張國珍，崔圣達，張洪偉，徐明飛

(蘭州交通大學環(huán)境與市政工程學院，蘭州 730070)

1 引言

隧道作為鐵路工程建設(shè)中的一個重要結(jié)構(gòu)物，在改善路線線形、縮短里程和行車時間以及提高運營效益等方面發(fā)揮著越來越大的作用。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)，達到最有效的目的，從而取得良好的社會和經(jīng)濟效益[1]。我國是一個多山的國家，山區(qū)面積約占國土總面積的三分之二，因此，修建隧道可以縮短線路長度和行車時間、減少深路塹和后期運營成本等優(yōu)勢，在現(xiàn)代化交通建設(shè)過程中，被越來越多的技術(shù)人員所認同[2]。然而隧道工程施工和運營會引起周圍生態(tài)環(huán)境的變化，對生態(tài)環(huán)境及居民生活生產(chǎn)帶來不利影響。因此筆者對隧道建設(shè)及運營期對生態(tài)環(huán)境的影響做了相關(guān)研究。

2 隧道建設(shè)期對生態(tài)環(huán)境的影響

在隧道施工過程中，由于工程作業(yè)，不可避免的會改變原有的環(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甚至是不可恢復的。由于隧道修建于地下，在開挖中勢必造成周圍應力場的改變，造成巖體結(jié)構(gòu)松散及地表水、地下水重新分布，在施工中帶來強烈的噪聲、沖擊、震動、大氣污染、棄碴污染，對施工人員的身體產(chǎn)生危害。

針對烏鞘嶺鐵路長隧道環(huán)境影響的特點，袁庸瑄[3]詳細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、噪聲及震動等方面找出可能對環(huán)境造成的負面影響。王奇[4]結(jié)合雪山梁隧道施工實際，采用現(xiàn)場測試的方式研究施工粉塵在隧道內(nèi)的濃度及分布規(guī)律，評價了風景區(qū)隧道施工粉塵對大氣環(huán)境的影響程度，并研究了施工噪聲對景區(qū)環(huán)境影響，為類似景區(qū)隧道施工噪聲影響評價提供參考。針對歌樂山隧道施工特點，李耐霞[5]通過現(xiàn)場調(diào)查和污染源分析，確定環(huán)境監(jiān)測和評價因子，并采取收集資料、野外踏勘、現(xiàn)場監(jiān)測、室內(nèi)實驗、數(shù)據(jù)分析相結(jié)合的技術(shù)路線進行施工過程水環(huán)境影響研究。韓海軍[6]針對隧道施工對生態(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行了探討，對隧道施工的環(huán)境保護具有參考性。

總的來說，隧道在建設(shè)過程中對生態(tài)環(huán)境的影響主要在以下幾個方面：

(1) 隧道施工對水土資源的影響

隧道在建設(shè)過程中伴隨著大量的開挖方和棄土棄碴工程等，勢必對水土資源產(chǎn)生影響，其影響主要表現(xiàn)在以下幾個方面：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，導致地表土層松動，土壤抗蝕性下降，加劇水土流失；二是施工過程中產(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)來源，增強了水土流失強度；三是臨時工程對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期降低，造成水資源浪費和水資源局部枯竭；加速圍巖風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；地下水的動態(tài)平衡被破壞后會出現(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，破壞自然生態(tài)平衡。

隧道開挖同樣可能在以下方面對地表水產(chǎn)生危害：爆破材料產(chǎn)生的廢棄產(chǎn)物會隨著涌水的排放流入地表，對土壤及地表水產(chǎn)生污染；在施工中所使用的開挖設(shè)備、鉆孔設(shè)備、運渣機械、噴錨注漿機械等都會不同程度地產(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、噴射混凝土過程以及模筑過程中的污染物(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，同時改變水化學成分，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的影響

隧道施工中對人類影響最直接、最頻繁、危害最大之一的就是粉塵、有害氣體。粉塵含量主要由運輸材料過程中的道路揚塵、工地裝卸材料堆放及施工過程中的風揚灰塵等導致。 隧道施工期間的運輸車輛及施工機械均是大功率的設(shè)備，施工期間各種車輛和施工機械在行使和作業(yè)過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，嚴重影響了大氣環(huán)境。同時隧道開挖過程中揭露出地層中的有害氣體會對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、技術(shù)等各方面來看，鉆爆法都是開挖隧洞的主要方法之一。因此爆破振動效應、爆破噪聲和沖擊波就成了隧道施工過程中噪聲和振動的主要來源。此外，隧道施工過程中會使用大量機械，鉆孔設(shè)備、支護設(shè)備、攪拌和運輸設(shè)備等，機械使用過程中不可避免的產(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 隧道運營期對生態(tài)環(huán)境的影響

運營期隧道對生態(tài)環(huán)境的影響主要表現(xiàn)在對地下水環(huán)境和生態(tài)植被這兩個方面。

(1) 運營期隧道對地下水環(huán)境的影響

許劼[7]認為，城市地下工程對環(huán)境的影響包括施工期和運營期兩個階段，地下工程施工期間對地下水環(huán)境產(chǎn)生的影響是局部范圍內(nèi)的，在一個較長的時間內(nèi)是能夠得到緩解的，而地下工程在運營中對地下水環(huán)境的影響則是大范圍的，在時間上有明顯的“滯后性”，并且這種影響具有“累積效應”。地鐵對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水層的深度重合，就會導致區(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地下水環(huán)境的影響分為3類：第一，隧道長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展，導致在疏干帶內(nèi)較強烈的水文地球化學作用，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，又為接受外界的補給，尤其是降水的補給騰出了地下“庫容”，從而打破了原有的水文動態(tài)平衡，促進了水循環(huán)交替。高寶玉[11]分析呂梁山隧道對地下水環(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、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) 運營期隧道對生態(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)問題常常與水相關(guān)，尤其是地下水，許多研究都證實了影響天然植被生長和恢復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、生存適應性及演替與地下水的關(guān)系，并闡述了地下水開采對植被的影響規(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，植物的生長發(fā)育狀況愈好。張麗、董增川等[19]深入研究了植物生長與地下水埋深的關(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抽樣調(diào)查資料，建立了干旱區(qū)幾種典型植物生長與地下水埋深關(guān)系的對數(shù)正態(tài)分布模型。根據(jù)塔里木河流域地下水蒸發(fā)觀測數(shù)據(jù)，潛水蒸發(fā)在 2 m 是個轉(zhuǎn)折點，地下水埋深小于 2 m 時，由于強烈的毛細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對植物的生長發(fā)育起抑制作用。

4 隧道工程的環(huán)境效應研究

根據(jù)張殿印等[20]人的研究,環(huán)境效應可定義為在眾多環(huán)境要素的綜合影響下，物質(zhì)之間通過物理、化學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)境效應可分為自然環(huán)境效應、人為環(huán)境效應，按產(chǎn)生機理可分為環(huán)境物理效應、環(huán)境化學效應和環(huán)境生物效應，按對環(huán)境產(chǎn)生的作用和對人類造成的影響又可分為環(huán)境正效應和環(huán)境負效應。[21]

(1) 環(huán)境正效應

環(huán)境正效應[20,22]是指對環(huán)境或人類利大于弊或有利而無害的環(huán)境效應。地下水環(huán)境正效應指人類在進行開發(fā)建設(shè)活動時，對環(huán)境產(chǎn)生的有利變化，體現(xiàn)在以下幾個主要方面：調(diào)蓄地下庫容、減弱旱災影響、控制土壤返鹽、改善水質(zhì)等方面。

(2) 環(huán)境負效應

環(huán)境負效應[21]是指對人類或環(huán)境有害而無利或者是弊大于利的環(huán)境效應。地下水環(huán)境負效應是指人類開發(fā)建設(shè)活動對環(huán)境產(chǎn)生的不利影響。巖溶隧道地下水環(huán)境負效應指巖溶地區(qū)因隧道工程疏排水而對地下水環(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、地下水匯集場所或新的排泄通道，進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]詳細論述了礦山開采可能誘發(fā)的各種環(huán)境負效應類型，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，同時提出了初步防治對策。王石春等[28]通過研究和總結(jié)發(fā)現(xiàn)隧道或礦山坑道等長期排放地下水，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]通過對華鎣山隧道排水的研究，得出隧道排水將導致：①地下水資源大量流失；②煤系地層水入侵，并導致水質(zhì)惡化；③水文循環(huán)失衡，地表水體污染風險增大。意大利Firenzuola隧道(長15.0 km)施工時，由于隧道排水導致地表溪流和多數(shù)泉眼干枯，對生態(tài)系統(tǒng)造成了嚴重影響[29]。韓國首爾287 km長地鐵隧道每年涌水量高達63×106m3，引起了區(qū)域地下水位嚴重下降，造成大量水井被棄用[28]。陳強[31]對巖溶地區(qū)地下工程對環(huán)境的影響類型進行了總結(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)過程中裂隙水誘發(fā)的主要環(huán)境問題有水資源枯竭、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]以渝懷鐵路歌樂山隧道為例，通過現(xiàn)場調(diào)查和水質(zhì)監(jiān)測，評價了隧道施工對當?shù)厮h(huán)境的影響。

由上述文獻可知，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)境負效應的表現(xiàn)形式和相應的控制措施上，而對于如何評價隧道施工的環(huán)境負效應，既有研究仍十分薄弱。目前，已有的研究成果，可見以下文獻：

2006 年，曾曉燕[33]以歌樂山隧道為例，建立了隧道涌水對表生生態(tài)環(huán)境影響評價指標體系，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。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判法相結(jié)合的評價方法，對歌樂山隧道涌水對表生生態(tài)環(huán)境影響進行了評價。

2007 年，劉向遠[22]以國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)境負效應評價的指標體系，應用模糊數(shù)學構(gòu)建地下水環(huán)境負效應評價指標隸屬函數(shù)，從而對各評價指標進行量化，最終確定負效應程度屬于中等，與現(xiàn)場實際情況相符。

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)計施工因素、氣候情況8項指標，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行預測，并提出相應治理措施。

2011 年，劉建[21]系統(tǒng)論述了巖溶隧道地下水環(huán)境負效應指標體系、評價方法體系、可視化評價系統(tǒng)實現(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，實現(xiàn)了巖溶隧道地下水環(huán)境負效應綜合評價。

5 總結(jié)

研究結(jié)果證明隧道不管是在建設(shè)期還是運營期都對生態(tài)環(huán)境帶來極大的影響。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)應用到了實踐工程中。

但是仍然存在許多問題尚未解決，目前多數(shù)研究只是針對單一實例隧道的評價指標，未能實現(xiàn)一套完整的指標體系以應對各種隧道問題，因此我們?nèi)孕璨粩嘌芯克淼镭撔獑栴}。通過大量的研究及總結(jié)，力爭構(gòu)建一套完善的適用各類隧道問題的負效應評價體系，為優(yōu)化隧道工程選址、確保隧道施工、運營安全和保護隧址區(qū)生態(tài)環(huán)境提供科學依據(jù)，為隧道工程的生態(tài)環(huán)境影響識別和評價提供實用參考。

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