（环境工程专业论文）高速铁路跨水源保护区桥梁基础施工环境保护研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i 页 a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，w i t ht h er i s eo fh i g h s p e e dr a i l w a ya n ds p e e d u po ft h ee x i s t i n gr a i l w a y , t h er a i l w a yh a sp l a y e dam o r ei m p o r t a n tr o l ei nt r a n s p o r ts y s t e m a c c o r d i n gt ot h er e v i s e d ”n a t i o n a lm e d i u m - a n dl o n g - t e r mp l a nf o rr a i l w a yn e t w o r k ”( 2 0 0 8 ) ，b y2 0 2 0c h i n aw i l l b u i l dm o r et h a n16 ，0 0 0k i l o m e t e r so fp a s s e n g e rs p e c i a ll i n e h i 曲- s p e e dr a i l w a y sc o n t r i b u t e s i g n i f i c a n t l yt oe c o n o m i cd e v e l o p m e n t , b u ta l s ob r o u g h ti n c r e a s i n g l ys e r i o u se n v i r o n m e n t a l p r o b l e m sa tt h es a m et i m e i no r d e rt oa c r o s st h ee x i s t i n gr o a dn e t w o r ka n ds a v ef a r m l a n d ， t h e r ei sal a r g ep r o p o r t i o no f t h eb r i d g e a l m o s ta l lt h eh i g h s p e e dr a i l w a yi nc h i n aa r el o c a t e d i nt h ee a s t - c e n t r a lr e g i o n , w h i l ea l a r g ec o v e r a g eo f p r o t e c t i o na r e ao f w a t e r r e s o u r c e si nt h e s e d e n s e l yp o p u l a t e da r e a s i nt h ec o u r s eo f c o n s t r u c t i o no f h i g h s p e e dr a i l w a yb r i d g e s ，n o to n l y a i r , n o i s ea n dl i g h tp o l l u t i o nc a u s e db yb r i d g ec o n s t r u t i o n ，b u ta l s ot h ew a s t ed r i l l i n gm u d ， s e w a g e ，a sw e l la st h es o l i dw a s t ew i l ll e a dt ot h ei n c r e a s eo fs s ( s u s p e n ds o l i d ) i nt h ew a t e r , a n de v e nl e a dt ot h eh e a v ym e t a li o n sp o l l u t i o n ，i tw i l ls e r i o u s l ya f f e c t i n gw a t e rq u a l i t y t h e w a s t em u dg e n e r a t e db yc o n s t r u c t i o nw i l lp o l l u t et h ee n v i r o n m e n t ，e s p e c i a l l yt h ew a t e r e n v i r o n m e n t t h ep u r p o s eo ft h i sp a p e ri sh o wt om i n i m i z ew a s t em u dp o l l u t i o nd u r i n g l l i g h - s p e e dr a i l w a yb r i d g ec o n s t r u c t i o n b a s e do nl o t so fa c c e s st od o m e s t i ca n di n t e r n a t i o n a lr a i l w a yb r i d g ec o n s t r u c t i o na n d e n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o nm e a s u r e s ，t h i s p a p e rc o m p r e h e n s i v ea n a l y s i so f h i g h - s p e e dr a i l w a y b r i d g e f o u n d a t i o nc o n s t r u c t i o no fe n v i r o n m e n t a l i m p a c t o fe a c hl i n k ，e s p e c i a l l yt h e e n v i r o n m e n t a li m p a c to fw a s t ed r i l l i n gm u df r o mb r i d g e sc a s t - i n - p l a c ep i l ef o u n d a t i o n a n d t h i sp a p e rh a so f f e r e dc o n c r e t ep r o t e c t i v em e a s u r e si nt h ea t m o s p h e r e ，n o i s e ，l i g h t ，s o l i dw a s t e ， w a t e rp o l l u t i o n f i n a l l yt h i sp a p e ru n i f i e si nt h ep r o j e c to fb e i j i n g - s h a n g h a ih i g h - s p e e dr a i l w a yc r o s s y a n g c h e n gl a k et op e r f o r mt h er e a ld i a g n o s i sa n a l y s i s ，w h i c hb a s eo nt h ey a n g c h e n gl a k e e c o l o g i c a lp r o t e c t i o nr e q u i r e m e n t sa n dt h ei n t e r a c t i v er e l a t i o n s h i pb e t w e e nb e i j i n g - s h a n g h a i h i g h - s p e e dr a i l w a ya n dt h ey a n g c h e n gl a k e c o m b i n e dw i t l lt h ec o n s t r u c t i o np l a n , t h e e n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o nm e a s u r e sa n dt h ew a t e rq u a l i t ya n a l y s i s r e s u l t s ，i tm a k e sa c o m p r e h e n s i v ea n a l y s i so ft h ed o u b l e p i l ec o f f e r d a mw h i c hi su s e di nt h ec o n s t r u c t i o n i t m a n a g e st h ep o l i c y - m a k e rf o rt h ee n v i r o n m e n tt op r o v i d et h em a c r o s c o p i cs c i e n t i f i cb a s i s ， s t u d i e sa n da n a l y z e st h ee n v i r o n m e n t a li m p a c to fh i g h s p e e dr a i l w a yb r i d g ef o u n d a t i o n c o n s t r u c t i o no np r o t e c t i o na r e ao fw a t e rr e s o u r c e s ，p u tf o r w a r dar e a s o n a b l ep r o p o s a la n dt o e a s et h es i t u a t i o no fi n c r e a s i n ge n v i r o n m e n t a lp o l l u t i o na n dt os p e e du pt h e ”h a r m o n i o u s r a i l w a y ”b u i l d i n g k e yw o r d s ：b e i j i n g - s h a n g h a ih i g h s p e e dr a i l w a y ；p r o t e c t i o na r e ao fw a t e rr e s o u r c e s ； r a i l w a yb r i d g ef o u n d a t i o nc o n s t r u c t i o n ；w a s t ed r i l l i n gm u d ；e n v i r o n m e n t a li m p a c t s 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 1 1 研究的意义与背景 新中国成立以来，党和政府高度重视铁路发展，确立了铁路在综合交通体系中的 骨干地位。随着高速铁路的兴起和既有铁路的提速，铁路在交通体系中的重要作用得 到了更加充分的发挥。 我国是一个拥有1 3 亿人口的大国，又是一个典型的大陆型国家，幅员辽阔，内陆 深广，东西跨度5 4 0 0 公里，南北相距5 2 0 0 公里，这种人1 2 1 状况和自然状况决定了中 长距离客货运量需求巨大。在各种运输方式中，铁路运输具有运距长、运能大的优势， 适合中长距离人员和物资输送。资料显示，2 0 1 0 年全国铁路旅客发送量完成1 6 8 亿人， 比上年增加1 5 亿人；货物发送量完成3 6 3 亿吨，比上年增加3 1 亿吨；总换算周转量 完成3 6 4 0 6 3 亿吨公里，比上年增加3 2 8 8 3 亿吨公里。由此可见，铁路在大运量、中 长距离的旅客和物资运输中发挥着巨大的作用。同时，由于我国幅员广大，各地气候 条件不同，交通运输往往受到气候条件的影响，在各种运输方式中，铁路运输受天气 影响比较小，具有全天候的优势，对旅客和货物运输有着较强的保证能力。尤其在抗 击雪灾、抗震救灾过程中，铁路运量大、全天候的优势得以充分体现。另一方面，目 前我国正处在工业化进程中，能源、原材料和工业产品的运输需求不断增长，但我国 资源分布和工业布局不均衡，资源主要分布在北部和西部地区，而加工业主要集中在 东部和南部地区，从而形成了西部、北部资源向东部、南部流动，东部、南部的工业 产品向西部、北部输送的货运格局，这就更加增强了对铁路运输的依赖性。据有关部 门统计，目前，全国有6 0 以上的煤炭、木材、矿石、钢铁运输量和5 0 以上的化肥 及农药、水泥、粮食运输量是由铁路完成的。可见，铁路发展水平如何，直接影响到 国家工业化进程。另外，铁路与其他运输方式相比，在能源消耗、土地占用等方面具 有明显的技术经济优势。在能耗方面，按单位运输量计算，公路是铁路的6 倍，航空 是铁路的3 0 倍。在土地占用方面，按单位运输量计算，公路是铁路的5 一倍。根据 我国土地资源和能源的现实情况，发展铁路这种占地少、能耗低的交通方式，是实现 国民经济可持续发展的重要举措。当前，为应对正在蔓延的全球性经济危机，各国政 府纷纷把加大基础设施投资作为拉动经济增长的重要措施，在这种情况下，进一步加 大铁路，尤其是高速铁路建设投资，对拉动内需，推动我国经济增长也同样具有十分 重要的意义【1 翻。 2 0 0 8 年1 1 月，铁道部出台中长期铁路网规划调整方案，到2 0 2 0 年，全国铁 路营业里程将达到1 2 万公里以上，复线率和电化率分别达到5 0 和6 0 以上，主要繁 忙干线实现客货分线，基本形成布局合理、结构清晰、功能完善、衔接顺畅的铁路网 络，运输能力满足国民经济和社会发展需要，主要技术装备达到或接近国际先进水平。 其中着重提到为满足快速增长的旅客运输需求，建立省会城市及大中城市间的快速客 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 运通道，规划“四纵四横”等客运专线以及经济发达和人口稠密地区城际客运系统， 建设客运专线1 6 万公里以上【3 1 。 1 1 1 高速铁路建设的背景 ( 1 ) 高速铁路概述 高速铁路是一个具有国际性和时代性的概念，1 9 9 6 年欧盟在9 6 4 8 号指令中对高 速铁路的最新定义是：在新建高速专用线上运行时速至少达到2 5 0 k m 的铁路可称作高 速铁路。国际铁盟认为，各国可以根据自身情况确定本国高速铁路的概念，在既有线 上提速改造，时速达到2 0 0 k m 以上，也可称为高速铁路。它是由适合于高速运行的基 础设施、固定设备、移动设备，完善且科学的安全保障系统和运输组织方法有机结合 起来的庞大的系统工程，是当代高新技术的综合集成。 高速铁路丰要被用于客运量趋于饱和的繁忙的运输通道上，以直达半直达运输为 丰，它的显著特点是高速，目前法国的高速列车已经达到5 5 0k m h 。此外，高速铁路 安全、准时、舒适、运输能力大、环境污染轻、节省能源和土地资源的特点使高速铁 路成为2 1 世纪远程交通的利器【4 j 。 ( 2 ) 高速铁路的飞速发展 在高新技术的带动下，世界上第一条高速铁路于1 9 6 4 年在r 本建成通车，时速达 2 1 0k m ，年运送旅客量1 3 亿人次，相当于l o 条高速公路的运量。第一条高速铁路的 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 问世，使一度被人们认为“夕阳产业 的铁路出现了生机，显示出强大的生命力，预 示着“铁路第二个大时代”的来临。继日本之后，法国、德国、西班牙、意大利竞相 发展高速铁路。1 9 8 3 年，法国t g v 东南线全线建成通车，t g v 高速列车最高运行时速 2 7 0 公里；德国1 9 7 9 年试制成第一辆i c e 机车，1 9 8 5 年首次试车，以时速3 1 7 公里打 破德国铁路1 5 0 年来的记录，1 9 9 1 年第一条实用性高速铁路曼海姆至斯图加特线建成 通车；意大利第一条高速铁路是1 9 9 2 年修建的罗马至佛罗伦萨线，1 9 9 4 年正式开始高 速铁路网工程建设 5 - 6 。 高速铁路的技术优势主要体现在：行车速度高，运能大，安全性高，全天候运行， 能耗低，节约用地，环境污染轻，和舒适度高等方面；而其经济优势主要体现在：高 速铁路是推动经济起飞的动力，其投资回收快，能创造新的就业机会，并诱发相关产 业的配套发展等方面。 正是基于高速铁路所具有的以上技术经济优势以及其所带来的令人瞩目的发展前 景，许多国家正在修建或计划修建高速铁路，高速铁路正以其独具的魅力，成为世界 铁路发展的普遍趋势。由于我国经济及社会的快速发展，使全社会对运输需求的总量 不断增长，同时我国土地、能源、环境等方面的压力，远大于其他国家，而我国的客 流特点( 量大，集中和行程长) 也适宜发展高速铁路，同时，大力发展高速铁路也是 贯彻可持续发展战略的体现，因此国家对发展高速铁路给予政策上的大力支持1 7 诺j 。在 我国，发展高速铁路是从国情出发的最现实的选择，是发展交通运输，优化和提升交 通运输结构的重大战略决策，是我国铁路高层次、大幅度扩大旅客运输能力的新途径， 是“科技兴路 发展战略最重要的组成部分，是交通运输领域贯彻可持续发展战略的 具体体现。从我国铁路近年来的发展状况也充分说明，在我国发展高速铁路在政策、 资金、技术等各方面也是充分可行的。 虽然我国的高速铁路发展比国外晚了二、三十年，但发展迅速。从1 9 9 4 年，我国 第一条广州一深圳准高速铁路建设完成并投入运营，到2 0 1 0 年1 0 月沪杭高速铁路正 式通车为止，我国投入运营的高速铁路营业里程已达到7 4 3 1 公里，居世界第一 位。 根据铁道部2 0 1 0 年8 月出台的中国高速铁路网规划，该规划分为近中期与远 期，近中期为“五纵六横七连线 ，从2 0 1 0 年起至2 0 4 0 年，用3 0 年的时间，将全国 主要省市区连接起来，形成国家网络大框架。考虑现实，线路东密西疏；照顾西部， 站点东疏西密。远期为“八纵，从2 0 4 0 年起至2 0 7 0 年，再用3 0 年的时间、最迟到 2 1 0 0 年前全部建成。实现东部加密、西部连通成网( 即连通西部主要交通枢纽) ，连 接全国主要交通节点城市和旅游景点，使西部地区主要城市可通达任何沿海省区。其 中“五纵七横八连线 是指：五纵，哈沪线、京沪线、京港线、集昆线、西湛线： 七横，沈兰线、青银线、盐西线、沪蓉线、沪昆线、沪南线、杭广线；八连线， 津唐线、开河线、宁南线、宁宁线、金温线、汉福线、南厦线、衡南线。远期“八 纵 是指：新哈沪线、京沪线、大京港线、济茂线、新集昆线、徐三线、太温线、包 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 湛线。 图1 2 高速铁路网 目前，中国铁路正按照质量、安全、工期、投资效益、环境保护、技术创新“六 位一体 和建设绿色铁路的要求，高标准、高效率、高质量地推进大规模高速铁路建 设。 1 1 2 高速铁路桥梁建设的必要性 高速铁路桥梁是高速铁路跨越河流、湖泊、海峡、山谷或其他障碍物，以及为实 现铁路线路与铁路线路或道路的立体交叉而修建的构筑物。由于高速铁路采用全封闭 行车模式，线路平纵断面参数严格要求轨道高平顺性，导致桥梁的比例明显增大。尤 其在人口稠密地区和地质不良地段，为了跨越既有交通路网，节省农田，避免高路堤 不均匀沉降，大量采用高架线路。在日本新干线中，高架线的比例占线路总长的3 6 。 桥梁比例大，高架桥、长桥多是高速铁路桥梁的主要特征，桥梁已成为高速铁路土建 工程主要组成部分1 9 。 资料显示，目前在建和已建成的高速铁路中，桥梁比例逐步扩大。与国外高速铁 路和我国传统铁路相比，我国高速铁路桥梁呈现高架桥多、桥梁比例大的特点。在新 一轮高速铁路建设中，高速铁路多位于东、中部地区，这些地区经济发达、人口稠密， 水源保护区覆盖面很大，在这些水源地建设高速铁路必然要以桥梁构筑物的形式进行 跨越，桥梁占线路总长超过5 0 。典型的如京津城际桥梁占线路总长的8 8 ，广珠城 际铁路桥梁比例为9 4 ，京沪高速铁路桥梁段占总线全长的8 0 5 l l 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 口8 0 5 0 0 t 3o 路 口桥梁 隧j 煎 图1 3 京沪高速铁路线路构成 1 2 高速铁路跨水源保护区桥梁基础施工建设环境保护研究的重要性 1 2 1 高速铁路建设环境保护的重要性 ( 1 ) 铁路建设环境保护的重要性 铁路环境保护是整个社会环境保护的主要组成部分，我国铁路的环境保护工作从 1 9 7 3 年第一次全国环境保护会议后开始得到重视，并于1 9 7 4 年从铁道部到各铁路局、 分局、站段开始建立和完善环境保护机构和系统，到2 0 世纪9 0 年代，铁路环保系统 日趋健全，治理对象同益广泛。 ( 2 ) 铁路“十一五”环境保护规划【1 l j 据中华人民共和国国民经济和社会发展第十一个五年规划纲要、国务院关于 落实科学发展观加强环境保护的决定( 国发( 2 0 0 5 ) 3 9 号) ，以及铁路“十一五” 规划( 铁计( 2 0 0 6 ) 1 7 3 号) ，结合铁路行业特点，编制铁路“十一五”环境保护规 划。“十一五重要工作内容为： 实现主要污染物排放总量控制目标； 确保铁路建设项目依法顺利推进； “十一五 期间，铁路将新开工项目2 0 0 多个，各单位要高度重视建设项目的前 期环保工作，抓住重点环节，依法加快推进。建设单位要积极配合铁路设计部门做好 线路选线工作，尽可能绕避环境敏感区域，加强与地方政府、环保、水保部门的沟通， 做好铁路建设与地方规划的协调，争取地方部门对铁路建设的支持，保证铁路建设项 目的顺利开工。 落实铁路建设项目环境保护“三同时”制度。 依法开展铁路项目建设，进一步加强项目设计、施工验收各个阶段的环境保护管 理，落实建设项目环境保护“同时设计、同时施工、同时投产使用”的“三同时”制 度，有效控制铁路建设中的牛态破坏、水土流失和环境污染，使铁路建设工程的牛态 环境得到有效保护。围绕铁路运输生产和建设中遇到的环保重点、难点问题组织全路 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 力量进行技术攻关与科学研究。重点研究方向有：铁路建设生态保护与水源保护技术； 铁路线桥减振、降噪技术；城区铁路噪声综合防治技术；机车、车辆等移动设备的噪 声、振动限值研究等。 ( 3 ) 高速铁路建设生态环境保护的重要性 2 l 世纪初，随着高速铁路建设序幕的展开，一方面由于列车的高速运行，给铁路 建设环境保护带来了许多新的内容，另一方面，随着我国社会、经济的发展，环保执 法力度的逐渐加大，给高速铁路建设生态环境保护提出了更严格的防护要求。 近几十年来，高速铁路以其速度快、能耗低、安全、舒适等独特魅力，备受人们 青睐，已成为世界铁路发展的普遍趋势。但是修建高速铁路所带来的环境污染、生态 失衡、景观影响等问题突现，也日益成为社会公害，引起人们的密切关注。我国高速 铁路通过借鉴各国防治高速铁路带来的生态影响，积累了丰富的经验，综合概括而言， 大致采取以下三大工程：即高速铁路的绿色工程、生态工程和环境景观工程。其中， 修建高速铁路必须高度重视生态工程，不容忽视生态保护。当大量农田、林区和牧草 地被侵占，河流湖泊受到污染，植被遭到严重破坏，不少野生动物赖以生存的沼泽、 湖泊和山川被高速铁路线分割之时，自然环境将更加不平衡，这一生态失衡事实业已 引起有关国家铁路部门和有识之士的高度重视。 高速铁路建设对生态环境的影响与普通铁路工程基本相似，限于线路两侧局部范 围，其主要影响有水土流失、植被破坏及河流湖泊水污染等，在高速铁路建设过程这 些问题亦不容忽视；高速铁路由于列车的运行速度快，对线路周围的环境易造成不良 影响，我国在今后修建高速铁路时要严格控制环境污染，使铁路与环境协调发展。 1 2 2 水源保护与可持续发展 ( 1 ) 水源保护的相关法律规定 水是人类生存和发展的物质基础，我国的水污染非常严重，导致水环境遭到严重 破坏，居民的饮用水安全受到威胁，保护饮用水源刻不容缓。2 0 0 7 年1 1 月1 4 日，国 家环保总局在河南郑州召开全国河流污染防治工作会议，在此次会议上国家环保总局 局长周生贤强调：当前和今后一个时期要加强饮用水源地保护，抓紧编制各类饮用水 水源地保护规划，严厉打击危害群众饮水安全的环境违法行为。事实上，在饮用水源 地的水源保护方面，国家的法律、条例都有明确的、具体的保护规定。国家环保总局 发布的饮用水水源保护区污染防治管理规定指出，一级保护区内禁止新建、扩建 与供水设施和保护水源无关的建设项目；不得设置与供水需要无关的码头，禁止停靠 船舶；禁止堆置和存放工业废渣、城市垃圾、粪便和其他废弃物；禁止从事种植、放 养禽畜，严格控制网箱养殖活动；禁止可能污染水源的旅游活动和其他活动；二级保 护区内不准新建、扩建向水体排放污染物的建设项目。原有排污口必须削减污水排放 量，保证保护区内水质满足规定的水质标准；禁止设立装卸垃圾、粪便、油类和有毒 物品的码头。 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 ( 2 ) 水源保护与可持续发展的关系 水对人类的生存和发展具有不可替代的地位和作用，水是生命的源泉，关系人的 生命健康和安全，水又是经济发展的重要资源，没有水，就没有人类。因此规范人们 与水环境有关的行为，保护整个生命支撑系统的完整性和持续性具有极其重要的意义。 在高速铁路建设过程中也应注意水源保护问题，需进行环境风险的识别、评价、预报、 预防、控制和消除，保护人类在生产、生活与健康等方面不受水环境污染和破坏等影 响。 处于生活饮用水源保护区的湖泊，为保障饮用水源地能提供清洁的饮用水，起着 至关重要的作用。因而，保护饮用水源地的湖泊，已不仅仅是一个环境保护的话题， 而是一个关系生存的话题，与人类的可持续发展切实相关。 1 2 3高铁桥梁基础建设带来的环境问题 高速铁路桥梁的建设是国民经济发展和社会进步的内在要求，也将对1 个地区的 政治、经济、文化等发展起着重要的促进作用，给人们的生活带来极大的方便，为地 区经济繁荣做出了很大贡献，但是桥梁工程项目的修建势必消耗资源、改变地形地貌 和原有的自然景观，建设过程中还可能产生各种污染：大气污染、水污染、噪声污染、 固体废弃物污染和光污染，这些综合因素严重地影响着沿线的自然环境，破坏了原有 的生态平衡。 桥梁基础承受着桥梁上部结构传来的全部荷载，并把它们和下部结构荷载传递 给地基，为了全桥的安全和正常使用，桥梁基础须要有足够的强度、刚度和整体稳 定性，因此桥梁基础比一般建筑物基础埋置得要深，使基础置于和较高的地基上， 如果设于河流中，由于河床受到水流的冲刷，桥梁基础更须加深，以防冲刷基础底 面而造成桥梁沉陷或倾覆事故。所以桥梁在修建水中基础时，工程量大，一般工期 长，技术复杂，易出事故，其造价占整个桥梁造价的一半，故桥梁基础的修建在整 个桥梁工程中占有非常重要的地位。对于跨水源保护区的高速铁路桥梁的修建，特别 是高速铁路桥梁基础的施工更应加强对保护区内的水质污染的重视程度。 高速铁路桥梁基础施工对水环境的影响主要集中在水中墩基础施工阶段。由于桥 墩设于水中，桥梁基础在进行钻孔作业前，为方便施工必然先要在桥墩所在位置搭建 一平台，或采用栈桥或采用围堰的形式。在修建这些辅助工程时，需要打入钢管桩进 行栈桥或围堰施工，在钢管桩打湖床阶段，泥沙上浮，造成局部浑浊，将影响水体环 境，影响范围一般为打入点周边2 0 5 0 m 。施工所用机械或承接泥浆的船舶漏油也将污 染施工岸边水体及周围水域。由于辅助工程的修建，会改变河流形态，改变地表水、 地下水径流，从而造成周围自然生态环境破坏。而且若施工需现场搅拌混凝土，则现 场搅拌混凝土用水量较大，用水主要为砂、石料杂质清洗和混凝土制作，如不采取一 定处理措施，则有较大量表面浑浊、泥沙含量较高的废水产生。施工营地盥洗食堂、厕 所等场所产生的污水，排放量依季节和施工强度变化较大，若管理不善任意排放，这 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 必将导致水环境中的氨氮、b o d 、c o d 及有害病菌含量增加，从而破坏附近水域生态 环境。桥梁基础施工时所产生的最多的污染物是钻孔灌注桩施工时所需的大量泥浆，若 不能妥善处置这些泥浆，任其外排，不仅会严重影响当地水环境，还会造成土壤盐碱 化，破坏生态环境。 因此跨水源保护区高速铁路桥梁基础建设所带来的环境问题绝对不容忽视。 1 2 4高速铁路桥梁基础施工对跨水源保护区环境保护的必要性 我国高速铁路多位于东、中部地区，这些地区经济发达、人口稠密。水源保护区 覆盖面很大，在淡水资源相对缺乏的大环境下，所有江、河、湖泊、水库、塘坝都是 实际意义上的水源保护区，甚至直接是饮用水取水地。在这些水源地建设高速铁路桥 梁，其施工过程形成的钻渣、泥浆、施工船舶污水、生活污水以及生活垃圾的流失， 必然引起水中悬浮物浓度的增高，甚至形成重金属离子污染，严重影响水体水质【1 引， 尤其是桥梁基础钻孔灌注桩施工所产生的大量泥浆对水源保护区的污染最为突出。 现已修建完成的京沪高速铁路为我国第一条时速高达3 0 0k m 以上的高速铁路，沿 线环境特征明显。首先，沿线大中城市集中、人口密集，大规模的铁路建设活动必然 增大环境的敏感程度和影响范围；其次，京沪高速铁路跨越海河、黄河、淮河、长江 四大水系，尤其江南一带河湖沟渠分布较广，建设队伍的施工行为必然会对受纳水体 的水质和水生生物产生一定的影响；最后，建设施工期内环境影响因素多，包括生态 环境、声环境、环境振动、水环境、空气环境、自然环境保护区、自然和人文景观保 护区、水源保护区、基本农川保护区和文化历史遗迹保护区等敏感环境影响因素。因 此，在京沪高速铁路建设中加强对地表水和地下水水质的监测，配合当地环境监测部 门搞好舆论言传和监督工作，加强对沿线施工废水的控制，发现新的污染问题及时进 行处理，防止水质恶化，对预防和减缓环境影响，提高沿线公众生活质量，建立和谐 的社会环境，将发挥重要的作用。 1 3高速铁路建设的环境保护研究现状 1 3 1 国外高速铁路建设的环境保护研究现状 ( 1 ) 日本对于现代高速铁路提出明确的环保标准，这是一项重大的变革。1 9 7 0 年制订的“修建全国高速铁路法”，指明新干线环境标准和噪音指标值。1 9 7 6 年日本政 府批准“新干线铁路环境质量标准 ，据此日本国铁采取了一系列环保对策【l 引。 ( 2 ) 德国新建铁路从立项开始就对沿线的环境进行调查，并根据国家有关环境保 护方面的法律结合沿线环境特点及环保要求进行方案优选【l 训。与我国有所区别的是在 项目前期勘测阶段环保专业就参与线路专业进行的现场调查，线路方案的确定中环保 是十分重要影响因素。 德铁重视建设中的环保工作，新线建设中环保已与铁路主专业融为一体。线路勘 测设计阶段，在线路走向及具体线位的选择中，环境的相容性是线位确定的一个重要 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 因素。环评与设计结合紧密，作用举足轻重。 ( 3 ) 法国铁路部i - 二l l z 常重视i s 0 1 4 0 0 0 的认证工作。不少铁路单位均开展了认证 工作。因法国企业的环境保护意识较高，铁路企业进行i s 0 1 4 0 0 0 认证基本由基层企业 自愿开展，法铁公司从政策上对其提出要求，给予支持。 1 3 2国内高速铁路建设的环境保护研究现状 近几年，我国铁路环境保护工作在建设项目的各个阶段中不断得到完善。现阶段高 速铁路基本建设程序与环境保护工作的关系大致如图l - 4 所示。 监控 图1 - 4 铁路基本建设程序与环境保护工作关系框图 总的看来，建设项目从立项到竣工验收，环境保护内容在各个阶段都得到了具体 体现。尤其是能够较好地执行建设项目环境影响评价制度，大中型铁路基本建设项目 都编制了环境影响报告书。设计中能够基本落实铁道部预审意见和国家环保局的批复 意见；建设单位能够将环保投资真正用到环保设施建设上，“三同时 制度执行率不断 提高。 但在高速铁路基本建设的环境保护工作中也存在诸多问题，主要集中在施工期的 环境影响与污染和环境保护设施的建设与验收两方面。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 高速铁路建设在施工期间的环境问题尤为突出，如：( 1 ) 施工过程中，不按规定 地点弃土弃碴；( 2 ) 水土流失防护费不足且使用不当，防护措施不能与路基工程同步 实施；( 3 ) 防护措施不力，挡土挡碴墙的设计施工不能满足实际需要，弃土弃碴超量； ( 4 ) 无水土流失防护措施：都有可能造成水土流失、污染当地农田、水库、堵塞河道 等环境污染问题。 1 3 3 铁路桥梁基础施工废弃泥浆的研究现状 在铁路桥梁基础施工中会使用大量的工程泥浆，泥浆主要以平衡桩孔内外地层压 力和水压力，保护孔壁，防止坍塌和防止渗漏的作用为主，并有排悬浮钻渣，清洗孔 底，冷却钻具和提高成孔效率等作用【1 5 】。泥浆主要由水和膨润土按一定比例混合而成， 为了使泥浆的性能适合于不同地质构造和不同施工的要求，需要根据具体情况有选择 的加入适当的外加剂，如增粘剂( c m c ) ，分散剂( f c l ) 、纯碱( n a 2 c 0 3 ) 等。在被 废弃或流失的工程泥浆中，造成水体污染的主要成分是有机物类、无机盐类及一些配 浆和加重材料中的杂质。 桥梁基础施工对水环境的影响主要集中在水中墩基础施工阶段，如果随意排放堰 中的底泥和钻孔出碴，上浮泥沙、悬浮物将影响水体环境，虽然泥浆可重复使用和净 化回收，但从目前的情况看，在施工过程中仍大量存在人为废弃工程泥浆以及机器设 备原因造成工程泥浆流失的现象。尤其是在靠近水源区的河道修建铁路桥梁时，这些 被废弃和流失的泥浆被直接或间接地排放到水体当中，有相当一部分泥浆直接进入或 迂回进入水源保护区，对沿江、沿河居民以及城市居民的健康带来危害，甚至直接造 成沿江、沿河居民饮水困难和城市居民饮水危机。 目前，在国内外高速铁路桥梁建设中，桩基施工大都采用机械成孔灌注桩施工工 艺。国内外对桥梁基础施工过程产生泥浆造成的污染都进行了大量广泛的研究，从泥 浆产生污染的根源对泥浆成分进行优化以降低污染，或是控制桥梁基础施工产生泥浆 的过程以减少泥浆使用量，同时注意减少废弃泥浆或是泥浆废水的排放量。其具体研 究现状如下： ( 1 ) 采用环保泥浆l l 睨2 1 p m ( p a r t i a l l yh y d r o l y z e dp o l y a c r y l a m i d e ) 泥浆是一个特别适合于超长超大直径钻孔 灌注桩施工的泥浆，又称为聚丙烯酰胺不分散低固相泥浆，是通过在采用膨润土作为 原料的基浆中加入n 口胶体制成的，其制作材料主要为膨润土、聚丙烯酰胺( p a m ) 、 纯碱( n a c 0 3 ) 和n a o h 。 p 唧泥浆在反循环钻孔灌注桩施工中表现良好，在护壁、清碴、清孔、提高成孔 效率、防止泥浆渗漏、防止糊钻等问题方面表现出性能的优越性。 p h p 泥浆在施工过程中较之传统工程泥浆，在环境保护方面的具体优势也较为突 出。由于p h p 泥浆具有不分散性，能使钻孔后泥浆发生絮凝作用，从而使泥浆中的淤 泥类细颗粒钻屑进一步变成较大颗粒沉渣，从而易被机械除砂装置清除。p h p 泥浆的 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 这种保留优质的造浆粘土、絮凝去除劣质钻屑的特殊功能十分有利于泥浆循环、净化。 由于p h p 泥浆以造浆率高的膨润土作为原料，其造浆率比普通粘土高出4 5 倍，采用 高效泥浆循环系统后，其使用回收率可达6 0 ，从而可做到循环使用。因此，在大型 工程中采用该泥浆系统是比较经济的。同时p 肿泥浆废料p h = 8 ，无毒、无害，可将 对环境的污染降低到最低程度。 南京大胜关长江大桥桩基施工过程中，考虑到其深厚泥岩地质基础和深水施工等 客观条件，其8 撑主墩桩基就采用了p 肿泥浆。同时连接苏州和南通两市的斜拉大桥苏 通大桥和广州至珠海城际轨道交通工程中的容桂水道特大桥也采用了该环保泥浆技 术。 但是在施工过程中p h p 泥浆也表现出许多问题，由于其主要材料为膨润土，其性 能和品种相差很大，品质不均匀，性能不稳定；同时尽管膨润土原材料费用低，但会 导致p 册泥浆最多循环使用2 3 次及产生劣化，从而使综合成本较高。而p 船泥浆 含砂量大，清孔时间长，需置换孔内泥浆且其废弃泥浆排弃不方便，不利于环保。在 今后的此类钻孔灌注桩施工中可以考虑s m 泥浆。 s m ( s u p e rm u d ) 环保泥浆是美国p d s 公司开发的，在桥梁工程中代替膨润土的 新型造浆材料，是一种高分子聚合物的高浓缩性乳液。s m 泥浆性能稳定，可多次循 环使用，不会随粘度的变化而变化，配制的s m 泥浆可以马上使用，不需静置水化， 因此不需很大的储浆池，在施工使用过程中可在孔壁形成胶膜，保持孔壁不塌，减少 泥浆漏失，同时若与纯碱( n a 2 c 0 3 ) 合用，在碱性环境中使用，用量少，无需泥砂分 离器排渣且无毒、环保。 s m 环保泥浆其上述性能及操作等条件比p h p 泥浆优越，己经在国外广泛应用于 钻孔灌注桩、地下连续墙及隧道掘进等工程中。 ( 2 ) 减少泥浆使用量1 2 m 副 在桥梁基础施工过程中，由于桩基深，泥浆产生量也大，因此，如果能有效控制 泥浆的使用量，使泥浆消耗量降低，即可有效减少其对环境的污染。具体措施如下： 施工过程中通过调整钻进工艺参数，控制钻进泥浆排量，尽量避免泥浆排量过 大、压力过高造成地面冒浆，对施工区域内造成污染。 配备完善的泥浆循环和清洁处理回收系统，减少泥浆消耗量。在施工过程中利 用泥浆清洁回收系统对泥浆池返回的泥浆进行除泥除沙等一系列净化处理，使泥浆进 行重复利用，达到控制泥浆量的目的。配备这样的泥浆处理系统对解决环境污染问题 非常重要，既减少了整个穿越施工所消耗的泥浆总量，减少环境污染，又降低了工程 成本，提高了经济效益。 ( 3 ) 废弃泥浆处理技术改进 由于工程施工过程中泥浆具有分散性( 散布在各个施工场地) 、隐蔽性( 相对于施 工噪声、污水更不容易直观察觉) 的特点，其污染防治与综合治理一直没能引起人们 的重视。近年来，人们对施工废泥浆给环境造成污染和给工程施工带来的负面影响有 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 了深刻的认识，工程施工产生的大量废浆造成施工环境恶化，增加施工难度，影响施 工进度，现在工程上对于泥浆的处理方法主要有： 外运至郊外荒地排放或填埋处理1 2 刿：在远离城市的地方，选择如山谷等荒地， 将废弃泥浆运来此地直接废弃。这种处理方法需要大量的泥浆运输罐车，花费大量的 运输费用，增加施工成本，废弃场地的选购也要花费一定费用。同时工程废浆当作杂 土外运，会造成二次污染，因为在自然环境中泥浆处理剂很难降解，造成周边土壤板 结、土地盐碱化，进而影响植物生长。 机械处理方法：用振筛、旋流器及离心机等机械设备对泥浆进行处理，筛选分 离出其中的固相成分，再把固相成分外运废弃。这样可以减少外运成本和购买废弃用 地的成本，减少环境污染。但需要投巨资购置设备，而且处理量有限，成本较高。另 外，泥浆不是泥汤，泥浆颗粒是非常微细的，机械方法是无法将泥浆颗粒与水分离的， 能分离的只是成槽( 孔) 过程中钻出的渣土。 焚烧法：用高温蒸发掉泥浆中的水分而分离出固相，但能耗大，需要专门的转 窑才能得到均匀的燃烧。 稀释排放法：一方面可能会造成污水管道的堵塞，同时废浆长期积累渗透到地下， 造成地下水或河流的污染。 因此，对工程废泥浆的治理的优化是文明施工的一个亟待解决的迫切问题，现在 国内外改进的废弃泥浆处理方法主要有： ( 1 ) 化学絮凝沉淀处理法 在废泥浆中加入少量化学处理剂对固相进行聚结絮凝，使其颗粒变粗而沉淀，再 用筛子过滤絮凝物实现固液分离。由于泥浆中固相颗粒太细，难于自沉淀或过滤，因 此要采用化学絮凝的方法使固相颗粒增大。化学处理剂有无机聚结剂及有机高分子聚 合物絮凝剂两种。常用的无机聚结剂主要有a i c l 3 、f e c l 3 、a 1 2 ( s 0 4 ) ；等含高价阳离 子的无机盐。而有机絮凝剂则是一些长链状高聚物，如聚丙烯酰胺、聚乙烯醇、聚苯 乙烯等。试验结果表明，同样条件下有机絮凝剂的絮凝效果比无机聚结剂好得多，而 且用量少；有机物单用比有机、无机盐混合处理效果也好。加絮凝剂后的泥浆，固相 很快絮凝沉淀，用筛子将固、液分离，然后再对固相物加固结剂做固化处理，最后把 所余数量较少的泥浆固体废弃处理即可。这种方法投资少、设备简单，适应面广，是 种简单易行的方法。 ( 2 ) 化学固化处理法【2 3 】 化学固化法是在泥浆中直接加入固化剂，使泥浆直接固化。在高密度的泥浆中， 加絮凝剂处理效果较差，泥浆固相不易絮凝沉淀，采用固化处理效果较好。固化剂的 种类很多，有凝聚型的树脂类、胶凝材料类、无机盐类和有机聚合物类。比较经济的 是以水泥为主体的固化剂配方，它以普通硅酸盐水泥为主，辅以适当的助凝剂和调凝 剂( 如水玻璃、粉煤灰、石膏、硫酸铝等) 。经固化处理的泥浆成为有一定强度的固体， 既便于处理和废弃，也有利于保护环境。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 1 4 论文的研究思路及主要研究内容 本文研究的目的是通过对高速铁路跨水源保护区桥梁基础建设中的环境保护问题 进行系统分析，其中重点对桥梁基础施工中产生的大量废弃泥浆对水源保护区水环境 的影响进行全面解析，提出合理的改进措施和建议。为使课题研究成果具有可靠性和 实用性，选择了我国京沪高速铁路跨阳澄湖段丹昆特桥梁基础施工做深入调查、研究。 通过搜集京沪高铁线路、以及丹昆特大桥基础工程从设计到施工各阶段的相关资料， 对各阶段暴露的环境污染问题进行专家咨询，认真剖析，总结成功与失败的宝贵经验。 本文研究内容主要包括以下几个方面： ( 1 ) 根据铁道部中长期铁路网规划调整方案，在新一轮高速铁路建设中，我 国高速铁路多位于东、中部地区，这些地区经济发达，水源保护区覆盖面很大，跨水 源地进行高速铁路桥梁建设的必要性和桥梁基础施工环境保护对水源保护区重要性的 研究，主要包括：我国高速铁路建设的现状分析；高速铁路桥梁基础工程建设的 必要性分析；桥梁基础施工环境保护对水源保护区重要性分析。 ( 2 ) 高速铁路桥梁基础施工对水源保护区环境的影响的研究，尤其是对水源保护 区水环境影响的分析，主要包括：施工各环节，如人员、工艺、工期等对水源保护 区环境的影响；桥梁基础施工最大污染物桩基废弃泥浆对环境的影响。 ( 3 ) 高速铁路桥梁基础施工对水源保护区环境保护对策研究，为使研究具有实用 性、可靠性，