熊志濤，張 藝，文美霞，柯鵬振，楊 登，劉長(zhǎng)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(cè)中心站，湖北 武漢 430070;4.恩施市環(huán)境監(jiān)測(cè)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(zhǎng)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(zhǎng)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(duì)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(shì)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(zhǎng)江、漢江將區(qū)內(nèi)切割成武昌、漢口、漢陽(yáng)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(shì)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(jí)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(chǎng)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(wèn)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(duì)地下水流場(chǎng)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(zhǎng)江邊、長(zhǎng)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(guò)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(zhǎng)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(yáng)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(guò)水?dāng)嗝婷娣e［4］。

地鐵三號(hào)線23座地下車站，地鐵總長(zhǎng)約27.8 km，在修建前的天然狀態(tài)下，地下水過(guò)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(zhǎng)度為5 760 m，建成后過(guò)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(zhǎng)22.04 km，修建前的過(guò)水?dāng)嗝鏋?42 144 m2，建成后的過(guò)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(zhǎng)約33.388 km，在修建前的天然狀態(tài)下，地下水過(guò)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(zhǎng)度為5 860 m，建成后過(guò)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(zhǎng)27.52 km，修建前的過(guò)水?dāng)嗝鏋?83 560 m2，建成后的過(guò)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(guò)水?dāng)嗝鏈p少對(duì)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(chǎng)對(duì)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(cè)［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(chǎng)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(duì)地下水徑流的影響相對(duì)較大，地鐵建成后對(duì)區(qū)域流場(chǎng)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(guò)水?dāng)嗝娴臏p小，會(huì)在短時(shí)期內(nèi)對(duì)地下水流場(chǎng)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(duì)地下水流場(chǎng)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(chǎng)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(guò)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(guò)對(duì)比分析，地鐵三號(hào)線工程建設(shè)對(duì)地下水流場(chǎng)的影響要比地鐵四號(hào)線影響更大，工程建設(shè)過(guò)程中將形成若干地段的地下水短時(shí)壅高，對(duì)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(duì)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(duì)升高，可認(rèn)為在地鐵建成阻水后，地下水主要通過(guò)下部含水層徑流，由于過(guò)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(duì)升高。

2.4 地下水位壅高的模擬預(yù)測(cè)

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(duì)于地下水的壅高值根據(jù)流場(chǎng)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(chǎng)控制，根據(jù)地下水流場(chǎng)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(chǎng)預(yù)測(cè)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(chǎng)預(yù)測(cè)分布圖Fig.5 Prediction distribution map of groundwater flow field of pore confined aquifer in the Quaternary after construction

通過(guò)圖6的分析可知，地鐵三號(hào)線地鐵車站建設(shè)對(duì)地下水流場(chǎng)產(chǎn)生的影響具有局部性和較大的差異性。地鐵工程對(duì)地下水流場(chǎng)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(chǎng)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(duì)地下水的阻隔作用不甚顯著，地下水流場(chǎng)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(duì)地下水流場(chǎng)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(yǔ)

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(zhǎng)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(duì)整個(gè)地區(qū)地下水流場(chǎng)產(chǎn)生影響。對(duì)地下水流場(chǎng)形成區(qū)域分割，將對(duì)武漢市區(qū)地下水流場(chǎng)形成再均衡效應(yīng)，此過(guò)程為適應(yīng)與再適應(yīng)的長(zhǎng)期不斷變化過(guò)程，只有長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)地下水流場(chǎng)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。

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