地下水抬升對城市安全運維影響分析

馬海志

(北京城建勘測設(shè)計研究院有限責任公司, 北京 100101)

地下水是北京市最主要的供水水源之一，南水進京前，地下水占北京市總供水量的2/3，長期大量開采使北京地下水位持續(xù)下降[1]。2014年南水北調(diào)中線一期工程通水后，北京利用南水替代部分地下水進行供水，多個大型水源地減采地下水，通過潮白河道對懷柔應(yīng)急水源地、水源八廠和懷柔水源地等多個大型水源地進行人工補給，置換大量的自備井等[2]。此外，北京市2016年實施生態(tài)補水工程，于2019—2021年連續(xù)3年開展了大規(guī)模永定河(北京段)生態(tài)補水工作[4-6]，共補給水資源量約6.5億m3。由于上述因素影響，北京市平原區(qū)淺層地下水位持續(xù)抬升。地下水位的抬升改變了地下水與城市基礎(chǔ)設(shè)施的垂向位置關(guān)系，對城市基礎(chǔ)設(shè)施特別是地下工程產(chǎn)生不利影響，本文在分析了近3年地下水位變化情況的基礎(chǔ)上，總結(jié)了地下水位抬升對城市基礎(chǔ)設(shè)施地下工程安全運維的影響，并探討了管控與治理措施要點。

1 北京市地下水位變化情況

北京市平原區(qū)地勢西北高，東南低，地下水總體由西北流向東南，地下水位埋深西北至東南由深變淺。在南水北調(diào)進京替代部分地下水開采、生態(tài)補水工程、大氣降水等因素綜合作用下，北京市地下水位出現(xiàn)不同程度的抬升，據(jù)統(tǒng)計，2018年8月—2021年8月，北部密懷順地區(qū)、西部海淀區(qū)、石景山區(qū)、豐臺區(qū)、門頭溝區(qū)地下水位抬升幅度超過5 m，永定河兩岸地下水位抬升達到10～17 m，南部大興和東北平谷地區(qū)抬升幅度一般3～10 m，東部朝陽區(qū)和通州區(qū)抬升幅度小于3 m。全市平原區(qū)地下水平均埋深由23.12 m抬升至19.36 m，平均抬升高度3.76 m，其中，石景山區(qū)地下水平均埋深由40.64 m抬升至30.53 m，平均抬升高度達10.11 m，地下水位抬升范圍為3 572.2 km2。

2 城市安全運維影響分析

北京市地下水位出現(xiàn)大幅抬升對城市軌道交通、市政道路、城市地下管網(wǎng)、地下建構(gòu)筑物等都產(chǎn)生了不同程度的影響，以北京市軌道交通為例，目前北京市正在運營線路22條，總里程690.3 km，2018年運營線路中有15條線路存在隧道底板位于在地下水位以下的情況，涉及里程146.4 km，占當年總里程21%；2021年運營線路中有18條線路存在隧道底板位于在地下水位以下的情況，涉及里程330.9 km，占當年總里程48%，對比顯示隧道底板位于在地下水位以下的里程增加了185 km。地下水位的抬升改變了地下工程周圍水土應(yīng)力環(huán)境，增大了對基礎(chǔ)設(shè)施工程的破壞風險，勢必對其產(chǎn)生較大影響，主要體現(xiàn)在幾個方面。

2.1 滲漏水情況加劇

城市基礎(chǔ)設(shè)施中軌道交通、綜合管廊、電力隧道等大型地下工程主體結(jié)構(gòu)的抗?jié)B性能主要依靠抗?jié)B混凝土及外包防水層來保證，但施工縫、變形縫、穿墻管件等節(jié)點始終是抗?jié)B的薄弱環(huán)節(jié)，隨著線路運行時間的增長、地下水環(huán)境的變化、防水材料老化等因素影響，滲漏水病害日益突出。地下水位抬升后將改變水土應(yīng)力環(huán)境，對上述薄弱環(huán)節(jié)進一步破壞，因此地下水位抬升增大了滲漏的風險，導致滲漏點從無到有，從少到多增多，滲漏量增加，同時結(jié)構(gòu)滲漏會引起混凝土鈣質(zhì)流失、增加鋼筋銹蝕風險，降低結(jié)構(gòu)的耐久性，縮短使用年限。

2.2 運營設(shè)備與電力系統(tǒng)安全風險加大

地下水抬升會導致結(jié)構(gòu)滲漏日趨嚴重，對地下工程中的運營設(shè)備與電力系統(tǒng)安全風險加大，尤其是城市軌道交通工程，其影響主要集中在地鐵車站和地下區(qū)間隧道內(nèi)。車站滲漏水問題一方面會直接影響車站電扶梯、安全門等帶電設(shè)備的穩(wěn)定運行，另一方面對乘客的出行服務(wù)造成影響。隧道內(nèi)由于滲漏水問題會導致隧道內(nèi)長期積水并處于潮濕環(huán)境影響：

(1)影響隧道內(nèi)電氣設(shè)備及接觸軌系統(tǒng)等帶電設(shè)備的穩(wěn)定運行，出現(xiàn)設(shè)備短路、接地、打火等故障問題。

(2)導致隧道內(nèi)鋼軌扣件、電纜支架等金屬銹蝕加速，降低設(shè)備使用壽命。

(3)隧道滲漏水嚴重時，積水無法及時排出，導致水漫道床影響正常運營。

2.3 結(jié)構(gòu)抗浮穩(wěn)定性降低

處于地下水位以下的城市軌道交通結(jié)構(gòu)、地下管網(wǎng)、建構(gòu)筑物等，依靠結(jié)構(gòu)自重及覆土重抵抗所受的地下水浮力，以保持穩(wěn)定性。隨著地下水位上升，抗浮措施的安全儲備在逐漸降低，同時地下水位短期大幅度變化對地下結(jié)構(gòu)的內(nèi)力產(chǎn)生一定影響，會出現(xiàn)側(cè)向受壓變形和豎向位移，嚴重情況下會出現(xiàn)結(jié)構(gòu)裂縫或超限變形、掉塊等結(jié)構(gòu)病害，降低了主體結(jié)構(gòu)的局部抗浮穩(wěn)定性。

2.4 地下管網(wǎng)破壞及路面塌陷

城市地下管線錯綜復雜，數(shù)量眾多，結(jié)構(gòu)材料類型多樣，且部分管線年久失修，地下水位上升導致管線周圍地層條件惡化，造成管線彎曲變形甚至開裂滲漏，另外，管線周圍地層因長期浸泡，會形成流砂、空洞或水囊，若周邊有開挖擾動時，管線及地層破壞加劇，甚至會引發(fā)涌水，造成地層被掏空形成大面積空洞，進而導致地層失穩(wěn)發(fā)生地面坍塌。

3 城市安全運維管控和治理探討

3.1 以精準探測為原則，多專業(yè)協(xié)作治理，突破傳統(tǒng)治理理念

針對地下水位抬升導致的滲漏病害問題，傳統(tǒng)治理理念“輕探測，重治理”，即在未明晰滲漏水路徑、滲漏水來源、地層滲透性以及空洞水囊分布與演變特性的情況下，進行盲目的注漿治理，無法達到滲漏水標本兼治的目的，且可能加速滲水。因此，要突破傳統(tǒng)治理理念，就必須進行多專業(yè)協(xié)作，采取以“精準探測、疏堵結(jié)合、多道設(shè)防、綜合治理”的原則，利用多元物探探測技術(shù)，精準探測滲漏水路徑、滲漏水來源、地層滲透性以及空洞水囊分布，有針對性地采取封堵措施，同時對地層進行補強加固，對結(jié)構(gòu)外表面的水囊進行擠壓驅(qū)趕，以達到改善地下結(jié)構(gòu)外表面防水性能的目的。

3.2 建立“城市安全運維管理體系”

建立城市基礎(chǔ)設(shè)施風險安全檢測、監(jiān)測、預(yù)警、診斷與維護一體化的“城市安全運維管理體系”。

將大數(shù)據(jù)信息與城市安全運維融合，建立城市基礎(chǔ)設(shè)施風險檢測、監(jiān)測、預(yù)警、診斷與維護一體化的“城市安全運維管理體系”，包括4個部分：

(1)檢測體系。針對大型地下工程，如軌道交通工程，可直接利用大型三維掃描技術(shù)與探測雷達對工程體內(nèi)部病害進行檢測識別，并與物聯(lián)網(wǎng)相連實現(xiàn)病害的診斷；針對地下管網(wǎng)，可從地上采用雷達、電法、微動等探測技術(shù)進行病害探測，也可采用小型機器人進入工程體內(nèi)部進行掃描探測。

(2)監(jiān)測體系。使用自動化采集與傳輸技術(shù)，監(jiān)測結(jié)構(gòu)位移、變形，周邊環(huán)境，捕獲結(jié)構(gòu)與環(huán)境狀態(tài)。

(3)預(yù)警體系，掃描結(jié)果經(jīng)診斷后，得出各病害的分階段預(yù)警值，根據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)顯示的病害嚴重程度、及時發(fā)出預(yù)警信號。

(4)診斷體系?？筛鶕?jù)預(yù)警等級和病害癥狀進行預(yù)判推理，并結(jié)合專家經(jīng)驗，輸出相應(yīng)病害養(yǎng)護、維修和治理措施。

3.3 實現(xiàn)跨行業(yè)聯(lián)動，統(tǒng)籌水資源規(guī)劃與城市安全運維管理協(xié)同發(fā)展

城市安全運維管理需要跨行業(yè)聯(lián)動，統(tǒng)籌規(guī)劃協(xié)同發(fā)展，以工程抗浮為例，地下水位雖然在整體上升，但距抗浮設(shè)防水位尚有5～15 m的差值，也就是說現(xiàn)狀地下水位對于工程抗浮來講是安全的，但是隨著地下水位的持續(xù)抬升，安全儲備會逐漸減少，風險也越來越大。因此，有必要建立城市基礎(chǔ)設(shè)施地下水位監(jiān)測網(wǎng)，實時監(jiān)測地下水位數(shù)據(jù)，為極端情況實施預(yù)警。對于未來北京市地下水整體變化趨勢需與北京市水務(wù)系統(tǒng)建立聯(lián)動機制，統(tǒng)籌水資源規(guī)劃與基礎(chǔ)設(shè)施安全運維協(xié)同發(fā)展，基于水資源保護與基礎(chǔ)設(shè)施運維安全角度，規(guī)劃設(shè)計地下水位上限值。

4 結(jié)論

本文分析了近3年地下水位變化情況，分析了地下水位抬升對城市安全運維的影響，并探討了管控與治理措施技術(shù)，得出結(jié)論：

(1)北京市平原區(qū)地下水受南水北調(diào)、生態(tài)補水工程、大氣降水等因素影響，近年整體呈抬升趨勢，2021年地下水位抬升范圍為3 572.2 km2。

(2)地下水位的抬升改變了地下工程周圍水土應(yīng)力環(huán)境，增加了對基礎(chǔ)設(shè)施工程的破壞風險，對城市基礎(chǔ)設(shè)施安全運維風險主要體現(xiàn)在滲漏水情況加劇、運營設(shè)備與電力系統(tǒng)安全風險加大、結(jié)構(gòu)抗浮穩(wěn)定性降低以及地下管網(wǎng)破壞及路面塌陷風險加大。

(3)提出以精準探測為原則，多專業(yè)協(xié)作治理為理念的城市基礎(chǔ)設(shè)施安全風險檢測、監(jiān)測、預(yù)警、診斷與維護一體化的“城市安全運維管理體系”，實現(xiàn)跨行業(yè)聯(lián)動，統(tǒng)籌水資源規(guī)劃與城市安全運維管理協(xié)同發(fā)展。