类孔隙水或岩浆岩类裂隙水。Ⅰ段第四系孔隙水稳定水位标高介于19.31～34.38 m;Ⅱ段第四系孔隙水年平均水位标高介于30.01～42.57 m,岩浆岩类裂隙水水位标高常年位于第四系以下。由于轨道穿透第四系地层并不会对岩溶水径流通道产生过大的影响,因此地铁建造过程当中可以适当的穿过第四系含水层,但考虑到济南西部孔隙水与东部岩溶水也有一定的水力联系,大量的施工降水也会在一定程度上影响到市区岩溶水水量,因此从水文地质角度与施工安全角度来说,地铁建造底板还是应尽可能地浅埋,因此根据各段地下水位高度建议Ⅰ段地铁基础底板标高应在5～19 m,Ⅱ段地铁基础底板标高在15～37 m。

Ⅲ段地层以第四系杂填土、灰岩为主,勘察期间揭露的地下水类型均为岩溶水,水位年均标高介于29.73～70.48 m;Ⅳ段下伏基岩均为灰岩,少量站点有闪长岩揭露,岩溶水标高常年在80～90 m以下(图1)。由此可见,Ⅲ、Ⅳ段在地铁建造过程当中应主要考虑基坑开挖对岩溶水径流的影响,为了避免建造过程当中地铁对岩溶水径流通道造成阻挡从而袭夺泉流量,因此地铁建设基础底板高度要尽量高于岩溶水标高且尽量浅埋,因此建议Ⅲ段地铁基础底板标高在30～75 m范围内,Ⅳ段地铁基础底板标高在50～90 m范围内。各区间段地下水位水位与地铁建设基础底板高度的关系详见表1。

表1 各区间段的地下水位与地铁基础底板高度详情Table 1 Buried depth of underground water level and subway foundation slab in each section

3.1.2 地铁施工期间对地下水环境的影响分析

(1)地铁施工对地下水水量影响。

地铁施工建设期间对地下水环境的影响表现为施工期基坑降排水导致地下水动态暂时性变化,根据式(1)对各区段基坑降排水量进行了预测,结果详见表2。

Ⅰ段、Ⅱ段地层以第四系及闪长岩为主,基坑开挖范围内揭露地下水为松散岩类孔隙水或岩浆岩类裂隙水[15],含水层渗透系数介于0.005～40.0 m/d。Ⅰ段、Ⅱ段地铁基础底板埋深均位于地下水位以下,施工期间大范围基坑降水将引起地铁Ⅰ段第四系孔隙水与Ⅱ段孔隙水、裂隙水水位下降;Ⅲ段下伏基岩均为灰岩[图1(c)],岩溶水埋深自西向东逐渐降低,地铁建设对地下水环境的影响体现为部分车站施工期临时性基坑排水导致的浅层岩溶水水量下降;Ⅳ段车站基础底板埋深均位于岩溶水水位埋深以上,对岩溶水影响较小。

表2 地铁各区间段站点基坑排水量估算表Table 2 Estimation of foundation pit drainage in a line of Jinan rail transit

根据地铁施工进度,降水持续时间约6个月,基坑封顶后不再需要降排水,水位逐步恢复,对地下水动态产生的影响也会随之消失。但是基坑降排水将会造成大量的地下水浪费,如何保护地下水应该是建设过程中应重点考虑的问题之一。

(2)地铁施工对地下水水质影响

济南泉域水质优良,地下水水化学类型主要为HCO3·Cl-Ca与SO4·Cl-Ca型。现阶段地铁施工技术已经可以满足地下水环境保护的要求,在此基础上可以进一步布设永久监测井加强水质监测,提前预警,确保水质保护万无一失。

3.1.3 地铁运营期间对地下水环境的影响

由于研究区岩溶水由东南至西北径流,规划地铁线路为东西走向,地铁线路阻隔地下水径流且两者之间会形成夹角,导致迎水面水位上升,背水面水位下降[16]。计算结果显示,地铁Ⅰ段～Ⅲ段各车站结构均会对地下径流产生一定的阻隔影响,沿线各车站地下水壅高值范围介于0.51～1.10 m(表3)。地铁Ⅰ、Ⅱ段主要是孔隙水产生壅高,Ⅲ段主要是浅层岩溶水产生壅高。地铁迎水面水位上升、背水面水位下降均会产生不良问题[17]。如何消除地下水壅高,实现地下水环境的保护也应是地铁建设者重点考虑的问题之一。

表3 济南轨道交通某线路车站地下水壅高值Table 3 Backwater value of groundwater in a line of Jinan rail transit

3.2 地下水环境保护措施

3.2.1 “降水+回灌”,减少地下水外排

基坑开挖过程中大量的地下水外排会对地下水的自然出流产生直接或间接的影响,以及造成水资源浪费。前文得出,地铁建造过程当中Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ段均需要进行基坑排水工作,其中第四系孔隙水占比最大,虽然外排孔隙水相比于岩溶水来说对市区泉群影响较小,但长时间大量排水仍然会对市区岩溶水水量产生一定的影响。因此施工前先一步进行地质勘探,根据相关监测资料,确定在施工期实际的地下水位标高[18];施工中尽量采取分批次施工的方式,减少工程降水时间与总排水量[8]。在总排水量较大的站点基坑外侧下游设置回灌井,采用边降水边回灌的方式施工[19]。在完善环境保护措施的同时,减少基坑挖掘工作对地下水环境的影响。

3.2.2 抬高地铁基础底板埋深,减少对地下水径流影响

根据Ⅲ段沿线水文地质资料(图2),玉函立交桥—泉城公园段岩溶水测压水头埋深最小为13.98 m,灰岩顶板埋深最小为13.2 m,泉城公园—历山路段灰岩顶板埋深最小为7.2 m,岩溶水测压水头埋深最小为14.32 m;历山路—山大路段灰岩顶板埋深范围为5～10 m,岩溶水测压水头埋深在8.21～16.08 m,岩溶水埋深较浅,平均埋深13.58 m。

根据Ⅲ段长期水位观测资料,该区段岩溶水水位与泉水水位动态相关性较差[20-21](图2),说明该段浅层地下水与泉群的连通性一般,然而为尽可能减小地铁施工对地下水径流的影响,该段工程宜尽量抬高基础底板埋深。

3.2.3 增加导流措施,降低地下水壅高

因水流受阻产生的水位壅高会引发地下工程渗水、涌水等工程安全问题,地下水壅高将影响轨道交通的建设和后期运营[2]。为避免工程建设可能引起的地下水环境改变及工程事故,应及时消散地下水压力[22]。

以Ⅱ段A车站为例,该站总体长330.67 m,标准段净宽21.7 m,基坑埋深约16.86 m,各地层参数如表4所示。为消除水位壅高,利用数值模拟的方法建立地下水流模型,设计导流管将上游受阻地下水沿导水通道疏导至基坑下游(图3)。因车站区域相较于水文地质单元范围较小,模型边界按定水头边界处理。根据地层分布将A车站模拟区含水层概化为垂向3层,分别为第四系松散岩类孔隙潜水含水层、第四系承压水含水层与第三层为闪长岩风化裂隙水含水层。

图2 济南轨道交通某线路Ⅲ段观测孔与泉水位相关性Fig.2 Correlation between observation well and spring water level in Section III of a Jinan rail transit line

根据式(5)对导流措施的导流效果进行模拟,确定6根导流管可使该站地下水流场接近原始状态(图4)。导流管直径1 m、间距47 m(表5),计算表明导流管对消除水位壅高效果明显。

图3 导流管结构示意及工作图Fig.3 Construction of structure model of guide pipe

图4 不同状态下车站迎水面水位变化及壅高Fig.4 Variation of water level at the upstream of the station and raising of water level under different conditions

表5 导流管布设信息表Table 5 Information of subway station and layout of diversion pipe

4 结论

(1)地铁施工建设期间对地下水环境的影响表现为施工期基坑降排水导致地下水动态暂时性变化,基坑封顶后不再需要降排水,水位逐步恢复,对地下水动态产生的影响也会随之消失。施工中尽量采取分批次施工的方式,减少工程降水时间与总排水量,同时在总排水量较大的站点基坑外侧下游设置回灌井,采用边降水边回灌的方式施工,可消除施工降水对地下水位的影响。

(2)根据长期水位观测资料,研究区段浅层岩溶水水位与泉水水位动态相关性较差,说明浅层地下水与泉群的连通性一般,然而为尽可能减小地铁施工对地下水径流的影响,地铁底板尽可能的浅埋。

(3)地铁线路走向与地下水径流方向之间存在夹角,因水流受阻产生的水位壅高可能会引发地下工程渗水、涌水等工程安全问题,经计算在不采取导流措施的情况下研究区段地下水壅高值范围在0.51～1.10 m,通过采取导流措施将上游受阻地下水沿导水通道疏导至基坑下游,可消除水位壅高,使车站附近地下水流场接近原始状态。