类矩形隧道对地下水侧向径流阻碍影响分析

田代佳，唐 红

(武汉科技大学城市建设学院，湖北 武汉 430065)

海绵城市建设在我国方兴未艾，城市水循环逐渐引起了越来越多人的重视。而随着社会需要的不断增加，在城市地下修建了一系列地下空间工程。这些工程活动影响了原有的地下水渗流环境，导致一些环境问题不断滋生，对于现阶段海绵城市的建设提出了巨大的挑战。黄云浩等[1]指出从2012年海绵城市的提出至2021年9年时间，城市内涝的问题依然严重，海绵城市的建设在各地如火如荼地开展，但是建设成效不高、进展较为缓慢等问题依旧存在，地下结构的建设对地下水侧向径流产生了影响。宿庆伟等[2]关于济南某地区地下水位上升和水文地质条件的变化特征开展研究，指出研究区周边深基础建筑物的增多及人防通道的阻截，使研究区地下水径流条件改变，是造成研究区地下水位升高的主要原因。陈丽影等[3]根据天府新机场研究区内地质条件、水文地质条件、地下工程概况等资料，利用ModFlow模拟了地下水渗流场在不同工况下的变化，指出地下水渗流条件在地下空间结构的阻碍下会发生改变，生成新的局部分水岭并建立起新的补径排关系。许劼等[4]以南京地铁、玄武湖水底交通隧道为工程背景，初步分析了玄武湖水底交通隧道对地下水环境的潜在影响，这种潜在影响主要包括阻滞地下水的排泄、引起地下水位的升降以及诱发玄武湖水与古河道水的贯通。曹洪等[5]针对城区渗流场固有的特点，基于水平面二维有限元数值计算方法，对城区渗流场中的地下结构奇异角点，悬挂式阻水结构和建筑间缝隙等的模拟提出相应简化方法。郑品等[6]通过室内试验研究，观察对比了有构筑物阻挡和没有构筑物2种情况下地下水渗流情况的变化，研究表明地下构筑物的存在改变了水位的分布状况，并延长了地下水位稳定的时间。林冬冬等[7]对广州地下空间开发影响地下水环境进行评估，利用剖面渗流程序对修正前后的多层渗流程序进行校验，并对城区初始渗流场模拟，在此基础上评价地下空间连通对地下水环境的影响。马子欣等[8]基于城市化建设过程中城市内涝问题，全面分析了“海绵城市”建设的关键科学问题，并就如何提升“海绵城市”建设的质量与水平提出相关建议和措施。郑艳等[9]基于2012年北京“7.21”特大暴雨、2016年武汉特大水灾等突破历史记录的极端事件，提出城市的应对能力不足以应对越来越严重的气候变化，我国城市脆弱性突出、韧性缺失的短板逐渐暴露出来，并指出建设韧性城市是国际社会实现可持续城市目标的基本共识。刘普胜等[10]通过建立精细的三维有限元模型，运用数值模拟方法对运行工况下高压隧洞区域的渗流场和渗漏量进行分析，对岩体水力劈裂风险性和渗透稳定性进行了评估，并对参数进行了敏感性分析。

在海绵城市建设过程中，各类地下工程的建设对地下水环境及整个水循环过程都产生了较为重要的影响。本文基于一维渗流理论，通过对修建地铁隧道前后的地下水侧向径流变化进行分析，探索类矩形隧道对地下水渗流的影响规律，将不同形式的类矩形隧道计算结果进行对比，以得到对地下水循环影响较小的形式，用以对地区的城市地铁隧道建设提供参考。

1 海绵城市建设发展现状

海绵城市这一新概念是目前最新针对城市雨水管理所提出的，要求城市环境在短时间内大量降雨时具有良好的“吸水性”，也被叫做“水弹性城市”。整个城市如同海绵一样，能够根据社会的实际需要，在下雨时将降雨积水吸收储存，后期根据实际情况能够将所保存的水类似海绵挤压排出以提供给人们满足实际需求。海绵城市建设的目的是将城市地基建设成具备海绵特质的储存容器，从而保证城市应对骤然暴雨、洪涝灾害及其他与水循环有关的环境问题。“海绵城市”的概念于2012被首次提出，随后一些学者和专家不断对其进行补充。出于有利于城市建设的考量，许多城市纷纷开始海绵城市建设的试点工作，通过对近年投资总额的分析可知国内海绵城市的建设已经趋于稳定。

目前国内许多地方关于海绵城市建设的进展存在着很多制约其发展的问题，尤其是如何处理好城市建设与水体循环的矛盾最为突出。海绵城市建设的过程中，整个城市的水体循环是其至关重要的一环，而一大批地下结构的建设和施工无法避免地会对地下水体循环造成影响，进而对整个城市水循环造成干扰。现在一大批城市已经制定了关于海绵城市建设的方案，建设海绵城市核心在于实现城市良性水文循环，而地下水循环这一部分在整个城市水循环过程中有着极为重要的作用，对地下水体循环的研究决定着未来海绵城市建设能否达到预期目的。

2 国内地铁发展现状及类矩形隧道

2.1 国内地铁发展现状

我国城市轨道交通发展从最初到现在已走过50多年的历程，社会经济的蓬勃发展进一步推动着城市化进程加快，要合理地解决城市中心区日益严重的交通拥堵问题，保障人们出行的便捷和城市化的健康发展，建设地铁线路提供了一个有效的解决方案，越来越多地铁项目的建设不断推动着城市轨道交通建设逐渐向前发展。

我国的地铁发展虽然起步较晚，但是建设推进速度迅速。根据《城市轨道交通2021年度统计和分析报告》[11]，截至2021年底，中国大陆地区共有50个城市开通城市轨道交通运营线路283条，运营线路总长度9206.8km。其中，地铁运营线路7209.7km，占比78.3%；其他制式城轨交通运营线路1997.1km，占比21.7%。当年新增运营线路长度1237.1km。拥有4条及以上运营线路且换乘站3座及以上的城市24个，占已开通城轨交通运营城市总数的48%。地铁在我国城轨交通中占据着重要的地位。

伴随着我国城市轨道交通建设的发展，土地资源也愈发紧张，使地铁隧道施工空间逐渐减少，未来方向主要朝大深度发展，这对于地下水的原有循环模式将造成更大的影响。而现阶段主要研究方向是地下水对工程建设的影响，如刘延辉等[12]以朝阳市某工程为例，对地下水情况进行了综合性分析，对地下水给建筑工程带来的问题提出了合理的解决措施。关于地下结构对地下水循环影响的研究还比较缺乏，需要引起足够的重视。要实现海绵城市建设，地铁等地下结构对地下水体循环的研究工作不可或缺，如何妥善解决好工程建设和水文循环的矛盾更是制约城市发展的核心所在。

2.2 类矩形隧道

现阶段地铁隧道基于断面形状的不同，可分为圆形、矩形等多种形式，类矩形隧道可以追溯到上世纪80年代的日本，由于其国内浅层地下空间利用情况逐渐饱和，为缓解土地资源紧张而进行了包括矩形盾构在内的异形断面盾构隧道技术的研究。相较于传统的圆形隧道，类矩形隧道具有占用空间小、拆迁量低、对临近建筑物和地面交通影响小等特点，其空间使用率能提升35%以上，类矩形隧道的建设为城市核心区轨道交通建设难题提供了新的措施，有助于城市地下空间系统化、集约化利用，相较于其他盾构隧道更为先进，能更好地对周边环境起到保护作用。地铁隧道线路类型包括单峒双线式、双洞单线式等，朱雁飞等[13]指出单峒双线式是一种重要的轨道交通隧道结构类型，具有节约横向空间，利于在区间内设置配线、便于设置旁通道等优点。出于其优点的考虑本文将单峒双线式作为主要研究对象。

武汉地区目前轨道交通建设方面并未采取类矩形隧道的形式，现对某地铁项目某区段利用有限元分析软件进行数值模拟，研究不同隧道形式对于地下水侧向径流的影响，为武汉海绵城市建设在地下水部分提出新的思考，寻求在满足基础建设的需求下如何最大程度地降低对地下水渗流的影响。

3 地铁隧道对地下水侧向径流的阻碍影响研究

3.1 隧道阻碍水体流动特点

要建设类矩形隧道离不开盾构法施工，而类矩形盾构机施工的隧道，断面是近似椭圆形的。因此无特殊情况下，类矩形隧道可近似看作椭圆形的连续混凝土构筑物。如图1所示，椭圆孔区域为地铁隧道外壁，其外部为土体区域。在理论上隧道外壁会形成一个稳定的不透水层，完全阻隔附近的地下水渗流，对周围的地下水流动造成阻碍作用。通过对场地的数值模拟，主要研究不同地铁隧道形式对于地下水侧向径流的阻碍影响，研究的对象为单峒双线式类矩形隧道。

图1 类矩形隧道示意图

3.2 武汉某地铁项目地质资料

工程建设区域位于湖北省武汉市汉口区，场区地貌单元属长江一级阶地。勘察期间施工场地地势总体较平坦，场地内局部堆填较多建筑垃圾、混凝土块，地面高程在19.99～22.09m之间。根据勘察报告地层包括杂填土、粉质黏土、粉质黏土夹粉砂等多种性状差别较大的土体，工程场区内地下水主要包括上层滞水、孔隙承压水、基岩裂隙水及岩溶裂隙水，其中上层滞水主要赋存于杂填土层中；孔隙承压水主要赋存于粉质黏土夹粉土和粉质黏土夹粉砂中，是场地主要含水地层，水量丰富，且与长江具有活跃的水动力系联系，两者互补互排；基岩裂隙水赋存于泥岩、粉砂质泥岩中；岩溶裂隙水赋存于灰岩中。场区内各地层的渗透系数见表1。

表1 场地水文地质参数表

3.3 研究方案与模型的建立

包括土体中杂物质、土层温度、水的矿化度等多种因素在内都会对地下径流产生影响，从微观上看土体的孔隙或裂隙大小、分布本身的复杂性，使得研究各个孔隙或裂隙中地下水渗透运动规律显得较为困难，且研究过程中同时考虑多种因素具有很大的地区局限性，无法形成较为普适的研究结论。相较而言研究土体中具有平均性质的渗透规律更具有现实意义，在不考虑其他因素影响的情况下，研究地下结构对地下水侧向径流的影响对于海绵城市的建设具有重要作用。研究方案基于有限元分析软件，建立二维地下隔水结构的绕流模型，对单个单峒双线式地铁隧道及其周边区域进行数值模拟，计算出地铁隧道对地下水循环过程中造成的流量阻碍。建模过程中模型物理场选用流体流动部分多孔介质和地下水流模块的达西定律，由于研究的目的是分析隧道建成后对地下水侧向径流的阻碍作用，故研究类型选择稳态。在达西定律模块中，根据武汉某地铁工程的项目数据，对一个长轴为12m，短轴为6m的单峒双线式地铁隧道及其剖面上横向宽度为100m、纵向深度为40m的矩形土体区域进行建模，默认研究长度设为1m。流体材料为水，密度1000kg/m3，动力黏度0.001Pa·s;多孔材料按照资料进行分层设计和建模。朱永广等[14]指出水力坡度是决定河道渗漏量大小的主要因素，在建模过程中为了简化将地下水侧向径流方向定为单向流动，入出口每100m的压强差为14700Pa(每10m的水头差为0.15m)，入口压强大于出口压强，下部边界由于是风化泥岩和灰岩属于微透水岩层，则设定为对称边界即允许切向流动但无法向流动的边界，上部边界暂不考虑水体的渗出和渗入，故也采用对称边界。地铁隧道外壁采用无流动边界，不允许任何方向的流动。选择物理场控制，较细化划分网格，后面采用用户控制网络对类矩形隧道壁周围网格加密，进行模拟研究。计算结果选择达西速度场，计算完成后对模拟区域的流速进行积分，得到该区域地下水的瞬时总流量，即对模拟区域上边界与入口边界的流速进行积分，得到边界处的线流量，对线流量进行进一步处理得出单位时间内通过单位过水断面的流量。

3.4 地铁隧道对地下水体循环影响极限范围

要研究地下结构对地下水侧向径流的影响以及其对地下水流动的影响区域，模拟面积的选取应该足够大，在数值模拟中选用地下结构对地下水侧向径流不再有影响的边界。模拟区域为矩形，假定地下水呈现单向流动，区域坐标轴x方向进行压强的模拟，提供侧向径流的压力；矩形的y轴方向为非压强方向，地下水流的分速度为0。对于模拟面积的设计，由于深度方向可以根据项目资料暂时确定为40m，而横向方向则通过模型进行设计，对模拟数据进行分析后进行对比，得出符合模拟要求的设计值，通过对比分析有无地下结构的情况，最终将设计值确定为100m。

4 阻碍影响分析及不同段面形式结果对比

4.1 阻碍影响分析

在所模拟的范围内，单位时间内地铁隧道将对地下水径流产生260.50m3的流量削减，将会产生13.38%的阻碍影响，对于地下水侧向径流产生阻碍，使整个区域地下水体的循环过程受到影响。类矩形隧道虽然相较于传统的圆形隧道有较高的空间利用率，但是其对地下水体的循环同样存在一定的阻碍作用，如图2所示，地下水的侧向渗流速度当径流路径在隧道上方时会出现较为明显的激增。

图2 类矩形隧道剖面达西速度场流线图

研究可以得出，不透水的隧道结构对地下水原本的渗流路径发生了阻碍作用，从图2中可以分析得知对于单峒双线式地铁隧道来说，达西速度图以隧道短轴线为对称轴呈现出对称分布的形状，即当流体单向流过时，经过隧道左侧外缘部分时会出现流速增加的情况，随后由于土层的变化原有的变化趋势会发生改变，土层的孔隙渗透率降低导致地下水流速变低，后面在隧道右侧外缘时流速重新增加；此外由于隧道下侧为弱透水层，地下水径流速度在隧道长轴下侧外缘在水平路径上会发生降低。地下结构的建设对海绵城市的建设不可避免地会产生不利的影响，如何在保证地下结构满足需求同时尽可能优化或者保护区域的地下水体循环是我们需要着重解决的问题。

4.2 不同断面形式结果对比

为研究单峒双线式隧道相较于双洞单线式隧道对地下水渗流的阻碍影响上有何差异，基于有限元软件建立除了隧道截面形式不同以外其他条件完全相同的数据模型。模拟结果如图3所示，达西速度图以两隧道中间为对称轴会近似呈现出对称分布的形式，即当流体单向流过时，经过左侧隧道部分时会出现流速先增加后减少的现象，随后到达右侧部分隧道时会同样表现出同之前类似渗流流速先增加再减少的趋势。后处理阶段利用同样的数据处理方式对单位时间内通过单位过水断面的流量进行计算。

图3 圆形隧道剖面达西速度场流线图

研究数据表明：同等条件下，在单位时间内双洞单线式隧道将对地下水的循环产生360.72m3的流量削减，将会产生18.53%的阻碍影响；与单峒双线式隧道相比较，在单位时间内会多产生100.22m3的流量削弱。在保证正常使用的同等情况下，地铁建设采用单峒双线式隧道能够有效降低其对地下水侧向径流的阻碍作用。

主要原因可以分析为单峒双线式隧道的设计对于空间的利用效率更高，在保证使用的情况下使整个地下结构的迎水面积相较于双洞单线式隧道更小，而降低地下水流动方向上的结构阻碍面积将会减轻对地下水原有循环模式的阻碍和影响。顾鸿宇等[15]指出，地下结构对天然流场的阻隔或截断会使得地下结构两侧地下水的水位局部上升或下降，造成两侧水力梯度增大，阻碍地下水的流通。通过两相对比可以得出结论，在实际工程中选择单峒双线式隧道不仅能提高空间利用率，同时也有利于地下水的循环过程。

5 结论

通过上述研究可知：地铁隧道的建设会对地下水的侧向流动产生较大影响，隧道形式不同产生的影响也不相同；在100m宽、40m深的地下空间中，施工深度为20m的单峒双线式隧道会对地下径流造成13.38%的流量削减；而在同等条件下，双洞单线式隧道产生了18.53%的阻碍影响，单位时间内多产生了100.22m3的流量。

当下海绵城市的建设进展还比较缓慢，目前关于类矩形隧道的研究在我国还处于起步阶段，尤其是其对水循环的影响研究较少，将更多的工程数据结合进行对比分析是其未来的重要研究基础，同时可以为其他地下结构对水循环的影响提供参考，有利于海绵城市的建设。