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1隧道及地下工程的環保優勢

1．1碳的集排、利用及垃圾洞庫目前我國大中城市的環境污染源主要有廢氣和垃圾。其中，廢氣來自于各種用途的燃料，垃圾來自于生產和生活。隨著人們生活水平的不斷提高，城市交通車輛猛增已是無可阻擋的潮流，汽車尾氣已經成為廢氣的主要成分。就現在的技術水平來看，解決“交通污染”的辦法有3個:1)大力提倡和發展公共交通;2)改用電動交通工具;3)將地面行車線改入地下，并實施CO2的集中排放和收集。國內外大中城市將行車道路和市政設施改建進入地下的工程實例有很多(如圖3所示的北京中關村地下交通設施)，大多是為了解決地面擁擠和交通堵塞。如何實現CO2的集中排放和捕集尚在科研和設計中［2］。不過，這個設想是可以實現的，它需要城市地下交通及設施形成相當規模、相對封閉的系統，才能夠進行通風供氧和集中抽排，進而將捕捉、收集到的CO2作為化工原料，變廢為寶。世界上已有許多城市將生產和生活垃圾集中起來，分揀、打包處理，封存在地下洞庫內，待以后利用。垃圾洞庫的選址一般是在城市近郊的山丘地區，洞庫除圍巖要有足夠穩定的條件之外，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。

1．2其他可資利用、效益顯著的工程特性1)如將車行道路的主干部分建于地下，可以大面積節約土地，這對于土地資源緊缺的中國有著重大的意義。2)如將水上橋梁改為水下隧道，不但可以避開臺風、暴雨、雷電、霧靄，實現全天候運輸，而且水運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施置于地下，可以隔斷大部分噪音源，并能換來大面積綠地和安寧、恬適的人文環境。

2隧道及地下工程對環境的破壞作用

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，形成了人為的地下空洞和水流通道，難免會造成不同程度的水土流失。在失水地層的局部“負壓”下，使得淺層地下水加速滲入。一方面表現為地下水位下降，地下滲流或徑流的狀態發生改變，地表水也會受到影響，甚至局部斷流干枯，繼續下去將造成區域性的生態環境改變;另一方面，巖土中的細微顆粒隨流體逸出，加大了地層空隙，使滲流阻力減小，進而形成水土流失更加嚴重的惡性循環。在溶巖地區開掘隧道水土流失現象極其普遍，教訓深刻。衡廣鐵路復線大瑤山隧道開挖通過9#斷層及其破碎帶，在短短的幾天內，突水量由開始的3000m3/d猛增至70000m3/d，豎井被淹;班古坳地區0．6km2內發生200多處塌陷，毀壞農田4．5hm2，出現危房139間，16戶居民拆遷，經濟損失達1371．8萬元［3］。襄渝鐵路中梁山隧道因長期突泥涌水，造成隧道頂部地表48處井泉干枯，29處塌陷，533．33hm2農田缺水，居民和家畜飲水困難，生態環境嚴重惡化。圖5為隧道突泥與涌水的現場照片。因此，認為隧道開挖施工只是影響深層地下水，對淺層地下水和地表水以及植被生態影響不大的觀點是極其錯誤、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:1)開挖后洞體變形、圍巖位移牽動地表，呈現一定規律的沉陷，其形成過程較快，往往在數小時之后即可測出;2)因為存在上述水土流失的情況，沉陷形成的過程較長，且其位置和狀態與地質構造有關，故一般難以確定。這里所指的地表沉陷主要是第1種情形。地表沉陷對鄰近建筑物、道路及管線影響較大，嚴重時會形成災害性事故，如圖6和圖7所示的2個案例。一般情況下，隧道及地下工程的設計文件中會對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驗性的，如果在具體操作過程中把握不當或出現失誤，照樣會因為沉陷過度而發生安全或質量事故。控制地表沉陷的關鍵在于圍巖預加固和洞室開挖后的初期支護。

2．3爆破振動目前，我國在巖石地層中進行隧道及地下工程施工開挖主要采取爆破的方法。反反復復的爆破沖擊和振動不但擾動和破壞了地層，而且對地表環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家設置的重點保護對象所在區域，爆破產生的沖擊、振動和噪音危害非常顯著。因爆破規模失控或保護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。長大隧道施工動輒出渣量達幾十萬甚至上百萬m3，多處在地質災害頻發的高山峽谷中，如果處置不當，會加劇災害發生的頻度和規模。由于地形限制，要妥善處理大量的棄渣十分困難。在大城市中進行隧道及地下工程施工，棄渣運輸和處理也非易事，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。如果不對這些廢液做適當的凈化處理，任其流淌，則會對下游水源及河流造成嚴重污染，危害人畜及其他生物的生長。隧道及地下工程廢氣是指洞內排出的被污染了的空氣，其中含有爆炸產生的氣體和煙塵，工作機械及運輸車輛尾氣，地層中蘊含的各種氣體，也有洞內工作人員呼出的氣體，這些混雜在洞內空氣中的有害氣體會給洞內工作人員的生命安全和身體健康帶來極大威脅。洞內廢氣被排出洞外以后，很快便擴散在大氣中，盡管它對洞外空氣有所污染，但數量有限，程度輕微，不被人們所關注。隧道通過的某些地層會含有放射性物質，超標的射線將嚴重損害隧道工作人員的身體健康。這些放射性物質也會進入工程“三廢”被帶出洞外，污染洞外環境，甚至釀成難以承受的惡果。

3如何減少隧道工程對環境的不利影響

3．1從長計議，適當提高設計與施工標準工程建設的目的是利國利民、造福社會。在新中國建國初期，我國技術落后，財力不足，為了盡快滿足人民群眾物質生活的最低需求和維持國家政權的安全穩定，基礎設施建設重速度、輕環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，國家已經有了良好的發展基礎和相當強大的經濟實力，工程建設就應該把環境保護放在首要位置。隨著隧道工程技術水平和施工生產能力的提高，應該把選擇隧道施工技術方案的主導思想由以工程實施為主轉變為以自然生態環境保護為主，也包括對施工人員的保護。要盡可能地減少對地層和地下水的擾動和破壞;對工程“三廢”的處理應納入設計，設置專門章節，足額預算，專款專用;對于那些不可再生的環境資源和物種，一定要慎之又慎，不惜代價，強行保全。就目前國內隧道及地下工程的設計標準來看，往往達不到環保需求，同世界先進水平相比，差距是明顯的。多年前，在日本和臺灣看到的2個工程實例給人留下了深刻的印象，為了環保目標，他們不惜付出了高昂的工程代價。日本東京八王子市城際公路隧道所穿越的山上有一種鷹，屬國家級保護動物，為了使這種鷹的生存不受隧道施工的干擾，硬巖開挖不用爆破而采用護盾式掘進機中導洞法施工，而后再用機械的方法擴大開挖。車輛運輸由專人指揮監督，限速禁聲，只要發現山上群鷹有騷動跡象，便立即停車待命。長度只有2．4km的雙線公路隧道計劃要6年才能完成，如圖8所示。臺灣高雄地鐵一號線工程在三條道路交叉的街口廣場施工，與預留的二號線交叉構成換乘站，為保證鄰近建筑物的安全和地基穩定，維護結構設計成直徑140m、厚度1．2m、深度65m的地下連續墻，真可謂“固若金湯”，如圖9所示。

3．2地質預報應放在技術工作的首要位置隧道及地下工程所遇到的“麻煩”多數在水的處理上。較早的鐵路隧道施工規范中提出“以排為主、排堵結合”的治水原則，但以排為主會造成過多的水土流失，是犧牲環境保障施工的做法。在有了許多破壞環境的教訓之后，后來的鐵路隧道施工規范改為“以堵為主、排堵結合”［4］的治水原則。但是，近些年來在西南部巖溶地區進行隧道施工的挫折又使許多人對“以堵為主”的原則產生了疑惑，又重新回到了“以排為主”的路子上。如今，隧道設計者主流持“中庸”態度，提出“強化結構、限壓排水”的法則，認為全水頭承壓設計不現實，自由排放使得環境損失太大。總之，隧道工程設計對于水的處理至今莫衷一是。隧道及地下工程施工所遇到的地下水有靜態和動態2類。部分巖溶水、裂隙水和含水層中的水是靜態的，而地下滲流和徑流屬于動態的。由于隧道及地下工程施工的擾動，原來的靜態水有可能成為動態水，原來的滲流和徑流也會改變流向及流量。圖10為地下徑流示意圖。對于徑流，只能使其局部改變流向，適當遠離隧道或地下工程結構。處理方案須把握2點:1)不改變徑流的最終出路，即不改變相關區域水環境的原始狀態;2)不形成對隧道及地下工程結構有害的水壓和侵蝕，確保2倍洞徑范圍內的圍巖穩定。對于滲流，則應遵照達西定律流量計算式Q=kAH/L所表達的基本含義，采取相應的工程措施，以減少滲流流量。1)通過帷幕注漿較大幅度地降低巖土的滲透系數k值;2)盡可能延長出水點距離以增加滲流路徑長度L，如加大隧道獨頭施工能力、減少斜豎井等輔助坑道數量、合理設置隧道滲水孔及地下水排放點等;3)過水斷面積A和總水頭損失H也可因地制宜，選取相應對策，如設計中適當提高隧道底標高，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為施工創造條件的做法較為普遍，卻是不可取的。長期大流量抽排地下水會造成地面差異沉降，甚至形成地下空洞等安全隱患。值得提倡的做法應該是“水下作業、保水施工”，這就要求在施工手段和施工工藝上花代價、下力氣。

3．3正確認識和運用“長隧短打”在有條件的地方設置輔助坑道(斜井、豎井、橫通道或平行導洞)，通過輔助坑道開辟隧道中間作業面，實現“長隧短打”，是隧道建設者的習慣做法。但是現在應該重新認識這個問題。如圖11所示的隧道施工方案示意圖。“長隧短打”是由隧道工程建設技術水平所致，人們為了克服自然障礙，然而受限于施工生產能力，不得已而為之。所以它不應該是積極的“戰略”措施，而是依據具體情況采取的“被動”方針。輔助坑道，尤其是斜、豎井對地層自然狀態的破壞顯而易見，其對水文狀況的改變所引起的后果非常嚴重。在我國西部大開發建設中，交通、水電項目的長大隧道工程有很多，由于西部生態環境十分脆弱，地表和地下的水土保持問題會顯得更加突出。評判鉆爆法隧道施工水平高低的重要尺度是獨頭掘進能力，它包括掘進速度和最大進深2個指標。決定掘進速度和最大進深的因素較多，如通風、排水、運輸、供電、設備、人員等等，其中難度最大的是施工通風。由于施工通風的制約，不得已而增加輔助坑道并設置施工區間。在20世紀80年代之前，我國鐵路隧道獨頭掘進施工通風能力一般水平是1km多一點，2km以上的鐵路隧道即設輔助坑道。鐵路部門為提高隧道施工通風能力曾做過不少努力，并專門立項進行科研投入。由于施工綜合能力的提高，尤其是施工掘進通風能力的進步，2005年版的《鐵路隧道設計規范》中規定對4km及以下的隧道一般不再設置輔助坑道［5］。現在看來，這個標準顯得低了。根據近些年來的隧道施工水平，這個指標可以提高到6km。尤其是雙線鐵路特長隧道設計采用“雙管單線”形式，可以充分利用能力強大的巷道式通風方式，大大減少輔助坑道的設置數量。圖12為隧道施工通風示意圖。

3．4提高工程施工機械化和專業化水平在有使用條件的情況下，長大隧道施工采用隧道掘進機(含盾構、全斷面掘進機和搖臂式掘進機)比鉆爆法有較大的環保優勢，它對地層的破壞程度要小得多，洞內的施工環境也遠好于鉆爆法，可以最大限度地減少或不設置施工輔助坑道。在現階段，多數情況下采用掘進機的施工成本會略高于一般的鉆爆法，但是出于對自然環境的保護和施工人員的健康及安全，這個代價是應該的，也是必須的。全斷面掘進機如圖13所示。同是鉆爆法施工，使用液壓鑿巖臺車(見圖14)較手持風鉆要先進得多。液壓鑿巖臺車不單速度快、率高、能耗低，而且可以大幅度降低工人勞動強度，提高安全防護能力。目前，國內隧道及地下工程鉆爆法施工大多數仍停留在20世紀60—70年代產生的手持支腿風鉆的水平上，落后太多;多數施工企業恣意侵占廉價勞力，無視施工手段進步對環境保護和人員健康安全的積極作用，這是不應該出現的事情。隧道施工出渣、進料運量較大，其運輸方式有軌道運輸、皮帶運輸和無軌運輸等多種，各自特點明顯。從環境保護的角度來講，軌道運輸和皮帶運輸較好;尤其是軌道運輸為雙向功能，耗能少、效率高、無排放，是環保節能型的運輸方式，應該在隧道施工中大力提倡。隧道施工有軌運輸在20世紀60—70年代是全部推行的，可惜的是現在卻很少采用了，原因是軌道運輸初期投入大，使用、管理要求專業化程度高，急功近利的心態排斥了有軌運輸的采用，原來禁止入洞的非凈化車輛如今成了隧道施工運輸的主力軍。這方面國家應該立法予以明確。

3．5做到達標排放和工程材料無公害隧道施工廢水排放對水環境的影響不可小視，只要有廢水排放就必須有合格的凈化處理設施，所有洞口都要做到達標排放，不留死角。廢渣堆放(棄渣場)應有地質穩定性評價，棄渣堆放形式應有標準設計，棄渣處理費用(包括運費)應算足，施工期要加強監督管理，渣場變更應有嚴格的審批手續。隧道及地下工程建設所使用的材料不單接觸大氣，還要緊貼地層，所以，使用環保型材料勢在必行。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。洞內作業比較突出的問題是炸藥的品質，其爆炸后的煙塵和遺留物，如氮化物，對工作人員的身體健康危害很大。國家應指示有關部門研制無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，會對鄰近水源造成污染，因此，政府部門應嚴加監管。3．6防災、救援設施和制度管理隧道及地下工程在運營中發生火災事故并不少見，國內外都有突出的案例。隧道及地下工程建筑在設計之初都會考慮到災害的發生，進而會在災害預防、救治等方面下些功夫。問題是發生小的災害時，預設的功能可以滿足需要，而發生大的火災時，那些預備好的設施和制度似乎起不到什么作用。所以，隧道內已發生的特大火災所造成的人員傷亡和經濟損失都是非常慘重的。因此，在長大隧道及大型地下工程內設置便捷、可靠的逃生通道是非常重要的。TB10621—2009《高速鐵路設計規范》(試行)中有一系列關于防災、救災、逃生、救援的強制條款，還有“長度大于10km的隧道宜采用2個單線隧道方案”的建議條款，應該是有理論分析和經驗依據的。但是在實際運用中，一些設計人員對此并沒有深入理解，任意操作，可能會留下安全隱患。用于交通的水下盾構隧道間設置橫通道除行車需要外，也具有災害發生時的逃生功用，十分重要。但是國內在這方面的施工能力嚴重不足，迫使設計另走途，國外雖有先例，但可靠性令人擔憂［6］。

4結語

綜上所述，隧道及地下工程的建設和使用對周邊環境的影響具有兩面性。由于可利用的空間和資源的限制，節能減排及環境保護是人類社會經濟活動的永久課題。隧道及地下工程技術應該能夠很好地順應這個發展方向，所以它有著極其廣闊的應用前景。我國隧道及地下工程建設高潮方興未艾，這里用16個字來表達對隧道及地下工程建設事業的熱切愿望:積極開發、合理利用、精心構筑、科學運管。

作者：郭陜云單位：中鐵隧道集團有限公司中國土木工程學會隧道及地下工程分會