成都地鐵7號(hào)線地下水壅高引起的環(huán)境地質(zhì)問題定量化研究

趙 瑞 許 模 張 強(qiáng) 范辰辰

(成都理工大學(xué)地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,610059,成都∥第一作者，博士研究生)

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成都地鐵7號(hào)線地下水壅高引起的環(huán)境地質(zhì)問題定量化研究

趙 瑞 許 模 張 強(qiáng) 范辰辰

(成都理工大學(xué)地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,610059,成都∥第一作者，博士研究生)

成都地鐵7號(hào)線路為環(huán)線,沿線串聯(lián)了火車北站、火車東站和火車南站三個(gè)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(guān)系,對(duì)緩解城市交通狀況具有非常重要意義。然而，地鐵建設(shè)將對(duì)地下水環(huán)境造成直接或間接影響,使水位雍高滲流場(chǎng)發(fā)生變化,同時(shí)還易引起地面的不均勻沉降和地鐵附近淺基礎(chǔ)建筑物的破壞。通過定量化研究,計(jì)算出地鐵7號(hào)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(dǎo)致建筑物地基承載力受到最大影響的地點(diǎn)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(nèi),沉降量普遍很小。

成都地鐵7號(hào)線; 地下水雍高; 環(huán)境地質(zhì)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(fā)展，地鐵作為一種快速、正點(diǎn)、安全、舒適、運(yùn)量大、能耗低、污染小的交通工具應(yīng)運(yùn)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(shè)過程中所產(chǎn)生的環(huán)境地質(zhì)問題也備受重視。在非巖溶地區(qū),城市地下工程主要關(guān)注環(huán)境巖土工程問題和環(huán)境水文地質(zhì)問題,文獻(xiàn)[5-7]對(duì)地鐵建設(shè)中由于地下水與環(huán)境巖土體之間相互作用而產(chǎn)生的環(huán)境巖土體問題進(jìn)行了研究。文獻(xiàn)[2-4]以上海近年來的工程實(shí)踐為例,就當(dāng)前城市地下工程活動(dòng)的環(huán)境巖土工程問題加以總結(jié),歸納了最突出和困難的問題。展開地鐵建設(shè)中地下水與環(huán)境巖土體相互作用研究具有十分重要的理論和實(shí)踐意義[8]。本文針對(duì)成都地鐵工程及其環(huán)境地質(zhì)問題,進(jìn)行了量化評(píng)價(jià)。

成都地鐵工程中,南北走向的1號(hào)線和東西走向的2號(hào)線均已開通運(yùn)營(yíng),而在建的成都地鐵7號(hào)線為封閉的環(huán)形線路。

1 工程概況與地質(zhì)背景

成都地鐵7號(hào)線(以下簡(jiǎn)為“7號(hào)線”)線路全長(zhǎng)38.61 km，均為地下線,共設(shè)車站31座,包括標(biāo)準(zhǔn)站12座,換乘站19座(見圖1)。線路穿越多個(gè)商業(yè)區(qū)和城市主干道，并下穿多種型式和規(guī)模的建筑物。車站埋深1.73～11.3 m,區(qū)間隧道埋深6.47～28.01 m。7號(hào)線環(huán)線位于岷江水系I、II級(jí)階地及東部臺(tái)地區(qū)，處于岷江沖洪積扇的東南邊緣。

7號(hào)線經(jīng)過區(qū)域內(nèi)地表第四系堆積層廣泛分布。地層結(jié)構(gòu)由上到下依次為第四系全新統(tǒng)(Q4)人工填土夾卵石角礫、上更新統(tǒng)(Q3)黏土、卵石土、粉細(xì)砂夾零星漂石,下伏白堊系(k2g)灌口組泥巖、泥質(zhì)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(jié)好,厚度小,富水性較差?；鶐r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(gòu)造裂隙儲(chǔ)水,水量很小。地鐵經(jīng)過區(qū)域地下水具有埋藏淺、變幅小、季節(jié)性變化明顯等特征。主城區(qū)至一環(huán)路間地下水平均埋深 3.67 m,二環(huán)路至城中心地下水平均埋深 3.92 m,二環(huán)路以外地下水平均埋深3.69 m。其中,線路萬年場(chǎng)站—琉璃場(chǎng)東站段穿越東部臺(tái)地,地形起伏相對(duì)較大,地下水埋深相對(duì)較大。研究區(qū)地下水主要是由北西向南東方向徑流,與地鐵環(huán)線呈不同角度相交。

2 隧道施工所引起的環(huán)境地質(zhì)問題

根據(jù)文獻(xiàn)[9],車站及人行通道防水等級(jí)較高。因此,地鐵建成后會(huì)阻礙地下水的徑流,從而造成地下水位壅高，進(jìn)而引起地鐵附近淺基礎(chǔ)建筑物不均勻沉降。正確評(píng)價(jià)由地下水位壅高造成的環(huán)境巖土地質(zhì)問題是普遍關(guān)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(jié)構(gòu)引起的地下水壅高值可采用地下水動(dòng)力學(xué)法和數(shù)值模擬法來計(jì)算獲得。數(shù)值法參數(shù)要求多,精度相對(duì)高;解析法簡(jiǎn)單、方便,計(jì)算精度相對(duì)較低,但普遍能夠滿足評(píng)價(jià)精度。因此,本文采用解析法計(jì)算隧道引起的地下水壅高值。

地下水流向與地鐵走向關(guān)系示意圖見圖2。根據(jù)達(dá)西定律，地鐵修建前,地下水通過地鐵沿線過水?dāng)嗝娴牧髁縌1和建成后過水?dāng)嗝娴牧髁縌2分別為:

Q1=K1J1ω1sin θ1

Q2=K2J2ω2sin θ2

式中:

K1——地鐵修建前過水?dāng)嗝娴臐B透系數(shù);

K2——地鐵建成后過水?dāng)嗝娴臐B透系數(shù);

J1——地鐵修建前過水?dāng)嗝娴乃ζ露?

J2——地鐵修建后過水?dāng)嗝娴乃ζ露?

ω1——地鐵修建前過水?dāng)嗝娴拿娣e;

ω2——地鐵修建后過水?dāng)嗝娴拿娣e;

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(jù)《成都市地下水水位等值線圖》可以求得各車站、各區(qū)間隧道過水?dāng)嗝娴乃ζ露菾1。研究區(qū)維持在穩(wěn)定流條件下,Q1=Q2,同時(shí)含水層的滲透性不會(huì)隨過水?dāng)嗝娴淖兓兓?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(qū)間隧道的寬度(圖2所示)。

圖2 地下水流向與地鐵走向關(guān)系示意圖

地下水流向與地鐵隧道結(jié)構(gòu)之間的夾角關(guān)系直接影響迎水面水位壅高的幅度。其中,地鐵線琉璃場(chǎng)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(jìn)行計(jì)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(guān)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(jì)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(hào)線各車站修建前后過水?dāng)嗝孀兓?/p>

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(jù)了整個(gè)過水?dāng)嗝?火車北站、萬年場(chǎng)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(gè)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(duì)地基承載力產(chǎn)生影響的地下水位距離基礎(chǔ)底面的界限深度。一旦地下水位升高,處于Zmax之上時(shí),地基承載力便會(huì)發(fā)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(xì)管應(yīng)力或弱結(jié)合水形成的表面凝聚力,同時(shí)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(xì)管應(yīng)力或弱結(jié)合水的作用機(jī)理復(fù)雜,尚處于理論研究階段。工程實(shí)踐中都假定土體的表面凝聚力不發(fā)生變化而忽略此類因素的影響,只考慮水的浮力作用對(duì)地基承載力的影響。

文獻(xiàn)[10-11]研究表明,地下水位的上升變化,對(duì)地基基礎(chǔ)的影響分為下4種情形:①當(dāng)?shù)叵滤惶幱赯max對(duì)應(yīng)水位以下時(shí),則不考慮地下水位對(duì)地基土的重度影響;②當(dāng)?shù)叵滤唤橛诨着cZmax對(duì)應(yīng)水位之間時(shí),基底下的土體重度取在Zmax內(nèi)的加權(quán)平均重度(求加權(quán)值時(shí),水中土體重度按有效重度計(jì)算);③地下水位位于基底平面時(shí),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(chǔ)埋置深度的范圍內(nèi))按其天然重度計(jì)算;④地下水位處于基礎(chǔ)埋置深度以內(nèi)時(shí),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(hào)線所處區(qū)域內(nèi)地下水埋深較淺,地鐵沿線大部分淺埋的建筑物基礎(chǔ)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(duì)于最大影響深度Zmax的確定,雖有很多學(xué)者在進(jìn)行理論研究,但包括我國(guó)現(xiàn)行的設(shè)計(jì)規(guī)范在內(nèi)都沒有給出明確的標(biāo)準(zhǔn)。文獻(xiàn)[12]提出取一倍基礎(chǔ)寬度作為最大影響深度?？紤]到本次計(jì)算運(yùn)用的Talor補(bǔ)充公式和Terzaghi公式,從安全角度出發(fā)(φ≤25°,φ為土體內(nèi)摩擦角),令Zmax=B。則水中土體的有效加權(quán)平均重度為:

(1)

其中

(2)

式中:

γm——土的加權(quán)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(jù)Terzaghi極限荷載定律,當(dāng)?shù)叵滤辉赯max以下時(shí),地基承載力為:

(3)

式中:

Nr,Nq,Nc——太沙基承載力系數(shù);

q——基礎(chǔ)兩側(cè)土壓力；

c——土的黏聚力。

由于黏土厚度小,考慮c=0,所以

(4)

當(dāng)?shù)叵滤簧仙辆嗷诪閆時(shí),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(chǔ)承載力降低值。

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

綜上分析,由地下水位壅高導(dǎo)致的淺基礎(chǔ)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(huì)對(duì)建筑物造成安全隱患。

圖4 成都地鐵7號(hào)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(nèi)地下水位下降,從而使土層壓縮固結(jié),或?qū)⒛承┬☆w粒沙土沖走引起土層結(jié)構(gòu)被破壞而沉降。

文獻(xiàn)[14]指出,有的隧道工程引起的沉降可能要持續(xù)很多年。文獻(xiàn)[15]對(duì)一個(gè)正常固結(jié)黏土中直徑3 m的隧道進(jìn)行了長(zhǎng)達(dá)11年的長(zhǎng)期監(jiān)測(cè),發(fā)現(xiàn)沉降在10年左右才達(dá)到平衡。

成都平原區(qū)地勢(shì)平坦,地下潛水位埋深較淺,施工過程中車站必將進(jìn)行基坑排水,由此而產(chǎn)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(gè)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(hào)線降水長(zhǎng)度遠(yuǎn)大于降水寬度,因此將其概化為井點(diǎn)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(yù)測(cè)理論進(jìn)行計(jì)算。根據(jù)《鐵路供水水文地質(zhì)勘測(cè)規(guī)范》,降水范圍R計(jì)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(shù);

S——降水深度，m。

根據(jù)土力學(xué)原理,砂卵石土層中由降水引起的地表沉降值計(jì)算公式為:

(10)

式中:

S——土層的沉降量;

HM——土層的厚度;

ΔH1——計(jì)算點(diǎn)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(jì)算從安全的角度出發(fā)保守取值E=10ES,用式(9)、(10)可計(jì)算得到基坑降水造成的車站附近地面的沉降值,計(jì)算結(jié)果如表2所示。

表2 7號(hào)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(nèi),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(chǎn)生土體流失。另外,根據(jù)太沙基定律,由于上覆荷重引起的總應(yīng)力不變,水頭波動(dòng)承受的壓力變化將等量地轉(zhuǎn)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(huì)輕易被壓縮。

3 結(jié) 語

在城市地鐵的建設(shè)過程中,影響或干擾原生的地下環(huán)境是不可避免的。對(duì)于更為敏感的地下水環(huán)境,地鐵的施工必會(huì)打破原有的動(dòng)態(tài)平衡,可能還會(huì)產(chǎn)生改變地下水質(zhì)、造成污染或者使地下水徑流系統(tǒng)發(fā)生變化等一些列的環(huán)境水文地質(zhì)問題。同時(shí)地下水是保持巖土體應(yīng)力和穩(wěn)定狀態(tài)的一個(gè)重要因素,改變后的地下水與周圍巖土體相互作用,又會(huì)伴生一系列的環(huán)境巖土地質(zhì)問題。施工期間,車站基坑或隧道疏排水會(huì)引起地表沉降,影響鄰近建筑物的穩(wěn)定性;建成后的運(yùn)營(yíng)期,地鐵防護(hù)結(jié)構(gòu)會(huì)阻礙地下水徑流,致潛水位壅高,從而對(duì)地基淺埋的建筑物產(chǎn)生安全隱患。

成都地鐵7號(hào)線沿線地處重要交通位置,施工期和運(yùn)營(yíng)期內(nèi),地下水與周圍環(huán)境的巖土體會(huì)產(chǎn)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(nèi),沉降量普遍很小。由于地鐵結(jié)構(gòu)導(dǎo)致地下水水位壅高,淺埋建筑物的地基承載力會(huì)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%。

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財(cái)新網(wǎng)就G 79次高鐵列車在邯鄲附近發(fā)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(fā)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(nèi)。由于高溫，不少人出現(xiàn)身體不適。當(dāng)天下午14點(diǎn)46分，北京鐵路局官方微博發(fā)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(shè)備故障，經(jīng)全力搶修，于8月12日14點(diǎn)07分恢復(fù)供電，列車恢復(fù)運(yùn)行。同濟(jì)大學(xué)孫章教授表示，減少該類事故發(fā)生的關(guān)鍵，是要提高整個(gè)配套體系特別是供電的可靠性。鐵路系統(tǒng)是通過多層次的防護(hù)墻來維護(hù)其安全的?！暗舜问鹿什⒎窃从阼F路技術(shù)，根源在于外部?！睂?duì)此，他建議，國(guó)家電網(wǎng)應(yīng)提高對(duì)高鐵供電的保護(hù)等級(jí)。孫章說，可靠的供電是高鐵正常工作的保障。就應(yīng)急處置而言，“只是因?yàn)橥獠繑嚯娡＿\(yùn)，沒有出現(xiàn)火災(zāi)或顛覆等嚴(yán)重情況，打開車門通風(fēng)降溫的做法我認(rèn)為是正確的。”由于目前高鐵車廂的窗戶設(shè)計(jì)均為密閉性設(shè)計(jì)，一旦斷電，空調(diào)停止工作，加之夏季天氣炎熱，車內(nèi)溫度更是悶熱難熬。因此，不少乘客出現(xiàn)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(qū)間而非車站，沒有任何安全保障，乘客如果下車，在軌道上會(huì)有危險(xiǎn)。G 97當(dāng)時(shí)又恰好停在橋上，情況更加復(fù)雜。應(yīng)急處置中必須嚴(yán)防發(fā)生次生災(zāi)害?！背丝蜑榱送L(fēng)一度想要砸窗的做法，孫章也表示不認(rèn)可，“可以理解乘客的心情，但是，這確實(shí)會(huì)影響列車運(yùn)行?！彼f，高鐵不是公共汽車，列車運(yùn)行有自動(dòng)控制系統(tǒng)，一旦檢測(cè)到車窗破損，將無法運(yùn)行(高鐵列車在會(huì)車時(shí)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(shí)間會(huì)更長(zhǎng)。那么，發(fā)生故障，乘客只能在車內(nèi)“蒸桑拿”？孫章提出，這方面確實(shí)需要改進(jìn)，“建議在列車設(shè)計(jì)上增備一些功率較小的應(yīng)急電源，同時(shí)儲(chǔ)備一些應(yīng)急用的電扇。這樣做會(huì)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(fā)，一旦有情況可以保證車廂內(nèi)最低限度的通風(fēng)，適當(dāng)降溫?！?/p>

(摘自2016年8月16日財(cái)新網(wǎng)，記者王璐怡報(bào)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)