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濟南:與泉共生

2019-02-25 13:47:01    來源: 中國自然資源報    作者:薛亮 李現文 王晶晶 趙祥兵

在富含巖溶水的地質環境下修建地鐵有多難?泉城濟南猶豫、糾結、執著并堅持了整整30多年。

今年元旦,隨著濟南軌道交通1號線的開通,這座以泉水聞名的城市正式邁入地鐵時代。但無法回避的是,濟南擁有特殊的地質構造和豐富的地下水資源,這給地鐵建設帶來了前所未有的挑戰。

泉水是大自然賦予濟南的瑰寶,濟南因泉而生,更以“泉城”聞名。作為我國北方巖溶大泉的典型代表之一,在這種復雜地質條件下修建地鐵,國內外并沒有成熟的案例可供參考與借鑒。

“規劃、設計地鐵必須繞開泉水敏感區,其目的只有一個,那就是盡可能地保護濟南的地下水資源,其修建難度之大可想而知。”84歲的山東省地礦工程勘察院原總工程師奚德蔭和濟南的泉水打了一輩子交道,在他看來,從來沒有一座城市像濟南這樣,因為修建一條地鐵而吸引了社會各界乃至全世界的目光。

一邊是保泉,一邊是發展,這對看似矛盾卻又必須正視的現實問題,不僅牽動著900萬濟南人民的心,也給城市規劃、地質勘察以及生態環保工作提出了不小的難題。

難 題

保泉是一道難以逾越的門檻

事實上,濟南在地下空間規劃與利用上的難題與困惑,不單單體現在修建地鐵上。

資料顯示,因受到諸多自然條件限制,目前濟南地下空間的開發利用尚處于起步階段。雖然目前中心城區地下停車場、地下商業依托民防工程、大型綜合體,逐步呈現立體開發趨勢。但從開發深度看,濟南城市地下空間開發多以10米深度為主,地下30米深度范圍內的工程目前涉及較少。

究其原因,在于濟南地下空間的開發利用必須要和“保泉”綁定在一起,即如何確保城市建設不影響泉水噴涌,這是作為“泉城”必須面對的現實問題。

從規劃歷史上看,濟南修建地鐵的設想最早可以回溯到上世紀80年代,但因為泉水,濟南地鐵規劃建設的腳步與決策一直是緩了又緩、慎之又慎,各方爭辯甚至到地鐵開建前都沒有停止。

“濟南沒有了泉水那還是濟南嗎?”2014年,山東城鎮治理與規劃協同創新中心副主任王洪軍曾公開表示不建議在濟南修地鐵,他認為濟南如若在山前平原這一帶泉群形成的區域修地鐵的話,就要把中部空間疏出去,這樣會破壞泉水。

這種慎重與擔心并非沒有緣由,這從近年來濟南南部山區的開發建設對泉水水質和水量的影響上就可見一斑。

南部山區是濟南泉水之源,生態環境十分敏感脆弱,隨著濟南市區不斷南擴,南部山區巖溶水補給區屢遭侵占,這成為泉水補給量減少的主要原因之一。

調查顯示,濟南的南部山區大批樓群林立,大面積地下車庫和相關設施等城市建設使山體遭到破壞,地層性能發生改變。

“目前來看,對南部山區實行‘從開發中保護,從保護中開發’只是一句理想的口號,在地鐵的規劃建設過程中絕不能走以前的老路。”奚德蔭多次參與濟南軌道交通線網規劃階段的研究和評審,他認為,濟南的城市軌道交通線路應盡量減少在巖溶水直接補給區內敷設,避免進一步影響補給區的生態環境和巖溶水補給條件,以減少對巖溶水地下徑流和地表溝谷滲漏的破壞。

也正因為如此,濟南地鐵的規劃論證經歷了漫長的過程。2009年7月,北京城建勘測設計研究院拿出了耗時8個月完成的《濟南軌道交通建設泉水影響研究報告》,其基本結論是,明確劃分出濟南不宜修建地鐵的敏感區域,探明局部路段修建地鐵的適宜埋深條件,在敏感區域外修建地鐵不會影響保泉。

2010年3月,濟南市邀請盧耀如、施仲衡、宋振騏、林學鈺等專家院士對這份來之不易的報告進行了評審。專家一致認為,濟南市建設軌道交通工程十分必要和迫切,已經具備修建軌道交通的條件,泉水保護研究成果準確、完整、可靠,研究目的明確,思路清晰、依據充分、內容齊全、重點突出,可作為地鐵線網規劃的依據。

奚德蔭表示:“今后地鐵建好后,也必須對線路、車站、場址等進行嚴格的護壁、防滲措施,防止水質污染。在工程施工同時須配套建設雨水收集、促滲工程,減少工程對補給的影響,并建立長期監測系統,掌握運行后水質、水位及地下水流場等變化情況。”

直到這時,濟南的地鐵能不能建?該怎樣建?要建成什么樣?才最終有了一份符合科學、順應自然、合乎人心的答案。

求 解

地質調查支撐規劃繞開泉水敏感區

9條線總長332公里,分市區軌道網、市域快線網兩個層次——濟南地鐵路網最終規劃設計方案出爐,堅持保泉優先是“紅線”。

“我們在形成的一系列泉水影響評價專題報告及專家評審意見的基礎上,系統分析了軌道交通規劃線路對泉水的影響,提出了‘繞避升抬’四字方案,即規劃線路繞開泉水敏感區,避讓泉水補給通道,臨近敏感區的線路采用淺埋敷設的方式,為保泉‘抬頭’。”濟南軌道交通集團有限公司總工辦主任李虎表示。

李虎所說的泉水敏感區,是指濟南市經十路以北、明湖路以南、歷山路以西、順河高架路以東的“井”字型區域,這里巖溶水埋深較淺,水量大,不宜修建地鐵。“但敏感區之外的地段通過‘繞避升抬’的方法,則可以解決地鐵與泉水和諧共生的難題。”李虎表示。

據了解,濟南的地層結構主要由土層、火成巖、石灰巖3部分組成,并按照從淺到深的順序排列。在敏感區以外,泉水在距離地面140米以下的石灰巖縫中流淌,而地鐵線路埋深約16~18米,相比較來說埋深較淺,并不需要建設到石灰巖中,而是淺埋在土層或火成巖中。

目前,濟南軌道交通已經開通的1號線,以及R2、R3線一期等建設規劃各線路均采取避讓泉水敏感區,地下車站全部采用淺埋法的方法,保證了站點和區間的結構埋深處在歷史最高水位以上,建設過程中不涉及巖溶水,不會對泉水水質產生影響。

“事實證明,只要前期規劃及工程措施實施到位,修地鐵就不會破壞泉脈。”山東省地質調查院副院長衛政潤表示,這種對地層結構“解剖式”的研究,也印證了城市地質工作在濟南軌道交通建設過程中所起到的先行作用。

2009年12月,山東省地質調查院啟動了“濟南市城市地質調查”項目,用了5年時間在濟南多個區域鉆孔取樣,結合數據庫技術、三維地質建模與可視化信息技術,建立了濟南城市三維可視化地質模型。

“鉆孔數量越多,我們所能了解的濟南地下空間的構造就越詳細,為了取樣更準確,有些鉆孔可能會打到地下400多米深,最淺的也要50多米。”衛政潤介紹,濟南經過幾十年的地質勘察,已有3000多個鉆孔樣本,現在又新施工了10000多個鉆孔,對此前不明確的地質情況有了進一步的了解。

“這就好比我們制作了城市地下的三維導航地圖。”衛政潤介紹,該項目利用各種技術建立的模型控制深度為350米,能夠多角度、多層次直觀感受濟南市地下空間構成形態,清晰表達出地層分界、地質體特征和地下水分布等,具備地下隧道開挖模擬、地下情景漫游等諸多功能。

實踐表明,該項目在濟南軌道交通建設中發揮了舉足輕重的作用,模型對穿越泉水徑流區及出露核心區的軌道交通線路建設提出了淺埋和地面地下相結合的模式,定量評估了軌道交通建設全過程對濟南泉水的影響。

隨著城市發展建設對地質工作不斷提出的新要求,目前,濟南軌道交通集團已委托山東省地質調查院牽頭建設了一套基于三維空間地質環境隨時間變化的濟南市泉域四維地質環境可視化信息系統。

“這是我國首個四維地質環境可視化信息系統。”據衛政潤介紹,該系統能將地下水流模型和地質結構模型有機融合,實現濟南城市地質的多源、異構、多參數地質大數據的統一管理與發布,為濟南軌道交通建設及保泉供水提供重要管理平臺,也將成為輔助未來濟南城市建設發展的利器。

李虎表示,作為該系統的應用方,四維地質平臺的建設不僅有助于提升領導層的決策能力,便于市民直觀了解軌道交通建設與保泉的關系,更能為濟南軌道交通全域線網的編制、規劃設計、施工建設和運營維護等各個階段工作提供地質環境方面的支持,尤其是在泉水保護研究成果的整理宣傳方面,具有無可替代的價值。

創 新

科技利器護航保泉護泉

2015年7月,濟南軌道交通1號線開工建設,而工程建設中的難點在于如何處理地下水:挖基坑需要抽水,而地鐵結構則要做好防水。

“濟南的問題不僅僅在于如何有效解決地下水,更為重要的是怎樣保護地下水。如果在地鐵建設過程中大量抽取地下水排出,這就與堅持保泉優先的原則相悖了。”山東省地礦工程勘察院院長彭玉明說道。

濟南軌道交通1號線的途徑路線雖然提前經過了周密、詳細、科學的規劃,但受地形條件限制,卻無法避開水量豐沛的濟西富水溶洞群,而R3線南段的龍洞片區和北段的白泉泉群出露區在施工過程中也不可避免的遭遇了大量地下水的問題。

該如何解決?“濟南地鐵基坑降水與回灌保泉關鍵技術”應運而生。這項由濟南軌道交通集團、山東大學、山東省地礦工程勘察院等單位聯合研發的新技術,目的就是通過加壓回灌井、大直徑變徑加壓回灌井等工藝,實現地下水原位回灌,起到保泉作用。

“我們運用新技術研發了周邊環境檢測系統、抽灌一體化設備及智能控制系統,施工中抽出的地下水八成都可以回灌到地下。在試驗時,有的試驗點甚至可以達到全部回灌。”彭玉明介紹,在R3線的施工過程中,其產生的施工降水經統一收集后,通過泵站管道輸送進行回灌補源,對于回灌補源以外的基坑降水,還統一排放到了白泉濕地公園用于水量調節。

濟南軌道交通集團提供的數據顯示,軌道交通1號線所有車站建設期內回灌率均達到了80%,回灌水量1500萬噸,相當于13個大明湖的水量。以該線路方特路為例,8個月施工期回灌地下水57.6萬噸,接近半個大明湖的水量。

“這項工藝可以實現地下水原位回灌,有效降低工程降水對泉水水位和水質的不利影響。”山東省地礦工程勘察院總工程師李常鎖詳細闡釋了這項新技術的亮點所在:一是實現了基坑降水和原位回灌一體化運行;二是針對濟南特殊地質結構設計,實現了無壓回灌與有壓回灌快速切換;三是智能化程度高,利用控制流量、壓力等參數,實現遠程自動化水量監控和管理。

目前,濟南軌道交通1號線每個車站均設置了1~2個監測井,用來實時監測當地的地下水位情況。“從目前來看,地鐵站的水位和周邊水位保持了一致,和開工建設初期并無不同。”彭玉明說道。

“雖然實施基坑降水原位回灌會不可避免地增加一些資金投入,但是保護好泉城的地下水是無法用金錢來衡量的。”李虎表示,無論何時,保泉都要放在濟南軌道交通建設的第一位,未來,他們將繼續深入研究并積極推廣應用降水回灌、結構導流等精準保泉措施,最大限度地保護好泉城的地下水,最終實現濟南軌道交通與泉水共存共榮。

未 來

泉水與地鐵并行共生

2018年5月17日,濟南軌道交通1號線首輛列車正式揭開了它的神秘面紗,與泉城市民見面了;今年元旦,1號線開通,接受市民的參觀體驗。列車最引人矚目的,就屬車廂內外處處凸顯出的“泉韻”,而位于車頭的篆體“泉”字,更成為了列車標志的主要圖形元素。

“我那天有幸參觀體驗了咱們濟南的首條地鐵。”雖然家住濟南東部,需要換乘多輛公交車才能到達位于西邊的地鐵站,但市民趙先生回想起當日乘坐地鐵的場景,依然難掩興奮:“我做了多年的‘地鐵夢’,終于實現了。”

濟南軌道交通1號線南北向貫穿西部城區,南起工研院站,途經長清區、市中區、槐蔭區,北至方特站,全線設車站11座,其中地下站4座、高架站7座,全長26.1公里,是全市軌交線網中貫穿南北的一條主干線。

為何首條地鐵要修建在西邊,而不在交通擁堵較為嚴重的中心城區?李虎表示這主要有3個方面的考慮:首先是基于保泉的需要,軌道交通建設剛剛起步階段,對泉水和地鐵之間的關系認知還不充分,泉水保護研究也不夠透徹;其次是積累工程經驗,1號線穿越濟西富水溶洞、濕地等地段,具有很高的代表性和實踐價值;再次城市發展戰略層面,1號線串聯濟南西客站、長清大學城、醫學谷以及將要建設的央企總部,可以有效引導城市發展。

奚德蔭認為,濟南西部地區的地質條件相對市區特別是臨近泉水敏感區而言較好,復雜度也比較低,地鐵1號線的修建,完全可以為后期修建經過市區的線路積累保泉經驗,并提供切實可行的技術支撐,“封閉降水和原位回灌等一系列技術上的突破就是最好的例證。”奚德蔭說道。

泉潤古今城,地鐵貫南北。在保護泉水與預留地下發展空間的前提下,濟南正加快編制全域軌道交通線網規劃。據了解,目前,濟南已經完成了地鐵二期建設編制、穩評等專題批復,完成泉水影響評價審查等,目前環評報告上報生態環境部審批,預計到2035年可形成500公里軌道交通線網,基本滿足市民出行需求,遠期形成700~800公里的線網規模。

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