張國(guó)珍，崔圣達(dá)，張洪偉，徐明飛

(蘭州交通大學(xué)環(huán)境與市政工程學(xué)院，蘭州 730070)

1 引言

隧道作為鐵路工程建設(shè)中的一個(gè)重要結(jié)構(gòu)物，在改善路線線形、縮短里程和行車時(shí)間以及提高運(yùn)營(yíng)效益等方面發(fā)揮著越來(lái)越大的作用。它是人們利用地下空間的一種形式，可以充分利用巖土的固有性質(zhì)，達(dá)到最有效的目的，從而取得良好的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益[1]。我國(guó)是一個(gè)多山的國(guó)家，山區(qū)面積約占國(guó)土總面積的三分之二，因此，修建隧道可以縮短線路長(zhǎng)度和行車時(shí)間、減少深路塹和后期運(yùn)營(yíng)成本等優(yōu)勢(shì)，在現(xiàn)代化交通建設(shè)過(guò)程中，被越來(lái)越多的技術(shù)人員所認(rèn)同[2]。然而隧道工程施工和運(yùn)營(yíng)會(huì)引起周圍生態(tài)環(huán)境的變化，對(duì)生態(tài)環(huán)境及居民生活生產(chǎn)帶來(lái)不利影響。因此筆者對(duì)隧道建設(shè)及運(yùn)營(yíng)期對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響做了相關(guān)研究。

2 隧道建設(shè)期對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響

在隧道施工過(guò)程中，由于工程作業(yè)，不可避免的會(huì)改變?cè)械沫h(huán)境狀態(tài)，并可能使環(huán)境向不利于人類生存的方向發(fā)展，或造成環(huán)境污染。而且這些影響往往是很難恢復(fù)甚至是不可恢復(fù)的。由于隧道修建于地下，在開挖中勢(shì)必造成周圍應(yīng)力場(chǎng)的改變，造成巖體結(jié)構(gòu)松散及地表水、地下水重新分布，在施工中帶來(lái)強(qiáng)烈的噪聲、沖擊、震動(dòng)、大氣污染、棄碴污染，對(duì)施工人員的身體產(chǎn)生危害。

針對(duì)烏鞘嶺鐵路長(zhǎng)隧道環(huán)境影響的特點(diǎn)，袁庸瑄[3]詳細(xì)分析了該隧道在其施工階段和環(huán)境的關(guān)系，主要從水土資源、大氣污染、地下水環(huán)境污染、噪聲及震動(dòng)等方面找出可能對(duì)環(huán)境造成的負(fù)面影響。王奇[4]結(jié)合雪山梁隧道施工實(shí)際，采用現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的方式研究施工粉塵在隧道內(nèi)的濃度及分布規(guī)律，評(píng)價(jià)了風(fēng)景區(qū)隧道施工粉塵對(duì)大氣環(huán)境的影響程度，并研究了施工噪聲對(duì)景區(qū)環(huán)境影響，為類似景區(qū)隧道施工噪聲影響評(píng)價(jià)提供參考。針對(duì)歌樂(lè)山隧道施工特點(diǎn)，李耐霞[5]通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查和污染源分析，確定環(huán)境監(jiān)測(cè)和評(píng)價(jià)因子，并采取收集資料、野外踏勘、現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)、室內(nèi)實(shí)驗(yàn)、數(shù)據(jù)分析相結(jié)合的技術(shù)路線進(jìn)行施工過(guò)程水環(huán)境影響研究。韓海軍[6]針對(duì)隧道施工對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響，從洞口水土流失、地下水流失以及隧道棄渣等方面進(jìn)行了探討，對(duì)隧道施工的環(huán)境保護(hù)具有參考性。

總的來(lái)說(shuō)，隧道在建設(shè)過(guò)程中對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響主要在以下幾個(gè)方面：

(1) 隧道施工對(duì)水土資源的影響

隧道在建設(shè)過(guò)程中伴隨著大量的開挖方和棄土棄碴工程等，勢(shì)必對(duì)水土資源產(chǎn)生影響，其影響主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：一是工程占地及大量填挖方將破壞原地表的水土保持功能，導(dǎo)致地表土層松動(dòng)，土壤抗蝕性下降，加劇水土流失；二是施工過(guò)程中產(chǎn)生的大量棄土、棄碴為加劇水土流失提供了豐富的物質(zhì)來(lái)源，增強(qiáng)了水土流失強(qiáng)度；三是臨時(shí)工程對(duì)原有地表林草植被的破壞使地表裸露，大大降低原有水土保持功能。

(2) 隧道建設(shè)對(duì)水環(huán)境的影響

隧道開挖使得山體原有的水系統(tǒng)平衡被破壞，主要為破壞地下水的循環(huán)系統(tǒng)。地下水循環(huán)系統(tǒng)一旦破壞，地下水的涌出必然引起地下水位的短期或長(zhǎng)期降低，造成水資源浪費(fèi)和水資源局部枯竭；加速圍巖風(fēng)化作用和侵蝕性地下水的形成；圍巖中重金屬元素或有害元素的活化遷移；使水資源水質(zhì)下降和污染土壤；地下水的動(dòng)態(tài)平衡被破壞后會(huì)出現(xiàn)地下漏斗，從而引起地表水源地的枯竭、水質(zhì)下降、甚至地表塌陷等現(xiàn)象；使土壤含水量下降，從而影響植物的正常生長(zhǎng)，破壞自然生態(tài)平衡。

隧道開挖同樣可能在以下方面對(duì)地表水產(chǎn)生危害：爆破材料產(chǎn)生的廢棄產(chǎn)物會(huì)隨著涌水的排放流入地表，對(duì)土壤及地表水產(chǎn)生污染；在施工中所使用的開挖設(shè)備、鉆孔設(shè)備、運(yùn)渣機(jī)械、噴錨注漿機(jī)械等都會(huì)不同程度地產(chǎn)生油污，這些油污隨著隧道涌水流入地表水體，使石油類和懸浮物質(zhì)量濃度升高污染水體；注漿材料、噴射混凝土過(guò)程以及模筑過(guò)程中的污染物(包括水泥砂漿、混凝土等) 這些物質(zhì)隨著隧道涌水流入地表水體，致使地表水體pH值、懸浮物濃度升高，同時(shí)改變水化學(xué)成分，可能造成水體不同程度的污染。

(3) 隧道建設(shè)中粉塵廢氣及噪聲與震動(dòng)的影響

隧道施工中對(duì)人類影響最直接、最頻繁、危害最大之一的就是粉塵、有害氣體。粉塵含量主要由運(yùn)輸材料過(guò)程中的道路揚(yáng)塵、工地裝卸材料堆放及施工過(guò)程中的風(fēng)揚(yáng)灰塵等導(dǎo)致。 隧道施工期間的運(yùn)輸車輛及施工機(jī)械均是大功率的設(shè)備，施工期間各種車輛和施工機(jī)械在行使和作業(yè)過(guò)程中要排放大量尾氣，而尾氣中含有如NO、CO等大量有害成分，嚴(yán)重影響了大氣環(huán)境。同時(shí)隧道開挖過(guò)程中揭露出地層中的有害氣體會(huì)對(duì)施工人員的身體健康及安全造成危害。

隧道施工中從效率、經(jīng)濟(jì)、技術(shù)等各方面來(lái)看，鉆爆法都是開挖隧洞的主要方法之一。因此爆破振動(dòng)效應(yīng)、爆破噪聲和沖擊波就成了隧道施工過(guò)程中噪聲和振動(dòng)的主要來(lái)源。此外，隧道施工過(guò)程中會(huì)使用大量機(jī)械，鉆孔設(shè)備、支護(hù)設(shè)備、攪拌和運(yùn)輸設(shè)備等，機(jī)械使用過(guò)程中不可避免的產(chǎn)生噪聲污染。隧道施工產(chǎn)生的噪聲污染是非常嚴(yán)重的，它除了影響隧道建設(shè)工人的身心外，也干擾了附近居民的正常生活。

3 隧道運(yùn)營(yíng)期對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響

運(yùn)營(yíng)期隧道對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響主要表現(xiàn)在對(duì)地下水環(huán)境和生態(tài)植被這兩個(gè)方面。

(1) 運(yùn)營(yíng)期隧道對(duì)地下水環(huán)境的影響

許劼[7]認(rèn)為，城市地下工程對(duì)環(huán)境的影響包括施工期和運(yùn)營(yíng)期兩個(gè)階段，地下工程施工期間對(duì)地下水環(huán)境產(chǎn)生的影響是局部范圍內(nèi)的，在一個(gè)較長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)是能夠得到緩解的，而地下工程在運(yùn)營(yíng)中對(duì)地下水環(huán)境的影響則是大范圍的，在時(shí)間上有明顯的“滯后性”，并且這種影響具有“累積效應(yīng)”。地鐵對(duì)地下水的影響主要是迎水面水位略有壅高，背水面略有下降[8]。如果地鐵隧道埋深與城市主要導(dǎo)水層的深度重合，就會(huì)導(dǎo)致區(qū)域地下水環(huán)境發(fā)生改變，將降低城市地下水的循環(huán)代謝，加重地下水的污染[9]。

西南交大劉丹[10]以華鎣山隧道為例把隧道對(duì)地下水環(huán)境的影響分為3類：第一，隧道長(zhǎng)期排水將形成較大規(guī)模的降位漏斗，造成漏斗范圍內(nèi)含水層疏干，巖溶供水大泉流量減小或消失，流失大量的地下水資源；其二，隧道排水降位漏斗的擴(kuò)展，導(dǎo)致在疏干帶內(nèi)較強(qiáng)烈的水文地球化學(xué)作用，造成環(huán)境的污染；其三，疏干漏斗的形成和由此引起的其他水量交換，又為接受外界的補(bǔ)給，尤其是降水的補(bǔ)給騰出了地下“庫(kù)容”，從而打破了原有的水文動(dòng)態(tài)平衡，促進(jìn)了水循環(huán)交替。高寶玉[11]分析呂梁山隧道對(duì)地下水環(huán)境的影響包括峽口泉域和吳城泉域分水嶺改變、施工受影響的峽口泉和吳城泉難以恢復(fù)、小泉干枯衰減。龍門山隧道屬于施工引發(fā)的隧道涌突水可能引起一系列的次生地下水環(huán)境災(zāi)害，包括區(qū)域地下水位下降、地面沉降、巖溶塌陷、地下水污染、結(jié)構(gòu)腐蝕和生態(tài)環(huán)境退化等[12]。

(2) 運(yùn)營(yíng)期隧道對(duì)生態(tài)植被的影響

隧道施工打破了隧址區(qū)域地下水系統(tǒng)平衡，而生態(tài)問(wèn)題常常與水相關(guān)，尤其是地下水，許多研究都證實(shí)了影響天然植被生長(zhǎng)和恢復(fù)的土壤水分和鹽分與地下水埋深高低密切相關(guān)[13-17]。湯夢(mèng)玲、徐恒力、曹李靖等[18]在西北地區(qū)的氣候及水資源的基本特征的基礎(chǔ)上，分析了植被的分帶、生存適應(yīng)性及演替與地下水的關(guān)系，并闡述了地下水開采對(duì)植被的影響規(guī)律。結(jié)果表明：植被的分布、生存和演替主要受控于水位和鹽分條件。地下水埋深愈淺，植物的生長(zhǎng)發(fā)育狀況愈好。張麗、董增川等[19]深入研究了植物生長(zhǎng)與地下水埋深的關(guān)系，以生態(tài)適宜性理論為基礎(chǔ)，根據(jù)塔里木河干流流域典型植物的隨機(jī)抽樣調(diào)查資料，建立了干旱區(qū)幾種典型植物生長(zhǎng)與地下水埋深關(guān)系的對(duì)數(shù)正態(tài)分布模型。根據(jù)塔里木河流域地下水蒸發(fā)觀測(cè)數(shù)據(jù)，潛水蒸發(fā)在 2 m 是個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)，地下水埋深小于 2 m 時(shí)，由于強(qiáng)烈的毛細(xì)管蒸騰作用而將大量的鹽分帶到地表，造成地表土壤含鹽量增加的情況，土壤含鹽量增加又會(huì)對(duì)植物的生長(zhǎng)發(fā)育起抑制作用。

4 隧道工程的環(huán)境效應(yīng)研究

根據(jù)張殿印等[20]人的研究,環(huán)境效應(yīng)可定義為在眾多環(huán)境要素的綜合影響下，物質(zhì)之間通過(guò)物理、化學(xué)和生物方面的共同作用所產(chǎn)生的環(huán)境效果。

按形成成因環(huán)境效應(yīng)可分為自然環(huán)境效應(yīng)、人為環(huán)境效應(yīng)，按產(chǎn)生機(jī)理可分為環(huán)境物理效應(yīng)、環(huán)境化學(xué)效應(yīng)和環(huán)境生物效應(yīng)，按對(duì)環(huán)境產(chǎn)生的作用和對(duì)人類造成的影響又可分為環(huán)境正效應(yīng)和環(huán)境負(fù)效應(yīng)。[21]

(1) 環(huán)境正效應(yīng)

環(huán)境正效應(yīng)[20,22]是指對(duì)環(huán)境或人類利大于弊或有利而無(wú)害的環(huán)境效應(yīng)。地下水環(huán)境正效應(yīng)指人類在進(jìn)行開發(fā)建設(shè)活動(dòng)時(shí)，對(duì)環(huán)境產(chǎn)生的有利變化，體現(xiàn)在以下幾個(gè)主要方面：調(diào)蓄地下庫(kù)容、減弱旱災(zāi)影響、控制土壤返鹽、改善水質(zhì)等方面。

(2) 環(huán)境負(fù)效應(yīng)

環(huán)境負(fù)效應(yīng)[21]是指對(duì)人類或環(huán)境有害而無(wú)利或者是弊大于利的環(huán)境效應(yīng)。地下水環(huán)境負(fù)效應(yīng)是指人類開發(fā)建設(shè)活動(dòng)對(duì)環(huán)境產(chǎn)生的不利影響。巖溶隧道地下水環(huán)境負(fù)效應(yīng)指巖溶地區(qū)因隧道工程疏排水而對(duì)地下水環(huán)境產(chǎn)生的不利影響，主要體現(xiàn)在以下幾方面：隧道涌突水、區(qū)域地下水位下降、地面沉降、巖溶塌陷、地下水污染、地表水源枯竭、隧道工程結(jié)構(gòu)腐蝕破壞。

隧道等地下工程修建于地殼表層，位于地下水最為活躍的部位。在巖石中開鑿的隧道,將可能成為其四周特別是工程上部地質(zhì)內(nèi)的地表、地下水匯集場(chǎng)所或新的排泄通道，進(jìn)而影響安全施工和破壞隧址區(qū)生態(tài)環(huán)境[21]?；⒕S岳[23]、王鳳生[24]、桂祥友[25]等、周濤發(fā)[26]等、張善堂[27]詳細(xì)論述了礦山開采可能誘發(fā)的各種環(huán)境負(fù)效應(yīng)類型，主要包括巖溶塌陷、地面沉降、采空區(qū)塌陷、礦井涌突水、滑坡、泥石流、巖崩、瓦斯爆炸和礦體自燃、元素污染和生態(tài)破壞、水環(huán)境污染、固體廢棄物堆放等，并在此基礎(chǔ)上分析了其成因，同時(shí)提出了初步防治對(duì)策。王石春等[28]通過(guò)研究和總結(jié)發(fā)現(xiàn)隧道或礦山坑道等長(zhǎng)期排放地下水，將造成工程地區(qū)含水層被疏干，使生態(tài)環(huán)境惡化，主要表現(xiàn)為地表水和泉、井枯竭，生活、工農(nóng)業(yè)用水缺失，地表沉降、巖溶塌陷、土壤沙化、水土流失、建筑物被破壞。如京通線桃山隧道涌水導(dǎo)致“四道溝”所有泉水干枯，中梁山隧道、大巴山隧道、大瑤山隧道及南嶺隧道等除造成地表井泉水干枯、農(nóng)業(yè)和飲用水短缺外，還發(fā)生了大量的地面塌陷,致使房屋破壞或倒塌。劉丹等[10]通過(guò)對(duì)華鎣山隧道排水的研究，得出隧道排水將導(dǎo)致：①地下水資源大量流失；②煤系地層水入侵，并導(dǎo)致水質(zhì)惡化；③水文循環(huán)失衡，地表水體污染風(fēng)險(xiǎn)增大。意大利Firenzuola隧道(長(zhǎng)15.0 km)施工時(shí)，由于隧道排水導(dǎo)致地表溪流和多數(shù)泉眼干枯，對(duì)生態(tài)系統(tǒng)造成了嚴(yán)重影響[29]。韓國(guó)首爾287 km長(zhǎng)地鐵隧道每年涌水量高達(dá)63×106m3，引起了區(qū)域地下水位嚴(yán)重下降，造成大量水井被棄用[28]。陳強(qiáng)[31]對(duì)巖溶地區(qū)地下工程對(duì)環(huán)境的影響類型進(jìn)行了總結(jié)，主要有古巖溶的激活、現(xiàn)代巖溶發(fā)育速度的增加、水文地質(zhì)環(huán)境的改變、大面積地表水干涸、地下水及地表沙土流失、地下巖溶管道內(nèi)的充填物流失以及植被減少等。

劉天劍[32]總結(jié)出隧道建設(shè)過(guò)程中裂隙水誘發(fā)的主要環(huán)境問(wèn)題有水資源枯竭、圍巖地下水位下降、水污染、引起塌方和侵蝕混凝土等，并以雪峰山隧道為例，研究了裂隙水防治的方法。

李耐霞[5]以渝懷鐵路歌樂(lè)山隧道為例，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查和水質(zhì)監(jiān)測(cè)，評(píng)價(jià)了隧道施工對(duì)當(dāng)?shù)厮h(huán)境的影響。

由上述文獻(xiàn)可知，盡管在隧道工程和地下水環(huán)境之間的相互影響方面已開展過(guò)較多研究，但目前的研究主要集中在分析隧道工程產(chǎn)生地下水環(huán)境負(fù)效應(yīng)的表現(xiàn)形式和相應(yīng)的控制措施上，而對(duì)于如何評(píng)價(jià)隧道施工的環(huán)境負(fù)效應(yīng)，既有研究仍十分薄弱。目前，已有的研究成果，可見(jiàn)以下文獻(xiàn)：

2006 年，曾曉燕[33]以歌樂(lè)山隧道為例，建立了隧道涌水對(duì)表生生態(tài)環(huán)境影響評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，包括地質(zhì)地貌因素、水文地質(zhì)因素和氣象因素三大類指標(biāo)。地質(zhì)地貌因素包括包氣帶巖性和包氣帶結(jié)構(gòu)，水文地質(zhì)因素包括地下水位埋深、地下水礦化度、地下水化學(xué)類型、土壤含水量和土壤含鹽量，氣象因素包括降雨和蒸發(fā)。采用層次分析法和模糊評(píng)判法相結(jié)合的評(píng)價(jià)方法，對(duì)歌樂(lè)山隧道涌水對(duì)表生生態(tài)環(huán)境影響進(jìn)行了評(píng)價(jià)。

2007 年，劉向遠(yuǎn)[22]以國(guó)道滬蓉高速公路墊鄰支線銅鑼山隧道為例，建立了巖溶隧道施工中地下水環(huán)境負(fù)效應(yīng)評(píng)價(jià)的指標(biāo)體系，應(yīng)用模糊數(shù)學(xué)構(gòu)建地下水環(huán)境負(fù)效應(yīng)評(píng)價(jià)指標(biāo)隸屬函數(shù)，從而對(duì)各評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行量化，最終確定負(fù)效應(yīng)程度屬于中等，與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況相符。

2009 年，潘海澤[34]選用隧道埋深、植被覆蓋情況、年平均降雨量、地表水狀況、地下水腐蝕性、圍巖裂隙連通情況、設(shè)計(jì)施工因素、氣候情況8項(xiàng)指標(biāo)，利用距離判別分析模型大寨隧道和魏黃隧道滲漏水情況進(jìn)行預(yù)測(cè)，并提出相應(yīng)治理措施。

2011 年，劉建[21]系統(tǒng)論述了巖溶隧道地下水環(huán)境負(fù)效應(yīng)指標(biāo)體系、評(píng)價(jià)方法體系、可視化評(píng)價(jià)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，并分別以墊鄰高速銅鑼山隧道和納黔高速敘嶺關(guān)隧道為例，實(shí)現(xiàn)了巖溶隧道地下水環(huán)境負(fù)效應(yīng)綜合評(píng)價(jià)。

5 總結(jié)

研究結(jié)果證明隧道不管是在建設(shè)期還是運(yùn)營(yíng)期都對(duì)生態(tài)環(huán)境帶來(lái)極大的影響。主要影響方面為水環(huán)境、生態(tài)植被、水土流失、大氣及噪音污染等方面。目前國(guó)內(nèi)專家已經(jīng)做了大量相關(guān)研究，并且也取得了很多成果，很多成果也已經(jīng)應(yīng)用到了實(shí)踐工程中。

但是仍然存在許多問(wèn)題尚未解決，目前多數(shù)研究只是針對(duì)單一實(shí)例隧道的評(píng)價(jià)指標(biāo)，未能實(shí)現(xiàn)一套完整的指標(biāo)體系以應(yīng)對(duì)各種隧道問(wèn)題，因此我們?nèi)孕璨粩嘌芯克淼镭?fù)效應(yīng)問(wèn)題。通過(guò)大量的研究及總結(jié)，力爭(zhēng)構(gòu)建一套完善的適用各類隧道問(wèn)題的負(fù)效應(yīng)評(píng)價(jià)體系，為優(yōu)化隧道工程選址、確保隧道施工、運(yùn)營(yíng)安全和保護(hù)隧址區(qū)生態(tài)環(huán)境提供科學(xué)依據(jù)，為隧道工程的生態(tài)環(huán)境影響識(shí)別和評(píng)價(jià)提供實(shí)用參考。

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