齊魯晚報·齊魯壹點記者 王皇 季明智 喻雯 任志方 孟杰

12月27日，濟南將翻開城市交通全新一頁。濟南地鐵4號線、6號線東段、8號線將通車，與1、2、3號線和濟南云巴牽手，網連泉城。在全國最長的城市道路之一經十路的下方，第一批乘客將乘坐濟南地鐵4號線穿過泉城公園地下。向北約1.4公里，趵突泉正水涌若輪，仍處在最佳觀賞期。自1988年提出軌道交通構想，渴盼了37年，這座山東省會城市終于將在城區(qū)中心迎來地鐵。

濟南地鐵4號線泉城公園站，為泉水“讓路”而“浮”出地面，成為全線唯一半地上站，也成為城市新景。齊魯晚報·齊魯壹點記者 王媛攝

“世界上建地鐵最難的城市有兩個，一個是西安，地下都是文物，一個是濟南，地下都是泉脈。”37年的蹉跎背后，是濟南這座城市在保泉與城市建設之間的反復權衡、考量、論證，也是建設者從理論研究和技術創(chuàng)新上的不斷突破。保泉與城市建設之間，該如何平衡？現代工程建設與生態(tài)保護，如何和諧共生？泉城濟南給出了自己破解世界難題的答卷。

月牙飛瀑景觀在地鐵4號線建設的4年多中都如期出現。記者 王皇攝

優(yōu)先保泉

建地鐵從“郊區(qū)”到市區(qū)

在城市發(fā)展中,軌道交通能滿足快速、大運量城市交通出行的需求,成為解決交通擁堵的優(yōu)先選項。早在1988年,濟南就萌生了地鐵夢,但直到2015年7月濟南第一條軌道交通線才打下第一樁基孔正式開工。2019年4月1日,濟南軌道交通1號線正式運營。歷經31年,濟南終于圓了地鐵夢,成為最后一個通地鐵的副省級城市。橫貫濟南東西城區(qū)、有“地下經十路”之稱的4號線,也終于在6年后開通,這37年間到底經歷了什么?

這要從濟南特殊的地質條件說起。

“世界上建地鐵最難的城市有兩個:一個是西安,地下都是文物；一個是濟南,地下都是泉脈。”趵突泉旁的導游道出了濟南建地鐵要面對的特殊難題。在泉城建地鐵,除了要滿足國家設定的建設條件外,還要以保泉為先。

保泉,是濟南地鐵建設的“紅線”和“底線”。

老舍筆下,濟南的泉水“冒,冒,冒,永不疲乏,永不退縮,只是自然有這樣的力量”。在文獻記載中,濟南的泉水已至少噴涌了3500年,能追溯到商朝。據山東省地下水環(huán)境保護與修復工程技術研究中心的測定,濟南的泉水早在46000年至23500年前就已出露。濟南有1209處泉水、950處名泉,眾多泉水集中出露于城區(qū),屬世界僅有。

濟南建地鐵的巨大難度也在這里?！皾系刭|條件復雜,看不見的泉脈在地下綿延,建設地鐵會不會影響泉脈,需要首先解決。”濟南軌道交通集團科研管理部部長門燕青說,這個問題的解決,有賴于對泉水特別是泉水成因的認識。

在20世紀90年代,對泉水成因、泉域范圍,學界尚存爭議,泉城能不能建地鐵還亟待科學研究支撐。

20世紀90年代開始,濟南就多次設立城市軌道交通籌建機構,但又先后因國家政策限制、泉水出現全年停噴等情況而撤銷。在泉水成因和如何科學保泉的問題沒有得到科學解答之前,濟南主動為地鐵建設按下“暫停鍵”。

濟南泉水成因示意。濟南軌道交通集團供圖

直到經過多年的勘察、論證,濟南逐步摸索出一條科學保泉之路。山東省地礦工程勘察院(山東省地礦局八〇一隊)一位泉水保護專家介紹,2000年以來,濟南實施“引黃保泉”“生態(tài)補源”,并推進“封井、引水、增雨、補源、節(jié)水”的各項保泉措施。2003年9月6日,趵突泉停噴18個月后迎來復涌,此后持續(xù)噴涌至今。“泉水復涌后,我們建議濟南堅持調蓄補源、采外補內、開源節(jié)流的方法保泉?！鄙鲜鰧＜艺f。科學保泉和城市發(fā)展找到了平衡點,濟南地鐵建設才重新啟動。

2009年起,濟南系統(tǒng)推進軌道交通線網規(guī)劃、泉水保護專題研究、客流預測分析、建設規(guī)劃和工程可行性研究等工作。同年7月,濟南市委托省地礦局八〇一隊等多家專業(yè)單位共同進行勘探、物探、水文試驗等,歷時8個多月完成的《濟南市軌道交通建設對泉水影響研究報告》,劃定了地鐵建設的敏感區(qū)與適宜區(qū),明確“在避開敏感區(qū)域前提下,地鐵建設不會對泉脈造成不利影響”。首次正面回答了濟南能否建設地鐵。

濟南軌道交通集團總經理李虎說,濟南軌道交通集團本著“慎之又慎、安全第一,確保泉水保護萬無一失”的建設理念,濟南建設地鐵“先外后內,先易后難”,一期建設的3條地鐵線路均離泉水敏感區(qū)較遠。

經十路建地鐵的呼聲更高。濟南南依泰山、北靠黃河,城市狹長生長,貫穿東西的交通主動脈經十路日均承載車流量超10萬輛次。高峰時段通勤壓力尤為突出,雙向十二車道的道路資源在潮汐車流沖擊下頻頻突破承載極限。濟南迫切需要一條能夠連接東西城區(qū),緩解經十路交通壓力的地鐵線路。2013年底濟南軌道交通集團成立后,在推進一期線路建設時,就同步開始了二期規(guī)劃報批工作,其中橫貫市區(qū)的4號線成為重中之重。

經十路晚高峰

“相比一期線路,二期線路的報批難度更大。”重點參與濟南城市軌道交通第二期建設規(guī)劃報批工作的山東軌道交通工程咨詢有限公司高級工程師王鑫說,二期線路也繞開了泉水敏感區(qū),但與一期相比,線路離泉水敏感區(qū)更近。其中,穿越經十路的4號線,還在泉水出露點的上游位置,評審專家們高度關注擬規(guī)劃線路是否會影響泉脈和周邊泉水徑流。

“2017年,濟南修訂了《濟南市名泉保護條例》,明確將‘優(yōu)先保泉’作為重要原則貫穿于城市軌道交通規(guī)劃、建設、管理全過程,要求城市軌道交通規(guī)劃和建設必須符合名泉保護條例?！眳⑴c二期建設規(guī)劃線路《泉水環(huán)境影響評價》撰寫工作的山東省地礦工程勘察院(山東省地質礦產勘查開發(fā)局八〇一水文地質工程地質大隊)高級工程師吳沙沙介紹,二期擬規(guī)劃線路多個站點位于泉水補給區(qū)和出露區(qū),根據條例規(guī)定,需在立項前完成詳細的水文地質論證,施工中加強對于地下水與徑流通道保護,避免破壞泉脈和造成水質污染,并采取有力措施促進雨水回補地下水。

歷時四年編制,2019年公布的《濟南市名泉保護總體規(guī)劃》進一步細化了保泉要求和管理規(guī)范?！啊稘鲜忻Ｗo總體規(guī)劃》為濟南軌道交通二期建設規(guī)劃提供了重要依據?！遍T燕青說,地鐵建設要達到總體規(guī)劃中對保護泉水的要求,促使?jié)宪壍澜煌瘓F深化泉水理論和保泉技術研究,努力實現“通地鐵”與“保泉涌”的雙贏。

“看”清泉脈

模型讓地下構造“活”起來

建地鐵的前提是保泉。

“保泉的第一步是識泉,識泉的關鍵是‘看’清濟南地質構造,摸清泉水的潛流通道和噴涌成因,具體到地鐵建設,還要弄明白地鐵建設與地下水的位置關系?！遍T燕青說,濟南地鐵建設走向城市核心區(qū)域的過程,伴隨著對泉水認識的逐步深入。

為了“看”清地下,濟南軌道交通集團打造了國內首個數字孿生城市四維地質可視化信息平臺,融合物聯(lián)網、云計算、人工智能與增強現實等前沿技術,構建BIM+GIS的泉域四維地質環(huán)境可視化信息系統(tǒng),首次刻畫出濟南城區(qū)近2000平方公里的可更新、高精度地質環(huán)境耦合模型。“這個模型是四維的,它除了模擬地質外,還能模擬出地下水的流動,能模擬建地鐵線路沿線的地質條件和泉水運移規(guī)律,在線路規(guī)劃階段指導保泉?！睗宪壍澜煌瘓F總經理助理兼總數據師李罡說。

濟南軌道交通集團打造了國內首個數字孿生城市四維地質可視化信息平臺，平臺能實現地下水數值模擬模型與地質模型有機融合。濟南軌道交通集團供圖

“這個平臺在二期地鐵建設規(guī)劃報批以及后來的軌道交通規(guī)劃、建設與運營的全過程,都起到關鍵作用。”王鑫說,以前看不見的地下構造,在模型中“活”了起來,在二期線路報批時,評審專家可任意調取剖面,直觀“看”到地質和水位信息,科學評估線路布局的合理性。

為構建好這個大規(guī)模的三維地質體,讓模擬更接近現實,項目團隊搜集了濟南60多年來的多源地質數據,涵蓋住建、地調、地勘等多部門檔案,歸集軌道交通建設中的9500個初期鉆孔和二期1.5萬個勘探孔,累計使用超3萬個鉆孔數據,30萬條水位水質記錄、10萬組試驗數據和200余份成果圖件與報告。其中,老一輩地質專家為支持濟南軌道交通事業(yè)提供了近千個二十世紀六七十年代的深鉆數據。

“最早的鉆孔是1941年的。”濟南泉脈保護技術研究中心技術人員王宗月打開了平臺,數據庫中一張張穿越歷史而來的鉆孔卡片,清晰記錄著鉆孔的地理位置,用柱狀圖畫出了不同巖層深度的巖性?！半S著城市發(fā)展,這些鉆孔的點位大多數已被高樓覆蓋,很難復鉆。地質條件幾十年間是相對穩(wěn)定的,所以這些珍貴的地質資料為認識濟南地質構造和平臺搭建提供了重要支撐?！?/p>

王宗月說,可視化平臺還可以直觀展示軌道沿線不良地質體,優(yōu)化勘察布孔,提高勘察效率,還能模擬盾構掘進中可能遇到的復雜地層,為設備選型與參數設定提供依據,保障施工安全與經濟性?！霸?號線全線穿越巖層的施工中,勘察單位給出了幾十兆帕的強度,但借助平臺進一步開展水文地質研究,我們發(fā)現部分區(qū)段巖體強度達到了一百多兆帕,遠超初期預判。這一關鍵數據為盾構設備選型和關鍵參數配置提供了依據?！?/p>

搭建起數字孿生城市四維地質可視化信息平臺后,濟南在地鐵建設前進行精準勘測,不斷研究和利用地下水精細化探查技術,“勘”清泉脈。

針對濟南復雜的水文地質條件,如溶洞、孤石、硬巖與軟硬交錯地層,濟南軌道交通集團聯(lián)合山東大學、中南大學、山東省地礦工程勘察院等單位,引入廣域電磁法、探地雷達、井地電阻率及鉆孔三維聲吶成像等綜合物探技術,完成了濟南中心城區(qū)70平方公里范圍、地下1000米以淺的地質精準探測。

“我們運用中國工程院院士何繼善主導研究的大深度高精度廣域電磁勘探技術,和院士團隊一同進行了地表以下1000米以淺的廣域電磁探測,形成了泉城地下三維電性結構圖?！崩罨⒄f,這是該項技術首次被創(chuàng)新應用于城市泉脈識別,通過捕捉巖溶含水通道引起的低電阻異常,結合鉆孔驗證,精準圈定地下水主要徑流路徑。

李虎說,這一技術之前多用于郊野找礦,濟南通過技術創(chuàng)新降低了市區(qū)嘈雜環(huán)境對勘探的干擾,讓這一技術真正成為洞悉泉城地下的“千里眼”,實現了主城區(qū)泉水敏感區(qū)全覆蓋。從廣度和深度上“勘”清了泉城地下。

“躲開”泉脈

“繞避升抬”給泉水讓路

“看”清了地下泉脈和地下徑流情況,濟南軌道交通集團創(chuàng)新提出了“繞避升抬”的線網規(guī)劃原則,為地鐵建設中的保泉工作筑起了第一道堅實屏障。

門燕青介紹,“繞”指繞開泉水核心區(qū)。在還沒有精準掌握核心區(qū)泉水徑流通道位置與埋深的情況下,濟南軌道交通線網規(guī)劃始終主動繞開這一區(qū)域,從平面空間上拉開軌道交通與泉水核心區(qū)的距離,最大限度降低或規(guī)避軌道交通建設對泉水生態(tài)系統(tǒng)可能造成的影響。濟南軌道交通一期、二期線路都繞開了泉水核心區(qū)。比如,4號線千佛山段經過反復論證,最終選擇了繞開巖溶水主徑流區(qū)的方案,保持與泉群的安全距離。

繞 濟南軌道交通集團供圖

“避”則是避開巖溶含水層。地鐵建設在泉水環(huán)境影響評價階段,開展詳細的地質與水文勘探,明確巖溶含水層和徑流通道位置,濟南地鐵在線網規(guī)劃和設計階段,就確保線路區(qū)間和車站避開這些敏感層位,從垂直空間上拉開與地下水徑流通道間的距離。

“升”則是升高軌道交通線路埋深。對于可能穿越含水地層的區(qū)間,通過合理調整線路的坡度和埋深,使軌道交通線路適當升高至現狀巖溶水水位以上,避免與含水地層接觸,最大程度降低對泉水的影響。4號線進行線網規(guī)劃時,依據勘察數據,線網埋深設置在巖溶位線之上。

升 濟南軌道交通集團供圖

“抬”是抬高軌道交通車站埋深。對臨近泉水核心區(qū)的車站,在設計階段綜合考量地下水位、地層結構和泉水徑流等因素,通過優(yōu)化車站設計方案,如采用單層、半地下、淺埋、地面或高架車站等方式,確保車站底板高于巖溶水水位,最大程度減少對地下水的影響。

趵突泉泉群正南約1.4公里處的4號線泉城公園站,就為給泉水讓路“浮”出了地面。這是目前全省唯一的半地上車站——車站B、C出入口露出地面的坡屋面平均高7.1米,穹頂最高點高出地面9.6米,地鐵車輛則在地下淺層穿過,軌面埋深12.4米。

濟南軌道交通集團建設投資有限公司4號線項目部現場經理張兆輝說,泉城公園站建設的原方案需下挖22米,底板接近30年最高水位,考慮到車站處于地下徑流的“上游”位置,集團對方案進行了優(yōu)化,車站整體抬升了7米,埋深減少至15米,成功避開了巖溶含水層,抬升的車站也因此“浮”出了地面,經過精心設計,與泉城公園融為一體,成為泉水保護與城市建設和諧共生的生動注腳。

科技“護”泉

“勘灌測疏”組合拳硬核破題

進入施工階段,濟南地鐵面臨著更為復雜的保泉技術挑戰(zhàn)。濟南通過“勘灌測疏”的技術組合拳,破解難題。

施工降水回灌,讓地下水“返回統(tǒng)一深度”。曾在多個城市進行地鐵施工的中鐵二十局4號線省體育中心站現場技術工程師陸亞中坦言,第一次遇到對地下水如此“吝嗇”的甲方,在濟南建地鐵,他第一次接觸到降水原位回灌技術。

多數建設工程進行基坑開挖時,會排走挖出的地下水,空出作業(yè)面。工程施工降水多通過市政管網排走,若同期出現大規(guī)模施工降水,將影響地下水儲量。為最大程度減少施工對地下水的影響,濟南軌道交通集團聯(lián)合山東省地礦工程勘察院(山東省地礦局八〇一隊)研發(fā)出了“基坑降水原位回灌一體化”裝備,讓地下水實現“同層往返”。

濟南地鐵4號線省體育中心站降水回灌現場。資料片

4號線千佛山站開工時,施工方在地鐵基坑外圍布設了22口回灌井,施工現場,抽出的地下水經沉淀箱初步凈化,再通過專業(yè)水處理裝置過濾雜質,最終通過回灌井重新回注到基坑阻水墻外的原含水層?！盎咏邓换毓嗉夹g,能實現‘同源、同層、同質、同量’的原位回灌。站點施工期間累計回灌水量達50萬立方米,相當于200個標準游泳池的蓄水量?！睆堈纵x說。

濟南地鐵建設之初為減少車站施工對地下水的影響，研發(fā)了降水回灌技術，圖為示意。濟南軌道交通集團供圖

這一技術早在濟南進行地鐵一期建設時就已研發(fā)投用,在二期建設中,進一步升級,回灌效率提高了3倍以上。

導流技術首度應用,打造地下水“隱形通道”。為緩解車站建成后可能引起的地下水位壅高問題,濟南地鐵二期建設中還首次研發(fā)應用了軌道交通車站導流技術?！跋袢枪珗@站,雖然已經做了抬高設計,但還存在水位在車站迎水側和背水側出現高差的風險,這就可能影響車站安全?！鄙綎|省地礦工程勘察院(山東省地礦局八〇一隊)高級工程師高揚說,U型導流通道技術正為解決這一難題而研發(fā)。施工中,在車站兩側打下匯水碎石樁,底部預留導流槽。豎向匯水系統(tǒng)能快速把被車站結構截堵的地下水導流到車站下方的導流槽,再經導流槽導流到車站另一側原含水層中,有效恢復地下水的徑流?！熬拖袷墙o地下水安裝了一條‘隱形過水通道’,讓地下水自由流動,又保障了車站安全?！?/p>

濟南地鐵4號線用上了軌道交通車站導流技術，讓地下水有了隱形通道。濟南軌道交通集團供圖

CT+透水材料,精準應對溶洞與涌水。濟南巖溶地質發(fā)育顯著,4號線建設臨近泉水敏感區(qū),溶洞成為隧道施工中的重大隱患,安全穿越巖溶區(qū),事關保泉和盾構施工安全。

在山東省地礦工程勘察院(山東省地礦局八〇一隊),記者看到一張紅綠藍相間,標注著鉆孔編號的長圖,里面畫出了4號線保泉重點路段的溶洞位置。

“為了摸清溶洞分布,我們幾乎是給大地做了‘全身體檢’,像醫(yī)院體檢拍CT一樣,我們在保泉重點路段,做了跨孔CT掃描。”山東省地礦工程勘察院(山東省地礦局八〇一隊)高級工程師王洪禎說,跨孔CT掃描通過向地下布設2個一組的鉆孔,對鉆孔之間的地下空間進行掃描?！?號線2.2公里長的保泉重點路段,我們做了740組掃描,詳細查明了地下50m以淺,直徑大于等于50厘米的溶洞的三維空間分布和充填情況。”

山東省地礦工程勘察院(山東省地礦局八〇一隊)正在為地鐵4號線沿線“拍CT” 資料片

除鉆孔掃描外,4號線千佛山站至泉城公園站區(qū)間,還用上了濟南軌道交通集團聯(lián)合山東大學研發(fā)的光纖微動探測裝備。“光纖微動探測裝備是我們?yōu)樘矫鳚蠌碗s的泉域地質而研發(fā)的,這種技術類似蝙蝠利用超聲波定位,它把市區(qū)車輛噪聲變?yōu)榘l(fā)射源,識別地下溶洞和破碎帶?！鄙綎|大學齊魯交通學院城市地下空間工程系教授、博士生導師王旌介紹,探測裝備基于地震波反射法,探測精度達到米級。發(fā)現溶洞后,能使用同樣由雙方聯(lián)合研發(fā)的新型溶洞充填透水材料,該材料是孔隙結構,既具備極高強度,像鋼筋一樣堅固,又能保持良好的透水性,像海綿一樣讓水自由通過,完美兼顧結構安全與水流暢通。

濟南軌道交通集團聯(lián)合山東大學研發(fā)的新型溶洞充填透水材料，就像“堅硬海綿”一樣，兼顧結構安全還能讓泉水流動。山東大學供圖

此外,針對富水地層中常見的突發(fā)涌水,項目團隊采用了綠色抗動水封堵材料。材料可注性強、凝結快,能在遇到突發(fā)涌水時快速凝結,像“防水創(chuàng)可貼”一樣堵住滲漏點。更重要的是,它環(huán)保,不含強堿、強酸、重金屬成分,不會對地下水造成污染。

技術創(chuàng)新不僅保障了地鐵建設的順利進行,還形成了一套可復制的技術標準。目前,基坑降水原位回灌技術已在二期工程共72個站點應用,導流技術也在泉城公園站、山師東路站等重點車站得到應用,并推廣至千佛山站TOD綜合開發(fā)項目。

全程保泉

“警診養(yǎng)評”閉環(huán)與泉共生

地鐵4號線順利通車,但保泉工作并未結束,保持著對泉水的敬畏,一場貫穿地鐵全生命周期的“持久戰(zhàn)”正在推進。秉持對泉水的敬畏,濟南軌道交通集團以“警診養(yǎng)評”技術策略,構建起覆蓋規(guī)劃、建設、運營全過程的保泉閉環(huán)體系。

在泉城公園站,記者看到,3口深度分別為25米、50米、80米的永久監(jiān)測井如同“地下水聽診器”,通過智能傳感設備實時捕捉厘米級精度的地下水動態(tài),讓遠在辦公室的監(jiān)測人員能遠程“聽取”地下水位“呼吸”,保泉巡檢員每周還會實地復核數據。

在基坑施工前,同步布設臨時監(jiān)測井,精確監(jiān)測施工對地下水位的影響。有了“聽診器”,地鐵建設者能夠實時掌握地下水位的動態(tài)變化,及時發(fā)現異常情況并采取應對措施。目前,濟南軌道交通集團已在全市建成200多個地下水長期監(jiān)測點,形成了較為完善的監(jiān)測體系,實現了對地鐵沿線地下水水位二十四小時分層實時監(jiān)測。

依托地下水自動化實時監(jiān)測系統(tǒng)、數字孿生四維地質可視化信息平臺,結合常態(tài)化開展地下水水質檢測,濟南軌道交通集團全面強化對地下水環(huán)境的實時監(jiān)測與智能預警。地鐵通車一年后,還會開展泉水環(huán)境影響后評估,對關鍵路段開展泉水影響定量評價。

“濟南地鐵4號線保泉全過程咨詢工作開始于2021年?！蓖貊握f,這也是濟南在地鐵建設中首次引入保泉全過程咨詢,目前4號線項目已完成現場巡查2800余次,采集水樣1600余件,水量與水位監(jiān)測分別達1700余點次和3300余點次,設置了64眼永久監(jiān)測井。

監(jiān)測數據也成為濟南地鐵建設保泉優(yōu)先的力證。在4號線施工期間,2022年10月,趵突泉水位達到30.27米高位,今年10月15日,趵突泉水位更是創(chuàng)下近60年新高,達到30.32米。

此外,4號線建設的4年多時間,二期建設項目迎來同步施工高峰期,濟南所有泉群全部噴涌的“信號泉”月牙泉都迎來噴涌,出現“月牙飛瀑”盛觀。這也是2003年趵突泉復涌以來,“月牙飛瀑”盛景首次連續(xù)5年出現。

運營階段同樣需要與泉水共生,濟南軌道交通集團聯(lián)合山東大學研發(fā)出隧道表觀病害智能精細探查機器人,精準識別裂縫與滲漏水；還有隧道結構內部病害智能巡檢機器人,負責探測外部孔洞與溶洞,全面保障運營安全與地下水穩(wěn)定。此外,依托軌道交通結構綠色智能養(yǎng)護裝備及材料,實現了軌道交通運營期結構病害綠色、精準修復,養(yǎng)護工作更加生態(tài)友好。

濟南軌道交通集團聯(lián)合山東大學研發(fā)出的隧道結構內部病害檢測機器人正在作業(yè)。濟南軌道交通集團供圖

正如濟南軌道交通集團相關負責人所說:“我們不僅要讓地鐵順利穿過泉城,更要讓每一滴泉水都能自由流淌?！比缃?穿行于泉脈之上的地鐵,正以科技之力延續(xù)著這座千年泉城的生命律動,書寫著城市建設與自然保護和諧共生的新篇章。

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