基于环境问题的隧道工程论文范文

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1隧道及地下工程的环保优势

1．1碳的集排、利用及垃圾洞库目前我国大中城市的环境污染源主要有废气和垃圾。其中，废气来自于各种用途的燃料，垃圾来自于生产和生活。随着人们生活水平的不断提高，城市交通车辆猛增已是无可阻挡的潮流，汽车尾气已经成为废气的主要成分。就现在的技术水平来看，解决“交通污染”的办法有3个:1)大力提倡和发展公共交通;2)改用电动交通工具;3)将地面行车线改入地下，并实施CO2的集中排放和收集。国内外大中城市将行车道路和市政设施改建进入地下的工程实例有很多(如图3所示的北京中关村地下交通设施)，大多是为了解决地面拥挤和交通堵塞。如何实现CO2的集中排放和捕集尚在科研和设计中［2］。不过，这个设想是可以实现的，它需要城市地下交通及设施形成相当规模、相对封闭的系统，才能够进行通风供氧和集中抽排，进而将捕捉、收集到的CO2作为化工原料，变废为宝。世界上已有许多城市将生产和生活垃圾集中起来，分拣、打包处理，封存在地下洞库内，待以后利用。垃圾洞库的选址一般是在城市近郊的山丘地区，洞库除围岩要有足够稳定的条件之外，还要与地下水隔绝，避免形成新的污染源。图4为挪威卑尔根地下垃圾库。

1．2其他可资利用、效益显著的工程特性1)如将车行道路的主干部分建于地下，可以大面积节约土地，这对于土地资源紧缺的中国有着重大的意义。2)如将水上桥梁改为水下隧道，不但可以避开台风、暴雨、雷电、雾霭，实现全天候运输，而且水运航道和堤防不受任何威胁和影响。3)如将城市道路及市政设施置于地下，可以隔断大部分噪音源，并能换来大面积绿地和安宁、恬适的人文环境。

2隧道及地下工程对环境的破坏作用

2．1水土流失隧道及地下工程施工改变了地层及地下水的原始状态，形成了人为的地下空洞和水流通道，难免会造成不同程度的水土流失。在失水地层的局部“负压”下，使得浅层地下水加速渗入。一方面表现为地下水位下降，地下渗流或径流的状态发生改变，地表水也会受到影响，甚至局部断流干枯，继续下去将造成区域性的生态环境改变;另一方面，岩土中的细微颗粒随流体逸出，加大了地层空隙，使渗流阻力减小，进而形成水土流失更加严重的恶性循环。在溶岩地区开掘隧道水土流失现象极其普遍，教训深刻。衡广铁路复线大瑶山隧道开挖通过9#断层及其破碎带，在短短的几天内，突水量由开始的3000m3/d猛增至70000m3/d，竖井被淹;班古坳地区0．6km2内发生200多处塌陷，毁坏农田4．5hm2，出现危房139间，16户居民拆迁，经济损失达1371．8万元［3］。襄渝铁路中梁山隧道因长期突泥涌水，造成隧道顶部地表48处井泉干枯，29处塌陷，533．33hm2农田缺水，居民和家畜饮水困难，生态环境严重恶化。图5为隧道突泥与涌水的现场照片。因此，认为隧道开挖施工只是影响深层地下水，对浅层地下水和地表水以及植被生态影响不大的观点是极其错误、非常有害的。

2．2地表沉陷隧道及地下工程施工造成地表沉陷的原因有2个:1)开挖后洞体变形、围岩位移牵动地表，呈现一定规律的沉陷，其形成过程较快，往往在数小时之后即可测出;2)因为存在上述水土流失的情况，沉陷形成的过程较长，且其位置和状态与地质构造有关，故一般难以确定。这里所指的地表沉陷主要是第1种情形。地表沉陷对邻近建筑物、道路及管线影响较大，严重时会形成灾害性事故，如图6和图7所示的2个案例。一般情况下，隧道及地下工程的设计文件中会对各种情形下的地表沉陷给出限值，譬如道路的、管线的、建筑物的等等，但这些限值往往是经验性的，如果在具体操作过程中把握不当或出现失误，照样会因为沉陷过度而发生安全或质量事故。控制地表沉陷的关键在于围岩预加固和洞室开挖后的初期支护。

2．3爆破振动目前，我国在岩石地层中进行隧道及地下工程施工开挖主要采取爆破的方法。反反复复的爆破冲击和振动不但扰动和破坏了地层，而且对地表环境也造成了不利影响，特别是在人口和建筑物密集的地方以及国家设置的重点保护对象所在区域，爆破产生的冲击、振动和噪音危害非常显著。因爆破规模失控或保护措施不力而酿成安全事故和民事纠纷的案例较多。

2．4“三废”危害所谓“三废”，即废渣、废液、废气，在隧道及地下工程施工中皆有存在，但比较突出的是大量的废渣处理。长大隧道施工动辄出渣量达几十万甚至上百万m3，多处在地质灾害频发的高山峡谷中，如果处置不当，会加剧灾害发生的频度和规模。由于地形限制，要妥善处理大量的弃渣十分困难。在大城市中进行隧道及地下工程施工，弃渣运输和处理也非易事，往往被高额的成本所困。隧道废液也很有害，它由地下水、施工用水、泥浆、机械用油、残存的爆炸物、水泥及其添加剂等混杂而成，排流出洞。如果不对这些废液做适当的净化处理，任其流淌，则会对下游水源及河流造成严重污染，危害人畜及其他生物的生长。隧道及地下工程废气是指洞内排出的被污染了的空气，其中含有爆炸产生的气体和烟尘，工作机械及运输车辆尾气，地层中蕴含的各种气体，也有洞内工作人员呼出的气体，这些混杂在洞内空气中的有害气体会给洞内工作人员的生命安全和身体健康带来极大威胁。洞内废气被排出洞外以后，很快便扩散在大气中，尽管它对洞外空气有所污染，但数量有限，程度轻微，不被人们所关注。隧道通过的某些地层会含有放射性物质，超标的射线将严重损害隧道工作人员的身体健康。这些放射性物质也会进入工程“三废”被带出洞外，污染洞外环境，甚至酿成难以承受的恶果。

3如何减少隧道工程对环境的不利影响

3．1从长计议，适当提高设计与施工标准工程建设的目的是利国利民、造福社会。在新中国建国初期，我国技术落后，财力不足，为了尽快满足人民群众物质生活的最低需求和维持国家政权的安全稳定，基础设施建设重速度、轻环保的倾向是不能完全避免的，也是可以理解的。但在60多年后的今天，国家已经有了良好的发展基础和相当强大的经济实力，工程建设就应该把环境保护放在首要位置。随着隧道工程技术水平和施工生产能力的提高，应该把选择隧道施工技术方案的主导思想由以工程实施为主转变为以自然生态环境保护为主，也包括对施工人员的保护。要尽可能地减少对地层和地下水的扰动和破坏;对工程“三废”的处理应纳入设计，设置专门章节，足额预算，专款专用;对于那些不可再生的环境资源和物种，一定要慎之又慎，不惜代价，强行保全。就目前国内隧道及地下工程的设计标准来看，往往达不到环保需求，同世界先进水平相比，差距是明显的。多年前，在日本和台湾看到的2个工程实例给人留下了深刻的印象，为了环保目标，他们不惜付出了高昂的工程代价。日本东京八王子市城际公路隧道所穿越的山上有一种鹰，属国家级保护动物，为了使这种鹰的生存不受隧道施工的干扰，硬岩开挖不用爆破而采用护盾式掘进机中导洞法施工，而后再用机械的方法扩大开挖。车辆运输由专人指挥监督，限速禁声，只要发现山上群鹰有骚动迹象，便立即停车待命。长度只有2．4km的双线公路隧道计划要6年才能完成，如图8所示。台湾高雄地铁一号线工程在三条道路交叉的街口广场施工，与预留的二号线交叉构成换乘站，为保证邻近建筑物的安全和地基稳定，维护结构设计成直径140m、厚度1．2m、深度65m的地下连续墙，真可谓“固若金汤”，如图9所示。

3．2地质预报应放在技术工作的首要位置隧道及地下工程所遇到的“麻烦”多数在水的处理上。较早的铁路隧道施工规范中提出“以排为主、排堵结合”的治水原则，但以排为主会造成过多的水土流失，是牺牲环境保障施工的做法。在有了许多破坏环境的教训之后，后来的铁路隧道施工规范改为“以堵为主、排堵结合”［4］的治水原则。但是，近些年来在西南部岩溶地区进行隧道施工的挫折又使许多人对“以堵为主”的原则产生了疑惑，又重新回到了“以排为主”的路子上。如今，隧道设计者主流持“中庸”态度，提出“强化结构、限压排水”的法则，认为全水头承压设计不现实，自由排放使得环境损失太大。总之，隧道工程设计对于水的处理至今莫衷一是。隧道及地下工程施工所遇到的地下水有静态和动态2类。部分岩溶水、裂隙水和含水层中的水是静态的，而地下渗流和径流属于动态的。由于隧道及地下工程施工的扰动，原来的静态水有可能成为动态水，原来的渗流和径流也会改变流向及流量。图10为地下径流示意图。对于径流，只能使其局部改变流向，适当远离隧道或地下工程结构。处理方案须把握2点:1)不改变径流的最终出路，即不改变相关区域水环境的原始状态;2)不形成对隧道及地下工程结构有害的水压和侵蚀，确保2倍洞径范围内的围岩稳定。对于渗流，则应遵照达西定律流量计算式Q=kAH/L所表达的基本含义，采取相应的工程措施，以减少渗流流量。1)通过帷幕注浆较大幅度地降低岩土的渗透系数k值;2)尽可能延长出水点距离以增加渗流路径长度L，如加大隧道独头施工能力、减少斜竖井等辅助坑道数量、合理设置隧道渗水孔及地下水排放点等;3)过水断面积A和总水头损失H也可因地制宜，选取相应对策，如设计中适当提高隧道底标高，洞顶引流、堵漏、防渗，等等。城市地铁施工以抽排降低地下水位来为施工创造条件的做法较为普遍，却是不可取的。长期大流量抽排地下水会造成地面差异沉降，甚至形成地下空洞等安全隐患。值得提倡的做法应该是“水下作业、保水施工”，这就要求在施工手段和施工工艺上花代价、下力气。

3．3正确认识和运用“长隧短打”在有条件的地方设置辅助坑道(斜井、竖井、横通道或平行导洞)，通过辅助坑道开辟隧道中间作业面，实现“长隧短打”，是隧道建设者的习惯做法。但是现在应该重新认识这个问题。如图11所示的隧道施工方案示意图。“长隧短打”是由隧道工程建设技术水平所致，人们为了克服自然障碍，然而受限于施工生产能力，不得已而为之。所以它不应该是积极的“战略”措施，而是依据具体情况采取的“被动”方针。辅助坑道，尤其是斜、竖井对地层自然状态的破坏显而易见，其对水文状况的改变所引起的后果非常严重。在我国西部大开发建设中，交通、水电项目的长大隧道工程有很多，由于西部生态环境十分脆弱，地表和地下的水土保持问题会显得更加突出。评判钻爆法隧道施工水平高低的重要尺度是独头掘进能力，它包括掘进速度和最大进深2个指标。决定掘进速度和最大进深的因素较多，如通风、排水、运输、供电、设备、人员等等，其中难度最大的是施工通风。由于施工通风的制约，不得已而增加辅助坑道并设置施工区间。在20世纪80年代之前，我国铁路隧道独头掘进施工通风能力一般水平是1km多一点，2km以上的铁路隧道即设辅助坑道。铁路部门为提高隧道施工通风能力曾做过不少努力，并专门立项进行科研投入。由于施工综合能力的提高，尤其是施工掘进通风能力的进步，2005年版的《铁路隧道设计规范》中规定对4km及以下的隧道一般不再设置辅助坑道［5］。现在看来，这个标准显得低了。根据近些年来的隧道施工水平，这个指标可以提高到6km。尤其是双线铁路特长隧道设计采用“双管单线”形式，可以充分利用能力强大的巷道式通风方式，大大减少辅助坑道的设置数量。图12为隧道施工通风示意图。

3．4提高工程施工机械化和专业化水平在有使用条件的情况下，长大隧道施工采用隧道掘进机(含盾构、全断面掘进机和摇臂式掘进机)比钻爆法有较大的环保优势，它对地层的破坏程度要小得多，洞内的施工环境也远好于钻爆法，可以最大限度地减少或不设置施工辅助坑道。在现阶段，多数情况下采用掘进机的施工成本会略高于一般的钻爆法，但是出于对自然环境的保护和施工人员的健康及安全，这个代价是应该的，也是必须的。全断面掘进机如图13所示。同是钻爆法施工，使用液压凿岩台车(见图14)较手持风钻要先进得多。液压凿岩台车不单速度快、率高、能耗低，而且可以大幅度降低工人劳动强度，提高安全防护能力。目前，国内隧道及地下工程钻爆法施工大多数仍停留在20世纪60—70年代产生的手持支腿风钻的水平上，落后太多;多数施工企业恣意侵占廉价劳力，无视施工手段进步对环境保护和人员健康安全的积极作用，这是不应该出现的事情。隧道施工出渣、进料运量较大，其运输方式有轨道运输、皮带运输和无轨运输等多种，各自特点明显。从环境保护的角度来讲，轨道运输和皮带运输较好;尤其是轨道运输为双向功能，耗能少、效率高、无排放，是环保节能型的运输方式，应该在隧道施工中大力提倡。隧道施工有轨运输在20世纪60—70年代是全部推行的，可惜的是现在却很少采用了，原因是轨道运输初期投入大，使用、管理要求专业化程度高，急功近利的心态排斥了有轨运输的采用，原来禁止入洞的非净化车辆如今成了隧道施工运输的主力军。这方面国家应该立法予以明确。

3．5做到达标排放和工程材料无公害隧道施工废水排放对水环境的影响不可小视，只要有废水排放就必须有合格的净化处理设施，所有洞口都要做到达标排放，不留死角。废渣堆放(弃渣场)应有地质稳定性评价，弃渣堆放形式应有标准设计，弃渣处理费用(包括运费)应算足，施工期要加强监督管理，渣场变更应有严格的审批手续。隧道及地下工程建设所使用的材料不单接触大气，还要紧贴地层，所以，使用环保型材料势在必行。使用最多的材料是水泥及其添加剂、速凝剂、钢材、炸药及爆破器材、注浆材料、防水材料和施工用水等。洞内作业比较突出的问题是炸药的品质，其爆炸后的烟尘和遗留物，如氮化物，对工作人员的身体健康危害很大。国家应指示有关部门研制无毒害或低毒型炸药用于隧道施工。再就是浆液材料和水泥添加剂及速凝剂将直接融入地下水，会对邻近水源造成污染，因此，政府部门应严加监管。3．6防灾、救援设施和制度管理隧道及地下工程在运营中发生火灾事故并不少见，国内外都有突出的案例。隧道及地下工程建筑在设计之初都会考虑到灾害的发生，进而会在灾害预防、救治等方面下些功夫。问题是发生小的灾害时，预设的功能可以满足需要，而发生大的火灾时，那些预备好的设施和制度似乎起不到什么作用。所以，隧道内已发生的特大火灾所造成的人员伤亡和经济损失都是非常惨重的。因此，在长大隧道及大型地下工程内设置便捷、可靠的逃生通道是非常重要的。TB10621—2009《高速铁路设计规范》(试行)中有一系列关于防灾、救灾、逃生、救援的强制条款，还有“长度大于10km的隧道宜采用2个单线隧道方案”的建议条款，应该是有理论分析和经验依据的。但是在实际运用中，一些设计人员对此并没有深入理解，任意操作，可能会留下安全隐患。用于交通的水下盾构隧道间设置横通道除行车需要外，也具有灾害发生时的逃生功用，十分重要。但是国内在这方面的施工能力严重不足，迫使设计另走途，国外虽有先例，但可靠性令人担忧［6］。

4结语

综上所述，隧道及地下工程的建设和使用对周边环境的影响具有两面性。由于可利用的空间和资源的限制，节能减排及环境保护是人类社会经济活动的永久课题。隧道及地下工程技术应该能够很好地顺应这个发展方向，所以它有着极其广阔的应用前景。我国隧道及地下工程建设高潮方兴未艾，这里用16个字来表达对隧道及地下工程建设事业的热切愿望:积极开发、合理利用、精心构筑、科学运管。

作者：郭陕云单位：中铁隧道集团有限公司中国土木工程学会隧道及地下工程分会