成都地铁7号线地下水壅高引起的环境地质问题定量化研究

赵 瑞 许 模 张 强 范辰辰

(成都理工大学地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室,610059,成都∥第一作者，博士研究生)



成都地铁7号线地下水壅高引起的环境地质问题定量化研究

赵 瑞 许 模 张 强 范辰辰

(成都理工大学地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室,610059,成都∥第一作者，博士研究生)

成都地铁7号线路为环线,沿线串联了火车北站、火车东站和火车南站三个重要交通枢纽,且与城市快速轨道交通和市域轨道交通放射线形成换乘关系,对缓解城市交通状况具有非常重要意义。然而，地铁建设将对地下水环境造成直接或间接影响,使水位雍高渗流场发生变化,同时还易引起地面的不均匀沉降和地铁附近浅基础建筑物的破坏。通过定量化研究,计算出地铁7号线修建引起地下水位雍高值为0.003 5～0.550 0 m；由水位壅高导致建筑物地基承载力受到最大影响的地点为火车南站附近。其承载力为修建前的95.49%;车站基坑降水引起的地面沉降值在0.01～2.18 cm范围内,沉降量普遍很小。

成都地铁7号线; 地下水雍高; 环境地质问题

Author′s address State Key Laboratory of Geohazard Prevention & Geoenvironment Protection of Chengdu University of Technology,610059，Chengdu,China

随着城市的发展，地铁作为一种快速、正点、安全、舒适、运量大、能耗低、污染小的交通工具应运而生,并可能成为未来城市主要的公共交通工具[1]。

地铁建设过程中所产生的环境地质问题也备受重视。在非岩溶地区,城市地下工程主要关注环境岩土工程问题和环境水文地质问题,文献[5-7]对地铁建设中由于地下水与环境岩土体之间相互作用而产生的环境岩土体问题进行了研究。文献[2-4]以上海近年来的工程实践为例,就当前城市地下工程活动的环境岩土工程问题加以总结,归纳了最突出和困难的问题。展开地铁建设中地下水与环境岩土体相互作用研究具有十分重要的理论和实践意义[8]。本文针对成都地铁工程及其环境地质问题,进行了量化评价。

成都地铁工程中,南北走向的1号线和东西走向的2号线均已开通运营,而在建的成都地铁7号线为封闭的环形线路。

1 工程概况与地质背景

成都地铁7号线(以下简为“7号线”)线路全长38.61 km，均为地下线,共设车站31座,包括标准站12座,换乘站19座(见图1)。线路穿越多个商业区和城市主干道，并下穿多种型式和规模的建筑物。车站埋深1.73～11.3 m,区间隧道埋深6.47～28.01 m。7号线环线位于岷江水系I、II级阶地及东部台地区，处于岷江冲洪积扇的东南边缘。

7号线经过区域内地表第四系堆积层广泛分布。地层结构由上到下依次为第四系全新统(Q4)人工填土夹卵石角砾、上更新统(Q3)黏土、卵石土、粉细砂夹零星漂石,下伏白垩系(k2g)灌口组泥岩、泥质砂岩。第四系含水层主要为Q4和Q3孔隙水。Q4卵砾石层厚度较大,富水性好,是主要含水层。Q3黏土层胶结好,厚度小,富水性较差。基岩裂隙水赋存于K2红层碎屑岩含水层组中,泥岩含量高,富水性差,主要为构造裂隙储水,水量很小。地铁经过区域地下水具有埋藏浅、变幅小、季节性变化明显等特征。主城区至一环路间地下水平均埋深 3.67 m,二环路至城中心地下水平均埋深 3.92 m,二环路以外地下水平均埋深3.69 m。其中,线路万年场站—琉璃场东站段穿越东部台地,地形起伏相对较大,地下水埋深相对较大。研究区地下水主要是由北西向南东方向径流,与地铁环线呈不同角度相交。

2 隧道施工所引起的环境地质问题

根据文献[9],车站及人行通道防水等级较高。因此,地铁建成后会阻碍地下水的径流,从而造成地下水位壅高，进而引起地铁附近浅基础建筑物不均匀沉降。正确评价由地下水位壅高造成的环境岩土地质问题是普遍关注的问题之一。

2.1 地铁隧道引起的地下水位雍高问题

一般来说,隧道结构引起的地下水壅高值可采用地下水动力学法和数值模拟法来计算获得。数值法参数要求多,精度相对高;解析法简单、方便,计算精度相对较低,但普遍能够满足评价精度。因此,本文采用解析法计算隧道引起的地下水壅高值。

地下水流向与地铁走向关系示意图见图2。根据达西定律，地铁修建前,地下水通过地铁沿线过水断面的流量Q1和建成后过水断面的流量Q2分别为:

Q1=K1J1ω1sin θ1

Q2=K2J2ω2sin θ2

式中:

K1——地铁修建前过水断面的渗透系数;

K2——地铁建成后过水断面的渗透系数;

J1——地铁修建前过水断面的水力坡度;

J2——地铁修建后过水断面的水力坡度;

ω1——地铁修建前过水断面的面积;

ω2——地铁修建后过水断面的面积;

θ1——地铁修建前地下水流方向与地铁线路方向的夹角;

θ2——地铁修建后地下水流方向与地铁线路方向的夹角。

根据《成都市地下水水位等值线图》可以求得各车站、各区间隧道过水断面的水力坡度J1。研究区维持在稳定流条件下,Q1=Q2,同时含水层的渗透性不会随过水断面的变化而变化,因此K1=K2,则有J1ω1=J2ω2,即J2=J1ω1/ω2,且有地下水位壅高值Δh=(J2-J1)×L=(J1ω1/ω2-J1)×L。其中,L指车站或者区间隧道的宽度(图2所示)。

图2 地下水流向与地铁走向关系示意图

地下水流向与地铁隧道结构之间的夹角关系直接影响迎水面水位壅高的幅度。其中,地铁线琉璃场站处地下水流向与车站走向近似平行,雍高值为零,本次不进行计算。从金沙博物馆站—茶店子站隧道走向与地下水流向几乎呈正交关系;科华南路站、火车南站呈大角度相交。在这些呈正交或者大角度相交地段的地下车站处,地下水位的壅高更为显著。可计算得到各车站地下水水位壅高值，如表1所示。

表1 成都地铁7号线各车站修建前后过水断面变化表

由表1可见,火车南站和神仙树站附近的地下水位壅高值最大,大于0.500 m,车站几乎占据了整个过水断面;火车北站、万年场站、狮子山站、科华南路站和红牌楼南站的地下水位壅高值较高,均大于0.100 m;其余大部分车站水位雍高值在0.010～0.100 m之间;还有6个车站雍高值为0.001～0.010 m范围。

2.2 水位雍高后地基承载力的变化问题

通常情况下,地下水位上升的最大影响深度Zmax是对地基承载力产生影响的地下水位距离基础底面的界限深度。一旦地下水位升高,处于Zmax之上时,地基承载力便会发生变化。这是由于地下水位升高使水位以下的土体失去由毛细管应力或弱结合水形成的表面凝聚力,同时地下水的浮力作用使土体有效重力减小,从而造成土的承载力降低[9]。目前,毛细管应力或弱结合水的作用机理复杂,尚处于理论研究阶段。工程实践中都假定土体的表面凝聚力不发生变化而忽略此类因素的影响,只考虑水的浮力作用对地基承载力的影响。

文献[10-11]研究表明,地下水位的上升变化,对地基基础的影响分为下4种情形:①当地下水位处于Zmax对应水位以下时,则不考虑地下水位对地基土的重度影响;②当地下水位介于基底与Zmax对应水位之间时,基底下的土体重度取在Zmax内的加权平均重度(求加权值时,水中土体重度按有效重度计算);③地下水位位于基底平面时,基底平面以下土体重度取有效重度,基底平面以上的土体重度(基础埋置深度的范围内)按其天然重度计算;④地下水位处于基础埋置深度以内时,水下土体重度采用有效重度,水上土体重度采用土的天然重度。

7号线所处区域内地下水埋深较浅,地铁沿线大部分浅埋的建筑物基础位于地下水位以下。因此,本工程水位壅高后属于上述第④种情况(如图3所示)。

图3 地铁线地下水位影响地基深度示意图

对于最大影响深度Zmax的确定,虽有很多学者在进行理论研究,但包括我国现行的设计规范在内都没有给出明确的标准。文献[12]提出取一倍基础宽度作为最大影响深度。考虑到本次计算运用的Talor补充公式和Terzaghi公式,从安全角度出发(φ≤25°,φ为土体内摩擦角),令Zmax=B。则水中土体的有效加权平均重度为:

(1)

其中

(2)

式中:

γm——土的加权平均重度;

γ1——有效重度;

γ——土的重度;

γs——土颗粒的重度;

γw——土的干重度;

w——土的天然含水量。

根据Terzaghi极限荷载定律,当地下水位在Zmax以下时,地基承载力为:

(3)

式中:

Nr,Nq,Nc——太沙基承载力系数;

q——基础两侧土压力；

c——土的黏聚力。

由于黏土厚度小,考虑c=0,所以

(4)

当地下水位上升至距基底为Z时,地基承载力为:

(5)

则由于水位上升而引起的地基承载力变化比值为:

(6)

将式(1)、(2)代入公式(6),得出原始水位和壅高后水位都位于基底以上的地基承载力变化比值为:

(7)

PΔh=P-P1=Nq(γ-γ1)Δh

(8)

式中：

PΔh——水位壅高后浅基础承载力降低值。

利用式(2)、(7)和(8)可计算出各车站地下水水位壅高后，其浅基础承载力的降低值,结果如图4所示(不包括琉璃场站)。

综上分析,由地下水位壅高导致的浅基础建筑物的承载力受到了一定影响。影响最大的火车南站站附近,承载力为修建前的95.49%。但总体来看,建筑物地基承载力减小程度不大,不会对建筑物造成安全隐患。

图4 成都地铁7号线各车站修建前后的地基承载力变化

2.3 车站基坑降水引起的地面沉降问题

地铁车站和隧道在施工过程中的工程降水将使含水层内地下水位下降,从而使土层压缩固结,或将某些小颗粒沙土冲走引起土层结构被破坏而沉降。

文献[14]指出,有的隧道工程引起的沉降可能要持续很多年。文献[15]对一个正常固结黏土中直径3 m的隧道进行了长达11年的长期监测,发现沉降在10年左右才达到平衡。

成都平原区地势平坦,地下潜水位埋深较浅,施工过程中车站必将进行基坑排水,由此而产生的沉降不可避免。

目前确定工程降水范围有两种方法,第一种方法是将抽水井概化为一个大口径井或干扰井群,利用井流公式确定影响半径,但地铁7号线降水长度远大于降水宽度,因此将其概化为井点排水是不合理的。考虑到降水范围的几何尺寸及深度,这里采用第二种方法，即用隧道涌水预测理论进行计算。根据《铁路供水水文地质勘测规范》,降水范围R计算公式为:

(9)

式中:

r0——基坑等效半径，m;

A——基坑面积，m2;

K——渗透系数;

S——降水深度，m。

根据土力学原理,砂卵石土层中由降水引起的地表沉降值计算公式为:

(10)

式中:

S——土层的沉降量;

HM——土层的厚度;

ΔH1——计算点的水位下降值;

E——砂土的弹性模量,一般为土的压缩模量ES的几十倍[16];

γw——水的重度。

地铁沿线主要为Q3与Q4的沙卵砾石潜水含水层,ES平均值为47.6 MPa[17]。,本次计算从安全的角度出发保守取值E=10ES,用式(9)、(10)可计算得到基坑降水造成的车站附近地面的沉降值,计算结果如表2所示。

表2 7号线车站疏排水引起的地表沉降值

由表2可以看出,车站基坑降排水引起的地面沉降值在0.01～2.18 cm范围内,沉降量普遍较小,几乎不存在沉降问题。这是由于地铁沿线主要含水层为第四系沙卵砾石层,砾石间充填了不同粒径的沙土,局部还充填有黏性土颗粒,故排水过程中不易产生土体流失。另外,根据太沙基定律,由于上覆荷重引起的总应力不变,水头波动承受的压力变化将等量地转嫁给固体骨架,所以砾石在其间还起到骨架的作用,使得含水层不会轻易被压缩。

3 结 语

在城市地铁的建设过程中,影响或干扰原生的地下环境是不可避免的。对于更为敏感的地下水环境,地铁的施工必会打破原有的动态平衡,可能还会产生改变地下水质、造成污染或者使地下水径流系统发生变化等一些列的环境水文地质问题。同时地下水是保持岩土体应力和稳定状态的一个重要因素,改变后的地下水与周围岩土体相互作用,又会伴生一系列的环境岩土地质问题。施工期间,车站基坑或隧道疏排水会引起地表沉降,影响邻近建筑物的稳定性;建成后的运营期,地铁防护结构会阻碍地下水径流,致潜水位壅高,从而对地基浅埋的建筑物产生安全隐患。

成都地铁7号线沿线地处重要交通位置,施工期和运营期内,地下水与周围环境的岩土体会产生相互作用,综上分析,车站基坑或隧道降排水引起的地面沉降值在0.01～2.18 cm范围内,沉降量普遍很小。由于地铁结构导致地下水水位壅高,浅埋建筑物的地基承载力会受到一定程度的影响,影响最大的为火车南站附近,其承载力为修建前的95.49%。

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财新网就G 79次高铁列车在邯郸附近发生停电故障提出建议

8月12日，由北京开往深圳北的G 79次高铁发生停电故障，在邯郸站附近滞留近2 h，上千乘客被困在近40 ℃高温的车厢内。由于高温，不少人出现身体不适。当天下午14点46分，北京铁路局官方微博发布消息称，因邯郸市供电公司管辖的辛肖线220 kV上跨京广高铁电力线脱落，造成京广高铁邯郸东至安阳东间设备故障，经全力抢修，于8月12日14点07分恢复供电，列车恢复运行。同济大学孙章教授表示，减少该类事故发生的关键，是要提高整个配套体系特别是供电的可靠性。铁路系统是通过多层次的防护墙来维护其安全的。“但此次事故并非源于铁路技术，根源在于外部。”对此，他建议，国家电网应提高对高铁供电的保护等级。孙章说，可靠的供电是高铁正常工作的保障。就应急处置而言，“只是因为外部断电停运，没有出现火灾或颠覆等严重情况，打开车门通风降温的做法我认为是正确的。”由于目前高铁车厢的窗户设计均为密闭性设计，一旦断电，空调停止工作，加之夏季天气炎热，车内温度更是闷热难熬。因此，不少乘客出现不适，想要下车，有的甚至想要打碎车窗。孙章说，“突然断电，列车停留在区间而非车站，没有任何安全保障，乘客如果下车，在轨道上会有危险。G 97当时又恰好停在桥上，情况更加复杂。应急处置中必须严防发生次生灾害。”乘客为了通风一度想要砸窗的做法，孙章也表示不认可，“可以理解乘客的心情，但是，这确实会影响列车运行。”他说，高铁不是公共汽车，列车运行有自动控制系统，一旦检测到车窗破损，将无法运行(高铁列车在会车时要承受很大的压力波，必须保证其密闭性)。在这种情况下乘客必须换车，耽误的时间会更长。那么，发生故障，乘客只能在车内“蒸桑拿”？孙章提出，这方面确实需要改进，“建议在列车设计上增备一些功率较小的应急电源，同时储备一些应急用的电扇。这样做会增加列车的自重和成本，但这是有必要的，是从乘客角度出发，一旦有情况可以保证车厢内最低限度的通风，适当降温。”

(摘自2016年8月16日财新网，记者王璐怡报道)

Quantitative Research on the Geo-environment Problems Caused by Rising Water Level during the Construction of Chengdu Metro Line 7Z

HAO Rui, XU Mo, ZHANG Qiang, FAN Chenchen

Chengdu metro Line 7 is a loop-line, connecting three important transportation hubs: the North Railway Station, the East Railway Station and the South Railway Station, and forms convenient transfer relation with city fast orbit transportation and regional rail transit network. Line 7 will have important significance on relieving the tense situation of city traffic in Chengdu City and improving urban environment quality. However, metro construction will have direct or indirect impact on the groundwater environment, making the groundwater seepage field changes, which will cause the uneven settlement of the ground and the destruction of the shallow foundation buildings nearby. Based on a quantitative research, the increased underground water level is calculated within a rang from 0.0035m to 0.55m, and the largest bearing capacity of the building foundation influenced by the rising water level is near the South Railway Station,which bears about 95.49% of the former capability. While the ground subsidence value caused by station foundation pit precipitation is within the scope of 0.01 to 2.18 cm, so the settling volume is rather small.

Chengdu metro Line 7; rising water level; geo-environmental problem;

P 641.2

10.16037/j.1007-869x.2016.09.018

2014-12-18)