論隧道工程的環(huán)境問(wèn)題及其對(duì)策

郭陜?cè)?/p>

(1.中鐵隧道集團(tuán)有限公司，河南 洛陽(yáng) 471009; 2.中國(guó)土木工程學(xué)會(huì)隧道及地下工程分會(huì)，河南 洛陽(yáng) 471009)

論隧道工程的環(huán)境問(wèn)題及其對(duì)策

郭陜?cè)?,2

(1.中鐵隧道集團(tuán)有限公司，河南 洛陽(yáng) 471009; 2.中國(guó)土木工程學(xué)會(huì)隧道及地下工程分會(huì)，河南 洛陽(yáng) 471009)

在分析隧道及地下工程的環(huán)保優(yōu)勢(shì)及其對(duì)環(huán)境的破壞作用(水土流失、地表沉陷、爆破振動(dòng)、“三廢”危害等)的基礎(chǔ)上，著重提出減少隧道工程對(duì)環(huán)境的不利影響的對(duì)策：1)從長(zhǎng)計(jì)議，合理加大工程投入，適當(dāng)提高設(shè)計(jì)與施工標(biāo)準(zhǔn)；2)設(shè)計(jì)、施工要查明水環(huán)境，保護(hù)水資源，重視地質(zhì)預(yù)探預(yù)報(bào)工作；3)正確認(rèn)識(shí) “長(zhǎng)隧短打”；4)較大幅度地提高隧道及地下工程施工機(jī)械和專(zhuān)業(yè)化水平；5)做到“達(dá)標(biāo)排放”，強(qiáng)調(diào)工程材料無(wú)公害；6)防災(zāi)、救援設(shè)施和管理制度必須完備。希望有關(guān)方面進(jìn)一步重視隧道及地下工程的環(huán)境問(wèn)題，力爭(zhēng)做到積極開(kāi)發(fā)、合理利用、精心構(gòu)筑、科學(xué)運(yùn)管。

隧道及地下工程；環(huán)境保護(hù)；節(jié)能減排

0 引言

較早的隧道被定義為“在山中或地下鑿成的通路，也叫隧洞”(見(jiàn)1985年商務(wù)印書(shū)館《現(xiàn)代漢語(yǔ)詞典》)。隨著工程技術(shù)的快速發(fā)展，隧道的用途越來(lái)越廣，其建筑形式也日益多樣化，如今土木工程領(lǐng)域中的隧道定義應(yīng)擴(kuò)展為“用作容納區(qū)間通路的洞型結(jié)構(gòu)建造物，也叫作隧洞”才適宜。由于隧道工程的隱蔽性，所以它除了滿足全天候的交通、物流及開(kāi)辟可靠的地下空間等設(shè)計(jì)功用之外，還具有低碳、減排、節(jié)能、節(jié)土等諸多環(huán)保優(yōu)勢(shì)。

隧道的工程結(jié)構(gòu)由洞門(mén)、洞身及附屬建筑物組成，除洞門(mén)在地表之外，洞身及附屬建筑物的絕大部分置于地下或水中。因此，隧道工程的環(huán)境影響分建設(shè)期和運(yùn)營(yíng)期2個(gè)階段。其中，建設(shè)期的不利影響因素主要是“地層”，包括對(duì)地下水的擾動(dòng)和破壞；運(yùn)營(yíng)期的不利影響因素主要是“排放”和“災(zāi)害”。

隧道雖屬典型的土木工程建筑，但與同類(lèi)建筑相比，其自身的特點(diǎn)卻十分突出，如隧道的建造與使用安全以及它對(duì)周邊環(huán)境的影響等方面，往往會(huì)引起民眾團(tuán)體和國(guó)家政府部門(mén)的密切關(guān)注，甚至成為社會(huì)生活的敏感話題。因此，要深入探討隧道工程與環(huán)境保護(hù)的關(guān)系。在工程實(shí)際和運(yùn)營(yíng)管理過(guò)程中如何做到遵從自然、預(yù)防災(zāi)害、趨利避禍、造福社會(huì)，著實(shí)是個(gè)十分重要的研究課題。

1 隧道及地下工程的環(huán)保優(yōu)勢(shì)

1.1 山嶺交通隧道有著明顯的減排效用

20世紀(jì)50—60年代，我國(guó)處于貧困期，公路交通事業(yè)相對(duì)落后，機(jī)動(dòng)車(chē)道數(shù)量少、標(biāo)準(zhǔn)低，尤其是在偏遠(yuǎn)地區(qū)筑路，山高谷深，艱難曲折，越嶺展線，坡陡彎急，可謂“咫尺天涯”。這樣的道路不僅行車(chē)速度慢、運(yùn)輸效率低、安全事故突出，而且車(chē)輛蠻力爬坡，極盡消耗，發(fā)動(dòng)機(jī)廢氣排量往往會(huì)達(dá)到極高點(diǎn)(汽車(chē)尾氣的主要成分為CO2)。當(dāng)時(shí)由于交通閉塞，車(chē)輛稀少，所以汽車(chē)廢氣對(duì)環(huán)境的影響不大，極少有人關(guān)注。圖1為陜西境內(nèi)秦嶺盤(pán)山道。

(a)

(b)

30多年的改革開(kāi)放和經(jīng)濟(jì)騰飛，我國(guó)已成為世界上最大、綜合實(shí)力最強(qiáng)的發(fā)展中國(guó)家。交通事業(yè)日新月異，道路建設(shè)和車(chē)輛制造的規(guī)模和數(shù)量成為世界之最。隧道工程在高速及高等級(jí)公路和鐵路建設(shè)中占有突出的位置，崇山峻嶺的障礙被鑿除，江河湖海形成的天塹也可變?yōu)橥ㄍ尽Ｓ捎谒淼赖拇罅坎捎茫粏问堑缆窏l件有了根本性的改變，車(chē)輛運(yùn)行時(shí)的工作狀況也已今非昔比，兩地之間相同運(yùn)量或流量的能耗大為減少，CO2的排放可能相差數(shù)倍之巨。如陜西省境內(nèi)的秦嶺終南山隧道建成后，西安至柞水公路由原來(lái)的148 km縮短至86 km，路面標(biāo)高由原來(lái)的2 000 m以上降至1 025 m。自2007年通車(chē)以來(lái)，西安至柞水日均車(chē)流量由當(dāng)初的1 500輛增至現(xiàn)在的10 000輛[1]，按此流量計(jì)算，西安至柞水間的新路較舊路車(chē)輛運(yùn)輸年度CO2排放量可降低8萬(wàn)t以上，相當(dāng)于224 hm2闊葉林的CO2消耗量。圖2為陜西境內(nèi)秦嶺終南山公路隧道。

(a)

據(jù)交通部2012年底的統(tǒng)計(jì)資料，我國(guó)公路隧道有10 022座，總延長(zhǎng)8 052 km。其中，特長(zhǎng)隧道441座，總長(zhǎng)1 985 km；長(zhǎng)隧道1 944座，總長(zhǎng)3 304 km。以經(jīng)驗(yàn)估算，這些特長(zhǎng)隧道和長(zhǎng)隧道可減少越嶺線路展線長(zhǎng)度約18 500 km。由于隧道的使用，年度可節(jié)省燃油消耗量40多億L，CO2的排放量可降低千萬(wàn)t以上。由此可見(jiàn)，隧道工程對(duì)節(jié)能及環(huán)境保護(hù)的作用和貢獻(xiàn)是巨大的。

1.2 碳的集排、利用及垃圾洞庫(kù)

目前我國(guó)大中城市的環(huán)境污染源主要有廢氣和垃圾。其中，廢氣來(lái)自于各種用途的燃料，垃圾來(lái)自于生產(chǎn)和生活。隨著人們生活水平的不斷提高，城市交通車(chē)輛猛增已是無(wú)可阻擋的潮流，汽車(chē)尾氣已經(jīng)成為廢氣的主要成分。就現(xiàn)在的技術(shù)水平來(lái)看，解決“交通污染”的辦法有3個(gè)：1)大力提倡和發(fā)展公共交通；2)改用電動(dòng)交通工具；3)將地面行車(chē)線改入地下，并實(shí)施CO2的集中排放和收集。

國(guó)內(nèi)外大中城市將行車(chē)道路和市政設(shè)施改建進(jìn)入地下的工程實(shí)例有很多(如圖3所示的北京中關(guān)村地下交通設(shè)施)，大多是為了解決地面擁擠和交通堵塞。如何實(shí)現(xiàn)CO2的集中排放和捕集尚在科研和設(shè)計(jì)中[2]。不過(guò)，這個(gè)設(shè)想是可以實(shí)現(xiàn)的，它需要城市地下交通及設(shè)施形成相當(dāng)規(guī)模、相對(duì)封閉的系統(tǒng)，才能夠進(jìn)行通風(fēng)供氧和集中抽排，進(jìn)而將捕捉、收集到的CO2作為化工原料，變廢為寶。

(a)

(b)

世界上已有許多城市將生產(chǎn)和生活垃圾集中起來(lái)，分揀、打包處理，封存在地下洞庫(kù)內(nèi)，待以后利用。垃圾洞庫(kù)的選址一般是在城市近郊的山丘地區(qū)，洞庫(kù)除圍巖要有足夠穩(wěn)定的條件之外，還要與地下水隔絕，避免形成新的污染源。圖4為挪威卑爾根地下垃圾庫(kù)。

1.3 其他可資利用、效益顯著的工程特性

1)如將車(chē)行道路的主干部分建于地下，可以大面積節(jié)約土地，這對(duì)于土地資源緊缺的中國(guó)有著重大的意義。

(a)

(b)

2)如將水上橋梁改為水下隧道，不但可以避開(kāi)臺(tái)風(fēng)、暴雨、雷電、霧靄，實(shí)現(xiàn)全天候運(yùn)輸，而且水運(yùn)航道和堤防不受任何威脅和影響。

3)如將城市道路及市政設(shè)施置于地下，可以隔斷大部分噪音源，并能換來(lái)大面積綠地和安寧、恬適的人文環(huán)境。

2 隧道及地下工程對(duì)環(huán)境的破壞作用

2.1 水土流失

隧道及地下工程施工改變了地層及地下水的原始狀態(tài)，形成了人為的地下空洞和水流通道，難免會(huì)造成不同程度的水土流失。在失水地層的局部“負(fù)壓”下,使得淺層地下水加速滲入。一方面表現(xiàn)為地下水位下降，地下滲流或徑流的狀態(tài)發(fā)生改變，地表水也會(huì)受到影響，甚至局部斷流干枯，繼續(xù)下去將造成區(qū)域性的生態(tài)環(huán)境改變；另一方面，巖土中的細(xì)微顆粒隨流體逸出，加大了地層空隙，使?jié)B流阻力減小，進(jìn)而形成水土流失更加嚴(yán)重的惡性循環(huán)。在溶巖地區(qū)開(kāi)掘隧道水土流失現(xiàn)象極其普遍，教訓(xùn)深刻。

衡廣鐵路復(fù)線大瑤山隧道開(kāi)挖通過(guò)9#斷層及其破碎帶，在短短的幾天內(nèi)，突水量由開(kāi)始的3 000 m3/d猛增至70 000 m3/d,豎井被淹;班古坳地區(qū)0.6 km2內(nèi)發(fā)生200多處塌陷，毀壞農(nóng)田4.5 hm2，出現(xiàn)危房139間，16戶居民拆遷，經(jīng)濟(jì)損失達(dá)1 371.8萬(wàn)元[3]。襄渝鐵路中梁山隧道因長(zhǎng)期突泥涌水，造成隧道頂部地表48處井泉干枯，29處塌陷，533.33 hm2農(nóng)田缺水，居民和家畜飲水困難，生態(tài)環(huán)境嚴(yán)重惡化。圖5為隧道突泥與涌水的現(xiàn)場(chǎng)照片。

(a)突泥

(b)涌水

因此，認(rèn)為隧道開(kāi)挖施工只是影響深層地下水，對(duì)淺層地下水和地表水以及植被生態(tài)影響不大的觀點(diǎn)是極其錯(cuò)誤、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個(gè)：1)開(kāi)挖后洞體變形、圍巖位移牽動(dòng)地表，呈現(xiàn)一定規(guī)律的沉陷，其形成過(guò)程較快，往往在數(shù)小時(shí)之后即可測(cè)出；2)因?yàn)榇嬖谏鲜鏊亮魇У那闆r，沉陷形成的過(guò)程較長(zhǎng)，且其位置和狀態(tài)與地質(zhì)構(gòu)造有關(guān)，故一般難以確定。這里所指的地表沉陷主要是第1種情形。

地表沉陷對(duì)鄰近建筑物、道路及管線影響較大，嚴(yán)重時(shí)會(huì)形成災(zāi)害性事故，如圖6和圖7所示的2個(gè)案例。一般情況下，隧道及地下工程的設(shè)計(jì)文件中會(huì)對(duì)各種情形下的地表沉陷給出限值，譬如道路的、管線的、建筑物的等等，但這些限值往往是經(jīng)驗(yàn)性的，如果在具體操作過(guò)程中把握不當(dāng)或出現(xiàn)失誤，照樣會(huì)因?yàn)槌料葸^(guò)度而發(fā)生安全或質(zhì)量事故。控制地表沉陷的關(guān)鍵在于圍巖預(yù)加固和洞室開(kāi)挖后的初期支護(hù)。

(a)

(b)

2.3 爆破振動(dòng)

目前，我國(guó)在巖石地層中進(jìn)行隧道及地下工程施工開(kāi)挖主要采取爆破的方法。反反復(fù)復(fù)的爆破沖擊和振動(dòng)不但擾動(dòng)和破壞了地層，而且對(duì)地表環(huán)境也造成了不利影響，特別是在人口和建筑物密集的地方以及國(guó)家設(shè)置的重點(diǎn)保護(hù)對(duì)象所在區(qū)域，爆破產(chǎn)生的沖擊、振動(dòng)和噪音危害非常顯著。因爆破規(guī)模失控或保護(hù)措施不力而釀成安全事故和民事糾紛的案例較多。

2.4 “三廢”危害

所謂“三廢”，即廢渣、廢液、廢氣，在隧道及地下工程施工中皆有存在，但比較突出的是大量的廢渣處理。長(zhǎng)大隧道施工動(dòng)輒出渣量達(dá)幾十萬(wàn)甚至上百萬(wàn)m3，多處在地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)的高山峽谷中，如果處置不當(dāng)，會(huì)加劇災(zāi)害發(fā)生的頻度和規(guī)模。由于地形限制，要妥善處理大量的棄渣十分困難。在大城市中進(jìn)行隧道及地下工程施工，棄渣運(yùn)輸和處理也非易事，往往被高額的成本所困。

隧道廢液也很有害，它由地下水、施工用水、泥漿、機(jī)械用油、殘存的爆炸物、水泥及其添加劑等混雜而成，排流出洞。如果不對(duì)這些廢液做適當(dāng)?shù)膬艋幚恚纹淞魈剩瑒t會(huì)對(duì)下游水源及河流造成嚴(yán)重污染，危害人畜及其他生物的生長(zhǎng)。

隧道及地下工程廢氣是指洞內(nèi)排出的被污染了的空氣，其中含有爆炸產(chǎn)生的氣體和煙塵，工作機(jī)械及運(yùn)輸車(chē)輛尾氣，地層中蘊(yùn)含的各種氣體，也有洞內(nèi)工作人員呼出的氣體，這些混雜在洞內(nèi)空氣中的有害氣體會(huì)給洞內(nèi)工作人員的生命安全和身體健康帶來(lái)極大威脅。洞內(nèi)廢氣被排出洞外以后，很快便擴(kuò)散在大氣中，盡管它對(duì)洞外空氣有所污染，但數(shù)量有限，程度輕微，不被人們所關(guān)注。

隧道通過(guò)的某些地層會(huì)含有放射性物質(zhì)，超標(biāo)的射線將嚴(yán)重?fù)p害隧道工作人員的身體健康。這些放射性物質(zhì)也會(huì)進(jìn)入工程“三廢”被帶出洞外，污染洞外環(huán)境，甚至釀成難以承受的惡果。

3 如何減少隧道工程對(duì)環(huán)境的不利影響

3.1 從長(zhǎng)計(jì)議，適當(dāng)提高設(shè)計(jì)與施工標(biāo)準(zhǔn)

工程建設(shè)的目的是利國(guó)利民、造福社會(huì)。在新中國(guó)建國(guó)初期，我國(guó)技術(shù)落后，財(cái)力不足，為了盡快滿足人民群眾物質(zhì)生活的最低需求和維持國(guó)家政權(quán)的安全穩(wěn)定，基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)重速度、輕環(huán)保的傾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，國(guó)家已經(jīng)有了良好的發(fā)展基礎(chǔ)和相當(dāng)強(qiáng)大的經(jīng)濟(jì)實(shí)力，工程建設(shè)就應(yīng)該把環(huán)境保護(hù)放在首要位置。隨著隧道工程技術(shù)水平和施工生產(chǎn)能力的提高，應(yīng)該把選擇隧道施工技術(shù)方案的主導(dǎo)思想由以工程實(shí)施為主轉(zhuǎn)變?yōu)橐宰匀簧鷳B(tài)環(huán)境保護(hù)為主，也包括對(duì)施工人員的保護(hù)。要盡可能地減少對(duì)地層和地下水的擾動(dòng)和破壞；對(duì)工程“三廢 ”的處理應(yīng)納入設(shè)計(jì)，設(shè)置專(zhuān)門(mén)章節(jié)，足額預(yù)算，專(zhuān)款專(zhuān)用；對(duì)于那些不可再生的環(huán)境資源和物種，一定要慎之又慎，不惜代價(jià)，強(qiáng)行保全。

就目前國(guó)內(nèi)隧道及地下工程的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)來(lái)看，往往達(dá)不到環(huán)保需求，同世界先進(jìn)水平相比，差距是明顯的。多年前，在日本和臺(tái)灣看到的2個(gè)工程實(shí)例給人留下了深刻的印象，為了環(huán)保目標(biāo)，他們不惜付出了高昂的工程代價(jià)。

日本東京八王子市城際公路隧道所穿越的山上有一種鷹，屬?lài)?guó)家級(jí)保護(hù)動(dòng)物，為了使這種鷹的生存不受隧道施工的干擾，硬巖開(kāi)挖不用爆破而采用護(hù)盾式掘進(jìn)機(jī)中導(dǎo)洞法施工，而后再用機(jī)械的方法擴(kuò)大開(kāi)挖。車(chē)輛運(yùn)輸由專(zhuān)人指揮監(jiān)督，限速禁聲，只要發(fā)現(xiàn)山上群鷹有騷動(dòng)跡象，便立即停車(chē)待命。長(zhǎng)度只有2.4 km的雙線公路隧道計(jì)劃要6年才能完成，如圖8所示。

(a)

(b)

臺(tái)灣高雄地鐵一號(hào)線工程在三條道路交叉的街口廣場(chǎng)施工，與預(yù)留的二號(hào)線交叉構(gòu)成換乘站，為保證鄰近建筑物的安全和地基穩(wěn)定，維護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成直徑140 m、厚度1.2 m、深度65 m的地下連續(xù)墻，真可謂“固若金湯”，如圖9所示。

3.2 地質(zhì)預(yù)報(bào)應(yīng)放在技術(shù)工作的首要位置

隧道及地下工程所遇到的“麻煩”多數(shù)在水的處理上。較早的鐵路隧道施工規(guī)范中提出“以排為主、排堵結(jié)合”的治水原則，但以排為主會(huì)造成過(guò)多的水土流失，是犧牲環(huán)境保障施工的做法。在有了許多破壞環(huán)境的教訓(xùn)之后，后來(lái)的鐵路隧道施工規(guī)范改為“以堵為主、排堵結(jié)合”[4]的治水原則。但是，近些年來(lái)在西南部巖溶地區(qū)進(jìn)行隧道施工的挫折又使許多人對(duì)“以堵為主”的原則產(chǎn)生了疑惑，又重新回到了“以排為主”的路子上。如今，隧道設(shè)計(jì)者主流持“中庸”態(tài)度，提出“強(qiáng)化結(jié)構(gòu)、限壓排水”的法則，認(rèn)為全水頭承壓設(shè)計(jì)不現(xiàn)實(shí)，自由排放使得環(huán)境損失太大。總之，隧道工程設(shè)計(jì)對(duì)于水的處理至今莫衷一是。

圖9 臺(tái)灣高雄地鐵一號(hào)線Fig.9 No.1 line of Kaohsiung Metro in Taiwan

隧道及地下工程施工所遇到的地下水有靜態(tài)和動(dòng)態(tài)2類(lèi)。部分巖溶水、裂隙水和含水層中的水是靜態(tài)的，而地下滲流和徑流屬于動(dòng)態(tài)的。由于隧道及地下工程施工的擾動(dòng)，原來(lái)的靜態(tài)水有可能成為動(dòng)態(tài)水，原來(lái)的滲流和徑流也會(huì)改變流向及流量。圖10為地下徑流示意圖。

圖10 地下徑流Fig.10 Groundwater runoff

對(duì)于徑流，只能使其局部改變流向，適當(dāng)遠(yuǎn)離隧道或地下工程結(jié)構(gòu)。處理方案須把握2點(diǎn)：1)不改變徑流的最終出路，即不改變相關(guān)區(qū)域水環(huán)境的原始狀態(tài)；2)不形成對(duì)隧道及地下工程結(jié)構(gòu)有害的水壓和侵蝕，確保2倍洞徑范圍內(nèi)的圍巖穩(wěn)定。

對(duì)于滲流，則應(yīng)遵照達(dá)西定律流量計(jì)算式Q=kAH/L所表達(dá)的基本含義，采取相應(yīng)的工程措施，以減少滲流流量。

1)通過(guò)帷幕注漿較大幅度地降低巖土的滲透系數(shù)k值；

2)盡可能延長(zhǎng)出水點(diǎn)距離以增加滲流路徑長(zhǎng)度L，如加大隧道獨(dú)頭施工能力、減少斜豎井等輔助坑道數(shù)量、合理設(shè)置隧道滲水孔及地下水排放點(diǎn)等；

3)過(guò)水?dāng)嗝娣eA和總水頭損失H也可因地制宜，選取相應(yīng)對(duì)策，如設(shè)計(jì)中適當(dāng)提高隧道底標(biāo)高，洞頂引流、堵漏、防滲，等等。

城市地鐵施工以抽排降低地下水位來(lái)為施工創(chuàng)造條件的做法較為普遍，卻是不可取的。長(zhǎng)期大流量抽排地下水會(huì)造成地面差異沉降，甚至形成地下空洞等安全隱患。值得提倡的做法應(yīng)該是“水下作業(yè)、保水施工”，這就要求在施工手段和施工工藝上花代價(jià)、下力氣。

3.3 正確認(rèn)識(shí)和運(yùn)用“長(zhǎng)隧短打”

在有條件的地方設(shè)置輔助坑道(斜井、豎井、橫通道或平行導(dǎo)洞)，通過(guò)輔助坑道開(kāi)辟隧道中間作業(yè)面，實(shí)現(xiàn)“長(zhǎng)隧短打”，是隧道建設(shè)者的習(xí)慣做法。但是現(xiàn)在應(yīng)該重新認(rèn)識(shí)這個(gè)問(wèn)題。如圖11所示的隧道施工方案示意圖。“長(zhǎng)隧短打”是由隧道工程建設(shè)技術(shù)水平所致，人們?yōu)榱丝朔匀徽系K，然而受限于施工生產(chǎn)能力，不得已而為之。所以它不應(yīng)該是積極的“戰(zhàn)略”措施，而是依據(jù)具體情況采取的“被動(dòng)”方針。輔助坑道，尤其是斜、豎井對(duì)地層自然狀態(tài)的破壞顯而易見(jiàn)，其對(duì)水文狀況的改變所引起的后果非常嚴(yán)重。在我國(guó)西部大開(kāi)發(fā)建設(shè)中，交通、水電項(xiàng)目的長(zhǎng)大隧道工程有很多，由于西部生態(tài)環(huán)境十分脆弱，地表和地下的水土保持問(wèn)題會(huì)顯得更加突出。

評(píng)判鉆爆法隧道施工水平高低的重要尺度是獨(dú)頭掘進(jìn)能力，它包括掘進(jìn)速度和最大進(jìn)深2個(gè)指標(biāo)。決定掘進(jìn)速度和最大進(jìn)深的因素較多，如通風(fēng)、排水、運(yùn)輸、供電、設(shè)備、人員等等，其中難度最大的是施工通風(fēng)。由于施工通風(fēng)的制約，不得已而增加輔助坑道并設(shè)置施工區(qū)間。在20世紀(jì)80年代之前，我國(guó)鐵路隧道獨(dú)頭掘進(jìn)施工通風(fēng)能力一般水平是1 km多一點(diǎn)，2 km以上的鐵路隧道即設(shè)輔助坑道。鐵路部門(mén)為提高隧道施工通風(fēng)能力曾做過(guò)不少努力，并專(zhuān)門(mén)立項(xiàng)進(jìn)行科研投入。由于施工綜合能力的提高，尤其是施工掘進(jìn)通風(fēng)能力的進(jìn)步，2005年版的《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》中規(guī)定對(duì)4 km及以下的隧道一般不再設(shè)置輔助坑道[5]。現(xiàn)在看來(lái)，這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)顯得低了。根據(jù)近些年來(lái)的隧道施工水平，這個(gè)指標(biāo)可以提高到6 km。尤其是雙線鐵路特長(zhǎng)隧道設(shè)計(jì)采用“雙管單線”形式，可以充分利用能力強(qiáng)大的巷道式通風(fēng)方式，大大減少輔助坑道的設(shè)置數(shù)量。圖12為隧道施工通風(fēng)示意圖。

圖11 隧道施工方案示意圖

(a) 單管隧道

(b) 雙管隧道

3.4 提高工程施工機(jī)械化和專(zhuān)業(yè)化水平

在有使用條件的情況下，長(zhǎng)大隧道施工采用隧道掘進(jìn)機(jī)(含盾構(gòu)、全斷面掘進(jìn)機(jī)和搖臂式掘進(jìn)機(jī))比鉆爆法有較大的環(huán)保優(yōu)勢(shì)，它對(duì)地層的破壞程度要小得多，洞內(nèi)的施工環(huán)境也遠(yuǎn)好于鉆爆法，可以最大限度地減少或不設(shè)置施工輔助坑道。在現(xiàn)階段，多數(shù)情況下采用掘進(jìn)機(jī)的施工成本會(huì)略高于一般的鉆爆法，但是出于對(duì)自然環(huán)境的保護(hù)和施工人員的健康及安全，這個(gè)代價(jià)是應(yīng)該的，也是必須的。全斷面掘進(jìn)機(jī)如圖13所示。

同是鉆爆法施工，使用液壓鑿巖臺(tái)車(chē)(見(jiàn)圖14)較手持風(fēng)鉆要先進(jìn)得多。液壓鑿巖臺(tái)車(chē)不單速度快、效率高、能耗低，而且可以大幅度降低工人勞動(dòng)強(qiáng)度，提高安全防護(hù)能力。

圖13 全斷面掘進(jìn)機(jī)

圖14 液壓鑿巖臺(tái)車(chē)

目前，國(guó)內(nèi)隧道及地下工程鉆爆法施工大多數(shù)仍停留在20世紀(jì)60—70年代產(chǎn)生的手持支腿風(fēng)鉆的水平上，落后太多；多數(shù)施工企業(yè)恣意侵占廉價(jià)勞力，無(wú)視施工手段進(jìn)步對(duì)環(huán)境保護(hù)和人員健康安全的積極作用，這是不應(yīng)該出現(xiàn)的事情。隧道施工出渣、進(jìn)料運(yùn)量較大，其運(yùn)輸方式有軌道運(yùn)輸、皮帶運(yùn)輸和無(wú)軌運(yùn)輸?shù)榷喾N，各自特點(diǎn)明顯。從環(huán)境保護(hù)的角度來(lái)講，軌道運(yùn)輸和皮帶運(yùn)輸較好；尤其是軌道運(yùn)輸為雙向功能，耗能少、效率高、無(wú)排放，是環(huán)保節(jié)能型的運(yùn)輸方式，應(yīng)該在隧道施工中大力提倡。隧道施工有軌運(yùn)輸在20世紀(jì)60—70年代是全部推行的，可惜的是現(xiàn)在卻很少采用了，原因是軌道運(yùn)輸初期投入大，使用、管理要求專(zhuān)業(yè)化程度高，急功近利的心態(tài)排斥了有軌運(yùn)輸?shù)牟捎茫瓉?lái)禁止入洞的非凈化車(chē)輛如今成了隧道施工運(yùn)輸?shù)闹髁姟＿@方面國(guó)家應(yīng)該立法予以明確。

3.5 做到達(dá)標(biāo)排放和工程材料無(wú)公害

隧道施工廢水排放對(duì)水環(huán)境的影響不可小視，只要有廢水排放就必須有合格的凈化處理設(shè)施，所有洞口都要做到達(dá)標(biāo)排放，不留死角。

廢渣堆放(棄渣場(chǎng))應(yīng)有地質(zhì)穩(wěn)定性評(píng)價(jià)，棄渣堆放形式應(yīng)有標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，棄渣處理費(fèi)用(包括運(yùn)費(fèi))應(yīng)算足，施工期要加強(qiáng)監(jiān)督管理，渣場(chǎng)變更應(yīng)有嚴(yán)格的審批手續(xù)。

隧道及地下工程建設(shè)所使用的材料不單接觸大氣，還要緊貼地層，所以，使用環(huán)保型材料勢(shì)在必行。使用最多的材料是水泥及其添加劑、速凝劑、鋼材、炸藥及爆破器材、注漿材料、防水材料和施工用水等。洞內(nèi)作業(yè)比較突出的問(wèn)題是炸藥的品質(zhì)，其爆炸后的煙塵和遺留物，如氮化物，對(duì)工作人員的身體健康危害很大。國(guó)家應(yīng)指示有關(guān)部門(mén)研制無(wú)毒害或低毒型炸藥用于隧道施工。再就是漿液材料和水泥添加劑及速凝劑將直接融入地下水，會(huì)對(duì)鄰近水源造成污染，因此，政府部門(mén)應(yīng)嚴(yán)加監(jiān)管。

3.6 防災(zāi)、救援設(shè)施和制度管理

隧道及地下工程在運(yùn)營(yíng)中發(fā)生火災(zāi)事故并不少見(jiàn)，國(guó)內(nèi)外都有突出的案例。隧道及地下工程建筑在設(shè)計(jì)之初都會(huì)考慮到災(zāi)害的發(fā)生，進(jìn)而會(huì)在災(zāi)害預(yù)防、救治等方面下些功夫。問(wèn)題是發(fā)生小的災(zāi)害時(shí)，預(yù)設(shè)的功能可以滿足需要，而發(fā)生大的火災(zāi)時(shí)，那些預(yù)備好的設(shè)施和制度似乎起不到什么作用。所以，隧道內(nèi)已發(fā)生的特大火災(zāi)所造成的人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失都是非常慘重的。因此，在長(zhǎng)大隧道及大型地下工程內(nèi)設(shè)置便捷、可靠的逃生通道是非常重要的。

TB 10621—2009《高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范》(試行)中有一系列關(guān)于防災(zāi)、救災(zāi)、逃生、救援的強(qiáng)制條款，還有“長(zhǎng)度大于10 km的隧道宜采用2個(gè)單線隧道方案”的建議條款，應(yīng)該是有理論分析和經(jīng)驗(yàn)依據(jù)的。但是在實(shí)際運(yùn)用中，一些設(shè)計(jì)人員對(duì)此并沒(méi)有深入理解，任意操作，可能會(huì)留下安全隱患。

用于交通的水下盾構(gòu)隧道間設(shè)置橫通道除行車(chē)需要外，也具有災(zāi)害發(fā)生時(shí)的逃生功用，十分重要。但是國(guó)內(nèi)在這方面的施工能力嚴(yán)重不足，迫使設(shè)計(jì)另走他途，國(guó)外雖有先例，但可靠性令人擔(dān)憂[6]。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，隧道及地下工程的建設(shè)和使用對(duì)周邊環(huán)境的影響具有兩面性。由于可利用的空間和資源的限制，節(jié)能減排及環(huán)境保護(hù)是人類(lèi)社會(huì)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)的永久課題。隧道及地下工程技術(shù)應(yīng)該能夠很好地順應(yīng)這個(gè)發(fā)展方向，所以它有著極其廣闊的應(yīng)用前景。我國(guó)隧道及地下工程建設(shè)高潮方興未艾，這里用16個(gè)字來(lái)表達(dá)對(duì)隧道及地下工程建設(shè)事業(yè)的熱切愿望：積極開(kāi)發(fā)、合理利用、精心構(gòu)筑、科學(xué)運(yùn)管。

[1]陜西省交通建設(shè)集團(tuán)公司.秦嶺終南山公路隧道參選第十二屆中國(guó)土木工程詹天佑獎(jiǎng)申報(bào)書(shū)[M].西安：陜西省交通建設(shè)集團(tuán)公司，2013.(Shaanxi Provincial Transportation Construction Group Co.,Ltd..Documents for Qinling Zhongnanshan Highway Tunnel to apply for the 12th China Civil Engineering Zhantianyou Prize [M].Xi’an:Shaanxi Provincial Transportation Construction Group Co.,Ltd.,2013.(in Chinese))

[2]駱仲泱，方夢(mèng)祥，李明遠(yuǎn)，等.二氧化碳捕集、封存和利用技術(shù)[M].北京：中國(guó)電力出版社，2012.(LUO Zhongyang,FANG Menxiang,LI Mingyuan,et al.Technology for gathering,storage and utilization of carbon dioxide (CO2)[M].Beijing:China Electricity Power Publishing House,2012.(in Chinese))

[3]廣州市國(guó)土資源和房屋管理局.關(guān)注地球，關(guān)注地質(zhì)災(zāi)害[D/OL].廣州市國(guó)土資源和房屋管理局網(wǎng)站，2005-04-22[2014-06-25].http://www.laho.gov.cn/xwzx/rdgz/200704/t20070420_165575.htm.(Guangzhou Muni-cipal National Land Resources and House Management Bureau.Focus on the earth and focus on the geological disasters [D/OL].Website of Guangzhou Municipal National Land Resources and House Management Bureau,April 22,2005.[2014-06-25].http://www.laho.gov.cn/xwzx/rdgz/200704/t20070420_165575.htm.(in Chinese))

[4]TB 10204—2002 J163—2002 鐵路隧道施工規(guī)范[S].北京：中國(guó)鐵道出版社，2002.(TB 10204—2002 J163—2002 Code for construction of railway tunnel [S].Beijing:China Railway Publishing House,2002.(in Chinese))

[5]TB 10003—2005 J449—2005 鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：中國(guó)鐵道出版社，2002.(TB 10003—2005 J449—2005 Code for design of railway tunnel [S].Beijing:China Railway Publishing House,2002.(in Chinese))

[6]中鐵隧道集團(tuán)有限公司.武漢長(zhǎng)江隧道工程設(shè)計(jì)采購(gòu)施工文件：第一編設(shè)計(jì)方案[M].洛陽(yáng)：中隧集團(tuán)聯(lián)合體，2005.(China Railway Tunnel Group Co.,Ltd..Part I:Design program,EPC documents of Yangtze River Tunnel in Wuhan[M].Luoyang:China Railway Tunnel Group Joint Venture,2005.(in Chinese))

EnvironmentIssuesofTunnelsandTheirCountermeasures

GUO Shanyun1,2

(1.ChinaRailwayTunnelGroupCo.,Ltd.,Luoyang471009,Henan,China; 2.TunnelandUndergroundWorksBranchofChinaCivilEngineeringSociety,Luoyang471009,Henan，China)

In the paper,the advantages of tunnels and underground works in terms of environment protection and the damage of tunnels and underground works on the environment (including water and soil loss,ground surface subsi-dence,blasting vibration,waste mucks,waste liquid and exhausted air) are analyzed.Then,the following countermeasures are proposed to minimize the adverse effect of tunnels on the environment:1) The cost of the project should be increased and the design and construction standard of the project should be improved appropriately; 2) In the design and construction of the project,the water environment should be well investigated,the water resources should be well protected and the geological probing and prediction should be emphasized; 3) The conventional strategy of “sectionalized driving of long tunnels” should be re-evaluated; 4) The mechanization and profession level of the construction of tunnels and underground works should be improved dramatically; 5) All the wastes should not be discharged until they have met relevant standards,and the construction materials should be free of pollution; 6) Complete disaster prevention and rescue facilities and complete management system must be provided.It is hoped that relevant parities should pay more attention on the environment issues of tunnels and underground works so as to realize active development of tunnels and underground works,rational utilizing of tunnels and underground works,elaborate construction of tunnels and underground works and scientific operation and management of tunnels and underground works.

tunnels and underground works; environment protection; energy saving and emission reduction

2014-06-25

郭陜?cè)?1946—)，男，教授級(jí)高級(jí)工程師，中國(guó)土木工程學(xué)會(huì)隧道及地下工程分會(huì)理事長(zhǎng)。

10.3973/j.issn.1672-741X.2014.09.002

U 45

A

1672-741X(2014)09-0815-08