南京典型段地鐵工程對地下水流動態的影響

高 詠， 梁 聰， 車增光

(1.中國建筑材料工業地質勘查中心江蘇總隊， 南京 211135； 2.江蘇省地質勘查技術院， 南京 210049； 3.江蘇省地質調查研究院， 南京 210018)

在地下空間的開發利用過程中，為了方便施工，通常采用的方法是人工降低地下水位，在不斷降低地下水位的過程中，就會導致地下工程周圍一定區域內形成一定規模的疏干“漏斗”區，當土壤中含水量降低時，容易出現地裂縫、地面沉陷等問題[1]。無論是從選址、施工到運行乃至工程退役后，都會對地下水流動態造成持久而深遠的影響[2]，文獻[3-5]建立三維地質數值模型預測了地下工程建設對地下水環境及地下水動態演變趨勢的影響。目前，隨著城市中越來越多的地鐵的不斷興建，針對地鐵工程建設對地下水流動態的影響及可能引發的環境水文地質問題進行更加深入細致的研究顯得尤為重要。

基于有限元FEFLOW軟件被開發用于模擬多孔介質飽和、非飽和地下水流與溶質的運移，具有快速精確、圖形可視優點[6]，可局部加密地鐵沿線網絡。現采用FEFLOW軟件構建南京東部某典型段地鐵穿越區水文地質概念模型和三維地下水非穩定流模型，預測評價地鐵工程在施工期、運營期至服務期滿后地下水流動態變化規律，分析在地鐵工程的作用下，區域地下水流系統的動態演變趨勢以及對仙鶴門地下水源地的影響，以及易引發的環境水文地質問題。

1 研究區概況

南京某地鐵線路以中保站為起點，到仙林東站為終點。本次研究的典型段位于該線路徐莊軟件園-仙林東站區間段，區段長約17.2 km，其中高架線1.32 km，地下線15.88 km。該典型段設站8座，平均站間距2.15 km，其中地下站6座，自西向東依次為徐莊軟件園站、惠通路站、靈山站、東流站、青龍站、樺墅站；地面站1座，為金馬路站；高架站1座，為仙林東站。研究區地下水類型主要為孔隙水、層狀巖類裂隙水、火山巖類裂隙水和巖溶水。孔隙水含水層以粉質黏土為主，局部粉土、中細砂或卵礫石，靈山-龍王山以北區域厚度較大，可達100 m。七鄉河和九鄉河河谷沖積層富水性較好，單井涌水量可達500～1 000 m3/d，其他地區富水性則較差；層狀巖類裂隙水含水層巖性為象山群(J1-2x)、黃馬青組(T3h)砂巖、泥質砂巖分布于金馬路站以西和九鄉河—樺墅站區段，多被第四系松散層覆蓋，富水性差，基本上可視為貧水層或隔水層；火山巖類裂隙水含水層巖性為正長閃長斑巖，分布在靈山以南、金馬路站～靈山站區段，風化裂隙較發育；巖溶含水巖組主要分布于靈山—龍王山兩側，含水巖組巖性主要為中生代青龍組(T1q)灰巖和周沖村組(T2z)角礫狀灰巖、白云質角礫狀灰巖，鉆孔揭露地下巖溶形態主要有溶洞、溶孔等，周沖村組(T2z)角礫狀灰巖為研究區最富水巖層，單孔涌水量500～8 000 m3/d。南京市仙鶴門巖溶地下水源地即位于角礫狀灰巖區，該水源地西起仙鶴門，東止東陽鎮，面積約50 km2，為南京地區最大的巖溶水源地。區內主要補給方式有大氣降水補給、地下水側向徑流補給、河流側向補給等方式。區內丘陵起伏，山體附近地下水位高于松散層地下水位，在側向徑流的條件下補給松散層。龍王山附近巖溶水向上越流補給松散巖類孔隙水，同時區內地下水接受數條自南向北的地表河流的側向補給。

2 研究區模型構建

2.1 水文地質概念模型

為更精準地模擬研究區內地下水的流動特征，本次模擬將區內地下水流概化為非均質、各向異性、三維承壓非穩定流動的地下水概念模型。北部邊界西端為局部地表水分水嶺；東端沿一隔水斷裂帶延伸，均設定為零通量邊界(隔水邊界)。西部邊界上部第四系松散層較薄，且基巖透水性弱，概化為零通量邊界。南部邊界：九鄉河等河谷地區為定流量邊界，地下水由區外向區內補給，側向補給量根據達西定律進行估算，模型中賦值孔隙含水層單寬流量約0.02 m/d，基巖裂隙水含水層單寬流量約0.000 5 m/d。東部邊界：七鄉河段設定為水頭邊界，水頭取七鄉河水位標高，河流南端水位標高約15.7 m，北端約6.0 m，模擬區河段長約8.1 km，水力坡降約0.001 2，各結點的水頭根據兩端水頭線性插值計算；七鄉河谷設為定流量邊界，模型中賦值孔隙含水層單寬流量約0.05 m/d，基巖裂隙水含水層單寬流量約0.000 8 m/d。研究區頂部邊界的補給和排泄主要來自大氣降雨的入滲補給和蒸發排泄。處理為可自由移動的界面。模擬區底部巖體新鮮完整，滲透性差，基本無底部越流，可視為零通量邊界。研究區范圍及邊界示意圖如圖1所示。

2.2 數學模型

根據上述水文地質概念模型，得出研究區為非均質介質中地下水流系統三維非穩定數學模型為

(1)

圖1 模擬預測評價區范圍及邊界條件示意圖Fig.1 Schematic diagram of simulation prediction and evaluation area and boundary conditions

式(1)中：H為點(x，y，z)在t時刻的水頭，m；K為含水層滲透系數，m/d；Ss為儲水率，1/m；w為源匯項(降雨入滲量、蒸發量等)，1/d；ε為降雨入滲量，m/d；t為時間，d；μ為飽和差(自由面上升)或給水度(自由面下降)，表示自由面改變單位高度時，從含水層單位截面積上補給或排水的水量；q為第二類邊界上單位面積補給量，m/d；n為邊界外法線方向；H1為第一類邊界水頭值，m；H0為非穩定流模擬時的流場初始條件，m；x、y、z為空間坐標；Ω為計算區；Г1、Г2和Г3分別為第一類邊界、第二類邊界和潛水自由面邊界。

2.3 模型剖分

將ARCGIS前處理好的數據導入FEFLOW[7]中，進行超級單元網格的設計。本次地鐵穿越區地下水數值模型的剖分主要采用三角網格剖分方法(trignale)，綜合考慮模擬精度和運算時間，剖分過程中對主要河道、水位觀測孔、地鐵穿越線路等做適當加密處理。本次數值模擬研究區面積64.7 km2，垂向上，共剖分四層(layer)五片(slice)，自上而下分別為第四系松散層、卵礫石層、基巖和火山巖層、灰巖層。經加密剖分處理后，模型平面上二維網格共計剖分結點23 362個，有限單元38 194個；三維網格共計剖分結點116 808個，有限單元190 970個，模型三維網格剖分如圖2所示。將相關地層水文地質參數和初始條件、邊界條件等賦予模型。其中，觀測孔位置分布見圖3，非穩定流初始流場見圖4，模擬區參數分區如圖5所示。模型各含水層滲透系數根據現場雙環滲水試驗和經驗值綜合確定，各初始水文地質參數見表1。

圖2 研究區平面網格剖分Fig.2 Plane mesh generation of the research area

圖3 觀測孔位置圖Fig.3 Location map of observation hole

圖4 研究區非穩定流初始流場圖Fig.4 Initial flow field diagram of unsteady flow in the study area

圖5 模擬區參數分區圖Fig.5 Simulation area parameter partition diagram

2.4 模型識別與校驗

本次模型反演工作利用研究區ZK03、ZK06、ZK12孔和JK12井的觀測數據作為擬合數據。建立非穩定流模型選擇，2011年1月20日—2011年7月20號為模擬校正期，校正期時段總長181 d，選擇期間鉆孔地下水動態監測數據對模型進行檢驗。利用參數估計(parameter estimation,PEST)模塊[8]，結合手動試錯方法，對模型每層的滲透系數、入滲系數、給水度、儲水系數等水文地質參數進行反演計算，最終得到的觀測孔水位擬合如圖6所示。經統計，所有序列點中模擬值與觀測值差值的絕對值小于0.5 m的占78.3%，0.5～1 m的占22.7%。因此由圖6可以看出模擬值與實際值擬合情況良好。因此，本次模擬建立的地下水滲流模型基本符合研究區水文地質條件，基本反映了地下水系統的流場特征，以此為基礎對研究區地下水流場進行預測評價是合理可信的。

圖6 觀測孔水位擬合曲線Fig.6 Observation hole water level fitting curve

表1 研究區含水層初始參數

3 地鐵工程對地下水流場影響

3.1 工程施工期間涌水量的預測

按照前文對車站及隧道的邊界條件的刻畫，將施工站點、區間隧道皆設為給定水頭邊界，對站點、區間隧道開挖涌水量做出了模擬預測，預測時段為2011年7月—2014年1月(施工期)。

由于施工方法的不同，該工程中盾構法施工不需排水。在建立模型時對所需要降水的車站以及區間隧道進行定水頭的方法來預測其最大涌水量，即通過控制車站和隧道區間所在位置的水頭并使其保持低于車站和隧道區間底板的高程。在本次模擬預測中，把車站和區間隧道的定水頭值設置為車站和隧道區間的底板高程來預測最大涌水量。本工程沿線車站開挖施工涌水量可用FEFLOW軟件中的水均衡模塊進行計算，模擬預測結果見表2。施工過程中，隨著施工的進行，過水斷面的面積逐漸增大，涌水量也是逐漸增大的，伴隨著沿線車站地下水位也呈逐漸下降的趨勢。站點基坑涌水量隨施工時間呈近似線性變化，靈山站增加最快，惠通路站、東流站涌水量變化相對較為平緩，如圖7所示。

圖7 施工期各車站涌水量動態變化曲線Fig.7 Curves of dynamic change of water inflow at each station during construction period

3.2 工程施工期、運營期、服務期滿后對地下水流場影響

將施工站點、區間隧道皆設為定水頭邊界，站點

水頭值為基坑底部地形標高。為了更真實地刻畫地鐵隧道，工程運營期間將其概化為帶狀滲透性極差的隔水體，模型在原分層的基礎上又剖分了數層，層頂、底標高即為地鐵頂底板標高，模型中水頭即在該層賦值。模型分別模擬預測了地鐵施工結束時(2014年1月)、地鐵運營初期(2018年)、地鐵運營遠期(2040年)和地鐵運營遠期后30年4個時期的地下水水位，在ARCGIS中分別與初始水位作柵格計算，水位變化結果見圖8。由圖8(a)可以看出地鐵工程施工對地鐵沿線及周邊地區地下水流場變化較大，地下水水位都出現不同程度的下降，整個地鐵線路沿線水位下降幅度0～24.70 m，同時地下水水位在地鐵沿線形成不規則的地下水位漏斗區，漏斗范圍130.45～773.00 m，影響半徑達810 m，區域地下水補、徑、排條件基本和施工前一致。

由圖8(b)、圖8(c)可知，施工期結束進行運營期后，由施工期引起的地下水降落漏斗迅速消失，地下水環境基本恢復到初始狀態，且運營期間地下水環境較穩定，區域地下水補、徑、排條件未發生改變。由圖8(b)、圖8(c)可知，在地鐵的迎水面地下水水位上升，隨著運營時間的持續，最大上升高度由運營初期的0.106 4 m上升為0.107 0 m，變化幅度很小；背水面水位降低，最大下降高度0.033 4 m。空間上，水位變化幅度較為明顯的主要為徐莊軟件園站、金馬路至靈山站區段和廟山至西崗街道區段，這是由于這些區域地鐵隧道的走向與地下水流向近直交，對地下水的阻礙作用最為明顯。由圖8(d)可知，服務期滿后，地下水流場與初始流場、運營期流場基本相同，流場出現輕微變化。在地鐵的迎水面地下水水位上升，最大上升高度0.107 2 m，背水面水位降低，最大下降高度0.033 4 m。

3.3 地鐵工程對仙鶴門水源地的影響

地鐵線路位于龍王山-靈山-仙鶴門以南區域，為水源地上游補給區，地鐵工程的施工、運營勢必會減弱水源地與補給區的水力聯系，致使水源地接受上游側向補給量減少，地下水水位下降。由模擬結果可知施工期由于施工降、排水導致地下水排泄點增加，排泄量增大，向下游的徑流量則相應減少，最大減少量近690 m3/d，運營后補給量迅速反彈，至2020年基本上達到穩定，穩定后側向補給量約3 763 m3/d，比初始的側向補給量減少約36 m3/d，減少百分比約0.95%。預測模型計算了仙鶴門水源地觀測點水位變化。由圖9可知，施工期由于地鐵站點、隧道降、排水，水位緩慢下降，下降幅度較小，仙鶴門水源地觀測點水位下降0.216 8 m，運營期水位則緩慢上升，至運營期滿基本上可以恢復至施工前水平。西崗街道段至龍王山施工段含水層巖性皆為角礫狀灰巖，節理裂隙發育，施工過程中出水滲漏點多，導致地下水水位下降，由模擬結果[圖8(a)]可知，最大下降幅度約18 m，水位下降區呈帶狀分布于龍王山南側施工段兩側，但是由于該區位于區域地下水補給區，水位較高，漏斗范圍并不大，施工期結束后即迅速恢復至初始流場狀態。

表2 本工程沿線車站基坑最大涌水量

圖8 研究區地下水水位變化圖Fig.8 Changes of groundwater level in the study area

圖9 仙鶴門水源地觀測點地下水水位變化曲線Fig.9 Curve of groundwater level change at the observation point of Xianhemen water source

綜上所述，由于地鐵站點、隧道對水源地的徑流、補給有一定阻礙，但因所在含水層滲透性弱，富水性差，產生的水位變化不大，對水源地的側向補給量影響也較小；龍王山段在施工期可能產生水位下降和一定范圍的水位降落漏斗，施工結束后即恢復至初始狀態。因此，該地鐵工程對仙鶴門巖溶地下水源地影響較大的區段主要是龍王山段，其他區段對水源地影響輕微。

3.4 可能引發的環境水文地質問題

研究區局部地區水位埋深較小，水位抬升可能導致洼地沼澤化，而水位下降則可能影響沿線居民生活用水、農林牧漁業生產；地鐵工程將降低地下水徑流速度，地下水難以及時排泄，污染物在局部不斷積累，造成水質惡化，水位抬升將使地表污染物向含水層入滲的途徑變短，加劇地下水污染；研究區樺墅站至龍王山區段灰巖埋藏淺，巖溶發育強烈，灰巖上覆較松散的砂層，地鐵工程可能導致局部地區徑流條件發生變化，地表水和井泉枯竭，誘發巖溶地面塌陷災害[9]。因此采取有效的施工方法和工程措施，以及優質的施工質量可最大限度地減小對地下水環境的不利影響[10]。

4 結論

(1)通過對南京某地鐵線路的地下水位模擬預測結果可知，地鐵工程的不同階段對地下水位的影響程度不同，由施工期間的地下水位明顯下降逐漸轉變為后期地下水降落漏斗迅速消失，直至基本恢復到初始狀態，且地下水環境趨于平穩。同時，根據模擬結果可知，對仙鶴門巖溶地下水源地影響較大的區段主要是施工期龍王山段，其他區段對水源地幾乎沒有影響。

(2)地鐵工程將不可避免地改變地下水滲流場，存在引發水質污染、巖溶地面塌陷等諸多環境水文地質問題的可能。因此，該線路工程在充分考慮區域水文地質條件前提下，科學論證、合理規劃，通過地面防滲、水位水質監測、設置導水通道等措施，可以消除或降低地鐵工程建設對地下水環境的不利影響。