顧鴻宇， 許 東， 李 丹*， 劉 港， 魯成海

(1.中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局成都地質(zhì)調(diào)查中心， 成都 610081； 2.中國(guó)文化遺產(chǎn)研究院， 北京 100029； 3.中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局西安地質(zhì)調(diào)查中心， 西安 710054； 4.中冶地集團(tuán)西北巖土工程有限公司， 西安 710000)

隨著城鎮(zhèn)化水平的不斷提高，城市空間變得越來(lái)越稀缺。建成區(qū)的地表空間變得尤為緊缺和昂貴。同時(shí)，過(guò)去幾十年的二維擴(kuò)張使得居民用地和農(nóng)業(yè)用地矛盾不斷增加，城市化進(jìn)程迫切需要對(duì)現(xiàn)有城市空間進(jìn)行進(jìn)一步開(kāi)發(fā)[1-2]。直到20世紀(jì)90年代，隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，人們逐漸將目光瞄準(zhǔn)地下，加拿大掀起了地下空間開(kāi)發(fā)的熱潮，為城市的發(fā)展提供新的空間和機(jī)遇。地下空間能夠改善城市功能，進(jìn)一步推動(dòng)經(jīng)濟(jì)發(fā)展[3]。日本、挪威和新加坡等國(guó)都在大力開(kāi)發(fā)地下空間，各研究機(jī)構(gòu)也在為地下空間開(kāi)發(fā)提供理論和技術(shù)支持。近年來(lái)，中國(guó)南京、上海、杭州及成都等城市已開(kāi)始地下空間開(kāi)發(fā)，長(zhǎng)期規(guī)劃深度達(dá)到100 m，包括地下綜合管廊、商業(yè)街、地下交通、地下排洪系統(tǒng)及地下儲(chǔ)藏庫(kù)等設(shè)施[4]。

地下空間開(kāi)發(fā)得益于各種技術(shù)的迅猛發(fā)展。地下巖土體探測(cè)技術(shù)提供了更為精確的地質(zhì)體結(jié)構(gòu)和組成數(shù)據(jù)；隧道技術(shù)解決了大多數(shù)施工難題和設(shè)計(jì)難題；地理信息系統(tǒng)(geographic information system，GIS)為整個(gè)地下空間的開(kāi)發(fā)提供了海量的數(shù)據(jù)庫(kù)及可視化平臺(tái)；建筑信息模型(building information model，BIM)技術(shù)為地下空間開(kāi)發(fā)提供了可視化的最優(yōu)施工過(guò)程模擬，有效提高了資源配置及工作效率[5-6]。盡管如此，對(duì)工程地質(zhì)條件、水文地質(zhì)條件以及物理?xiàng)l件的有限認(rèn)識(shí)仍然制約是地下空間場(chǎng)地評(píng)估和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的本質(zhì)因素。地下水是地下三相介質(zhì)間物質(zhì)運(yùn)移及能量傳輸?shù)妮d體，具有影響范圍大、持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)等特點(diǎn)，是制約地下空間安全開(kāi)發(fā)及運(yùn)營(yíng)的關(guān)鍵因素。

地下空間開(kāi)發(fā)必然會(huì)擾動(dòng)天然的地下水系統(tǒng)，即使在非常廣闊的地下空間開(kāi)發(fā)過(guò)程中也是如此。地下水也是地下空間大規(guī)模開(kāi)發(fā)中的難點(diǎn)和熱點(diǎn)[7]。地下水會(huì)造成地下建筑物的滲漏、浮起、下陷等困擾安全使用的問(wèn)題[8]。地下空間建成后，地下水物理和化學(xué)等因素會(huì)在相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)圍繞著地下構(gòu)筑物達(dá)到重新平衡，并造成巖土體物性及力學(xué)性能的變化。深刻認(rèn)識(shí)地下水系統(tǒng)變化與巖土體的相互作用以及地下水系統(tǒng)變化、地下水和構(gòu)筑物之間復(fù)雜的相互作用與環(huán)境的相互作用對(duì)精確預(yù)測(cè)地下空間開(kāi)發(fā)可能造成的影響有重要作用[9-11]。因此，以地下水為主線(xiàn)，系統(tǒng)總結(jié)和分析地下空間開(kāi)發(fā)及運(yùn)營(yíng)過(guò)程中與地下水相關(guān)的工程、環(huán)境等問(wèn)題。

1 地下空間開(kāi)發(fā)引發(fā)的環(huán)境地質(zhì)問(wèn)題

1.1 工程問(wèn)題

1.1.1 地下水水壓力

由于地下結(jié)構(gòu)對(duì)天然流場(chǎng)的阻隔或截?cái)?，地下水在地下結(jié)構(gòu)兩側(cè)會(huì)形成地下水水位的局部上升和下降，造成兩側(cè)水力梯度增大。一方面，由于阻隔后的水位增量Δh、含水層單寬流量隨阻隔厚度比、阻隔長(zhǎng)度比的增加而增加，所以大深度、長(zhǎng)距離的線(xiàn)狀地下結(jié)構(gòu)對(duì)地下水的阻隔十分明顯[12]；另一方面，地下水位的上升幅度隨地下結(jié)構(gòu)與地下水流向夾角(0°～90°)的增大而增大[13]。地下水水位上升增大了結(jié)構(gòu)受到的側(cè)壓力(包括水壓力和土壓力)，在不考慮滲漏的情況下，當(dāng)水位變化Δh后，結(jié)構(gòu)受到的側(cè)壓力和Δh呈拋物線(xiàn)關(guān)系增大，隨著地下水位繼續(xù)上升并浸沒(méi)地下結(jié)構(gòu)后，側(cè)壓力和Δh則呈直線(xiàn)關(guān)系增大[10]。

地下水靜水壓力增大威脅著地下結(jié)構(gòu)混凝土襯砌的穩(wěn)定，主要造成襯砌間接觸部位的強(qiáng)度損傷并發(fā)展為變形破壞[14]。襯砌軸力和彎矩隨著地下水靜水壓力的增大而增大，最大軸力一般出現(xiàn)在側(cè)拱和拱腳，最大正彎矩和負(fù)彎矩出分別現(xiàn)在仰拱和側(cè)拱(或拱腳)。最初，負(fù)彎矩造成拱腳外表面(和圍巖接觸面)出現(xiàn)裂縫，然后正彎矩使得仰拱內(nèi)部出現(xiàn)裂縫，最后拱頂內(nèi)部也出現(xiàn)裂縫[15-16]。三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)表明由于水壓力從0增大到0.3 MPa過(guò)程中，降低了混凝土裂縫的失穩(wěn)韌度和黏聚韌度，分別可達(dá)17.5%和21.8%，從而導(dǎo)致裂縫的不斷擴(kuò)展并直至破壞。此外，襯砌外側(cè)的空洞或者注漿強(qiáng)度薄弱的部位造成了地下結(jié)構(gòu)側(cè)向約束減少，加速了襯砌在水壓作用下的變形和破壞[17]。

由地震荷載或其他循環(huán)荷載引起的動(dòng)水壓力也會(huì)對(duì)地下結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定造成影響，在可液化砂土中主要引起地下結(jié)構(gòu)周?chē)馏w液化，并使結(jié)構(gòu)上浮和變形。動(dòng)荷載引起的超孔隙水壓力比是造成結(jié)構(gòu)上浮的關(guān)鍵因素，而結(jié)構(gòu)埋深是臨界超孔隙水壓力比的決定因素[18]。在結(jié)構(gòu)上浮過(guò)程中，結(jié)構(gòu)周邊存在著剪切帶和土體的繞流現(xiàn)象，棘輪效應(yīng)和剪切流是結(jié)構(gòu)上浮的主要?jiǎng)恿?砂土的密度和顆粒大小是上述現(xiàn)象的重要影響因素[19]。然而，砂土與結(jié)構(gòu)接觸面的超孔隙水壓力小于遠(yuǎn)場(chǎng)的超孔隙水壓力，這是因?yàn)樵诮佑|面上由于拉應(yīng)力及土體剪脹產(chǎn)生的負(fù)壓使得孔隙水壓力消散[20]。

1.1.2 地下水浮力

結(jié)構(gòu)抗浮問(wèn)題，是大力發(fā)展地下空間需要面對(duì)的重要問(wèn)題之一[21]。地下水浮力對(duì)地下空間開(kāi)發(fā)的制約表現(xiàn)在兩方面：一是水位的上升可能對(duì)已有建筑基礎(chǔ)的浮力增大，造成抗浮失效；二是由于地下空間對(duì)水的阻隔效應(yīng)尚缺乏實(shí)際研究經(jīng)驗(yàn)，抗浮水位的確定是城市地下空間開(kāi)發(fā)面臨的重大問(wèn)題。

地下水位上升對(duì)地下全封閉和半封閉的結(jié)構(gòu)(如地鐵車(chē)站)會(huì)產(chǎn)生較大的浮力，引起結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)或整體上浮甚至開(kāi)裂滲水[22-23]。浮力大小一般按靜水壓力進(jìn)行計(jì)算，但在滲透系數(shù)小于0.5 m/d的弱透水層中，滲流阻力會(huì)在一定程度上減輕浮力的大小[24-25]，所以地下水孔隙水壓力的分布是進(jìn)行浮力計(jì)算的必要條件。根據(jù)滲流理論和有效應(yīng)力原理，在沖洪積扇地區(qū)多層含水層之間的垂向滲流導(dǎo)致水頭損失，從而導(dǎo)致孔隙水壓力減小，并明顯小于靜水壓力。以此作為抗浮設(shè)計(jì)是十分經(jīng)濟(jì)且具有重大的工程意義[26-27]。

抗浮水位一方面具有區(qū)域性特征[28]，和地層結(jié)構(gòu)、水文條件、地形地貌關(guān)系密切；另一方面也和地下空間建設(shè)等人類(lèi)工程活動(dòng)有關(guān)。淺層地下水復(fù)雜的分布規(guī)律是影響抗浮水位預(yù)測(cè)的根本因素?；跐B流理論和宏觀水文學(xué)的單一預(yù)測(cè)方法無(wú)法滿(mǎn)足設(shè)計(jì)精度，考慮到地下水位的時(shí)空動(dòng)態(tài)變異性，基于精確滲流模型和長(zhǎng)期及實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)資料結(jié)合的動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)模型是解決地下水位時(shí)間變異的有效方法[29]。其中，遠(yuǎn)期最高水位的預(yù)測(cè)是保證地下空間安全運(yùn)營(yíng)的必要條件，也是抗浮水位的設(shè)計(jì)依據(jù)。歷史最高水位法是目前常用的預(yù)測(cè)方法，但氣候及人類(lèi)活動(dòng)對(duì)地下水干擾越來(lái)越大，造成該方法對(duì)未來(lái)水位的預(yù)測(cè)不確定性增加[30]。基于數(shù)值計(jì)算方法的區(qū)域法從區(qū)域地下水三維瞬態(tài)流模型出發(fā)，利用區(qū)域地下水位最新監(jiān)測(cè)資料來(lái)預(yù)測(cè)空間任一點(diǎn)的最高水頭，然后進(jìn)行結(jié)構(gòu)基底處的最高水頭的計(jì)算及抗浮水位分析，具有較好的實(shí)用性[29-31]。

1.1.3 地表變形及沉降

地下空間建設(shè)及運(yùn)營(yíng)期間都可能引起的地表變形及沉降。主要包括：開(kāi)挖過(guò)程中的基坑降水及巖土體應(yīng)力釋放導(dǎo)致的地表變形或沉降；運(yùn)營(yíng)期間地下水位變化的不均一性導(dǎo)致的差異沉降。

基坑開(kāi)挖過(guò)程中，由基坑降水和土體應(yīng)力釋放都會(huì)引起地表沉降，但影響范圍不同，近距離的地表沉降是兩者共同作用的結(jié)果，沉降貢獻(xiàn)值大致相當(dāng)，但在較遠(yuǎn)距離的區(qū)域，地表沉降主要是由于降水引起。以廣州市南沙區(qū)某地下空間為例，基坑開(kāi)挖會(huì)造成周邊地表沉降[32]。沉降形態(tài)在均質(zhì)地層中的平面形態(tài)表現(xiàn)為圓形，在剖面上表現(xiàn)為以抽水井為中心的“勺”形曲線(xiàn)，沉降量隨距離的增加而減小。水平向滲透系數(shù)各向異性會(huì)導(dǎo)致抽水產(chǎn)生的水位降深等值線(xiàn)呈現(xiàn)橢圓形，進(jìn)而產(chǎn)生橢圓形地面沉降[33]?；咏邓€可能發(fā)生繞流，從而引起額外的地下水位下降[34]。降落漏斗內(nèi)的土體由于孔隙水的排泄，導(dǎo)致孔隙水壓力的減小，而土體有效應(yīng)力和滲透有效應(yīng)力增加，使土體壓縮固結(jié)[35]。在壓縮過(guò)程中，土體顆粒的移動(dòng)一般服從隨機(jī)介質(zhì)理論，由此引發(fā)土體的進(jìn)一步變形[36]。兩者疊加后在地表的宏觀形態(tài)就是地表沉降。此處，不再論述由土體應(yīng)力釋放引起的地表變形及沉降機(jī)理。郭曉靜等[37]通過(guò)對(duì)鄭州市中層隧道工程進(jìn)行地質(zhì)環(huán)境適宜性評(píng)價(jià)，發(fā)現(xiàn)地面沉降等對(duì)其影響較為顯著。

差異性沉降是由于巖土體的變形不協(xié)調(diào)導(dǎo)致的，這類(lèi)沉降在城市地區(qū)廣泛存在，其潛在的風(fēng)險(xiǎn)不可低估[38-39]。地下結(jié)構(gòu)(特別是大深度網(wǎng)狀地下結(jié)構(gòu))截?cái)嗪畬?0%厚度及以上時(shí)對(duì)地下水的阻隔效應(yīng)明顯，造成地下水位在結(jié)構(gòu)兩側(cè)出現(xiàn)明顯差異[40]。迎水面地下水位的上升和背水面水位下降都會(huì)導(dǎo)致地基承載力的降低。地下水位上升主要是由于地下結(jié)構(gòu)導(dǎo)致地下水排泄不暢[41]，一方面使得孔隙水壓力升高，降低了土體的有效應(yīng)力；另一方面造成巖土體力學(xué)強(qiáng)度(抗剪、抗壓強(qiáng)度)的降低，毛邦燕等[42]通過(guò)泰沙基極限荷載理論對(duì)由于成都地鐵結(jié)構(gòu)造成的水位壅高給地鐵沿線(xiàn)迎水面淺基礎(chǔ)建筑物地基承載力帶來(lái)的影響進(jìn)行了研究，結(jié)果表明地下水壅高會(huì)造成地基承載力下降5%～15%。地下水因補(bǔ)給中斷或向地下空間滲漏導(dǎo)致水位下降引起孔隙水壓力消散，土體在自重壓力下固結(jié)壓縮也會(huì)導(dǎo)致地表沉降[43]。在巖溶地區(qū)，地下水位降低形成的負(fù)壓會(huì)加速地下水對(duì)巖溶孔隙中土體的潛蝕，最終導(dǎo)致地面塌陷的發(fā)生[44]。

1.1.4 特殊巖土體性能劣化

特殊巖土體，如黃土、鈣芒硝層及巖溶地層，在中國(guó)分布廣泛、埋藏條件復(fù)雜，對(duì)地下工程建設(shè)的潛在威脅十分明顯。這類(lèi)巖土體在沒(méi)有地下水參與或所處地下水環(huán)境未受到擾動(dòng)時(shí)處于平衡狀態(tài)，其力學(xué)性質(zhì)、物質(zhì)組成不會(huì)發(fā)生明顯變化。隨著地下空間的開(kāi)發(fā)，地下含水層及隔水層被破壞，加快了地下水的循環(huán)速率，使得特殊巖土體的物性發(fā)生重大變化。其引發(fā)的工程問(wèn)題往往包含多種類(lèi)型，如地面沉降、地下結(jié)構(gòu)破壞及地下水污染等。吳冰華等[45]認(rèn)為淤泥質(zhì)土、液化土、濕陷性黃土等是造成鄭州市地下空間開(kāi)挖的敏感工程地質(zhì)因子。為此，有必要論述特殊巖土體在地下水作用下物性及力學(xué)性質(zhì)改變的機(jī)理。

黃土是由結(jié)構(gòu)單元(礦物單體、集合體、凝塊)、膠結(jié)物(黏粒、碳酸鹽、有機(jī)物)和孔隙3個(gè)部分組成，垂直節(jié)理發(fā)育，其力學(xué)性質(zhì)對(duì)地下水變化極為敏感，水敏性黃土中地下水的變化對(duì)地下工程結(jié)構(gòu)的影響不可低估。地下空間引起地下水上升或下降，初期將造成結(jié)構(gòu)周邊發(fā)生不均勻的浸水，水分在黃土內(nèi)部遷移的過(guò)程中會(huì)導(dǎo)致黃土孔隙的增加，顆粒磨損和破裂、以及顆粒間接觸方式的改變，造成黃土吸附及黏結(jié)強(qiáng)度的降低[46-49]，在自重作用下表現(xiàn)出宏觀的濕陷。黃土濕陷導(dǎo)致結(jié)構(gòu)彎矩增大并產(chǎn)生明顯豎向位移。地下水對(duì)結(jié)構(gòu)基底黃土的浸潤(rùn)比水分從地表向地下遷移對(duì)結(jié)構(gòu)造成的損害要大[50]。在酸性地下水環(huán)境中，黃土內(nèi)部鹽分被加速溶解，濕陷起始?jí)毫⒚黠@降低，變形也更為嚴(yán)重[51]。由于地下空間對(duì)地下水循環(huán)條件的改變是長(zhǎng)期的，黃土在長(zhǎng)時(shí)間的浸水后，除了濕陷變形還將導(dǎo)致黃土內(nèi)鹽分的持續(xù)溶解，剩余孔隙進(jìn)一步壓縮，從而導(dǎo)致溶濾變形。這類(lèi)變形往往緩慢且細(xì)微，變形速率偏低，具有隱蔽性，但其累積性變形卻十分顯著[52]。由土體變形造成的地基承載力不足及結(jié)構(gòu)變形是威脅地下空間安全運(yùn)營(yíng)的重要因素之一。

(1)

式(1)中：y′為溶解速率，cm/h；x為溶解時(shí)間，h；α為溶解角度(-90°～90°)。因此，在城市地下空間開(kāi)發(fā)過(guò)程中尤其應(yīng)避免連通鈣芒硝與下其部的含水層。由于人類(lèi)工程的擾動(dòng)，鈣芒硝層中的生物巖溶作用將不可忽視，厭氧的硫酸鹽還原菌和排硫桿菌的氣化作用將降低溶液pH，從而加速鈣芒硝特別是石膏層的溶解[60]。

巖溶在中國(guó)分布廣泛，中國(guó)可溶性碳酸鹽巖分布面積達(dá)3.66×106km2。目前，廣州、深圳、武漢及昆明等城市的地下空間開(kāi)發(fā)均面臨巖溶特殊地質(zhì)問(wèn)題。不同規(guī)模的溶溝、溶洞及暗河在巖溶地區(qū)高度發(fā)育，其自身的不穩(wěn)定性和人類(lèi)工程擾動(dòng)相疊加，引發(fā)的涌水、地面塌陷等災(zāi)害極大地威脅著地下空間的安全[61-62]。巖溶對(duì)地下空間的影響應(yīng)考慮時(shí)效性，一方面是工程建設(shè)過(guò)程中產(chǎn)生的即時(shí)影響。在溶洞發(fā)育區(qū)域，地下空間開(kāi)挖導(dǎo)致巖體應(yīng)力釋放，裂隙產(chǎn)生并不斷向溶洞一側(cè)擴(kuò)展，兩者之間巖體位移的不斷增加及持續(xù)增加的水壓是引起擋水結(jié)構(gòu)破壞的關(guān)鍵因素[63]；另一方面則是對(duì)地下空間運(yùn)營(yíng)過(guò)程中造成的長(zhǎng)期影響。巖體裂隙的特征和發(fā)育程度是影響溶蝕深度的決定因素，巖性和水的溶蝕能力則是影響巖溶發(fā)育的區(qū)域性因素[64]。研究表明，近接溶洞巖體厚度一定時(shí),隨著水壓力的增大,變形量逐步增大,當(dāng)巖溶水壓力大于2 MPa后最大變形量增加的趨勢(shì)明顯[65]。地下空間開(kāi)發(fā)對(duì)圍巖的擾動(dòng)使得其塑性變形帶內(nèi)的巖體產(chǎn)生大量的宏觀裂隙或損傷，由于地下水的不斷溶蝕，在結(jié)構(gòu)與圍巖接觸帶附件形成大量的溶蝕通道，其結(jié)果除了影響結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，也會(huì)造成上覆土體隨著溶蝕通道不斷被沖蝕，最終導(dǎo)致水土流失[66]或者淺部基礎(chǔ)承載力的不足。

1.1.5 地下結(jié)構(gòu)腐蝕

圖1 鈣芒硝在不同流速、不同溫度條件下溶蝕試驗(yàn)Fig.1 Dissolution test of calcium-mirabilite under different flow rates and temperatures

圖2 Fe離子濃度隨時(shí)間變化規(guī)律[69]Fig.2 Variation of Fe ion concentration with time[69]

地下空間開(kāi)發(fā)引發(fā)地表和淺層土壤污染物向深部含水層中轉(zhuǎn)移將導(dǎo)致污染腐蝕的發(fā)生。這種腐蝕機(jī)理相當(dāng)復(fù)雜，影響因素眾多。一方面，劉松玉等[77]對(duì)中外地下結(jié)構(gòu)污染腐蝕耐久性進(jìn)行了系統(tǒng)的總結(jié)?？偟膩?lái)說(shuō)，混凝土自身的微觀結(jié)構(gòu)(尤其是孔隙率)決定著污染物在其中的擴(kuò)散速率。污染物的侵入會(huì)加劇結(jié)構(gòu)的疲勞損傷，反過(guò)來(lái)促進(jìn)污染物對(duì)結(jié)構(gòu)的腐蝕；另一方面，運(yùn)移到深部含水層中的有機(jī)物在厭氧微生物或好氧微生物的作用下產(chǎn)生硫化氫或碳酸等侵蝕性物質(zhì)，并在硫酸還原菌的作用下生產(chǎn)硫酸，從而造成對(duì)混凝土的腐蝕。部分真菌能將菌絲深入到混凝土裂縫內(nèi)部，這種物理破壞增大了混凝土的滲透率，同時(shí)在分解污染物的過(guò)程中也會(huì)產(chǎn)生有機(jī)酸(如檸檬酸、草酸)并與混凝土中的Ca2+發(fā)生反應(yīng)，引起混凝土的溶解破壞[78]。韓靜云等[79]通過(guò)研究污水處理設(shè)施中混凝土受污水侵蝕的情況，表明動(dòng)態(tài)的污水環(huán)境對(duì)混凝土?xí)a(chǎn)生較為嚴(yán)重腐蝕，并且在氣液界面的腐蝕程度最為嚴(yán)重。因此，地下空間結(jié)構(gòu)在飽水帶與非飽水帶的界面位置應(yīng)當(dāng)重點(diǎn)考慮耐腐蝕性設(shè)計(jì)。

1.1.6 地震震害

地下空間開(kāi)發(fā)引起的地下水位變動(dòng)對(duì)地震震害的影響十分顯著。賦存在孔隙中的地下水使得巖土體振動(dòng)時(shí)剛度發(fā)生變化，改變了巖土體的動(dòng)力響應(yīng)。由于地震波在水飽和土中的傳播和氣飽和土中的傳播差異較大，地下水變化會(huì)引起地面運(yùn)動(dòng)的變化[80]。

地下水位上升使得淺部砂土層或透鏡體飽水，其對(duì)地表震害的影響主要表現(xiàn)為加重淺部地層的振動(dòng)液化[81]，造成地基承載力下降和地表裂縫等現(xiàn)象。地下水位下降則使液化深度增加，使得地震剪切波的傳播受到阻隔，減輕地面震害[82]。因此，地下結(jié)構(gòu)背水面和迎水面的地下水位差異影響著結(jié)構(gòu)兩側(cè)地震烈度的分布，即迎水面烈度較背水面高。

地震過(guò)程中，在應(yīng)變積累、巖體擴(kuò)容及滲透階段，孔隙水壓力的增加不僅會(huì)降低巖體的強(qiáng)度和斷層面摩擦阻力，還會(huì)造成最大剪應(yīng)力和應(yīng)變場(chǎng)的重新分布[83]。因此，在構(gòu)造發(fā)育的巖體中建設(shè)地下空間時(shí)，應(yīng)當(dāng)做好地下水的排泄，盡量減少地下結(jié)構(gòu)對(duì)地下水的約束，以避免斷層活化及巖體劣化導(dǎo)致發(fā)更加強(qiáng)烈的震害。

此外，掌握地下結(jié)構(gòu)在地震下的動(dòng)力響應(yīng)是地下空間安全運(yùn)營(yíng)的基礎(chǔ)。一方面，地下結(jié)構(gòu)由于受到巖土體約束，沒(méi)有獨(dú)立的固有周期和振型，其變形受控于地表巖土體的相對(duì)位移(即地表正應(yīng)變和剪切應(yīng)變)，由前述孔隙水壓力對(duì)應(yīng)變場(chǎng)的影響可知，地下結(jié)構(gòu)的兩側(cè)可能存在較大的應(yīng)變差異，嚴(yán)重時(shí)或?qū)?dǎo)致結(jié)構(gòu)的變形；另一方面，地震產(chǎn)生的砂土液化將導(dǎo)致砂土層中地下結(jié)構(gòu)與巖土體接觸處產(chǎn)生超孔隙水壓力，在地下結(jié)構(gòu)連接處或強(qiáng)度較低的部位可能出現(xiàn)涌水或涌砂的現(xiàn)象。

1.2 生態(tài)環(huán)境問(wèn)題

1.2.1 地下水污染

首先，地下水污染表現(xiàn)在地下空間建設(shè)和運(yùn)營(yíng)過(guò)程中導(dǎo)致的直接污染。黃曉倩等[84]研究了某大型工程地下結(jié)構(gòu)灌漿導(dǎo)致的地下水污染，結(jié)果表明水泥中水溶性鉻(Ⅵ)直接進(jìn)入了地下含水層，超標(biāo)持續(xù)時(shí)間達(dá)2個(gè)月。城市地下儲(chǔ)水空間和地下排污管道在運(yùn)營(yíng)期間可能存在滲漏而導(dǎo)致地下水污染[85]。在水位下降的區(qū)域，土體易發(fā)生固結(jié)作用，固結(jié)效應(yīng)能顯著地增加污染物的流出，在高壓縮性、高滲透性土壤中表現(xiàn)尤為明顯[86]。

研究表明，地下水位上升造成包氣帶飽水或減薄后將加快部分重金屬離子和有機(jī)污染物向地下水的遷移速率，尤其在沖積平原的中上游地區(qū)，地下水在豎向和垂向均以砂卵石為主，沒(méi)有明顯隔水層，地下水一旦污染將形成區(qū)域性環(huán)境問(wèn)題，在很長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)難以自我凈化。城市地下水污染將由點(diǎn)狀污染向面狀、由淺部到深部轉(zhuǎn)變[94]。

1.2.2 城市熱島效應(yīng)

城市熱島效應(yīng)指城市因大量的人工發(fā)熱、建筑物和道路等高蓄熱體及綠地減少等因素，造成城市“高溫化”，即城市中的氣溫明顯高于外圍郊區(qū)的現(xiàn)象。隨著城市地下空間的不斷開(kāi)發(fā)，地下水受到的人類(lèi)工程的影響越來(lái)越明顯。城市化引起的垂直熱通量的增加促進(jìn)了地下水升溫。由于地下水溫的改變具有相當(dāng)?shù)臏笮?、隱蔽性及對(duì)環(huán)境生態(tài)的關(guān)聯(lián)性，所帶來(lái)的危害也更具廣泛性、嚴(yán)重性和緩慢的時(shí)效性。因此，在地下空間開(kāi)發(fā)的前期應(yīng)當(dāng)深入研究地下水溫度變化可能帶來(lái)的環(huán)境影響。

一方面，地下空間的開(kāi)發(fā)不可避免地造成地下水位的局部或大規(guī)模變化，由此造成的城市熱島效應(yīng)已經(jīng)引起人們的廣泛關(guān)注。目前，陸氣作用在水文研究中得到了廣泛關(guān)注，但作為陸面水文過(guò)程中重要組成部分的地下水卻被簡(jiǎn)化甚至忽略。雖然地下水及土壤中的含水量和地溫之間的聯(lián)系已經(jīng)得到公認(rèn)，但關(guān)于地下水埋深對(duì)地溫乃至氣溫的影響研究卻相對(duì)較少。傅志敏等[95]利用數(shù)據(jù)挖掘方法對(duì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，研究了水位埋深與近地表氣溫之間的關(guān)系，結(jié)果表明地下水對(duì)近地表氣溫的影響并不是一直存在的，存在著臨界深度(6～8 m)，小于臨界深度時(shí)地下水溫度對(duì)氣溫影響較大，超過(guò)臨界深度后影響可以忽略。反過(guò)來(lái)，氣溫的上升也會(huì)影響包氣帶的垂向含水率變化，造成地下溫度的分布規(guī)律發(fā)生變化[96]。孫緒金等[97]研究了地下水超采造成的地下水位下降導(dǎo)致近地表溫度上升，上升幅度一般為3～5 ℃，最高可達(dá)10 ℃，但是當(dāng)?shù)叵滤掷m(xù)下降到大于地下水熱島效應(yīng)臨界深度后，對(duì)地表溫度影響將維持在某一恒定值[98]。

另一方面，地下空間開(kāi)發(fā)對(duì)地下水溫度的影響。大規(guī)模地下空間，特別是深部地下空間的開(kāi)發(fā)會(huì)極大地增加地下熱量的來(lái)源，造成地下含水層溫度場(chǎng)的變化。淺層地下水溫度升高則會(huì)對(duì)土壤及其熱容量產(chǎn)生影響，進(jìn)而影響植被的生長(zhǎng)[99]。城市熱島效應(yīng)引起的淺層地下水溫度升溫可高達(dá)3～5 ℃[100]。雖然淺層地下水溫度受季節(jié)影響和人類(lèi)活動(dòng)共同影響，但Jack等[101]通過(guò)對(duì)美國(guó)Virginia Beach地區(qū)的研究表明，由人類(lèi)活動(dòng)造成的地下水溫度升高貢獻(xiàn)率達(dá)到70%以上。由于地下水與地下巖層和空氣存在著熱交換，因此地下氣溫及巖石溫度的變化也會(huì)引起地下水溫度的變化(圖3)。Huang等[102]通過(guò)研究城市化對(duì)Osaka地區(qū)地下環(huán)境的影響，表明氣候變化和城市化共同導(dǎo)致了地下溫度的升高速率達(dá)到了2 ℃/100 a，其中城市化至少占1/2的貢獻(xiàn)率。隨著城市地下空間的開(kāi)發(fā)，城市熱島效應(yīng)的熱源由地面轉(zhuǎn)變?yōu)榈厣系叵鹿餐绊?，由此產(chǎn)生的累積性溫度升高將更加顯著。

T0為沒(méi)有熱島效應(yīng)時(shí)的地面溫度圖3 城市熱島效應(yīng)對(duì)地下溫度的擾動(dòng)示意圖Fig.3 Scheme illustration the distribution of subsurface temperature disturbed by urban heat island effect

2 問(wèn)題與展望

研究表明，地下水變化不僅能夠引起的地下水化學(xué)場(chǎng)和水動(dòng)力場(chǎng)的變化，還能造成巖土體物性和溫度場(chǎng)的變化。因此，城市地下空間的開(kāi)發(fā)會(huì)引發(fā)一系列的巖土工程問(wèn)題、環(huán)境地質(zhì)問(wèn)題及生態(tài)問(wèn)題，而地下水的變化是引發(fā)這一系列問(wèn)題的根源。由于地下空間建設(shè)一旦完成將難以改變，有必要在建設(shè)之前從多角度多學(xué)科深入考慮地下空間可能引發(fā)的環(huán)境、工程及生態(tài)問(wèn)題。目前，上述研究已經(jīng)取得了豐富的成果，但結(jié)合到城市地下空間來(lái)說(shuō)尚缺乏對(duì)如下方面的深入研究。

(1)地下空間開(kāi)發(fā)引發(fā)的地下水相關(guān)問(wèn)題是一個(gè)長(zhǎng)期存在、不斷累積和不斷顯現(xiàn)的動(dòng)態(tài)過(guò)程，除了上述專(zhuān)項(xiàng)的小尺度研究，還應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)對(duì)潛在問(wèn)題的長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)，并在建設(shè)之前設(shè)計(jì)體系化的監(jiān)測(cè)方案，以便及時(shí)對(duì)顯現(xiàn)的各類(lèi)問(wèn)題進(jìn)行評(píng)估和處理。設(shè)計(jì)的監(jiān)測(cè)方案應(yīng)當(dāng)包含3個(gè)層次：區(qū)域監(jiān)測(cè)-局部監(jiān)測(cè)-目標(biāo)監(jiān)測(cè)，有利于掌握各類(lèi)問(wèn)題產(chǎn)生的微觀機(jī)理及其宏觀影響。

(2)地下空間開(kāi)發(fā)導(dǎo)致地下水對(duì)巖土體的物性(膨脹性、孔隙率、導(dǎo)熱系數(shù)等)產(chǎn)生緩慢且具有累積性的影響。這類(lèi)問(wèn)題對(duì)存在可溶鹽巖地層、軟土、膨脹土及巖溶的地區(qū)地下空間開(kāi)發(fā)顯得尤為重要。深入研究地下水變化對(duì)巖土體物性的影響，有助于研究地下空間開(kāi)發(fā)引發(fā)的地下水污染物垂向運(yùn)移機(jī)理、地下水脆弱性評(píng)價(jià)、地下水腐蝕、城市熱島效應(yīng)及地表沉降等問(wèn)題。為地下空間開(kāi)發(fā)提供前瞻性技術(shù)指標(biāo)及設(shè)計(jì)等建議。

(3)目前，由于地下結(jié)構(gòu)對(duì)地下水的阻隔作用及對(duì)水動(dòng)力場(chǎng)的改變，在深部地下空間開(kāi)發(fā)過(guò)程中導(dǎo)致深部地層高濃度物質(zhì)(如鐵、錳等元素)及有毒物質(zhì)(如砷等)向淺部運(yùn)移造成地下水資源污染的研究還比較少，但這類(lèi)問(wèn)題的機(jī)理及其可能引發(fā)的環(huán)境和健康問(wèn)題是值得重視的。

(4)天然地質(zhì)體是由固體-流體-氣體三相介質(zhì)構(gòu)成，地下空間開(kāi)發(fā)可能引發(fā)的一系列宏觀問(wèn)題必定是3種介質(zhì)相互作用的結(jié)果，一種介質(zhì)性質(zhì)的改變可能影響另外兩種介質(zhì)的性質(zhì)。因此，必須加強(qiáng)對(duì)深部三相介質(zhì)在人為擾動(dòng)下的多場(chǎng)耦合機(jī)理研究。在此問(wèn)題中，還須注意三相介質(zhì)作用的時(shí)效性研究，為地下空間長(zhǎng)期的安全性提供理論依據(jù)。

(5)注重城市地下空間建設(shè)后對(duì)地下水水位上升幅度的監(jiān)測(cè)及遠(yuǎn)期最高水位預(yù)測(cè)模型的研究，對(duì)建筑物基礎(chǔ)的抗浮設(shè)計(jì)提供設(shè)計(jì)參數(shù)，在保障安全的前提下，優(yōu)化抗浮設(shè)計(jì)方案，保證建筑物在相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)有充足的設(shè)計(jì)盈余。

3 結(jié)論

地下空間是城市化發(fā)展的必然要求。地下水在城市地下空間建設(shè)及運(yùn)營(yíng)期間起著“靈魂”的作用，地下水的變化會(huì)引發(fā)各種復(fù)雜問(wèn)題。從8個(gè)方面闡述了城市地下空間開(kāi)發(fā)及后續(xù)運(yùn)營(yíng)過(guò)程中可能產(chǎn)生的與地下水相關(guān)的工程、環(huán)境及生態(tài)問(wèn)題。并針對(duì)目前的研究現(xiàn)狀提出了今后應(yīng)當(dāng)重點(diǎn)關(guān)注的5個(gè)方面問(wèn)題。

目前，地下空間開(kāi)發(fā)正處于起步階段，在大規(guī)模開(kāi)發(fā)地下空間之前應(yīng)注重對(duì)生態(tài)及水環(huán)境的保護(hù)，有必要對(duì)開(kāi)發(fā)后引起的地下水系統(tǒng)變化及其引發(fā)的危害進(jìn)行專(zhuān)題及系統(tǒng)研究。由于所列的潛在危害多是借鑒于類(lèi)似地下開(kāi)挖工程及相關(guān)學(xué)科成果，在評(píng)價(jià)地下空間開(kāi)發(fā)(尤其是深部地下空間開(kāi)發(fā))及運(yùn)營(yíng)中可能的工程、環(huán)境及生態(tài)影響方面必定有不足之處。因此，下一步有必要結(jié)合具體的城市地下空間開(kāi)發(fā)案例對(duì)地下水開(kāi)發(fā)引起的一系列問(wèn)題進(jìn)行更深入的研究和長(zhǎng)期的監(jiān)測(cè)。