城市地下空间开发对地下水环境影响的初步研究

城市地下空间开发对地下水环境影响的初步研究许劼王国权李晓昭摘要本文以南京地铁、玄武湖水底交通隧道为例，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。这种潜在影响主要表现在三个方面：阻滞地下水的排泄，引起地下水位的升降，诱发玄武湖水与古河道水的贯通。结果则是地下水污染加剧，城市生态环境的恶化。关键词地下工程地铁水底交通隧道古河道地下水环境1前言土地是城市空间存在和扩展的载体，当地上空间发展到一定程度时，人们把注意力转向地下空间，而且逐渐认识到了城市地下空间在扩大城市空间容量上的优势和潜力［1］。城市立体化是大城市发展的必然趋势。随着地下空间资源的大力开发，地下水对地下工程的影响引起了人们的普遍关注，但地下工程对地下水环境的影响则很少有人问津，一方面是由于常见的地下工程(如高层建筑深基坑等)不足以对地下水环境构成较大的影响，另一方面也是由于人们还没有认识到这个问题的严重性。本文以南京地铁、玄武湖水底交通隧道为例，初步研究地下工程对地下水环境的潜在影响。2地下工程对地下水环境的潜在影响开发地下空间，不可避免地会对地下水环境造成一定影响。一般地讲，地铁、水底交通隧道等大跨度的地下工程对地下水环境的影响可分为两类：一为隧道施工期间所产生的影响，二为隧道建成后潜在的影响。地下工程施工中为保证开挖面的稳定，往往需要人工降水。例如,在地下水较浅的的地区进行深基坑开挖、用盾构法在饱和土体中施工隧道，都需要进行大面积的人工降水。大面积的人工降水将导致地下水的“漏斗式”下降，使地下水的动力场和化学场发生变化，引起地下水中某些物理化学组分和微生物含量的变化，可能导致地下水的污染逐步加剧，水质恶化；施工中为提高土体的防渗性能和增强土体的强度所进行的化学注浆，可能引起地下水的化学污染；施工产生的废水(洞内漏水、洗刷水、排水)、废浆以及施工机械漏油等，也将影响到地下水质。相比而言，地下工程施工期间对地下水环境产生的影响是局部范围内的，在一个较长的时间内是能够得到缓解的，而地下工程在运营中对地下水环境的影响则是大范围的，在时间上有明显的“滞后性”，并且这种影响具有“累积效应”。本文以玄武湖水底交通隧道为例，主要分析地下工程建成后对地下水环境的潜在影响。3南京市近期地下空间开发对地下水环境的潜在影响3.1工程概况为缓解南京市区的交通拥挤，早在1986年4月，南京市成立了“南京市综合交通规划领导小组”，分设两个专业组，一为交通规划组，一为地铁专业组。地铁专业组（今地铁筹建处之前身）负责南京地铁的规划设计。1997年，地铁筹建处组织南京大学、上海隧道设计院等有关单位进行玄武湖水底交通隧道的规划和设计。规划中的南京地铁线路主要由南北干线、东西线、环线组成。其中南北干线一期工程（小行～迈皋桥）的详细设计已完成，三山街地铁站（试验站）已开始施工。玄武湖水底交通隧道为双向四车道，东接新庄，西接新模范马路，隧道断面直径为11.3m。地铁、玄武湖水底交通隧道在平面上6次与秦淮河古河道相截（图1）。图1南京地铁及玄武湖水底交通隧道规划示意图3.2古河道地下水概况秦淮河古河道由南东向北西纵贯南京市区，全长约14.8km，在平面上呈藕节状。谷底埋深一般在地面以下35～40m，宽度一般都在1000m以上，其中河床砂带宽一般在500～800m范围内。古河道中的地下水主要赋存于饱和粉细砂中，为弱承压水或潜水［2］。古河道深槽含水砂层厚度大，富水性强，单井涌水量达500～1000m3．d－1，最大涌水量可达2000m3．d－1以上，水质较好，属重碳酸盐水或重碳酸氯化物水，矿化度大部分都低于1g．L－1，水温18°C左右，是城内重要的水源地之一。地下水天然流向大致与古河道走向一致，地下水天然流速为0.027m．d－1［3］。古河道地下水主要用于纺织、化工食品加工等工业，有部分市民任意将古河道地下水作为主要的生活辅助用水。3.3地铁与水底交通隧道对古河道地下水的潜在影响由于古河道的含水层是地下水的补给途径和水体流动通道，所以，它同样也成为地下水的污染渠道。目前古河道地下水污染较严重，主要由地表浓度较高的生活及工业污水通过扩散、弥散作用影响到地下水质。污染物主要是“三氮”（硝酸盐氮NO-3，铵氮NH＋4，亚硝酸盐氮NO-2）。(*1)从近几年的有关资料来分析，古河道地下水水质比较稳定，这种“稳定”与古河道本身的“自净能力”有很大的关系。古河道“自净能力”主要表现在两个方面，一为古河道粉细砂、砂质粘土等对污水的吸附、过滤作用，二为古河道的排泄作用，古河道为地下水通道，污水经古河道排泄到长江，其中后者起主要作用。地铁先后5次与古河道相截，玄武湖水底交通隧道正好与古河道相正交，它们尤如6条“围堰”，截住了地下水的径流。以玄武湖水底交通隧道为例，在隧址古河道断面上，隧道占古河道截面面积的1/2(图2)，由公式Q=KwI(Q为单位时间内过水断面w的流量，K为渗透系数，w为过水断面面积，I为水流梯度）。可知，如果忽略修建隧道前后渗流速度的变化，则古河道向长江的排泄量将减少一半，这就使得地下水难以及时排泄，污染物不断积累，因而使地下水的污染逐步加剧，水质恶化。另一方面，隧道建成后将改变地下水的径流条件。古河道的底部为隔水层的基岩，两侧谷坡又为粘性土，使得古河道为一天然的地下水通道。地下工程对地下水的“拦截”必将导致迎水面地下水位的抬升和背水面地下水位的下降。自南向北的第一道“围堰”（江东门～光华门段地铁）以南的地下水位将有明显抬升，目前该段古河道地下水位一般为地下1～2m，地下水位的抬升将可能导致部分洼地沼泽化。市区地下水位的逐级下降，必将影响到城市供水及附近树木的生长，给城市的绿化带来困难。总之，水位的变化，将影响到整个城市的生态环境。图2隧址处古河道横断面图1.细粉砂；2.粉质粘土；3.淤泥质粉质粘土；4.闪长岩;5.安山岩；6.人工填土；7.淤泥；8.隧道。此外，玄武湖下面分布有一层较薄的淤泥层，成了玄武湖的隔水底板，隧道施工及建成后若排水不当，则有可能诱发湖水突破淤泥层进入古河道，这将威胁到玄武湖的储水能力。玄武湖湖水污染较严重，地表水大量渗入古河道，会使地下水遭到严重污染，将影响到整个城市的水文环境（图3）。图3地铁与玄武湖水底交通隧道对地下水环境的影响示意图针对南京地铁、玄武湖水底交通隧道工程，提如下两点对策，以减小地下工程对地下水环境的影响。(1)古河床沉积的粉细砂粒径自上而下由细变粗，透水性相应地自上而下增强，在部分古河道的底部，常有厚约数十米到数米的卵砾石层，砾石直径为1～5cm，透水性很好。为把隧道对地下水环境的影响减小到最低限度，建议地铁与水底隧道采用浅埋方案，即把隧道最大埋深控制在地下15m以内，隧道下面就留出了较大的有效过水断面。(2)地铁与玄武湖水底交通隧道在玄武湖下面通过时，要尽可能小地扰动玄武湖底的天然淤泥层。若用明挖法施工，要做好淤泥层的“修复”工作。若用盾构法施工，要严防因隧道上覆土厚度太小而导致的盾构“冒顶”事故，并且要严格控制地表变形。4结论随着大城市地下空间资源的大力开发，研究地下工程对地下水环境的影响是一个迫在眉睫的新问题。由于这种影响具有很长的“滞后性”，目前还未引起人们的普遍重视，但其所导致的结果则足以令人咋舌！地下空间和土地、水、矿物、建材等一样,是一种宝贵资源。这种资源和土地资源一样，具有不可再生性和不可转移性。地下水是有限而不可代替的自然资源，是城市生态环境的基本要素，在水资源匮乏的今天，应重视对地下水环境的保护。城市地下空间开发利用规划应当是城市立体化发展规划的一个组成部分，必须科学地、谨慎地开发地下空间资源，若开发不当，不但无助于城市空间的拓展，还将影响到整个城市的生态环境，造成不良的社会、经济后果。地下空间赋存于地质体之中，为科学地开发地下空间，首先必须搞清地下空间所赋存的地质体的工程地质及水文地质特征。参考文献[1]童林旭.1994.地下建筑学.济南:山东科技出版社,p19.[2]蒋斯善等.1996.南京市秦淮河古河道及沉积物时代的初步研究.科学通报.[3]石尚群，潘凤英等.1990.南京市古河道初步研究.南京师大学报(自然科学版)，本篇文章选自《工程地质学报》1999年第1期