地下水对城市地下空间开发的制约及机理

顾鸿宇， 许 东， 李 丹*， 刘 港， 鲁成海

(1.中国地质调查局成都地质调查中心， 成都 610081； 2.中国文化遗产研究院， 北京 100029； 3.中国地质调查局西安地质调查中心， 西安 710054； 4.中冶地集团西北岩土工程有限公司， 西安 710000)

随着城镇化水平的不断提高，城市空间变得越来越稀缺。建成区的地表空间变得尤为紧缺和昂贵。同时，过去几十年的二维扩张使得居民用地和农业用地矛盾不断增加，城市化进程迫切需要对现有城市空间进行进一步开发[1-2]。直到20世纪90年代，随着技术的不断进步，人们逐渐将目光瞄准地下，加拿大掀起了地下空间开发的热潮，为城市的发展提供新的空间和机遇。地下空间能够改善城市功能，进一步推动经济发展[3]。日本、挪威和新加坡等国都在大力开发地下空间，各研究机构也在为地下空间开发提供理论和技术支持。近年来，中国南京、上海、杭州及成都等城市已开始地下空间开发，长期规划深度达到100 m，包括地下综合管廊、商业街、地下交通、地下排洪系统及地下储藏库等设施[4]。

地下空间开发得益于各种技术的迅猛发展。地下岩土体探测技术提供了更为精确的地质体结构和组成数据；隧道技术解决了大多数施工难题和设计难题；地理信息系统(geographic information system，GIS)为整个地下空间的开发提供了海量的数据库及可视化平台；建筑信息模型(building information model，BIM)技术为地下空间开发提供了可视化的最优施工过程模拟，有效提高了资源配置及工作效率[5-6]。尽管如此，对工程地质条件、水文地质条件以及物理条件的有限认识仍然制约是地下空间场地评估和结构设计的本质因素。地下水是地下三相介质间物质运移及能量传输的载体，具有影响范围大、持续时间长等特点，是制约地下空间安全开发及运营的关键因素。

地下空间开发必然会扰动天然的地下水系统，即使在非常广阔的地下空间开发过程中也是如此。地下水也是地下空间大规模开发中的难点和热点[7]。地下水会造成地下建筑物的渗漏、浮起、下陷等困扰安全使用的问题[8]。地下空间建成后，地下水物理和化学等因素会在相当长的时间内围绕着地下构筑物达到重新平衡，并造成岩土体物性及力学性能的变化。深刻认识地下水系统变化与岩土体的相互作用以及地下水系统变化、地下水和构筑物之间复杂的相互作用与环境的相互作用对精确预测地下空间开发可能造成的影响有重要作用[9-11]。因此，以地下水为主线，系统总结和分析地下空间开发及运营过程中与地下水相关的工程、环境等问题。

1 地下空间开发引发的环境地质问题

1.1 工程问题

1.1.1 地下水水压力

由于地下结构对天然流场的阻隔或截断，地下水在地下结构两侧会形成地下水水位的局部上升和下降，造成两侧水力梯度增大。一方面，由于阻隔后的水位增量Δh、含水层单宽流量随阻隔厚度比、阻隔长度比的增加而增加，所以大深度、长距离的线状地下结构对地下水的阻隔十分明显[12]；另一方面，地下水位的上升幅度随地下结构与地下水流向夹角(0°～90°)的增大而增大[13]。地下水水位上升增大了结构受到的侧压力(包括水压力和土压力)，在不考虑渗漏的情况下，当水位变化Δh后，结构受到的侧压力和Δh呈抛物线关系增大，随着地下水位继续上升并浸没地下结构后，侧压力和Δh则呈直线关系增大[10]。

地下水静水压力增大威胁着地下结构混凝土衬砌的稳定，主要造成衬砌间接触部位的强度损伤并发展为变形破坏[14]。衬砌轴力和弯矩随着地下水静水压力的增大而增大，最大轴力一般出现在侧拱和拱脚，最大正弯矩和负弯矩出分别现在仰拱和侧拱(或拱脚)。最初，负弯矩造成拱脚外表面(和围岩接触面)出现裂缝，然后正弯矩使得仰拱内部出现裂缝，最后拱顶内部也出现裂缝[15-16]。三点弯曲试验表明由于水压力从0增大到0.3 MPa过程中，降低了混凝土裂缝的失稳韧度和黏聚韧度，分别可达17.5%和21.8%，从而导致裂缝的不断扩展并直至破坏。此外，衬砌外侧的空洞或者注浆强度薄弱的部位造成了地下结构侧向约束减少，加速了衬砌在水压作用下的变形和破坏[17]。

由地震荷载或其他循环荷载引起的动水压力也会对地下结构的稳定造成影响，在可液化砂土中主要引起地下结构周围土体液化，并使结构上浮和变形。动荷载引起的超孔隙水压力比是造成结构上浮的关键因素，而结构埋深是临界超孔隙水压力比的决定因素[18]。在结构上浮过程中，结构周边存在着剪切带和土体的绕流现象，棘轮效应和剪切流是结构上浮的主要动力,砂土的密度和颗粒大小是上述现象的重要影响因素[19]。然而，砂土与结构接触面的超孔隙水压力小于远场的超孔隙水压力，这是因为在接触面上由于拉应力及土体剪胀产生的负压使得孔隙水压力消散[20]。

1.1.2 地下水浮力

结构抗浮问题，是大力发展地下空间需要面对的重要问题之一[21]。地下水浮力对地下空间开发的制约表现在两方面：一是水位的上升可能对已有建筑基础的浮力增大，造成抗浮失效；二是由于地下空间对水的阻隔效应尚缺乏实际研究经验，抗浮水位的确定是城市地下空间开发面临的重大问题。

地下水位上升对地下全封闭和半封闭的结构(如地铁车站)会产生较大的浮力，引起结构的基础或整体上浮甚至开裂渗水[22-23]。浮力大小一般按静水压力进行计算，但在渗透系数小于0.5 m/d的弱透水层中，渗流阻力会在一定程度上减轻浮力的大小[24-25]，所以地下水孔隙水压力的分布是进行浮力计算的必要条件。根据渗流理论和有效应力原理，在冲洪积扇地区多层含水层之间的垂向渗流导致水头损失，从而导致孔隙水压力减小，并明显小于静水压力。以此作为抗浮设计是十分经济且具有重大的工程意义[26-27]。

抗浮水位一方面具有区域性特征[28]，和地层结构、水文条件、地形地貌关系密切；另一方面也和地下空间建设等人类工程活动有关。浅层地下水复杂的分布规律是影响抗浮水位预测的根本因素。基于渗流理论和宏观水文学的单一预测方法无法满足设计精度，考虑到地下水位的时空动态变异性，基于精确渗流模型和长期及实时监测资料结合的动态预测模型是解决地下水位时间变异的有效方法[29]。其中，远期最高水位的预测是保证地下空间安全运营的必要条件，也是抗浮水位的设计依据。历史最高水位法是目前常用的预测方法，但气候及人类活动对地下水干扰越来越大，造成该方法对未来水位的预测不确定性增加[30]。基于数值计算方法的区域法从区域地下水三维瞬态流模型出发，利用区域地下水位最新监测资料来预测空间任一点的最高水头，然后进行结构基底处的最高水头的计算及抗浮水位分析，具有较好的实用性[29-31]。

1.1.3 地表变形及沉降

地下空间建设及运营期间都可能引起的地表变形及沉降。主要包括：开挖过程中的基坑降水及岩土体应力释放导致的地表变形或沉降；运营期间地下水位变化的不均一性导致的差异沉降。

基坑开挖过程中，由基坑降水和土体应力释放都会引起地表沉降，但影响范围不同，近距离的地表沉降是两者共同作用的结果，沉降贡献值大致相当，但在较远距离的区域，地表沉降主要是由于降水引起。以广州市南沙区某地下空间为例，基坑开挖会造成周边地表沉降[32]。沉降形态在均质地层中的平面形态表现为圆形，在剖面上表现为以抽水井为中心的“勺”形曲线，沉降量随距离的增加而减小。水平向渗透系数各向异性会导致抽水产生的水位降深等值线呈现椭圆形，进而产生椭圆形地面沉降[33]。基坑降水还可能发生绕流，从而引起额外的地下水位下降[34]。降落漏斗内的土体由于孔隙水的排泄，导致孔隙水压力的减小，而土体有效应力和渗透有效应力增加，使土体压缩固结[35]。在压缩过程中，土体颗粒的移动一般服从随机介质理论，由此引发土体的进一步变形[36]。两者叠加后在地表的宏观形态就是地表沉降。此处，不再论述由土体应力释放引起的地表变形及沉降机理。郭晓静等[37]通过对郑州市中层隧道工程进行地质环境适宜性评价，发现地面沉降等对其影响较为显著。

差异性沉降是由于岩土体的变形不协调导致的，这类沉降在城市地区广泛存在，其潜在的风险不可低估[38-39]。地下结构(特别是大深度网状地下结构)截断含水层70%厚度及以上时对地下水的阻隔效应明显，造成地下水位在结构两侧出现明显差异[40]。迎水面地下水位的上升和背水面水位下降都会导致地基承载力的降低。地下水位上升主要是由于地下结构导致地下水排泄不畅[41]，一方面使得孔隙水压力升高，降低了土体的有效应力；另一方面造成岩土体力学强度(抗剪、抗压强度)的降低，毛邦燕等[42]通过泰沙基极限荷载理论对由于成都地铁结构造成的水位壅高给地铁沿线迎水面浅基础建筑物地基承载力带来的影响进行了研究，结果表明地下水壅高会造成地基承载力下降5%～15%。地下水因补给中断或向地下空间渗漏导致水位下降引起孔隙水压力消散，土体在自重压力下固结压缩也会导致地表沉降[43]。在岩溶地区，地下水位降低形成的负压会加速地下水对岩溶孔隙中土体的潜蚀，最终导致地面塌陷的发生[44]。

1.1.4 特殊岩土体性能劣化

特殊岩土体，如黄土、钙芒硝层及岩溶地层，在中国分布广泛、埋藏条件复杂，对地下工程建设的潜在威胁十分明显。这类岩土体在没有地下水参与或所处地下水环境未受到扰动时处于平衡状态，其力学性质、物质组成不会发生明显变化。随着地下空间的开发，地下含水层及隔水层被破坏，加快了地下水的循环速率，使得特殊岩土体的物性发生重大变化。其引发的工程问题往往包含多种类型，如地面沉降、地下结构破坏及地下水污染等。吴冰华等[45]认为淤泥质土、液化土、湿陷性黄土等是造成郑州市地下空间开挖的敏感工程地质因子。为此，有必要论述特殊岩土体在地下水作用下物性及力学性质改变的机理。

黄土是由结构单元(矿物单体、集合体、凝块)、胶结物(黏粒、碳酸盐、有机物)和孔隙3个部分组成，垂直节理发育，其力学性质对地下水变化极为敏感，水敏性黄土中地下水的变化对地下工程结构的影响不可低估。地下空间引起地下水上升或下降，初期将造成结构周边发生不均匀的浸水，水分在黄土内部迁移的过程中会导致黄土孔隙的增加，颗粒磨损和破裂、以及颗粒间接触方式的改变，造成黄土吸附及黏结强度的降低[46-49]，在自重作用下表现出宏观的湿陷。黄土湿陷导致结构弯矩增大并产生明显竖向位移。地下水对结构基底黄土的浸润比水分从地表向地下迁移对结构造成的损害要大[50]。在酸性地下水环境中，黄土内部盐分被加速溶解，湿陷起始压力将明显降低，变形也更为严重[51]。由于地下空间对地下水循环条件的改变是长期的，黄土在长时间的浸水后，除了湿陷变形还将导致黄土内盐分的持续溶解，剩余孔隙进一步压缩，从而导致溶滤变形。这类变形往往缓慢且细微，变形速率偏低，具有隐蔽性，但其累积性变形却十分显著[52]。由土体变形造成的地基承载力不足及结构变形是威胁地下空间安全运营的重要因素之一。

(1)

式(1)中：y′为溶解速率，cm/h；x为溶解时间，h；α为溶解角度(-90°～90°)。因此，在城市地下空间开发过程中尤其应避免连通钙芒硝与下其部的含水层。由于人类工程的扰动，钙芒硝层中的生物岩溶作用将不可忽视，厌氧的硫酸盐还原菌和排硫杆菌的气化作用将降低溶液pH，从而加速钙芒硝特别是石膏层的溶解[60]。

岩溶在中国分布广泛，中国可溶性碳酸盐岩分布面积达3.66×106km2。目前，广州、深圳、武汉及昆明等城市的地下空间开发均面临岩溶特殊地质问题。不同规模的溶沟、溶洞及暗河在岩溶地区高度发育，其自身的不稳定性和人类工程扰动相叠加，引发的涌水、地面塌陷等灾害极大地威胁着地下空间的安全[61-62]。岩溶对地下空间的影响应考虑时效性，一方面是工程建设过程中产生的即时影响。在溶洞发育区域，地下空间开挖导致岩体应力释放，裂隙产生并不断向溶洞一侧扩展，两者之间岩体位移的不断增加及持续增加的水压是引起挡水结构破坏的关键因素[63]；另一方面则是对地下空间运营过程中造成的长期影响。岩体裂隙的特征和发育程度是影响溶蚀深度的决定因素，岩性和水的溶蚀能力则是影响岩溶发育的区域性因素[64]。研究表明，近接溶洞岩体厚度一定时,随着水压力的增大,变形量逐步增大,当岩溶水压力大于2 MPa后最大变形量增加的趋势明显[65]。地下空间开发对围岩的扰动使得其塑性变形带内的岩体产生大量的宏观裂隙或损伤，由于地下水的不断溶蚀，在结构与围岩接触带附件形成大量的溶蚀通道，其结果除了影响结构的稳定性，也会造成上覆土体随着溶蚀通道不断被冲蚀，最终导致水土流失[66]或者浅部基础承载力的不足。

1.1.5 地下结构腐蚀

图1 钙芒硝在不同流速、不同温度条件下溶蚀试验Fig.1 Dissolution test of calcium-mirabilite under different flow rates and temperatures

图2 Fe离子浓度随时间变化规律[69]Fig.2 Variation of Fe ion concentration with time[69]

地下空间开发引发地表和浅层土壤污染物向深部含水层中转移将导致污染腐蚀的发生。这种腐蚀机理相当复杂，影响因素众多。一方面，刘松玉等[77]对中外地下结构污染腐蚀耐久性进行了系统的总结。总的来说，混凝土自身的微观结构(尤其是孔隙率)决定着污染物在其中的扩散速率。污染物的侵入会加剧结构的疲劳损伤，反过来促进污染物对结构的腐蚀；另一方面，运移到深部含水层中的有机物在厌氧微生物或好氧微生物的作用下产生硫化氢或碳酸等侵蚀性物质，并在硫酸还原菌的作用下生产硫酸，从而造成对混凝土的腐蚀。部分真菌能将菌丝深入到混凝土裂缝内部，这种物理破坏增大了混凝土的渗透率，同时在分解污染物的过程中也会产生有机酸(如柠檬酸、草酸)并与混凝土中的Ca2+发生反应，引起混凝土的溶解破坏[78]。韩静云等[79]通过研究污水处理设施中混凝土受污水侵蚀的情况，表明动态的污水环境对混凝土会产生较为严重腐蚀，并且在气液界面的腐蚀程度最为严重。因此，地下空间结构在饱水带与非饱水带的界面位置应当重点考虑耐腐蚀性设计。

1.1.6 地震震害

地下空间开发引起的地下水位变动对地震震害的影响十分显著。赋存在孔隙中的地下水使得岩土体振动时刚度发生变化，改变了岩土体的动力响应。由于地震波在水饱和土中的传播和气饱和土中的传播差异较大，地下水变化会引起地面运动的变化[80]。

地下水位上升使得浅部砂土层或透镜体饱水，其对地表震害的影响主要表现为加重浅部地层的振动液化[81]，造成地基承载力下降和地表裂缝等现象。地下水位下降则使液化深度增加，使得地震剪切波的传播受到阻隔，减轻地面震害[82]。因此，地下结构背水面和迎水面的地下水位差异影响着结构两侧地震烈度的分布，即迎水面烈度较背水面高。

地震过程中，在应变积累、岩体扩容及渗透阶段，孔隙水压力的增加不仅会降低岩体的强度和断层面摩擦阻力，还会造成最大剪应力和应变场的重新分布[83]。因此，在构造发育的岩体中建设地下空间时，应当做好地下水的排泄，尽量减少地下结构对地下水的约束，以避免断层活化及岩体劣化导致发更加强烈的震害。

此外，掌握地下结构在地震下的动力响应是地下空间安全运营的基础。一方面，地下结构由于受到岩土体约束，没有独立的固有周期和振型，其变形受控于地表岩土体的相对位移(即地表正应变和剪切应变)，由前述孔隙水压力对应变场的影响可知，地下结构的两侧可能存在较大的应变差异，严重时或将导致结构的变形；另一方面，地震产生的砂土液化将导致砂土层中地下结构与岩土体接触处产生超孔隙水压力，在地下结构连接处或强度较低的部位可能出现涌水或涌砂的现象。

1.2 生态环境问题

1.2.1 地下水污染

首先，地下水污染表现在地下空间建设和运营过程中导致的直接污染。黄晓倩等[84]研究了某大型工程地下结构灌浆导致的地下水污染，结果表明水泥中水溶性铬(Ⅵ)直接进入了地下含水层，超标持续时间达2个月。城市地下储水空间和地下排污管道在运营期间可能存在渗漏而导致地下水污染[85]。在水位下降的区域，土体易发生固结作用，固结效应能显著地增加污染物的流出，在高压缩性、高渗透性土壤中表现尤为明显[86]。

研究表明，地下水位上升造成包气带饱水或减薄后将加快部分重金属离子和有机污染物向地下水的迁移速率，尤其在冲积平原的中上游地区，地下水在竖向和垂向均以砂卵石为主，没有明显隔水层，地下水一旦污染将形成区域性环境问题，在很长时间内难以自我净化。城市地下水污染将由点状污染向面状、由浅部到深部转变[94]。

1.2.2 城市热岛效应

城市热岛效应指城市因大量的人工发热、建筑物和道路等高蓄热体及绿地减少等因素，造成城市“高温化”，即城市中的气温明显高于外围郊区的现象。随着城市地下空间的不断开发，地下水受到的人类工程的影响越来越明显。城市化引起的垂直热通量的增加促进了地下水升温。由于地下水温的改变具有相当的滞后性、隐蔽性及对环境生态的关联性，所带来的危害也更具广泛性、严重性和缓慢的时效性。因此，在地下空间开发的前期应当深入研究地下水温度变化可能带来的环境影响。

一方面，地下空间的开发不可避免地造成地下水位的局部或大规模变化，由此造成的城市热岛效应已经引起人们的广泛关注。目前，陆气作用在水文研究中得到了广泛关注，但作为陆面水文过程中重要组成部分的地下水却被简化甚至忽略。虽然地下水及土壤中的含水量和地温之间的联系已经得到公认，但关于地下水埋深对地温乃至气温的影响研究却相对较少。傅志敏等[95]利用数据挖掘方法对实测数据进行分析，研究了水位埋深与近地表气温之间的关系，结果表明地下水对近地表气温的影响并不是一直存在的，存在着临界深度(6～8 m)，小于临界深度时地下水温度对气温影响较大，超过临界深度后影响可以忽略。反过来，气温的上升也会影响包气带的垂向含水率变化，造成地下温度的分布规律发生变化[96]。孙绪金等[97]研究了地下水超采造成的地下水位下降导致近地表温度上升，上升幅度一般为3～5 ℃，最高可达10 ℃，但是当地下水持续下降到大于地下水热岛效应临界深度后，对地表温度影响将维持在某一恒定值[98]。

另一方面，地下空间开发对地下水温度的影响。大规模地下空间，特别是深部地下空间的开发会极大地增加地下热量的来源，造成地下含水层温度场的变化。浅层地下水温度升高则会对土壤及其热容量产生影响，进而影响植被的生长[99]。城市热岛效应引起的浅层地下水温度升温可高达3～5 ℃[100]。虽然浅层地下水温度受季节影响和人类活动共同影响，但Jack等[101]通过对美国Virginia Beach地区的研究表明，由人类活动造成的地下水温度升高贡献率达到70%以上。由于地下水与地下岩层和空气存在着热交换，因此地下气温及岩石温度的变化也会引起地下水温度的变化(图3)。Huang等[102]通过研究城市化对Osaka地区地下环境的影响，表明气候变化和城市化共同导致了地下温度的升高速率达到了2 ℃/100 a，其中城市化至少占1/2的贡献率。随着城市地下空间的开发，城市热岛效应的热源由地面转变为地上地下共同影响，由此产生的累积性温度升高将更加显著。

T0为没有热岛效应时的地面温度图3 城市热岛效应对地下温度的扰动示意图Fig.3 Scheme illustration the distribution of subsurface temperature disturbed by urban heat island effect

2 问题与展望

研究表明，地下水变化不仅能够引起的地下水化学场和水动力场的变化，还能造成岩土体物性和温度场的变化。因此，城市地下空间的开发会引发一系列的岩土工程问题、环境地质问题及生态问题，而地下水的变化是引发这一系列问题的根源。由于地下空间建设一旦完成将难以改变，有必要在建设之前从多角度多学科深入考虑地下空间可能引发的环境、工程及生态问题。目前，上述研究已经取得了丰富的成果，但结合到城市地下空间来说尚缺乏对如下方面的深入研究。

(1)地下空间开发引发的地下水相关问题是一个长期存在、不断累积和不断显现的动态过程，除了上述专项的小尺度研究，还应当加强对潜在问题的长期监测，并在建设之前设计体系化的监测方案，以便及时对显现的各类问题进行评估和处理。设计的监测方案应当包含3个层次：区域监测-局部监测-目标监测，有利于掌握各类问题产生的微观机理及其宏观影响。

(2)地下空间开发导致地下水对岩土体的物性(膨胀性、孔隙率、导热系数等)产生缓慢且具有累积性的影响。这类问题对存在可溶盐岩地层、软土、膨胀土及岩溶的地区地下空间开发显得尤为重要。深入研究地下水变化对岩土体物性的影响，有助于研究地下空间开发引发的地下水污染物垂向运移机理、地下水脆弱性评价、地下水腐蚀、城市热岛效应及地表沉降等问题。为地下空间开发提供前瞻性技术指标及设计等建议。

(3)目前，由于地下结构对地下水的阻隔作用及对水动力场的改变，在深部地下空间开发过程中导致深部地层高浓度物质(如铁、锰等元素)及有毒物质(如砷等)向浅部运移造成地下水资源污染的研究还比较少，但这类问题的机理及其可能引发的环境和健康问题是值得重视的。

(4)天然地质体是由固体-流体-气体三相介质构成，地下空间开发可能引发的一系列宏观问题必定是3种介质相互作用的结果，一种介质性质的改变可能影响另外两种介质的性质。因此，必须加强对深部三相介质在人为扰动下的多场耦合机理研究。在此问题中，还须注意三相介质作用的时效性研究，为地下空间长期的安全性提供理论依据。

(5)注重城市地下空间建设后对地下水水位上升幅度的监测及远期最高水位预测模型的研究，对建筑物基础的抗浮设计提供设计参数，在保障安全的前提下，优化抗浮设计方案，保证建筑物在相当长的时间内有充足的设计盈余。

3 结论

地下空间是城市化发展的必然要求。地下水在城市地下空间建设及运营期间起着“灵魂”的作用，地下水的变化会引发各种复杂问题。从8个方面阐述了城市地下空间开发及后续运营过程中可能产生的与地下水相关的工程、环境及生态问题。并针对目前的研究现状提出了今后应当重点关注的5个方面问题。

目前，地下空间开发正处于起步阶段，在大规模开发地下空间之前应注重对生态及水环境的保护，有必要对开发后引起的地下水系统变化及其引发的危害进行专题及系统研究。由于所列的潜在危害多是借鉴于类似地下开挖工程及相关学科成果，在评价地下空间开发(尤其是深部地下空间开发)及运营中可能的工程、环境及生态影响方面必定有不足之处。因此，下一步有必要结合具体的城市地下空间开发案例对地下水开发引起的一系列问题进行更深入的研究和长期的监测。