（环境工程专业论文）岩溶隧道施工中地下水环境负效应评价指标体系研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第l 页 摘要 本论文以岩溶隧道施工中地下水环境为研究对象，通过资料调研和对典 型岩溶山区现场调查踏勘，探讨了岩溶隧道施工中地下水环境负效应的概念 及形成机理，并在此基础上构建了岩溶隧道施工中地下水环境负效应的评价 系统。文中建立了评价模型，并对其评价指标的筛选、指标权重的确定以及 指标隶属函数的构建等进行了研究和探索，所取得成果有助于指导隧道设计 施工和减少岩溶隧道施工中地下水环境负效应，为修建岩溶山岭隧道地区水 资源可持续发展和隧道动态设计提供科学依据，从而实现隧道施工中环境质 量全过程控制。 文章综合考虑自然地理、地质、水文地质以及隧道工程等相关因素，通 过对指标体系结构及其构建原则、作用和方法的总结分析，建立了适用于岩 溶隧道施工中地下水环境负效应评价的指标体系。应用模糊数学中建立隶属 函数的理论和方法构建地下水环境负效应评价指标隶属函数，通过隶属函数 对各评价指标进行量化。并聘请土木工程、水文地质及环境工程等领域的专 家应用层次分析法确定了评价指标体系中各指标的权重值。以国道沪蓉高速 公路垫( 江) 邻( 水) 支线铜锣山隧道为例，应用岩溶隧道旌工中地下 水环境负效应的评价系统评价了该隧道旄工中地下水环境负效应，结果表明 该隧道施工期间地下水环境负效应综合评价指数最大值为o 3 4 3 ，负效应程 度属于中等( 1 1 1 ) ，与现场实际情况相符。 关键词：隧道；地下水；环境负效应；指标体系；模糊综合评价 西南交通大学硕士研究生学位论文第| l 页 a b s t r a c t t h i sp a p e rt a k i n gg r o u n d w a t e re n v i r o n m e n to ft u n n e lu n d e re x c a v a t i n gi n k r a s tr e g i o na ss t u d yo b j e c t ，b e n e f i tf r o mf i l e sr e s e a r c ha n df i e l di n v e s t i g a t i o n ，t h e a u t h o rm a k e sa ne f f o r ti nh o wt od e f i n eg r o u n d w a t e re n v i r o n m e n t a ln e g a t i v e e f f e c t sc o n n e c t e dw i t ht u n n e le x c a v a t i n gi nk a r s ta r e a t h ea u t h o rd e s i g n e dt h e g r o u n d w a t e re n v i r o n m e n t a ln e g a t i v e e f f e c t sa s s e s s m e n t s y s t e m t h e n s t u d i e d s e l e c t i n gi n d e x e s ，e v a l u a t i n gw e i g h ta n dc o n s t r u c t i n gf u n c t i o n s t h er e s e a r c h r e s u k si n s t r u c t i o n a la n dh e l p f u lt od e s i g n e ra n dc o n s t r u c t e ri nm i n i s h i n g g r o u n d w a t e re n v i r o n m e n t a ln e g a t i v ee f f e c t s ，t h er e a s e a r c ho f f e r sd i r e c t i o n s f o r t h ed y n a m i cd e s i g na n dc o n s t r u c tt u n n e l si nk a r s tr e g i o n ，a n di ti si n s t r u c t i v ef o r s u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n ti nt h er e g i o n ，a f t e rt h a tt h ee n v i r o n m e n t a lq u a l i t ye n t i r e p r o c e s sc o n t r o lc a l lb ec o m et r u e p h y s i c a lg e o g r a p h ya n dg e o l o g y a n d h y d r o l o g yg e o l o g y a n dt u n n e l c h a r a c t e r i s t i cf a c t o r sa r ec o n s i d e r e dc o m p r e h e n s i v e l yi nt h i ss t u d y , r e s e a r c h e d t a r g e ts y s t e m s t r u c t u r ea n di t sc o n s t r u c t i n gp r i n c i p l e ，t h ef u n c t i o na n dt h e m e t h o d ，f o l l o w e dt h ep r i n c i p l e so fi n d e x e ss e l e c t i n g ，g r o u n d w a t e re n v i r o n m e n t a l n e g a t i v e e f f e c t se v a l u a t i o ni n d e x s y s t e m i nk a r s tt u n n e l e x c a v a t i n g i s e s t a b l i s h e d t h ei n d e xs y s t e mc a nb eu s e di nt h ea s s e s s m e n to fg r o u n d w a t e r e n v i r o n m e n t a ln e g a t i v ee f f e c td u et ot t m u e lb m l d i n gi nk a s r tm o u n t a i n o u sa r e a a p p l i e st h ef u z z ym a t h e m a t i c sk n o w l e d g ee s t a b l i s hm e m b e r s h i pf u n c t i o no ft h e g r o u n dw a t e re n v i r o n m e n tn e g a t i v ee f f e c t si n d e x e s ，a n df i g u r eo u ti n d e x e sv a l u e b ym e m b e r s h i pf u n c t i o n o b t a i nw e i g h to ft h ei n d e x e sb ya n a l y t i c a lh i e r a r c h y p r o c e s s ( a h p ) w i t ht h eh e l po fa u t h o r i t yi nt h ed o m a i no fc i v i le n g i n e e r i n ga n d g e o l o g ya n dh y d r o l o g yg e o l o g ya n de n v i r o n m e n t a le n g i n e e r i n g b a s e du p o nt h e s t u d ya b o v e ，t h ea u t h o rs y n t h e t i c a l l ya p p r a i s e st h et o n g l u o s h a nt u n n e ll o c a t e di n 西南交通大学硕士研究生学位论文第f ii 页 h i g h w a yf r o ms h a n g h a i t o c h e n g d uw i t hf u z z yc o m p r e h e n s i v ee v a l u a t i o n m e t h o d ，e v a l u a t i o nr e s u l t ss h o w e dt h a tt h em a x i m a li n d e xv a l u ei so 3 4 3 ，w h i c h m o a n st h eg r o u n d w a t e rn e g a t i v ee f f e c t sa t t r i b u t et om i d d l ed e g r e e ( m ) ，a c c o r d w i t ht h ef a c t so f t h ee a l - a k e yw o r d s ：t u n n e l ；g r o u n d w a t e r ；e n v i r o n m e n t a ln e g a t i v ee f f e c t ；i n d e xs y s t e m ； f u z z ys y n t h e t i ce v a l u a t i o n 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 1 1 问题的提出 第1 章绪论 在地层中修建的通道成为隧道，它是人们利用地下空间的一种形式，它 能充分利用岩土的固有性质，达到最有效的目的，从而取得良好的社会和经 济效益。隧道按其用途分为交通隧道、水工隧道、市政隧道、矿山隧道和国 防等其他特殊用途的隧道【l 】。 我国是一个多山的国家，山区面积约占国土总面积的三分之二，因此， 隧道工程尤其是长大隧道，可以缩短线路长度和行车时间、减少深路堑和后 期运营成本等优势，在现代化交通建设过程中，被越来越多的技术人员所认 同。随着科技和施工水平的不断进步，修建长大隧道成为今后隧道发展的一 个必然趋势，隧道工程在道路建设中所占的长度比例迅速提高【2 】。 截至2 0 0 3 年底，我国大陆已建成铁路隧道7 4 0 0 余座，总延长近4 2 0 0 k m ， 公路隧道1 9 7 0 余座，总延长近1 0 0 0 k m 。从最近几年的建设规模和速度来看， 铁路隧道和公路隧道分别约以每年3 0 0 k m 和1 5 0 k m 的建设速度在增长【3 】。无 论在隧道的数量、规模和建设速度方面，我国已成为世界上隧道最多，发展 最快的国家【2 1 。 由于自然地理条件和设计、施工及运营过程中各种因素的影响，隧道建 成后在长期运营使用过程中会出现各种各样的病害，部分隧道甚至在使用前 期就出现比较严重的衬砌裂损、渗漏水和基底下沉等病害。在合适的设计、 施工和维修管理条件下，隧道结构物会具有良好的承载性、耐久性和满足耐 久性要求的使用寿命。但如果设计施工不当或对某些潜在的因素考虑不周， 或维修管理不善，就会出现劣化现象或加速其发展【1 】。 我国西南地区由于受到印度洋暖湿气流的影响，是我国暴雨最为频繁、 降雨量最为集中的地区之一。地下水在该地区各种地质灾害的发生过程中， 均扮演着极为重要的角色，地下水是该地区地质灾害勘测、评价、预测与防 治必须重点研究的因素。因此，从地质体对地下水的敏感性分析出发，研究 地质灾害过程中，地下水的作用机理，对于进一步认识各类地质灾害的形成 条件、成因机制、分布发育规律以及对其带来的环境负效应评价、预测和防 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 治等都具有重要的理论和实际意义。将地下水视为一种基本地质营力，源自 于地质学的基本原理，如地下水的成矿作用等。但认识到其在人地系统 相互作用中的重要地位，还是2 0 世纪以来的一系列重大工程灾害事件，如法 国的马尔帕塞拱坝失事，意大利瓦伊昂水库滑坡等【4 】。 地下水不但影响隧道工程的施工和建成后的结构稳定，而且产生相应的 隧道病害，影响隧道正常使用时的安全。当隧道通过松散岩层、岩溶裂隙发 育带或断层破碎带时，往往与区域地下水和地表水有一定的水力联系。尤其 当隧道穿过大型溶洞区和断层破碎带时，可将围岩分隔成几个单独的或有一 定水力联系的含水单元，对隧道施工建设以及运营养护的安全产生很大的影 响。在隧道施工穿过较大的断层破碎带时，施工人员往往不仅需要技术上的 支持有时还需要心理上的支持。就隧道事故而言，地下水在隧道工程地质问 题的发生过程中起到至关重要的作用。地下水的活动和作用往往是形成隧道 事故的主要因素，大量灾害( 难) 性工程地质事件，大多数都是由于地下水 作用触发或诱发而产生【5 l 。 地下水大多是由于地表水的渗透或溶洞中储藏的岩溶水，它们有时候是 流动的，有时候是静止的，有的时候还有压力水头。地下水的存在，使岩石 软化、强度降低，层间夹层软化和稀释导致层问滑动。裂隙水在隧道开挖时 涌入坑道，使施工发生困难，给以后养护也带来无止无休的灾害l6 1 。隧道工 程使我们的生活更加快捷方便，大量国内外隧道工程的实践表明，制约深埋 特长隧道建设的主要因素是地质灾害及伴生的地质环境问题，尤其是岩溶地 区山岭隧道建设过程中，由于地下水的原因带来许多环境负效应。如隧道施 工过程中不加控制的排放地下水，就会使地下水位下降，使得地表水和一定 深度内的地下水被疏干，其结果是在影响半径范围内使地下水露头，导致井 泉、溶洞、暗河等不同程度的水量减少或消失，造成农作物减产和地表植物 枯萎死亡等，从而直接或间接的影响当地居民的生活、生产 7 l 【8 1 。过渡排放 地下水也会导致地面沉降、岩溶塌陷等一系列的次生环境问题，大瑶山隧道 施工中大量排放地下水，造成斑古坳地区地表生存环境的恶化就是明显的 例【9 j 。富含地下水的岩溶地区修建隧道时。可能揭穿地下暗河或古溶洞，造 成隧道涌水突泥，这些对施工安全和进度造成很大威胁h o 】。由于隧道的施工， 改变了原生地质环境中地下水和地表水的补排环境和水文循环平衡1 1 】，在岩 溶地区则可能激活古岩溶，加快现代岩溶发育速度，使更多c o ：溶解水中， 加速对隧道结构侵蚀，进而威胁隧道衬砌稳定。如果隧道穿越岩性为石膏类 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 或者富含硫铁矿等物质地层时，由于硫酸盐的侵蚀、硬石膏的体积膨胀、在 干湿交替条件下硫酸盐的结晶溶解以及局部地区石灰岩的溶解会对隧道结构 造成侵蚀损害。隧道衬砌腐蚀使混凝土变酥松、强度下降，降低隧道衬砌的 承载能力，还会导致腐蚀铁路扣配件，缩短使用寿命，危及行车安全【1 2 l 【1 3 】。 同时地下水是一种宝贵的资源，地下水在入渗与渗流过程中，由于岩层的过 滤作用，地下水水质比较清洁，水温恒定。地下水一旦遭受污染，再度净化 要比地表水困难得多，也使地表水体污染风险增大【1 2 】【1 4 】。隧道施工中大量涌 水突泥，将导致土壤大量流失，造成隧道附近土地沙漠化，岩溶地区则加速 石漠化发展速度，由于土壤肥力降低导致隧址区生态环境退化。隧道涌突水 还可导致地表湿地、湖泊萎缩，从而严重影响到地表水生环境【1 5 】。土地和水 是生态环境的重要组成部分，生态环境是人类生存发展的基本条件，隧道建 设，特别是岩溶长隧道的修建，与保护生态平衡存在着突出的矛盾，主要表 ，现在水环境及土地资源问题上。如果修建岩溶隧道的措施不当，将会把宝贵 的地下水资源转交成隧道内的地质灾害，并使环境地质恶化【1 6 】。 总之，世界各国都有隧道施工期间与地下水相关的环境负效应问题，使 水资源减少、水质恶化，并产生相关环境负效应。因此，对于隧道施工中地 下水环境负效应问题的研究，应从环境负效应的概念、产生原因及构成要素 出发进行研究，从而建立评价系统，为预防和减少环境负效应提供参考。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 国内研究现状 对于隧道施工中地下水的作用以及与地下水相关的隧道防排水理念是在 长期的工程实践中逐渐被认识的。以铁路隧道为例，我国早期修建隧道时无 防排水措施，主要依靠衬砌混凝土的自防水作用，直到1 9 6 4 年在成都召开的 全路防排水科研协作会上，西安铁路局拓石工务段提出了“截、堵、排”综 合治理原则，开始反映了隧道治水应当采取综合措施；其后经过近十年的深 化认识，在1 9 7 5 年7 月颁布的铁路工程技术规范才提出明确的原则即“应 采取以排为主，截堵排相结合的综合治理措施”；随着环境意识的提高和对水 资源重要程度的认识，更加具体明确的原则出现在1 9 8 6 年7 月颁布的铁路 隧道设计规范( t b j 3 8 5 ) 中，本次规范提出了“防、截、排、堵相结合， 因地制宜，综合治理”的方针【1 7 】，并一直沿用至今。 国内对隧道的研究主要关注结构性能，多以隧道施工为中心，重点讨论 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 如何做到排水、堵水或防渗措施，保证施工过程与施工后隧道结构性能不受 到地下水的影响，保证隧道功能等方面，也有部分学者从隧道与水环境相互 关系进行研究，如王勐等人( 2 0 0 4 ) 研究了隧道突水灾害与降雨的关系及对 地表水的影响【1 8 l ，贾嘉陵等人( 2 0 0 3 ) 通过所建立的数学模型，初步解释了 水压对于隧道工程力学效应，评价了其对隧道工程设计、施工和维护的影响 1 1 9 。对隧道施工引起水环境影响的研究比较少，近年才有从生态保护角度研 究研究隧道与水环境关系，李耐霞( 2 0 0 4 ) 以歌乐山隧道为例，研究了隧道 施工过程对水环境的影响【2 ，田劲杰( 2 0 0 5 ) 、曾小燕( 2 0 0 6 ) 分别研究了 隧道建设和岩溶隧道涌水对生态环境的影响 2 1 , 2 2 1 。对于施工中隧道涌水，蒋 忠信( 2 0 0 5 ) 提出“以堵为主”的原则出发，定量分析隧道工程与水环境的 相互作用的关键环节，建立“水环境平衡”的隧道设计理念【2 3 1 ，最新的研究 是李兴高等人( 2 0 0 3 ) 提出的即要降低全包式防水的成本，又要满足地下水 环境保护，限制地层沉降的控制型防排水方法，该方法综合了“以排为主” 和“以堵为主”两种技术的优点，既可降低工程造价，又能保护生态环境【9 1 。 赵金风( 2 0 0 4 ) 研究了隧道疏于排水对周围地下水系统影响，模拟并预测堵 水成功后水位的恢复情况以及隧道对周围地下水位以及引起的地面塌陷的影 响【2 4 】。许劫等( 1 9 9 9 ) 以南京玄武湖水底交通隧道为例，初步分析了玄武湖 水底交通隧道对地下水环境的潜在影响【2 5 1 ，王鹰、谢强( 2 0 0 0 ) 以秦岭隧道 和大瑶山隧道为例，研究了长大隧道施工过程带来的各种环境负效应【2 ”。王 建秀( 2 0 0 1 ) 等研究了秦岭隧道排出水化学异常对地表水质影响评价】，刘 丹( 2 0 0 1 ) 等研究了华蓥山隧道排水带来的生态环境问题及效应【1 2 】，黄润秋 ( 1 9 9 8 ) 等从防灾减灾的角度研究了深埋隧道工程主要灾害地质问题f 2 7 】，对 于环境负效应的研究有王风生( 2 0 0 1 ) 对矿业开采诱发的地质环境负效应和 综合治理进行了研究【2 引，虎维岳( 1 9 9 8 ) 研究了矿山开挖造成的环境负效应， 提出了对矿山开挖过程中常见环境负效应进行评价的方法和技术路线，就不 同阶段对矿山开挖引起的环境负效应进行科学管理和控制的技术对策及技术 路线提出了建议【2 ”，温忠辉( 1 9 9 8 ) 研究了与地下水开发利用有关的环境地 质负效应，如区域地下水水位持续下降、地下水污染、地面沉降等 3 0 1 ，姜月 华( 2 0 0 0 ) 等研究了长江三角洲地下水开采造成的负环境效应及其防治【3 1 】。 1 2 2 国外研究现状 对于地下水开采方面的研究，t o d d ( 1 9 8 0 ) 提出了安全开采量的定义【3 2 】， 它是指从一个含水层中可持续地、经济且合法地抽取的天然地下水数量，开 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 采过程中不会破坏地下水质量，也不产生诸如生态破坏等这样负面影响。 k h a r e d 等人( 2 0 0 6 ) 从水资源配置的角度论证了通过印度南部克利须那运 河将地表水输送到内陆缺水盆地的益处和可行性1 3 3 】。d a h i y as 等人( 2 0 0 7 ) 应用模糊集理论，通过对印度南部哈里亚纳邦饮用地下水的物理化学质量进 行模糊综合评价【蚓。 对于隧道和地下水方面的相关研究，国外在此方面的研究也多集中于工 程技术手段保证隧道结构性能和旖工安全方面，如日本在修建青函隧道中全 断面围岩压浆止水技术【3 5 】，澳大利亚学者z o j e r ( 1 9 9 7 ) 以地下水平衡思想研 究了在喀斯特地质条件下进行隧道开挖，用注浆方法与阻止隧道内高压涌水 的关系 3 6 1 。t x z h u i ”】( 1 9 9 7 ) 研究了中国半干旱黄土高原地区羊道沟深埋 隧道地区水文平衡，结果发现该隧道平均排水量达到隧址盆地总排水量的 4 3 。j u l i ew i l k ( 2 0 0 6 ) 等人对西南非洲奥卡万戈盆地地区降雨量与径流量 水文动态平衡做了研究【3 ”。j e n sk v 目e m e r 和b j 砌k l g v e ( 2 0 0 6 ) 应用地球氢 氧同位素化学理论研究了丰水季节隧道内排水的补给来源【3 9 】。j o h nk e e r y 等 人( 2 0 0 7 ) 通过建立一种温度时间序列分析法，研究，通过分析地表水经由 河床下渗量不同河床温度也随之变化这一相关特性分析地表水与地下水之间 的时空转化规律t 4 0 。m o n a w e i d e b o r g 等人( 2 0 0 1 ) 研究了海湾地区地下工程 施工期间采用注浆工艺，由于化学浆液渗漏造成的环境风险。t o d d a w a n g 等人( 2 0 0 2 ) 研究了在不确定条件下，地下水污染的多级决策分析模型【4 2 1 。 f e m j m d e zg i l v e z 等人( 2 0 0 7 ) 通过水桶模型评价了污染物经由土壤下渗污染 地下水的风险评估 4 3 1 。i n m ol e e 和s e o k w o on a m ( 2 0 0 4 ) 从结构稳定性角 度研究了由于地下水渗透压力增加对水下隧道洞门稳定性的影响，并应用有 限元程序分析隧道周围地下水对隧道结构收敛及稳定性的影响1 4 4 1 。g u e s t ( 2 0 0 2 ) 详细研究了硫酸盐对混凝土结构的造成的腐蚀性程度和原因【4 5 】。 k o c b a y 和k i l i e ( 2 0 0 6 ) 从工程地质角度就岩石强度、节理密度、裂隙分布 等方面分析评价了土耳其奥布鲁克大坝场址导流隧洞的施工事宜程度及施工 中可能遇到的问题1 4 ”。 对于隧道开挖造成的地表沉降对建筑损害等问题，外国学者很早也有研 究，对地层沉降和变形规律的认识也不断深入，从经验公式法到半经验半解 析再到数值模拟分析法，学者们做了大量的工作。目前为止，已经有多种研 究理论和方法。 早在1 9 6 9 年墨西哥国际土力学地基基础会议上，就“隧道掘进引起地表沉 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 陷”议题，r b p e c k 透过1 7 例山隧道开挖引起的地表沉陷数据及工程资料分 析【4 ”，提出地表沉降槽类似正态分布曲线，认为地层移动由地层损失引起， 施工引起的沉降是在小排水的条件下发生的，所以沉陷槽的体积应等于地层 损失的体积。 b u r l a n d 与w r o t h 4 8 】( 1 9 7 5 ) 基于结构潜在的变形模式与材料的临界拉应 变，计算了建筑结构的损害，并将初始裂缝的发展与挠度比联系起来。c o r d i n g 等人1 ( 1 9 7 8 ) 认为地面沉降对隧道结构有损害，将隧道结构的损害分为建筑 损害和结构损害两类。谨慎的开挖及支护也会产生位移，该位移小会导致明 显的结构损坏，但是会造成微小的建筑损害。 v e r r u i j t 和b o o k e r 垆o 】( 1 9 9 6 ) 假设土层各向同性和小可压缩，提出了均 质弹性半空间中隧道变形引起的地表沉降的解析解。n l o g a n a t h a n l 5 1 】( 1 9 9 8 ) 等认为地表位移是由地层损失引起的，但是隧道的径向位移不是均匀的，其 形状近似椭圆形，地层的沉降主要发生在隧道轴线与水平方向夹角为4 5 度的 范围内。s t o r e yj b o o n e 【5 刁( 1 9 9 6 ) 假定基础为柔性，顺从地表的运动，详细讨 论了在地层运动下，采用结构力学或者材料力学的原理来计算墙体和框架的 主张拉应交、剪切应变，并将结果与以往统计的结构材料的临界拉应变对比， 以此作为建筑结构损害评价。 c h t m g s i k y o o 等人p ”( 2 0 0 3 ) 基于结构力学原理开发出一套建筑损害评 价系统u r i s i b 并用于韩国d a e g u 地铁2 号线工程。牛津大学h j b u r d 等( 2 0 0 0 ) 使用他们自己开发的应用于岩土工程的有限元程序o x f e m ，对隧道建设与 结构进行了耦合分析【5 4 】。h m r o u e h 与l s h a h r o u r 5 5 】( 2 0 0 3 ) 采用有限元软件 p e c p l a s 对一个三跨两层的框架结构进行了计算，结果发现，框架结构本 身的剐度对抵抗隧道施工产生的变形具有重要作用。 目前国内外对隧道施工中地下水环境负效应系统研究还比较少，也没有 建立隧道施工中地下水环境负效应评价体系。 1 3 本文研究意义 1 理论意义：本文将对隧道施工中地下水环境负效应的评价模型、评价指 标体系和指标量化方法进行初步探索。随着可持续发展和环境保护理念的不 断深入，隧道施工中由于地下水带来的环境负效应逐渐成为备受关注的焦点， 环境负效应的强烈程度及其带来的影响也更加引起人们的关切。隧道施工中 地下水环境负效应历来都是环境保护过程中的薄弱环节，对地下水环境负效 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 应形成因素，环境负效应影响强度也没有进行系统研究过。由于地下水环境 带来的环境负效应是一个复杂的系统，反映隧道施工中地下水环境负效应的 指标很多，因此地下水环境负效应评价指标体系表现为多层次性，需要建立 相应的指标体系，以便进行综合评价。本研究是我国隧道施工中地下水环境 负效应评价的一次有益尝试，可充实和丰富地下水环境负效应分析的理论和 方法。 2 实践意义：本文的研究对以后类似地质条件的隧道选线设计，合理评 价隧道施工过程中由于地下水引起的环境负效应影响程度具有指导意义，对 于隧道施工过程中随着地质条件的变化不同围岩条件下的隧道动态设计提供 参考数据，也为提出有效的工程环境控制方案提供依据，从而为有效控制环 境负效应的形成与发展，达到环境质量全过程控制，实现可持续发展以及人 类社会与环境和谐发展的目的。 1 4 本文的主要研究内容及技术路线 1 4 1 主要研究内容 本文以隧道施工中由于地下水带来的环境负效应为研究主线，结合沪蓉 高速公路垫邻支线铜锣山隧道，对隧道施工中地下水环境负效应综合评价进 行研究，为岩溶地区修建山蛉隧道区域水资源可持续发展和环境保护以及隧 道动态设计提供科学依据。主要研究内容有以下几个方面： 1 地下水环境负效产生原因分析 详细分析在岩溶隧道施工过程中由于地下水原因可能对环境造成的环境 负效应。 2 评价指标体系构建 根据评价指标体系制定的原则、作用和方法，研究构建隧道施工中地下 水环境负效应综合评价指标体系。 3 指标体系量化方法 研究岩溶隧道施工中地下水环境负效应综合评价指标体系评价标准，并 构造评价指标隶属函数进行指标量化。 4 实例研究 以铜锣山隧道为例，应用所建立的评价体系对隧道施工中地下水环境负 效应进行综合评价，得出铜锣山隧道施工中地下水环境负效应程度，验证评 价体系的可靠程度和适应性。 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 1 4 2 研究技术路线 本文所采用的技术路线详见图i - i 。 图1 1 隧道施工中地下水环境负效应研究技术 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 第2 章地下水环境负效应概念及评价模型 环境是一个综合有机系统，环境中的各种因素相互作用相互影响。人类 作为环境中的因素之一，在从事各种活动对环境都有或多或少的影响，这些 影响即为环境效应。这些效应中有对环境有利的正面效应，也有对环境不利 的负效应。为了人类的长远利益我们必须做到可持续发展，因此，我们在进 行水资源开发或者各种工程活动时在就应该尽量增加环境正效应，防止或尽 可能减少环境变化带来的各种负效应。 2 1 隧道施工中地下水环境负效应概念 2 1 1 环境效应 环境效应是在环境诸要素综合影响下，物质之间通过物理、化学和生物 作用所产生的环境效果，引起环境系统结构和功能的变化1 5 6 。 环境效应一般可以分为自然环境效应和人为环境效应。环境效应按其产 生的机理还可分为环境生物效应、环境化学效应和环境物理效应。 环境效应是以地能和太阳能为主要动力来源，环境中的物质相互作用所 产生的环境效果：人为环境效应则是由于人类活动而引起的环境质量变化和 生态变异的效果。这两种环境效应都伴随有物理效应、化学效应和生物效应。 环境物理效应是物理作用引起的环境效果，如熟岛效应、温室效应、噪 声、地面沉降等。环境化学效应是在环境条件的影响下，物质之间的化学反 应所引起的环境效果，如环境的酸化、土壤的盐碱化、地下水硬度升高、光 化学烟雾发生等。环境生物效应是环境要素变化而导致生态系统变化的效果。 环境生物效应种类繁多、数量巨大，成因多样。 环境效应通常是多种因素复合作用而产生，其结果也并不单一。按其对 环境的作用和对人类的影响可分为环境正效应和环境负效应【5 7 】。 2 1 2 环境正效应 环境正效应是指对人类或环境有利而无害或者是利大于弊的环境效应。 人们在进行地下水资源开发或者改造自然如进行隧道工程建设过程中， 在某些环境条件下，有对环境变化有利的一面，即对环境产生正效应【懿】。由 于地下水开采、矿产资源开发或隧道施工排放地下水带来的环境正效应有如 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 f 几方面： 1 调蓄地下库容 地下水的开采或排放，将地层中储水空间腾出来可增大地下调蓄库容， 这样有利于降水入渗补给，增强地层接受地表水和大气降水入渗的能力，同 时加大水力坡度，从而加快水循环，并在一定程度上促进了洪水资源化。在 平枯水期，降低地下水位腾出了下渗通道及赋存空间，汛期可使地表水短时 积聚后，便大量下渗补给地下水，使洪水转化为地下水资源，一定程度上可 减少洪涝灾害带来的损失。在地下水位埋深较浅地区，隧道施工中合理地排 水也可降低地下水位，达到类似的效果。 2 减弱旱灾影响 我国大部分地区属于大陆季风气候，大气降水在时空上分布不均，冬春 季节易发生旱灾，地表水与大气降水呈正相关关系。在发生旱灾的季节它的 水量也要减少，隧道施工中排放部分地下水从一定程度上起到了合理调配水 资源的作用，从而减弱了旱灾的影响。 3 控制土壤返盐 土壤盐分变化与潜水动态密切相关。地下水位埋深越浅，潜水蒸发量越 大，向表土输送的盐分就越多，也就越容易造成土壤盐渍化。在地下水位较 高的地区，如果将地下水位控制在一定的深度。就能抑制土壤返盐，并使盐 碱地得到改良。隧道施工中适当排出部分地下水，降低地下水埋深，也可达 到控制土壤返盐的作用。 4 改善水质 隧道施工中排放地下水，可以激发地表水对地下水的补给，不仅使地下 水供水稳定，而且可利用岩层的天然过滤和净化作用，使难于利用的多泥沙 河水，转化为水质良好的地下水，为附近城镇和工业集中供水提供水源。 2 1 3 环境负效应 环境负效应与环境正效应相对，它是指有害或者是弊大于利的效应。 为了解决水资源在时空、数量、质量等方面与用水需求不相适应的矛盾， 人们采取各种工程措施调整地表水和地下水的时空分布，从而达到开发利用 的目的。水利工程建设对于促进经济发展，提高人民生活水平，抵御各种自 然灾害，改善环境质量发挥了重要作用，并且可获取巨大的社会、经济和环 境效益。但是也应注意到，水资源的开发利用会改变地表水、地下水的天然 状态和周转节律，使水成为诸环境要素中变化最快的因子。水的数量、质量 西南交通大学硕士研究生学位论文第”页 及水头能量的快速变化，一旦超过环境某一方面的阈值时，环境就会发生变 化，伴随而来的是一系列环境问题，产生各种环境负效应。 由于地下水开采、地下矿产资源开发或隧道施工排放地下水带来的环境 负效应效应有如下几方面： 1 区域地下水位下降 区域性地下水水位下降是水资源开发负环境效应的主要表现形式之一。 由于超量开采或者隧道施工中过渡排放地下水，地下水降落漏斗不断扩大， 最终出现区域性水位下降，结果导致水资源短缺甚至枯竭，具体有： ( 1 ) 城市地下水资源枯竭：地下水资源是绝大多数城市主要的供水水源。 由于城市人口集中、工业企业密集，地下水开采量远远超出补给量，水资源 日趋减少乃至枯竭的趋势愈加明显。城市地下水过量开采结果造成补给量与 排泄量的平衡关系失调，地下水水位持续下降，部分地区出现含水层被疏干 的严重现象。 ( 2 ) 泉水流量减少或枯竭：素以泉城著称的济南市，由于超量开采地下 水，趵突泉群等四大泉群自1 9 7 2 年始由长年出流变成季节出流，到2 0 世纪 8 0 9 0 年代则出现了多次断流的现象，单次断流时间最长的达两年之久【5 ”， 华北有些地区地下水正以每年4 m 的速率下降，使地下水资源日益枯竭即l 。 隧道施工过程中无限制的排放地下水，造成与水资源开发和煤矿排水类似的 后果f 8 】。 ( 3 ) 造成机泵井工作环境恶化：水位下降引起机井水量削减，当水位降 到一定深度，水泵空吊，生产受到影响。水位下降还引起提水设备动力加大， 能耗相应增加。地下水位不断下降造成机井水泵效率降低甚至报废，水位下 降还引起提水设备动力加大，能耗相应增加【6 l 】。 ( 4 ) 海( 咸) 水入侵：海( 咸) 水入侵是由于滨海地区人为采水，降低陆 地地下水位，使地下水动力条件发生改变，引起海水或高矿化咸水向陆地淡 水含水层运移而发生水体侵入的过程和现象，且国内外广泛存在。华北平 原中东部地区，下层淡水与上覆咸水间大的水位差造成了咸水层向淡水层的 快速越流补给【6 2 】。海( 咸) 水入侵地下水变成，不再适用饮用，也影响农业 生态，带来严重的经济损失，使沿海地区经济发展受到更大制约【6 3 1 。 2 地面沉降 地面沉降这种环境负效应已屡见不鲜，对社会造成的危害，在世界各地 都受到广泛的关注。地下水下降是引发地面沉降的决定性因素，许多地区的 西南交通大学硕士研究生学位论文第12 页 地面形变监测资料表明，地面沉降中心与地下水漏斗分布范围有较好的对应 关系【5 9 】。 隧道开挖会产生地表沉降、倾斜、地面曲率变化及地表拉伸和压缩等作 用，这些作用都会带来地面沉降，对地面及地下建筑带来很大的损害。因地 面沉降造成的经济损失也日趋严重，其主要表现是对工程的破坏。地面沉降 使防洪系统不能发挥正常的作用，也使桥梁净空降低，不能满足通航要求； 沉降还会使城市排水不畅产生内涝一些下水道甚至污水倒流【砷1 。更为严重 的是，地面沉降使测量标志失准，绘工程建设带来很大困难【6 1 1 。 3 岩溶塌陷 碳酸盐岩分布区地下发育有大量洞穴和管道等岩溶形态，其开口覆盖较 薄的第四纪松散堆积物，强烈抽取岩溶水极易发生覆盖层陷落、下沉，在地 表形成各种规模和形态的坑槽，形成岩溶塌陷。 世界岩溶地面塌陷分布甚广，我国岩溶塌陷多为不同程度抽取地下水或 矿坑排水引起【6 5 1 ，由于灰岩等碳酸盐类岩石具有可溶性，和其他岩石相比， 在其组成的地层中水文地质特征及工程地质条件有其独有的特征。灰岩等可 溶岩构造裂隙往往在水流的作用下不断扩张形成溶隙或管道，具有不均一和 明显的各向异性，不仅导水，而且能使土颗粒在水流作用下顺溶隙或管道远 移。正是这种特性，在可溶岩地区修建隧道会出现各种地质灾害，直接影响 可持续发展的长远大计【l6 】。襄渝铁路中梁山隧道施工时，对隧道涌水采用了 以排为主的原则，随着导坑中大量岩溶水的涌出，出现地表水漏失和地面塌 陷【“】。 岩溶塌陷造成地面变形，使得工程建筑物易产生不均匀沉降，岩溶塌陷 点及其附近土体扰动造成土体强度值降低，工程力学性质变差，岩溶塌陷伴 生污水回灌引起地下水污染【6 ”。岩溶地面塌陷往往具有突发、规模巨大等特 点，可损毁房屋等地面建筑，甚至造成人员伤亡。 4 隧道涌突水 岩溶地区开采煤炭及其他固体矿产资源，在其顶部或底板为碳酸盐岩所 分布的情况下，易于产生岩溶水的突水、涌水等不良现象。矿坑捅水量大的 地带，可导致岩溶塌陷，使地表水部分或全部涌入地下，增加了矿坑涌水量。 或者矿坑、隧道掘进过程中，由于揭露地下暗河，造成大量岩溶水的溃入， 如果其中包含泥沙和气团，危害更大1 6 5 1 ，同时既浪费了宝贵的水资源，也破 坏了当地的水环境1 6 8 ，因此隧道突水往往给隧道施工及营运带来防不胜防的 西南交通大学硕士研究生学位论文第13 页 危害1 6 9 1 ，成为隧道涌突水研究的主要问题。 深埋特长隧道施工中所遇到的最主要的灾害问题就是涌突水，这种现象 在岩溶隧道特别是深埋岩溶隧道中表现得尤为突出l ”。由于岩溶发育的因素 错综复杂，形态千姿百态，以及岩溶发育的不均衡性和不规则性，由此导致 的岩溶水管道化、河系化，使得岩溶隧道涌水预测十分困难1 7 0 l ，也给岩溶隧 道的设计施工带来一系列问题【7 1 】，也使运营铁路隧道1 7 2 】，尤其是岩溶隧道发 生事故p 】。由于涌水产生侵蚀或冻融循环将影响隧道结构稳定及降低其使用 寿命1 7 ”，铁路隧道内的涌突水缩短轨道扣配件更换周期，电气设备破坏绝缘 效果，影响其中整修作业人员健康【1 6 1 7 4 1 。 5 造成地下水污染 过量开采地下水会造成地下水污染。如长期开采地下水会改变地下水的 氧化还原条件，造成地下水总矿化度和硬度的升高，开采也改变了水动力条 件，会加速污染源向地下的入渗，污染地下水嘲】。过量开采地下水，必然造 成水位降低补给速度加快，水在地下净化时间变短，对含水层中的孔隙或裂 隙冲蚀能力加强，水位降低和下降漏斗的扩展则增加了补给或超出水源地保 护区范围，实际就是扩大了受污染面积。又因过量抽水使水量减少，则污染 浓度包括泥砂浓度加大，这些原因都会造成地下水水质恶化。地下水的污染 具有隐蔽性和难以恢复性。 如果隧道施工揭露煤系地层，煤层中所含硫铁矿在空气中氧化生成硫酸， 使得在平、枯水期隧道排出水的污染因子浓度升高，从而不仅使地表水中生 物资源遭到破坏，而且可能在当地造成水质污染【1 2 】。隧道施工中隧道内和混 凝上搅拌站的污水流入河流等公共水域，致使水域p h 值升高，改变水的化 学成分。注浆药液流入地下水中，也会导致周围泉水和溪水污染。 6 腐蚀地下工程结构 隧道施工揭露的煤层及其围岩暴露于大气氧化环境中，由于煤系地层中 含有硫铁矿和褐铁矿，在氧化环境下，硫铁矿被氧化使地下水中硫酸根离子 和氢离子浓度增加，氢离子对金属具有腐蚀作用，硫酸根对混凝土有腐蚀性， 主要是硫酸根与混凝土组分反应形成了膨胀性产物石膏和钙矾石。从 c a ( o h ) 2 转变为石膏，体积增加为原来的2 倍，钙钒石的体积约为原水化铝 酸钙的2 5 倍，由于膨胀造成混凝土的破坏【7 鲥。隧道穿越地层含有石膏等硫 酸盐也会释放硫酸根，由于结晶溶解循环产生类似的破坏效果【1 3 】。 除了硫酸根离子对隧道结构有腐蚀性外，地下水中的氯离子也可以破坏 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 钢筋钝化膜，造成结构钢筋锈蚀，降低隧道结构的强度。大气中c 0 2 的溶子 水中，可使隧道结构中的钙离子溶解，还可以导致混凝土中性化，破坏水化 硅酸钙凝胶，导致混凝土粉化f _ 7 6 】。隧道衬砌腐蚀使混凝土变酥松，强度下降， 降低隧道衬砌的承载能力缩短使用寿命。 7 生态环境退化 生态退化实际上是指一个系统在超载干扰下逆向演替的生态过程。 因水资源开发利用不合理而造成的植被退化现象十分普遍，尤其是在干 旱、半干旱地区较为突出，如我国西北的内陆盆地。这些地区降水稀少，蒸 发力大，风蚀作用强烈，土壤中水分含量小，地表积盐趋势明显，土壤的熟 化程度相对较低。在这种恶劣的自然条件下，除河流沿岸、湿地外，广大地 区只能生长耐旱、耐盐的植物且物种较单一、植株矮小，群落景观呈碎片化、 岛屿化，生物链脆弱，单链营养关系较多。环境条件一旦发生交化，土地沙 漠化、盐渍化程度加剧 6 甜。 隧道施工中涌突水，其中含有大量泥沙，造成水土流失。由于隧道涌水 造成水土流失速度是风化速度将近数千甚至上万倍【怕】。土壤大量流失，造成 隧道附近土壤沙漠化，岩溶地区则加速了石漠化发展速度，土壤肥力降低导 致隧址区生态退化。隧道涌突水导致地表湿地、湖泊萎缩甚至断流，也将严 重影响地表水生态环境。 2 2 隧道施工中地下水环境负效应评价模型 2 2 1 环境影响综合评价方法 综合评价指标体系的复杂性决定了其评价方法必须用复杂大系统的理论 和综合集成的方法去进行，即通过分解协调原则，在定性分析下结合定量分 析，将自然科学与社会科学、软科学与硬技术、现代方法与传统方法结合起 来，常见的用于环境影响综合评价的方法有以下几种： 1 矩阵法 为了识别诸多作用因子中的主要因子和生态系统主要受影响的生态因 子，美国l c p o l d ( 1 9 7 1 ) 提出种矩阵法进行综合分析评价【77 1 。矩阵是把一 系列工程活动与一系列生态因子分别列在一个表格中，来识别它们之间的因 果关系。一般常在表中将纵座标列出拟建项目的活动，横座标列出受影响的 生态因子，由此组成工程与生态的矩阵。再将每一种工程活动对生态因子的 影响给出权重，就形成两者之间的定性和半