地铁作为城市轨道交通之一，具有不干扰地面交通、节能环保、运输效率高等优点^[1]。然而，随着地铁工程的大力发展，不可避免地会影响城市地下水环境，地铁施工期间对周围地下水环境的影响尤为明显^[2-3]。本文以九峰井在武汉地铁19号线施工期间水位变化为例，结合工程地质、水文地质和水化学资料，分析地铁施工对地下水环境和台站流体观测的影响。地震孕育过程会引起地下水化学成分和物理性质发生改变^[4]，地下流体的动态变化可反映孕震过程及地震前后地下流体的内在信息，因此流体井前期选址尤为重要。

1 九峰井概况和地质构造背景 1.1 九峰井概况

九峰井位于武汉地震监测中心站院内，于2011-11-02完成钻井工作，钻井深度316.11 m，固井采用无缝钢管和花管，总计长度316.11 m。根据现场岩芯取样情况，钻井场地上部0~13.6 m为第四系粘土层；13.6~207.79 m为中石炭统灰岩，局部含溶洞；207.79~282.51 m为泥盆系石英砂岩，较为破碎；282.51~316.11 m为志留系泥质粉砂岩，透水性差。

1.2 地质构造背景

研究区位于扬子地台褶皱带西段，北距襄樊-广济断裂带12 km，东邻麻城-团风断裂带，主要岩性为下震旦统变质岩，构造线呈NW-SE向，岩层倾向SW，倾角32°~55°，局部构造区发育有次级褶皱，其轴线与上述构造线基本一致，轴面近直立^[5](图 1)。

2 九峰井水位变化

九峰井水位于2021-09底出现破年变加速下降异常，从历年水位变化来看，九峰井具有较明显的年变现象，每年上半年上升、下半年下降，基本与当年雨季对应；而2021年下降幅度远超往年，下降幅度达到2.36 m(图 2(a))。从归零年变曲线可以明显看出，九峰井水位下降已突破历年总体变化规律，呈破年变特征(图 2(b))。

3 地铁施工对地下水环境影响

九峰井岩芯资料和水文地质资料显示，研究区地下水类型大致可分为4类：1)松散堆积孔隙水；2)碎屑岩裂隙孔隙承压水；3)基岩裂隙水；4)碳酸盐岩裂隙岩溶水^[5]。九峰井周边上覆地层为第四系粘土，下伏地层为二叠系灰岩、碳质灰岩，其中溶蚀现象发育，局部见裂隙及溶洞，并有粘土及碳质侵入。虽然止水套管安装至灰岩以下地层，但因隔水层透水性较好，导致井水位常年受降雨影响。结合当地地形特征绘制九峰井周边水文地质剖面，从图 3可以看出，九峰井北侧和南侧海拔较高，北侧山脊最高150 m，南侧山脊最高190 m，九峰井位于南北山脊之间的山坳处，东西侧地势较低，为小型水库。根据《地震台站观测环境技术要求》(简称《技术要求》)(表 1)可知，九峰井水文地质条件分区属于中等区域，地质环境较复杂。

九峰井附近西北侧和西南侧分布有地铁19号线3号井和4号井，两井相距约1.2 km，距离九峰井直线距离约1.3 km。从武汉地铁集团收集的资料显示，盾构机于9月底下井安装调试，与九峰井水位下降时间对应良好，预计2023-08完工。施工所影响的地下水类型主要包括上层滞水、第四系松散沉积物孔隙水和碎屑岩裂隙水，补给来源受地表水影响较明显，与九峰井属于同一补给来源。该工程段采用目前国内比较常用的盾构法，是较为先进的全机械化施工方法，对地表影响非常小，且施工过程中不会受到恶劣天气干扰，适用于挖掘较深的隧道或松软含水层。盾构法施工排水量较大，会引起开挖区及其周边一定范围内地下水位下降，导致施工区附近出现水位凹槽^[6-7]。根据《技术要求》，开采层(地铁施工)与观测含水层补给来源相同时，中等地区的开采层最小间隔应大于5 km。而武汉地铁19号线实际开采间距为1.3 km，远低于规范要求，会对九峰井水位观测造成影响。

4 水化学特征分析

为明确九峰井井水补给来源及其周边地下水循环特征，分别采集九峰井、院内池塘和周边水库水样各1瓶，水样送至应急管理部国家自然灾害防治研究院地壳动力学重点实验室进行测试，结果见表 2(单位mg/L)和图 4。

4.1 水质分析

由图 4(a)可以看出，九峰井水化学类型为Na-K-Ca-HCO₃型，池塘水化学类型为Ca-HCO₃，水库水化学类型为Ca-HCO₃^[8]。3个水样水化学类型基本一致，但九峰井水中Na⁺和K⁺浓度偏高。

氯碱指数(CAI)可很好地表征地下水水化学演化过程中离子交换强度^[9]，表达式为CAI－1=(Cl^－－(Na⁺+K⁺))/Cl^－。若结果为负值，表明地下水中Ca²⁺或Mg²⁺与Na⁺进行离子交换；若为正值则相反。同时，氯碱指数绝对值大小可以表征其离子交换强度大小^[10]。九峰井水样氯碱指数为－2.9，说明该井地下水中Ca²⁺或Mg²⁺与Na⁺进行较强的离子交换，从而导致Na⁺浓度偏高，而井中K⁺浓度偏高可能是因为井下有富含钾离子的云母矿或长石矿等。

图 4(b)中Na-K-Mg三角图是水化学分析中较为常用的方法，可用来评价水-岩平衡状态和区分水质类型^[11]，池塘水样和水库水样落在右下角未成熟水处，而九峰井水样完全落在未成熟水处，再次证明其来源为周边山区地表水，受大气降水补给。

4.2 氢氧同位素

利用氢氧同位素测试结果可进一步印证补给来源。Craig^[12]利用大气降水氢氧稳定同位素数据绘制全球大气降水线(GMWL)，不同地区也存在各自特征的区域大气降水线(LMWL)。主要来源为大气降水的地下水，其同位素组成与大气降水类似。如果与大气降水线偏差较大，则可能与含水层中水岩相互作用有关。本文所取水样的氢氧同位素组成与大气降水线对比见图 4(c)，从图中可以看出，样品均位于武汉大气降水线附近，可以判断九峰井水主要补给来源为大气降水，与周边地表水联系紧密。

前文提到地铁施工对上层滞水、潜水造成影响，而九峰井水补给来源主要为地表水下渗的上层滞水和潜水，水化学资料分析结果进一步证明了该结论。地铁盾构施工期间会大量排水，影响周围上层滞水和潜水，从而减少九峰井水补给来源，造成水位下降。

5 结语

1) 九峰井水位于2021-09-23开始下降，周边主要影响为武汉地铁19号线盾构施工。岩芯资料显示，九峰井裂隙发育，隔水层透水性较好，与地表水存在联系。水文地质资料表明，九峰井地下水观测层位主要为地下潜水，但与地铁施工层位补给来源一致，均涉及到上层滞水、第四系松散沉积物孔隙水和碎屑岩裂隙水。盾构机下放时间为9月底，与九峰井水位下降的开始时间一致，盾构期间排水量较大，很可能对九峰井观测产生影响。

2) 由水化学特征分析可知，九峰井水质类型与周边水库、池塘等地表水水质类型基本一致；由水岩平衡分析可知，水库和池塘水样落在部分平衡水处，而九峰井水样落在未成熟水处，可判断九峰井水受地表水补给可能性较大；由氢氧同位素分析可知，样品均位于武汉大气降水线附近，可判断九峰井主要受大气降水补给，与周边地表水联系紧密。进一步证明，武汉地铁施工对周边上层滞水、潜水产生较大影响，减少九峰井水补给来源，造成水位下降。

3) 根据《技术要求》，九峰井水文地质条件分区属于中等区域，地质环境较复杂。地铁施工层位与观测含水层的补给来源一致，中等地区的最小距离应大于5 km，而武汉地铁19号线实际开采间距为1.3 km，远低于规范要求，会对九峰井水位观测造成影响。

4) 地震在孕育过程中会引起地下水化学成分和物理性质发生改变，观测地下流体的动态变化可获取孕震过程和震前震后地下流体的动态信息，因此流体井的前期选址非常重要。本文讨论武汉地铁19号线施工对九峰井水位观测的影响，得到一些流体井选址方面的认识：1)宜选在活动断裂带的主干断裂附近；2)需确保地下赋存有含水层且观测层应为承压层；3)应尽量避开人为干扰，选在郊区，避开大型项目规划用地；4)应选择地形和构造单元相对简单、周边水系较少的地区。