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原文传递西咸地铁地下空间与地下水环境互馈作用机制研究

论文题名：	西咸地铁地下空间与地下水环境互馈作用机制研究
关键词：	地铁施工;基坑降水;地下水;渗流场;互馈机制
摘要：	近年来，城市建筑空间资源短缺，国内大部分地铁修建于地下，更有极大一部分地铁线深埋于地下水环境中，增加了地铁空间的施工难度。在地铁施工和运营期间不可避免地会对天然地下水环境造成扰动破坏。同时，地铁空间长期埋藏于在地下水环境中，地下水流场的变化可能会对地铁空间造成一系列不利影响，比如结构失稳、空间上浮、空间侧壁破裂、地下水渗漏、空间墙壁变形等问题。地铁空间与地下水环境相互影响，使二者关系更加复杂，联系更加密切。因此，厘清城市地铁与地下水环境互馈作用机制，并针对性地给出调控建议，对城市地下空间实现可持续利用具有十分重要的意义。　　本文以西咸地区的城市地铁作为主要研究对象，在广泛查阅文献资料的基础上，建立不同阶段的三维水文地质数值模型，对地铁施工期、运营期地铁空间与地下水环境互馈作用机制进行研究，并相应地提出新颖高效的施工降水方式及调控措施。研究结论如下：　　1、建立三维地下水非稳定流模型，对地铁空间施工过程中基坑降水对渗流场的影响情况进行模拟预测，提出几种不同的基坑降水方式，从降水效率、渗流场扰动等方面进行评估，结论表明：相较于传统的管井井群降水方式，采用辐射井进行基坑降水，效率更高，对渗流场的影响更小，可优先考虑。注浆帷幕的隔水作用使基坑降水的工作效率大大提高，同时能有效控制基坑降水的抽排水总量，减少对渗流场的扰动，将辐射井和注浆帷幕同时运用能使基坑降水工程更加经济、高效。　　2、通过对施工降水方式的疏降效率进行模拟计算，从基坑降水的疏降时间、降水抽排的地下水总量以及对渗流场的影响等方面进行定量对比分析，并综合考虑疏降效率、工程投入、对渗流场的扰动等因素，对抽水井的单井抽水量、布设方式、布设数量，以及辐射井的竖井降深、辐射管管径、渗透性能、辐射管数量等参数进行优化。　　3、模拟预测了西咸新区地铁一号线二期工程部分地铁线运营期间地下水流场的分布情况，总结出地铁空间与地下水环境的互馈作用如下：由于地铁周边含水层厚度大，渗透性能强，地下水流场水力坡度小，地铁线对渗流场的扰动集中于地铁空间附近，对距地铁空间较远区域渗流场基本不产生扰动。当地铁空间埋藏于地下水环境中，地下水环境对空间侧壁产生的静水压强会造成空间墙壁变形、地下水渗漏等安全隐患，空间底部长期经受较大的浮力，很容易引起空间上浮，结构失稳等问题。　　4、对不同地铁工况及不同地下水环境中，地铁运营期间渗流场的影响规律进行研究，结论如下：地铁在地下水环境中埋藏越深，对潜水流场的扰动越小，但地铁空间侧壁压强和底部浮力随着埋深的增大而增大，更容易形成安全隐患。地铁空间埋藏于不同渗透性能的含水层中，当含水层渗透系数较小时，地铁对渗流场的扰动大；随着含水层渗透系数的增大，渗流场的扰动程度随之减小。地下水流场水力坡度较小时，地铁空间对渗流场的扰动较小；水力坡度较大时，地铁空间对渗流场的影响也较大。　　5、基于研究区内地铁空间与地下水环境的互馈机制，提出几种合理高效的抗浮减压方案，并进行计算及优选，结论如下：相较于传统管井抗浮减压方案，辐射井减压更加高效，对地下水流场的扰动小，经济和工程投入较小。将帷幕运用到抗浮减压工程中，其隔水作用不仅能减小减压过程中渗流场的扰动范围，更能减少工程经济投入。同时，反滤层的选择也很重要，反滤层渗透性能越好，减压效果越好，但反滤层渗透系数过大反而会造成流沙、管涌等安全隐患。　　本文的研究结果为研究区内地铁工程的规划建设，以及施工过程中施工方式及结构参数的选择提供了科学理论依据。同时也可为今后本区域或条件相似地区相关研究提供经验指导及研究思路。本研究在综合考虑工程经济投入及环境影响因素的基础上提出了合理可行的技术方案，具有一定的经济及环境价值。
作者：	李嘉淇
专业：	水利工程
导师：	王玮
授予学位：	硕士
授予学位单位：	长安大学
学位年度：	2021