武漢地鐵三、四號(hào)線工程建設(shè)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(zhì)環(huán)境總站，湖北 武漢 430034;2.湖北省地質(zhì)災(zāi)害防治中心，湖北 武漢 430034;3.湖北省環(huán)境監(jiān)測中心站，湖北 武漢 430070;4.恩施市環(huán)境監(jiān)測站，湖北 恩施 445000)

0 引言

按武漢市軌道交通近期建設(shè)規(guī)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(shè)站309座。主城區(qū)線網(wǎng)規(guī)模將達(dá)到333 km，共有7條長江通道，其中6條位于主城區(qū)。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(wěn)定和附近建筑物的安全造成一定的影響［1］。

1 研究區(qū)概況

武漢市位于江漢平原東部。區(qū)內(nèi)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(qū)主要有兩列東西走向、南北平行的基巖殘丘。長江、漢江將區(qū)內(nèi)切割成武昌、漢口、漢陽3大地段。地鐵三號(hào)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(hào)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(biāo)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(qū)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(qū)圖Fig.1 Zonemap ofwater abundance of aquifer

第四系全新統(tǒng)孔隙承壓含水巖組:該含水巖組地下水由第四系全新統(tǒng)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(xì)砂之韻律層。全新統(tǒng)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(qū)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(guī)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(hào)線主要分布于漢口城區(qū)宗關(guān)站—市民中心站;地鐵四號(hào)線主要分布于北部鐵機(jī)路—工業(yè)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(tǒng)—中統(tǒng)(嘉陵江組)、石炭系上統(tǒng)—二疊系下統(tǒng)(棲霞組)碳酸鹽巖裂隙巖溶中。含水巖組的巖性主要由灰?guī)r、白云巖、白云質(zhì)灰?guī)r、生物碎屑灰?guī)r、燧石結(jié)核灰?guī)r、大理巖等組成。該類型地下水水質(zhì)良好，含水巖組富水性受巖性、斷裂構(gòu)造以及巖溶發(fā)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(qū)內(nèi)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(guān)系圖Fig.2 Relation graph ofmetro trend and groundwater flow field

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

根據(jù)地鐵沿線地層分布規(guī)律、巖土體物理力學(xué)性質(zhì)［2］、地下水開采現(xiàn)狀等，結(jié)合地下水動(dòng)態(tài)特征、補(bǔ)徑排條件的分析，工程區(qū)地下水流問題可以概化為非均質(zhì)三維地下水滲流模型［3］。

2 地鐵建設(shè)對地下水流場的影響

2.1 地鐵走向與地下水流向的關(guān)系

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

(2)地鐵四號(hào)線走向與周邊地下水流向的關(guān)系。黃金口—鐘家村和鐵機(jī)村—工業(yè)路路段的隧道走向與地下水流向基本呈正交關(guān)系;東亭—鐵機(jī)村和工業(yè)路—武漢火車站段呈中等角度相交關(guān)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(guān)系。

2.2 地鐵結(jié)構(gòu)使地下水過水?dāng)嗝姘l(fā)生變化

武漢地鐵三、四號(hào)線工程分別穿越漢江及長江。地鐵三號(hào)線沿線在漢口城區(qū)的宗關(guān)—市民中心區(qū)段，地鐵四號(hào)線在漢陽區(qū)的黃金口—永安堂區(qū)段及武昌城區(qū)的鐵機(jī)村—工業(yè)四路區(qū)段，工程施工均位于富水性強(qiáng)的第四系全新統(tǒng)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?dāng)嗝婷娣e［4］。

地鐵三號(hào)線23座地下車站，地鐵總長約27.8 km，在修建前的天然狀態(tài)下，地下水過水?dāng)嗝婵傆?jì)達(dá)486 500 m2，建成后則減小至389 200 m2，減小數(shù)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(shù)為51 840 m2，減小幅度平均為35.9%。盾構(gòu)隧道長22.04 km，修建前的過水?dāng)嗝鏋?42 144 m2，建成后的過水?dāng)嗝鏋?96 684m2，減少數(shù)為45 460m2，減少的平均幅度為13.3%。

地鐵四號(hào)線28座地下車站，地鐵總長約33.388 km，在修建前的天然狀態(tài)下，地下水過水?dāng)嗝婵傆?jì)達(dá)353 880 m2，建成后則減小至291 504 m2，減小數(shù)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(shù)為27 580 m2，減小幅度平均為39.22%。盾構(gòu)隧道長27.52 km，修建前的過水?dāng)嗝鏋?83 560 m2，建成后的過水?dāng)嗝鏋?48 764m2，減少數(shù)為34 796m2，減少的平均幅度為12.3%。

由此可見，武漢地鐵三、四號(hào)線工程建成后，地下水過水?dāng)嗝鏈p少對地下水徑流會(huì)產(chǎn)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(dòng)數(shù)值模擬軟件GMS進(jìn)行地下水位壅高的模擬預(yù)測［6］，利用建立好的模型，模擬出地鐵建設(shè)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(chǎn)生的影響具體包括:

(1)受地鐵三、四號(hào)線工程建設(shè)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(shè)期對地下水徑流的影響相對較大，地鐵建成后對區(qū)域流場產(chǎn)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(qū)域地下水量較為豐富，含水層厚度較大。地鐵建設(shè)造成含水層過水?dāng)嗝娴臏p小，會(huì)在短時(shí)期內(nèi)對地下水流場產(chǎn)生一定的影響;但工程建成后，在采取適當(dāng)?shù)墓こ袒謴?fù)措施后，工程運(yùn)行期間對地下水流場的影響可相應(yīng)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?dāng)嗝娴拿娣e，從而使第四系全新統(tǒng)承壓含水層地下水水位產(chǎn)生一定程度的壅高。通過對比分析，地鐵三號(hào)線工程建設(shè)對地下水流場的影響要比地鐵四號(hào)線影響更大，工程建設(shè)過程中將形成若干地段的地下水短時(shí)壅高，對周邊地質(zhì)環(huán)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(qū)域內(nèi)，水位處于同一地點(diǎn)、同一時(shí)間段內(nèi)總體相對升高，可認(rèn)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?dāng)嗝娴臏p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(yù)測

2.4.1 僅地鐵三號(hào)線時(shí)車站的地下水位壅高

地鐵三號(hào)線工程對于地下水的壅高值根據(jù)流場變化呈現(xiàn)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(jù)地下水流場模擬，其結(jié)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(yù)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(yù)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(hào)線地鐵車站建設(shè)對地下水流場產(chǎn)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(qū)域位于趙家條—市民中心站區(qū)間內(nèi)，主要使流場發(fā)生壅高，地鐵兩側(cè)水位升高，升高值在0.35～0.77 m之間;其次為宗關(guān)站—惠濟(jì)二路站區(qū)間，受地鐵阻隔作用影響，使原水位在小范圍內(nèi)造成地下水位壅高，壅高值在0.07～0.13 m之間;地鐵三號(hào)線其它區(qū)間段內(nèi)(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?。?］。

2.4.2 同時(shí)考慮三號(hào)、四號(hào)線時(shí)車站的地下水位壅高

考慮存在地鐵四號(hào)線的情況下，地鐵三號(hào)線地下車站地下水位壅高值的結(jié)果見圖7。地鐵四號(hào)線與地鐵三號(hào)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(shè)對地下水流場總體影響較小;其它區(qū)域兩者的影響較小。

圖6 地鐵三號(hào)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(shí)考慮地鐵三、四號(hào)線時(shí)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(jié)語

武漢市城區(qū)建筑密集、河流眾多、地下水量較豐富，根據(jù)以上分析可以看出地鐵工程建設(shè)將直接影響武漢市地下水環(huán)境。而這種影響具有長期性和隱蔽性的特點(diǎn)，特別是隨著多條地鐵工程的建成，將對整個(gè)地區(qū)地下水流場產(chǎn)生影響。對地下水流場形成區(qū)域分割，將對武漢市區(qū)地下水流場形成再均衡效應(yīng)，此過程為適應(yīng)與再適應(yīng)的長期不斷變化過程，只有長期監(jiān)測地下水流場動(dòng)態(tài)變化特征，才能做出符合實(shí)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(zhì)［M］.北京:水利電力出版社，1983.

［3］華東水利學(xué)院土力學(xué)教研室.土工原理與設(shè)計(jì)［M］.北京:水利電力出版社，1982.

［4］高過瑞.近代土質(zhì)學(xué)［M］.南京:東南大學(xué)出版社，1990.

［5］許劼，王國權(quán)，李曉昭.城市地下空間開發(fā)對地下水環(huán)境影響的初步研究［J］.工程地質(zhì)學(xué)報(bào)，1999，7(1):15 －19.

［6］徐則民，張倬元，劉漢超.成都地鐵環(huán)境工程地質(zhì)評價(jià)［J］.中國地質(zhì)災(zāi)害與防治學(xué)報(bào)，2002，13(2):63 －69.

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

［8］成璐.成都地鐵1、2號(hào)線工程主要水文地質(zhì)問題分析［D］.成都:成都理工大學(xué)，2008.

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