徐州市城市轨道交通建设对当地环境地质的潜在影响

张伟刚 吴家铭

摘 要： 针对徐州城市轨道交通工程建设特点，对城市轨道交通建设过程中出现的地质环境问题进行总结，详细论述了导致地下水污染、岩溶塌陷、地表沉降等环境地质问题的主要因素、过程及不良后果，为施工阶段的安全风险控制和开展专项环境治理提供参考意见。

关键词：城市轨道交通；环境地质；地下水污染；岩溶；地表沉降

城市轨道交通的建设不可避免地会对城市的环境造成一定的影响，这些影响主要表现为地下水流场及其水质遭到破坏、城市地面塌陷及地面沉降等。本文以徐州轨道交通建设为例，探讨研究轨道交通建设对当地环境地质的影响[1～2]。

1、徐州市区工程地质及水文地质条件

徐州市位于鲁南丘陵与苏北平原交汇的残丘平原上，浅部第四系松散沉积物主要为为湖积粉土、冲积黏土，20m以下的中更新统冲积黏土，土质坚硬，普遍夹铁锰结核，是徐州市区第四系老地层的代表，基岩以寒武系、奥陶系碳酸盐岩为主。岩体产状和走向为徐州复背斜所控制，其轴部恰过市区，走向东北，所以山体也多呈北东向带状展布[3～4]。

本区内构造发育，主要断层为张性—张扭性废黄河断裂带，断裂带内岩石破碎，裂隙、岩溶发育，为本区的强裂隙岩溶发育带。第四系土层中的潜水主要赋存于冲积形成的粉土，受大气降水、地表水补给，具有明显的丰、枯水期变化。第四系孔隙弱承压水为弱承压含水层，主要补给来源为上层地下水入渗补给，排泄为向下层含水层入渗排泄或人工水井排泄。基岩裂隙水主要赋存于奥陶系、寒武系灰岩溶洞和裂隙中，受地层地下水及周围基岩裂隙水补给，在构造破碎带、节理裂隙密集处汇集，水量较大，具有承压性。

2、轨道交通对地下水的影响

2.1工程建设对地下水质量的影响

建筑材料中的某些化学成分能够改变地下水的物理化学组分，导致地下水流场发生变化，使地下水水质恶化。化学注浆常使用水玻璃、聚氨酯和环氧树脂浆材等化学材料，化学浆液在含水地层中渗透、扩散，污染地下水；工程建设中使用的水泥、沙石、涂料等，产生的泥水、冲洗水，通过地表冲刷和下渗作用，渗入地下含水层，也会使地下水水质恶化。施工中的污水如洞内漏水、废浆、施工机械漏油以及工地的生活污水，如排放不当，都会引起地浆下水污染。此外，施工中的建筑垃圾，通过降水淋滤，也可能渗入地下使水质恶化。

轨道交通的建设破坏原来的隔水层，导致地下水污染。轨道交通工程埋深较深，有可能穿过隔水层，如果工程的防渗隔水系统不完善，就会导致污染的地表水通过工程入渗污染地下水，或者上部已污染的地下水可能通过隧道流入下部的含水层，造成污染[5]。

车站基坑施工中往往需要人工降水，以达到降低地下水位、疏干基坑、固结土体、稳定边坡、防止流砂和便于开挖的目的。大面积的人工降水将导致地下水漏斗式下降，使地表水和水位相对较高的地下水回流，从而将污染物带入地下水系统。此外，人工降水使水位下降，引起黏性土压密释水时，黏性土中水的某些组分也随之进入含水层，导致地下水水质发生变化。

2.2 轨道运营对地下水流场的影响

徐州地下水流向和故黄河河道走向大致一致，轨道交通1、2、3号线路与古河道相截，多次切割地下水的径流，从而改变了地下水的运移系统。轨道交通对地下水的拦截会导致地下水位的变化，迎水面水位升高和背水面水位降低。地下水位的抬升可能导致部分洼地沼泽化，地下水位的降低可能影响城市的供水。

如果忽略工程建设前后渗流速度的变化，地下线路截住地下水径流使过水断面的面积减小，从而使单位时间内渗流量减小，那么单位时间古河道向故黄河排泄污水的能力降低，受污染的地下水难以及时排出，使地下水的污染加剧，水质恶化。

3 、轨道交通对岩溶稳定性的影响

通过对徐州市岩溶塌陷情况的分析，地面岩溶塌陷有一定的时空规律： （1）岩溶塌陷产生的时间与地下水的大量开采时间相对应，塌陷时塌陷地带附近的地下水开采都较强烈，且地下水位的升降幅度较大；（2）塌陷都发生在岩溶强烈发育地段，即本区的废黄河断裂带及其附近；（3）塌陷大都发生在松散层较薄的地带，且松散层呈多层结构，本区塌陷处松散层厚度均小于30 m；（4）在降雨期和地表受到强烈震动时，易发生岩溶塌陷[4]。

岩溶的危害是不容忽视的，隧道围岩中隐伏岩溶发育，轨道交通施工中围岩容易大量失水、坍塌，破坏盾构机的水压平衡，导致其下沉、偏转，并引起差异沉降而影响隧道结构稳定与变形以及后期的管片渗漏，甚至引起地面塌陷等事故。隐伏岩溶是徐州轨道交通工程的一大隐患，将严重危及隧道施工和运营安全，应进行加固处理。为防止地面沉降、突泥突水、满足隧道永久变形与防水要求、避免盾构机的陷落或偏转等事故发生，可以通过综合勘察手段（调绘、物探、钻探和水文试验及室内试验）和超前地质预报，基本查明岩土层结构、构造以及岩溶的空间分布和地下水的活动规律。高压劈裂注浆是岩溶综合治理中起决定性作用的措施[7]。

目前尚未发现有岩溶地面塌陷灾害发生，但在部分岩溶发育地段，岩溶水与孔隙承压水含水层联通，具备岩溶地面塌陷地质背景条件，现状中虽未发现岩溶塌陷，但随着岩溶水的开采，水位继续下降，具有产生岩溶地面塌陷的可能性。

4、轨道交通对地面沉降的影响

徐州轨道交通的隧道施工方式有矿山法和盾构法。影响盾构隧道地表沉降因素有开挖模式、渣土仓压力、覆土厚度、地层性质、盾尾注浆时间、注浆量和注浆压力、出土量及盾构推进速度等，地表沉降是这些因素综合作用的结果[6]。

盾构法开挖隧道引起地表沉降的主要原因是土体的初始应力状态受到扰动。原地层受挤压、剪切等复杂的应力路径，平衡状态受到破坏。特别是在强风化地层和全风化地层施工时，盾构隧道施工不可避免地对地下水产生扰动。特别是在富水地段，采用敞开模式开挖，可能引起地下水位大幅下降，使地层中土体有效应力增加，从而导致地层发生较大的固结沉降。如果遇到隧道覆土有较厚的软弱地层，固结沉降占总沉降量的比重很大，而且由此引起的地表下沉范围很大，往往对周围环境产生灾害性影响。

此外，盾构施工中的盾构纠偏、盾构停机、出土量变化、管片变形等因素都会对地表沉降产生不利影响。

5、结论

（1）轨道交通建设会对徐州地区的地下水产生潜在污染，对废水、废渣要进行必要的处理，尽可能地减少污染源，要注意选择适宜的地点作为废水、废渣的填埋存储场所，对供水水源地应建立严格的防护带。

（2）車站基坑施工降水会形成降落漏斗，造成地下水位下降，应合理使用井点，采用减缓降水速度避免土粒带出或是井点连续运转避免间歇和反复抽水等措施，将这种影响控制在周围环境可以承受的范围之内[8]。

（3）建成后的隧道洞身会切割地下水流场，影响地下水补给、排泄通道和流速变化，导致地下水位下降，污染地下水质量。

（4）隐伏岩溶导致的地面塌陷是徐州轨道交通建设的重大隐患，施工前需开展详细的工程地质勘察工作，查明岩溶裂隙发育规律及覆盖层变化规律，划分出易塌陷区的范围，应尽可能地远离易塌陷区，或对易塌陷区内的建筑物地基进行特殊处理。

（5）地表沉降是由隧道盾构施工中多种因素综合作用的结果，但土体的初始应力状态受到扰动和地下水位下降是引起地表沉降的主要原因。

参考文献：

[1]刘尔烈、徐斌.城市快速轨道交通工程施工的环境影响分析与对策[J]天津理工学院学报，2002，18（2）：85-86.

作者简介：

张伟刚，男，工程师，主要从事岩土工程勘察设计工作.