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(fā)展，鐵路和公路鄰近或穿越風景名勝區(qū)的情況時有發(fā)生。隧道施工產(chǎn)生的振動、噪聲、粉塵、棄碴、污水嚴重影響景區(qū)的自然環(huán)境，引起景區(qū)水土流失和植被破壞。與其他隧道工程相比，景區(qū)內(nèi)的隧道施工環(huán)保要求更為嚴格。

針對隧道靠近景區(qū)施工造成的影響和相應的控制措施，國內(nèi)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(qū)施工對景區(qū)環(huán)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(qū)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(qū)項目為背景，對工程景區(qū)景觀與植被、鳥類、水體等生態(tài)環(huán)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(qū)的案例, 介紹影響評價中的生態(tài)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(qū)的選線過程、工程建設對景區(qū)的影響以及采取的防治措施進行了介紹。《鐵路工程環(huán)境保護設計規(guī)范》明確指出，在環(huán)境敏感區(qū)域建設工程，必須采取相應的環(huán)境保護和生態(tài)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(qū)隧道施工的環(huán)保技術進行了研究，但其環(huán)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(qū)，吸引了國內(nèi)外游客紛至沓來。為了給八達嶺景區(qū)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(qū)的選線方案，并在景區(qū)核心位置設置地下車站。八達嶺景區(qū)對隧道施工提出全面而高標準的環(huán)保要求，景區(qū)的環(huán)境保護是新八達嶺隧道面臨的關鍵技術難題，本文將系統(tǒng)介紹新八達嶺隧道設計和施工中的環(huán)保技術。

1 京張高鐵新八達嶺隧道的周邊環(huán)境

目前鐵路線遇到風景名勝區(qū)時，大多數(shù)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(qū)的環(huán)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(qū)方案； 二是穿越八達嶺景區(qū)方案。為了給八達嶺景區(qū)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(qū)入口，選擇了穿越八達嶺景區(qū)的選線方案。該方案隧道連續(xù)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(huán)保要求高。新八達嶺隧道周邊環(huán)境及線路方案如圖1所示。

圖1 新八達嶺隧道周邊環(huán)境及線路方案

穿越八達嶺景區(qū)的線路方案隧址位于北京市昌平區(qū)南口鎮(zhèn)至延慶縣區(qū)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(qū)，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(qū)為2座水庫重要的水資源補給區(qū)，隧址區(qū)是北京市重要的水源涵養(yǎng)區(qū)，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(huán)境污染的因素及環(huán)境保護原則

2.1 工程建設和運營可能造成環(huán)境污染的因素

1)隧道洞口或車站出入口對景區(qū)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(xiàn)狀，影響現(xiàn)有景觀的布局。八達嶺景區(qū)對新建工程建設提出了長城上的游客視線范圍內(nèi)不出現(xiàn)人工建筑物的要求。

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

3)隧道運營期列車振動及養(yǎng)護維修對景區(qū)的影響。高速列車運行的振動、噪聲及氣動效應影響景區(qū)動物的生活環(huán)境，運營期的養(yǎng)護維修作業(yè)也將影響景區(qū)環(huán)境。

4)隧道施工振動、噪聲、粉塵對景區(qū)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(yè)將產(chǎn)生大量振動、噪聲和粉塵，對景區(qū)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(qū)水環(huán)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(chǎn)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(qū)的環(huán)境。隧道開挖形成的大量棄碴，其運輸和堆放也將影響景區(qū)的環(huán)境。

2.2 風景名勝區(qū)工程建設的環(huán)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(yōu)先選擇繞避風景名勝區(qū)的選線方案。

2)當必須穿越風景名勝區(qū)時，應優(yōu)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(qū)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(qū)地下水資源。運營期應設置清污分離的排水系統(tǒng)，將清水還予自然，污水經(jīng)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(yǎng)護維修的工作量，從而減少養(yǎng)護維修對景區(qū)的影響。

6)隧道施工期應設置高標準的污水處理系統(tǒng)，防止施工污水排入景區(qū)污染環(huán)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(qū)的影響。

8)隧道施工過程應設置空氣除塵系統(tǒng)，防止施工粉塵和煙塵對景區(qū)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(qū)的影響。

3 穿越景區(qū)的環(huán)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(qū)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(huán)境內(nèi)。

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(tài)周邊環(huán)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(guī)?？s減到1 998 m2，遠小于同等規(guī)格鐵路站房建筑規(guī)模； 另一方面對功能單元進行“磊”砌組合，依山就勢擬態(tài)山體，與景區(qū)環(huán)境協(xié)調統(tǒng)一，形成一體。

地面站房依山就勢，并與長城相協(xié)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(tǒng)

在風景名勝區(qū)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(qū)； 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(tǒng)[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(tǒng)包括隧道環(huán)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(tǒng)排放到隧道進口和出口的自然環(huán)境中，回饋給大自然。污水包括車站內(nèi)部的消防廢水、沖洗廢水、生活污水等，污水排水系統(tǒng)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(tǒng)排到市政的污水管網(wǎng)，送入市政的污水廠進行處理。地下車站的清水排水系統(tǒng)和污水排水系統(tǒng)相互完全分離。

圖4 隧道清污分離的排水系統(tǒng)(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(xiàn)了景區(qū)的水環(huán)境清潔，滿足了環(huán)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(yǎng)護維修對景區(qū)的影響，下穿景區(qū)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(yōu)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(yōu)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(yǎng)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(qū)的環(huán)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(qū)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(jù)GB 6722—2014 《爆破安全規(guī)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(wěn)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(yōu)化洞群各洞室的開挖步序和炮孔布置，實現(xiàn)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(huán)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(yè)環(huán)境差。普通隧道一般采用通風方式將隧道內(nèi)的粉塵排出洞外，從而降低洞內(nèi)粉塵含量，但在風景名勝區(qū)，排出洞外的粉塵將對景區(qū)空氣造成污染，尤其是霧霾嚴重的地區(qū)，經(jīng)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(nèi)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(chǎn)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(yè)環(huán)境，而且還減少了隧道施工排放到景區(qū)的粉塵量，解決了施工粉塵對環(huán)境的污染問題，實現(xiàn)了綠色環(huán)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(chǎn)生的污水對景區(qū)污染較大[15-16]，隧道施工污水的排放和處理是景區(qū)施工的重點和難點。常規(guī)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(qū)施工的環(huán)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(tǒng)，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(tǒng)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(tǒng)

4.4 隧道洞碴回收利用技術

新八達嶺隧道部分棄碴經(jīng)過碎石廠生產(chǎn)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(huán)境的影響，還大幅度提升了棄碴的經(jīng)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(yè)加工整形，借鑒港珠澳特大橋混凝土骨料加工經(jīng)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(yōu)先選擇繞避風景名勝區(qū)的選線方案。當必須穿越風景名勝區(qū)時，應優(yōu)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(qū)的影響。

2)在做好各項環(huán)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(qū)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(qū)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(qū)的影響。

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

環(huán)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(huán)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(huán)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。