京張高鐵新八達嶺隧道穿越風景名勝區環境保護技術

劉建友，呂 剛 ，趙 勇，岳 嶺

(1. 中鐵工程設計咨詢集團有限公司，北京 100055； 2. 川藏鐵路有限公司, 四川 成都 610045)

0 引言

近年來，隨著我國鐵路、公路等工程建設的發展，鐵路和公路鄰近或穿越風景名勝區的情況時有發生。隧道施工產生的振動、噪聲、粉塵、棄碴、污水嚴重影響景區的自然環境，引起景區水土流失和植被破壞。與其他隧道工程相比，景區內的隧道施工環保要求更為嚴格。

針對隧道靠近景區施工造成的影響和相應的控制措施，國內外學者開展了大量的研究。如: 馮文生等[1]對川黃公路雪山梁隧道緊鄰黃龍景區施工對景區環境的影響進行了分析，并提出相應的保護措施； 劉偉等[2]以天目山隧道進口段毗鄰“富春江—新安江—千島湖”國家級風景名勝區項目為背景，介紹“初沉+混凝+沉淀+過濾”工藝對隧道施工廢水的處理效果; 蔣忙舟[3]以新建大同至西安鐵路鄰近洽川國家級風景名勝區項目為背景，對工程景區景觀與植被、鳥類、水體等生態環境方面的影響進行了分析, 針對性地提出了減緩和防治措施； 牛銅鋼等[4]結合成蘭鐵路穿越黃龍風景名勝區的案例, 介紹影響評價中的生態影響、景觀影響和視覺影響的評價方法； 黨輝等[5]對新建京沈鐵路客運專線工程穿越雞冠山風景區的選線過程、工程建設對景區的影響以及采取的防治措施進行了介紹。《鐵路工程環境保護設計規范》明確指出，在環境敏感區域建設工程，必須采取相應的環境保護和生態恢復措施，保護好周圍景物、水體、林草植被、野生動物資源和地形地貌[6]。

相關學者對景區隧道施工的環保技術進行了研究，但其環保指標的全面性和高度均不能滿足京張高鐵新八達嶺隧道的要求。

八達嶺是舉世聞名的風景名勝區，吸引了國內外游客紛至沓來。為了給八達嶺景區的游客提供便捷的交通服務，京張高鐵采用直接穿越風景名勝區的選線方案，并在景區核心位置設置地下車站。八達嶺景區對隧道施工提出全面而高標準的環保要求，景區的環境保護是新八達嶺隧道面臨的關鍵技術難題，本文將系統介紹新八達嶺隧道設計和施工中的環保技術。

1 京張高鐵新八達嶺隧道的周邊環境

目前鐵路線遇到風景名勝區時，大多數采用繞避的選線方案，避免鐵路施工和運營破壞風景名勝區的環境[7]。京張高鐵新八達嶺隧道在選線過程中有2種方案： 一是繞避八達嶺景區方案； 二是穿越八達嶺景區方案。為了給八達嶺景區的游客提供最便捷的交通服務，使車站盡可能地靠近八達嶺景區入口，選擇了穿越八達嶺景區的選線方案。該方案隧道連續下穿居庸關、水關和八達嶺古長城，以及老京張鐵路的青龍橋車站，施工難度大，環保要求高。新八達嶺隧道周邊環境及線路方案如圖1所示。

圖1 新八達嶺隧道周邊環境及線路方案

穿越八達嶺景區的線路方案隧址位于北京市昌平區南口鎮至延慶縣區段，全長12.01 km，在里程DK67+025和DK67+370 2次穿越八達嶺古長城，其埋深分別為122 m和166 m；DK63+600～+750段并行水關長城，最小水平凈距為8.4 m，隧道埋深為192～221 m。新八達嶺隧道穿越古長城如圖2所示。新八達嶺隧道東北側為虎峪自然保護區，西南側2 km為八達嶺野生動物世界，西側17 km是官廳水庫，東南側14 km是十三陵水庫，隧址區為2座水庫重要的水資源補給區，隧址區是北京市重要的水源涵養區，地理位置十分敏感。

圖2 新八達嶺隧道穿越古長城

2 工程建設和運營可能造成環境污染的因素及環境保護原則

2.1 工程建設和運營可能造成環境污染的因素

1)隧道洞口或車站出入口對景區景觀的影響。新建工程必然改變當前自然景觀或人文景觀的現狀，影響現有景觀的布局。八達嶺景區對新建工程建設提出了長城上的游客視線范圍內不出現人工建筑物的要求。

2)隧道施工期和運營期的排水對景區地下水的影響。隧道排水將引起地下水位降低，影響景區植被生長。

3)隧道運營期列車振動及養護維修對景區的影響。高速列車運行的振動、噪聲及氣動效應影響景區動物的生活環境，運營期的養護維修作業也將影響景區環境。

4)隧道施工振動、噪聲、粉塵對景區的影響。隧道鉆孔打眼、爆破開挖、裝卸碴、車輛運輸、噴射混凝土等施工作業將產生大量振動、噪聲和粉塵，對景區的動植物和空氣造成影響。

5)隧道施工污水排放和棄碴處理對景區水環境的影響。隧道施工機械排出的油污、噴射混凝土和模筑混凝土產生的堿性污染物等與地下水混合，形成強堿性污水，嚴重影響景區的環境。隧道開挖形成的大量棄碴，其運輸和堆放也將影響景區的環境。

2.2 風景名勝區工程建設的環境保護原則

1)鐵路和公路選線設計時，在條件允許的情況下，應優先選擇繞避風景名勝區的選線方案。

2)當必須穿越風景名勝區時，應優先選擇隧道方案下穿，且應盡量降低隧道高程，以減少對景區的影響。

3)隧道洞口應選擇在石質、陡坡、植被差的位置，并遵循“早進晚出”的原則，減少洞口開挖，洞門及出入口應開展景觀設計，與周邊景觀相融合。

4)隧道防排水設計應遵循“多堵少排”的原則，減少地下水的排放，保護景區地下水資源。運營期應設置清污分離的排水系統，將清水還予自然，污水經處理達標后方可排放。

5)隧道應具有更高的耐久性標準，減少隧道運營過程中養護維修的工作量，從而減少養護維修對景區的影響。

6)隧道施工期應設置高標準的污水處理系統，防止施工污水排入景區污染環境。

7)隧道開挖應采用控制性爆破技術，減少爆破振動和噪聲對景區的影響。

8)隧道施工過程應設置空氣除塵系統，防止施工粉塵和煙塵對景區空氣的影響。

9)隧道洞碴的處理應遵循“回收利用、可用盡用”的原則，減少洞碴運輸和堆放對景區的影響。

3 穿越景區的環保設計技術

3.1 車站出入口消隱設計

為了減少對八達嶺景區的影響，地面站房的設計充分利用周邊自然地形，依山而建，候車室設置在地下1層，地面層高控制為6 m。站房立面材料以石材為主，石材顏色與周邊山體裸露巖石的顏色一致，墻面肌理由山體向外逐漸過渡。站房屋頂設置草皮綠化，使車站隱于周邊環境內。

為了達到建筑消隱的視覺效果，設計采用了弱化建筑視覺體量和擬態周邊環境的手法對建筑造型進行嚴格把控。一方面結合功能需求，將30 m×80 m×9 m的既定建筑體量化整為零，拆解成旅客進站單元、旅客出站單元和管理辦公單元3個獨立的功能體塊，減小建筑體型以達到消隱效果。建筑主體高度6 m，局部9 m，地面站房規模縮減到1 998 m2，遠小于同等規格鐵路站房建筑規模； 另一方面對功能單元進行“磊”砌組合，依山就勢擬態山體，與景區環境協調統一，形成一體。

地面站房依山就勢，并與長城相協調，通過屋頂綠化與山體之間自然過渡，形體錯落有致，互為照應。站房廣場位于地上3個體塊的合圍之中構成1個半圍合的過渡空間，增加空間層次。依山一側，利用已開挖基坑營造下沉廣場，將陽光和綠化庭院引入地下空間，提升地下1層候車大廳的空間質量。車站出入口消隱設計效果如圖3所示。

圖3 車站出入口消隱設計效果圖

3.2 清污分離的排水系統

在風景名勝區修建隧道及地下工程，對地下水的處理提出了更高的要求： 一是地下水水量的保護，包括采取工程措施減少隧道排水，把滲入隧道的地下水返回景區； 二是地下水水質的保護，包括施工期和運營期污水的處理。

八達嶺長城站施工期采用清污分離的排水方式，將二次襯砌背后滲入的清水和掌子面的污水分開排放； 設置了高標準的污水處理廠處理隧道排出的施工污水； 在隧道富水段設計了徑向帷幕注漿堵水，減少地下水滲入隧道的水量。在車站運營期，設計了清污分離的排水系統[8]，如圖4所示。其中清水是周邊圍巖滲入車站的地下水，該地下水是寶貴的地下水資源。清水排水系統包括隧道環向和縱向透水盲管、兩側的邊溝和中心排水溝等。清水通過清水排水系統排放到隧道進口和出口的自然環境中，回饋給大自然。污水包括車站內部的消防廢水、沖洗廢水、生活污水等，污水排水系統包括站臺下方的廢水排水溝、車站兩端的污水泵房等。污水通過污水排水系統排到市政的污水管網，送入市政的污水廠進行處理。地下車站的清水排水系統和污水排水系統相互完全分離。

圖4 隧道清污分離的排水系統(單位： mm)

清污分離的排水體系使地下車站的每一滴清水都能還給自然，使每一滴污水都得到妥善處理，減少了地下車站泵站的抽排水量，實現了景區的水環境清潔，滿足了環保要求。清污分離的排水體系如圖5所示。

圖5 清污分離的排水體系

3.3 長耐久性結構設計

為了減少隧道運營期養護維修對景區的影響，下穿景區的隧道應具有長耐久性, 八達嶺長城站首次提出了設計使用年限為300年的耐久性設計目標[9]，主要采取2個措施來提高地下工程的耐久性。

1)采用以圍巖承載圈為主要承載結構的設計體系。受鋼筋和混凝土等材料耐久性的影響，鋼筋混凝土承載結構的耐久性一般為100年。天然巖石具有長耐久性的特點，如花崗巖暴露在空氣中每年的風化深度為0.1 mm，即300年的風化深度僅為30 mm。在新八達嶺隧道及八達嶺長城站支護結構設計中，采用了以圍巖為主的承載體系，而混凝土二次襯砌結構僅為安全儲備。

2)二次襯砌混凝土采用了長壽命混凝土。長壽命混凝土的主要技術措施包括： 采用超細巖粉、優質粉煤灰等多級配原材料使混凝土更密實； 采用中低熱水泥減少混凝土水化熱； 對粗骨料進行整形提高混凝土的工作性能； 優化混凝土配合比減少單方混凝土的用水量； 混凝土表面采用保濕膜和保溫氣囊養護技術，減少干縮和溫縮裂縫。長壽命隧道設計思路如圖6所示。

圖6 長壽命隧道設計思路

4 穿越景區的環保施工技術

4.1 微震微損傷控制爆破技術

新八達嶺隧道3次穿越古長城，八達嶺長城站位于八達嶺景區地下，且附近還有八達嶺野生動物園。為了確保八達嶺長城文物的安全，并減少振動對野生動物的影響，根據GB 6722—2014 《爆破安全規程》[10]的要求，車站開挖爆破引起的振動速度控制標準為0.2 cm/s。此外，八達嶺長城站是一個多洞室組織的密集群洞結構，最小巖墻厚度僅1.2 m。為了減少開挖爆破對周邊洞室圍巖和支護結構的不利影響，減少圍巖損傷，提高圍巖自穩定能力，還要求對爆破的振動速度進行控制。

八達嶺長城站開挖過程中采用了精準爆破技術，車站站臺層左、右側洞采用非電毫秒雷管起爆，單孔最大裝藥量為1.68 kg；中洞采用電子雷管，電子雷管延期時間間隔為10 ms，單孔最大裝藥量為1.905 kg。利用電子雷管或毫秒雷管控制單次爆破的藥量，優化洞群各洞室的開挖步序和炮孔布置，實現微震的爆破控制標準[11]。實測結果表明，八達嶺長城的振動速度小于0.15 cm/s，滿足文物保護和動物保護的要求[12]。微震微損傷爆破的開挖效果如圖7所示。

圖7 微震微損傷爆破的開挖效果

4.2 大功率隧道空氣除塵技術

隧道粉塵是困擾隧道綠色施工的一大難題，長期暴露在粉塵環境施工會嚴重危害工人健康[13-14]。在八達嶺長城站的施工高峰期，同時有多達14個掌子面開挖爆破施工，導致地下車站施工期的粉塵濃度高，施工作業環境差。普通隧道一般采用通風方式將隧道內的粉塵排出洞外，從而降低洞內粉塵含量，但在風景名勝區，排出洞外的粉塵將對景區空氣造成污染，尤其是霧霾嚴重的地區，經常會因為空氣污染而停止施工，嚴重影響工期。

為了降低隧道內部的粉塵，同時減少粉塵的排放，新八達嶺隧道采用了大功率的除塵凈化設備XA3000，如圖8所示。該設備利用除塵濾芯可使PM0.5以上粉塵的去除率達到90%，處理后的空氣清潔度可達0.1 mg/m3；利用風幕隔絕技術，有效控制掌子面爆破產生的粉塵向外擴散；利用集群濾芯脈沖自動清洗技術，提高濾芯使用效率。該設備不僅能快速清潔掌子面爆破后的粉塵，大幅減少爆破后的等待時間，降低對送風機的要求，保護掌子面施工人員的作業環境，而且還減少了隧道施工排放到景區的粉塵量，解決了施工粉塵對環境的污染問題，實現了綠色環保設計理念。

圖8 隧道高效除塵凈化設備

4.3 曝氣生物濾池污水處理技術

隧道施工過程中產生的污水對景區污染較大[15-16]，隧道施工污水的排放和處理是景區施工的重點和難點。常規污水處理方法是在隧道洞口建設沉淀池，去除污水中的沉淀物，該方法操作簡單、成本低，但無法消除溶解在水中的氨氮等污染物成分，不能滿足景區施工的環保要求。

八達嶺長城站施工期采用清污分離的排水方式，將二次襯砌背后滲入的清水和掌子面的污水分開排放，同時建設了高標準的污水處理系統，利用曝氣生物濾池(G-BAF)污水處理技術去除污水中的氨氮含量，使處理后的污水達到Ⅰ類水質標準。八達嶺長城站曝氣生物濾池(G-BAF)廢水處理系統如圖9所示。

圖9 八達嶺長城站曝氣生物濾池(G-BAF)廢水處理系統

4.4 隧道洞碴回收利用技術

新八達嶺隧道部分棄碴經過碎石廠生產成碎石，回收利用做為混凝土精骨料使用，不但減少了棄碴堆放對環境的影響，還大幅度提升了棄碴的經濟利用價值。首先對原料進行2級篩選，人工選取較好的圍巖(Ⅱ、Ⅲ級圍巖)進行分類存放，后采用履帶底盤移動式篩分設備MS702進行二次選材，有效保證母料質量；其后進行專業加工整形，借鑒港珠澳特大橋混凝土骨料加工經驗，采用了PLX1100整形設備進行加工，大幅度提高了骨料整形質量，將針片狀骨料含量按國標由3%降低至1%，按歐標由40%降低至15%。

5 結論與討論

1)鐵路和公路選線設計時，在條件允許的情況下，應優先選擇繞避風景名勝區的選線方案。當必須穿越風景名勝區時，應優先選擇隧道方案下穿，且應盡量降低隧道高程，以減少對景區的影響。

2)在做好各項環保措施后，鐵路或者公路工程采用隧道方案下穿風景名勝區是可行的。

3)地下水處理、爆破振動控制、粉塵治理和洞碴處理是風景名勝區施工的關鍵技術問題, 可采用高標準的污水處理技術、微震微損傷控制爆破技術、隧道空氣除塵技術和洞碴回收利用技術減少施工爆破振動、粉塵、污水、洞碴等對景區的影響。

4)采用出入口消隱、清污分離的排水系統、長耐久性結構等設計方案，可減少隧道運營對景區的影響。

環境保護已逐漸成為我國隧道建設過程中不可忽視的一部分，投入環境保護的成本占隧道建設總成本的比例越來越高。在各項環保措施中，曝氣生物濾池污水處理技術效果較好，處理后的水質能夠達到Ⅰ類水質標準，但成本較高； 隧道空氣除塵凈化技術目前還不成熟，使用過程中能耗較大，其除塵凈化設備XA3000需要配備足夠的電力供應。