武汉地铁三、四号线工程建设对地下水流场的影响分析

熊志涛，张 艺，文美霞，柯鹏振，杨 登，刘长宪，肖建红

(1.湖北省地质环境总站，湖北 武汉 430034;2.湖北省地质灾害防治中心，湖北 武汉 430034;3.湖北省环境监测中心站，湖北 武汉 430070;4.恩施市环境监测站，湖北 恩施 445000)

0 引言

按武汉市轨道交通近期建设规划，武汉轨道交通到2040年将建成9条地铁干线和3条城市快线，全长约540 km，共设站309座。主城区线网规模将达到333 km，共有7条长江通道，其中6条位于主城区。从2012年至2017年，武汉市每年都将建成开通一条地铁线。地铁隧道建成之后，大范围的线形隧道可能局部阻断地下水的径流，造成地下水位局部壅高，对周边地层的稳定和附近建筑物的安全造成一定的影响［1］。

1 研究区概况

武汉市位于江汉平原东部。区内地势大致南东高、北西低，以丘陵和平原相间的波状起伏地形为主。市区主要有两列东西走向、南北平行的基岩残丘。长江、汉江将区内切割成武昌、汉口、汉阳3大地段。地铁三号线沿线地貌从南向北依次为:剥蚀堆积垄岗，高程一般在24.91～30.34 m之间，地形波状起伏;河流冲积平原，高程一般在19.2～21.0 m之间，地形较平坦;湖冲积平原，高程一般在21.5～22.0 m之间，地形较平坦。地铁四号线沿线地貌从西向东依次为:河流冲积平原，高程一般在19.7～21.5 m之间，地形较平坦;剥蚀堆积垄岗，地面高程一般在24.91～35.34 m之间，地形波状起伏;河流冲积平原，地势渐平坦、开阔，地面标高多在23.1～27.2 m之间，剥蚀堆积垄岗，地面高程一般在23.91～30.30 m之间，地形波状起伏;湖冲积平原，高程一般在22.5～24.0 m之间，地形较平坦。

地铁沿线地下水含水层类型可分为第四系孔隙水和基岩水两大类，以第四系孔隙水水量最为丰富，分布最广泛，也是武汉城区供水的主要开采层;基岩水总体水量较贫乏，除局部分布的碳酸盐岩裂隙岩溶水外，其他含水岩类的富水性弱(见图1)。

图1 地铁沿线含水层富水性分区图Fig.1 Zonemap ofwater abundance of aquifer

第四系全新统孔隙承压含水岩组:该含水岩组地下水由第四系全新统冲积、冲洪积砂、砂砾(卵)石孔隙承压水组成，岩性自下而上为砂(卵)石—中粗砂—粉细砂之韵律层。全新统含水层厚度变化较大，阶地中前缘厚度较大，向后缘逐渐变薄，武汉市城区一般为13.58～44.85m。地下水位埋深0.5～9.0m。含水岩组富水性，在地域上呈明显规律性，一级阶地前缘为水量丰富和较丰富地段，单井涌水量＞1 000或500～1 000 m3/d，阶地后缘富水性中等，单井涌水量100～500 m3/d。地铁三号线主要分布于汉口城区宗关站—市民中心站;地铁四号线主要分布于北部铁机路—工业路站。

碳酸盐岩裂隙岩溶水:该类型地下水赋存于三叠系下统—中统(嘉陵江组)、石炭系上统—二叠系下统(栖霞组)碳酸盐岩裂隙岩溶中。含水岩组的岩性主要由灰岩、白云岩、白云质灰岩、生物碎屑灰岩、燧石结核灰岩、大理岩等组成。该类型地下水水质良好，含水岩组富水性受岩性、断裂构造以及岩溶发育程度控制而极不均一，单井涌水量141.00～385.00 m3/d及542.00 ～878.00 m3/d，水量中等—较丰富，是区内较好的具集中供水意义的地下水源。

图2 地铁走向与地下水流场关系图Fig.2 Relation graph ofmetro trend and groundwater flow field

地铁工程主要穿越大桥倒转向斜，其中地铁三号线在王家湾—江汉二桥站穿越该向斜;地铁四号线在玫瑰苑站—钟家村站沿该向斜核部铺设，在梅苑小区—中南路站穿越该向斜。

根据地铁沿线地层分布规律、岩土体物理力学性质［2］、地下水开采现状等，结合地下水动态特征、补径排条件的分析，工程区地下水流问题可以概化为非均质三维地下水渗流模型［3］。

2 地铁建设对地下水流场的影响

2.1 地铁走向与地下水流向的关系

(1)地铁三号线走向与周边地下水流向的关系。双墩—赵家条区间的线路走向与地下水流向基本呈正交关系;江汉二桥—双墩区间呈中等角度相交关系;文岭—江汉二桥、赵家条—市民中心区间两者间相交角度较小(见图2)。

(2)地铁四号线走向与周边地下水流向的关系。黄金口—钟家村和铁机村—工业路路段的隧道走向与地下水流向基本呈正交关系;东亭—铁机村和工业路—武汉火车站段呈中等角度相交关系;钟家村—长江边、长江边—武昌火车站、武昌火车站—东亭呈小角度相交关系。

2.2 地铁结构使地下水过水断面发生变化

武汉地铁三、四号线工程分别穿越汉江及长江。地铁三号线沿线在汉口城区的宗关—市民中心区段，地铁四号线在汉阳区的黄金口—永安堂区段及武昌城区的铁机村—工业四路区段，工程施工均位于富水性强的第四系全新统承压水含水层中，地铁线路的防水和阻水作用，将降低原地下水过水断面面积［4］。

地铁三号线23座地下车站，地铁总长约27.8 km，在修建前的天然状态下，地下水过水断面总计达486 500 m2，建成后则减小至389 200 m2，减小数为97 300 m2，减小幅度平均为20%。其中23座车站长度为5 760 m，建成后过水面积减小至92 516 m2，减小数为51 840 m2，减小幅度平均为35.9%。盾构隧道长22.04 km，修建前的过水断面为342 144 m2，建成后的过水断面为296 684m2，减少数为45 460m2，减少的平均幅度为13.3%。

地铁四号线28座地下车站，地铁总长约33.388 km，在修建前的天然状态下，地下水过水断面总计达353 880 m2，建成后则减小至291 504 m2，减小数为62 376 m2，减小幅度平均为17.6%。其中28座车站长度为5 860 m，建成后过水面积减小至42 740 m2，减小数为27 580 m2，减小幅度平均为39.22%。盾构隧道长27.52 km，修建前的过水断面为283 560 m2，建成后的过水断面为248 764m2，减少数为34 796m2，减少的平均幅度为12.3%。

由此可见，武汉地铁三、四号线工程建成后，地下水过水断面减少对地下水径流会产生明显的影响［5］。

2.3 地铁建成前后的地下水流场对比分析

本文采用三维地下水流动数值模拟软件GMS进行地下水位壅高的模拟预测［6］，利用建立好的模型，模拟出地铁建设前后第四系孔隙承压水含水层地下水流场分布状况(见图3－图5)，所产生的影响具体包括:

(1)受地铁三、四号线工程建设的影响，第四系承压含水层地下水径流方向总体改变不大。其中，地铁工程建设期对地下水径流的影响相对较大，地铁建成后对区域流场产生的总体影响将逐渐变小。主要是由于武汉市特别是沿江区域地下水量较为丰富，含水层厚度较大。地铁建设造成含水层过水断面的减小，会在短时期内对地下水流场产生一定的影响;但工程建成后，在采取适当的工程恢复措施后，工程运行期间对地下水流场的影响可相应降低［7］。

图3 第四系孔隙承压含水层地下水流场初始分布图Fig.3 Initial distributionmap of groundwater flow field of pore confined aquifer in the Quaternary

(2)地铁工程的兴建，将减少沿线地下水过水断面的面积，从而使第四系全新统承压含水层地下水水位产生一定程度的壅高。通过对比分析，地铁三号线工程建设对地下水流场的影响要比地铁四号线影响更大，工程建设过程中将形成若干地段的地下水短时壅高，对周边地质环境影响更大;地铁建成后，地铁工程造成的地下水壅高值将逐步减小［8］。

(3)对比图3、图4，在其它条件均不变的情况下，地铁建成前后在迎水面区域内，水位处于同一地点、同一时间段内总体相对升高，可认为在地铁建成阻水后，地下水主要通过下部含水层径流，由于过水断面的减小，在水力梯度不变的情况下，影响地下水径流排泄，水位总体将相对升高。

2.4 地下水位壅高的模拟预测

2.4.1 仅地铁三号线时车站的地下水位壅高

地铁三号线工程对于地下水的壅高值根据流场变化呈现同步变化，越靠近地铁迎水面壅高值越大;其变化受地下水流场控制，根据地下水流场模拟，其结果见图6。

图4 地铁施工期第四系孔隙承压含水层地下水流场预测分布图Fig.4 Prediction distribution map of groundwater flow field of pore confined aquifer in the Quaternary during themetro construction period

图5 地铁建成后5年第四系孔隙承压含水层地下水流场预测分布图Fig.5 Prediction distribution map of groundwater flow field of pore confined aquifer in the Quaternary after construction

通过图6的分析可知，地铁三号线地铁车站建设对地下水流场产生的影响具有局部性和较大的差异性。地铁工程对地下水流场影响最大区域位于赵家条—市民中心站区间内，主要使流场发生壅高，地铁两侧水位升高，升高值在0.35～0.77 m之间;其次为宗关站—惠济二路站区间，受地铁阻隔作用影响，使原水位在小范围内造成地下水位壅高，壅高值在0.07～0.13 m之间;地铁三号线其它区间段内(文岭站—王家湾站)，由于其走向与地下水流向基本一致，对地下水的阻隔作用不甚显著，地下水流场所受到的影响较小［9］。

2.4.2 同时考虑三号、四号线时车站的地下水位壅高

考虑存在地铁四号线的情况下，地铁三号线地下车站地下水位壅高值的结果见图7。地铁四号线与地铁三号线在王家湾站换乘，两者之间的相互影响主要位于王家湾车站处，地铁建设对地下水流场总体影响较小;其它区域两者的影响较小。

图6 地铁三号线建成后地下水位壅高曲线图Fig.6 Curve of the groundwater level raising after the construction of Metro line 3

图7 同时考虑地铁三、四号线时地下水位壅高曲线图Fig.7 Curve of the groundwater level raising considering the construction of Metro line 3 and Line 4

3 结语

武汉市城区建筑密集、河流众多、地下水量较丰富，根据以上分析可以看出地铁工程建设将直接影响武汉市地下水环境。而这种影响具有长期性和隐蔽性的特点，特别是随着多条地铁工程的建成，将对整个地区地下水流场产生影响。对地下水流场形成区域分割，将对武汉市区地下水流场形成再均衡效应，此过程为适应与再适应的长期不断变化过程，只有长期监测地下水流场动态变化特征，才能做出符合实际的决策而趋利避害。

［1］黄家祥，张晓春.城市地铁工程的地下水问题分析［J］.岩土工程界，2008，1(1):109 －111.

［2］黄文熙.土的工程性质［M］.北京:水利电力出版社，1983.

［3］华东水利学院土力学教研室.土工原理与设计［M］.北京:水利电力出版社，1982.

［4］高过瑞.近代土质学［M］.南京:东南大学出版社，1990.

［5］许劼，王国权，李晓昭.城市地下空间开发对地下水环境影响的初步研究［J］.工程地质学报，1999，7(1):15 －19.

［6］徐则民，张倬元，刘汉超.成都地铁环境工程地质评价［J］.中国地质灾害与防治学报，2002，13(2):63 －69.

［7］庄乾城，罗国煜，李晓昭，等.地铁建设对城市地下水环境影响的探讨［J］.水文地质工程地质，2003，4(4):69 －102.

［8］成璐.成都地铁1、2号线工程主要水文地质问题分析［D］.成都:成都理工大学，2008.

［9］林国庆，冯青华.浅谈地下水对武汉市地铁工程建设的影响［J］.资源环境与工程，2011，25(1):46 －51.