西南巖溶槽谷區(qū)隧道建設(shè)的水文生態(tài)環(huán)境效應(yīng)研究進(jìn)展

呂玉香,蔣勇軍,王正雄,胡 偉

1 重慶市地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局208水文地質(zhì)工程地質(zhì)隊(duì)(重慶市地質(zhì)災(zāi)害防治工程勘查設(shè)計(jì)院),重慶 400700 2 西南大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院巖溶環(huán)境重慶市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,重慶 400715

隨著社會經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展及高速公路、鐵路網(wǎng)的不斷完善,我國隧道工程建設(shè)得到了前所未有的迅速發(fā)展。我國已是世界上隧道及地下工程規(guī)模最大、數(shù)量最多、地質(zhì)條件和結(jié)構(gòu)形式最復(fù)雜、修建技術(shù)發(fā)展速度最快的國家[1]。據(jù)交通運(yùn)輸部政府信息公開網(wǎng)：截至2017年底,全國運(yùn)營鐵路隧道14547座,總長15326 km,比2016年底增加465座,1206 km；全國大陸運(yùn)營公路隧道16229座,總長15285 km,比2016年底增加1048座,1245 km。在過去的十年里,我國每年平均新修建的隧道多達(dá)900 km[2]。

近年來,隨著西部大開發(fā)的加速發(fā)展及一帶一路戰(zhàn)略的提出,公路、鐵路建設(shè)向地形地質(zhì)條件復(fù)雜的西南巖溶地區(qū)發(fā)展趨勢明顯。據(jù)統(tǒng)計(jì),我國已建成隧道中有約30%穿越了巖溶地層,這些隧道一般埋深較大,巖溶發(fā)育,施工過程中常發(fā)生巖爆、塌方、突水等大型地質(zhì)災(zāi)害,其中以巖溶突水最為常見,發(fā)生率為80%,因突水引起的施工地質(zhì)災(zāi)害造成停工的時間約占施工總工期的30%[3-4]。

西南巖溶槽谷區(qū)具有緊密式箱型背斜/向斜構(gòu)造發(fā)育、巖層傾角大、碳酸鹽巖與非碳酸鹽巖互層、高位蓄水構(gòu)造頻繁出露等特點(diǎn)[5],致使其斜坡區(qū)石漠化問題突出、水資源時空分布不均、旱澇災(zāi)害頻發(fā)、生態(tài)環(huán)境脆弱、人地矛盾突出,嚴(yán)重影響了當(dāng)?shù)厣鐣?jīng)濟(jì)發(fā)展及生態(tài)文明建設(shè)。該區(qū)隧道分布密集,巖溶隧道突水導(dǎo)致地表地下水疏干及地面塌陷,對生態(tài)環(huán)境造成了極大影響。近年來,水文地質(zhì)工程地質(zhì)科學(xué)工作者通過開展大量的科學(xué)觀測、資料分析和數(shù)值模擬,對隧道建設(shè)引發(fā)的水文效應(yīng)形成了一定的認(rèn)識,如降低地下水水位,改變水資源分布格局,改變地下水流場,加速水循環(huán)過程。但由于巖溶槽谷區(qū)地質(zhì)條件的復(fù)雜性,隧道群的相互干擾,觀測資料的局限性,關(guān)于隧道影響土壤、植被的特征、規(guī)律、機(jī)制等方面缺乏系統(tǒng)的研究。因此,有必要梳理國內(nèi)外已有研究成果,歸納隧道建設(shè)對水文、生態(tài)、環(huán)境的影響特征,總結(jié)規(guī)律,剖析機(jī)制機(jī)理,并指出今后有待深化研究的問題和方向。本文將為深化隧道建設(shè)引發(fā)的水文生態(tài)環(huán)境效應(yīng)這一科學(xué)問題的認(rèn)識、提升隧道設(shè)計(jì)施工水平及科學(xué)應(yīng)對隧道建設(shè)對生態(tài)環(huán)境造成的不利影響提供參考。

1 西南巖溶槽谷區(qū)地質(zhì)背景及隧道建設(shè)概況

西南巖溶槽谷區(qū)分布在黔東北、湘西、鄂西以及渝中、渝東南、渝東北等地的130個縣,面積43.608×104km2。構(gòu)造上主要位于楊子準(zhǔn)地臺的川黔褶皺帶和大巴山褶皺帶,地層從震旦系-三疊系均有出露,碳酸鹽巖與碎屑巖整體相間分布,局部集中出露,碳酸鹽巖分布面積14.76×104km2,總厚度數(shù)千米(圖1)。宏觀地貌上位于第二級階梯和第三級階梯的過渡地帶,為褶皺構(gòu)造形成的槽谷相隔的侵蝕條狀的中低山山地,侵蝕-溶蝕地貌形態(tài)主要包括槽谷、峽谷、臺地、洼地等,平均海拔500—2500 m。屬于中亞熱帶東亞季風(fēng)氣候,植被類型為中亞熱帶濕潤常綠闊葉林[6-7]。

圖1 西南巖溶槽谷區(qū)交通及碳酸鹽巖分布Fig.1 Traffic and carbonate distribution in karst valley area of Southwest China

復(fù)雜的地形地質(zhì)條件及經(jīng)濟(jì)、交通壓力致使該區(qū)的隧道建設(shè)迅速發(fā)展,據(jù)不完全統(tǒng)計(jì),截至2017年底,區(qū)內(nèi)高速鐵路4000 km,穿越巖溶含水層的運(yùn)營鐵路隧道975座,總長1271.792 km(表1)；截止到2015年底,區(qū)內(nèi)高速公路6800 km,穿越巖溶含水層的運(yùn)營公路長隧道及特長隧道421座,長度1060.024 km(表2)。在人口、城鎮(zhèn)分布密集的隔擋式槽谷區(qū),隧道分布密度最高。

2 隧道建設(shè)引起的水文生態(tài)環(huán)境效應(yīng)

目前,西南巖溶槽谷區(qū)隧道的防排水設(shè)計(jì),仍然是“防排結(jié)合,以排為主”。因此,突、涌水是巖溶區(qū)隧道施工最常見的工程地質(zhì)問題。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì),國內(nèi)外隧道涌水量超過1.0×104m3/d的大型涌突水事件中,70%都發(fā)生在巖溶隧道中[8]。而在西南巖溶槽谷區(qū),最大涌水量>1.0×104m3/h者達(dá)十余條(表3),宜萬鐵路齊岳山隧道最大涌水量高達(dá)1800×104m3/h。

隧道涌水致使地表井、泉、地下河被疏干,引發(fā)了一系列嚴(yán)重的生態(tài)環(huán)境和社會問題。如西班牙南部一條高速鐵路隧道在掘進(jìn)過程中發(fā)生突水,水量800 L/s,致使當(dāng)?shù)厝皇韪?引發(fā)了公眾抗議[9]。在重慶中梁山、明月山、銅鑼山和縉云山“四山”地區(qū),因修建隧道致使井、泉減少或消失共計(jì)363處,導(dǎo)致水田旱化面積超過3300 hm2,對當(dāng)?shù)鼐用裆a(chǎn)生活造成了嚴(yán)重影響[10]。

表1 西南巖溶槽谷區(qū)鐵路隧道統(tǒng)計(jì)表

0.5 km以下為短隧道,0.5—3 km為中隧道,3—10 km為長隧道,10 km以上為特長隧道

表2 西南巖溶槽谷區(qū)高速公路隧道統(tǒng)計(jì)

0.5 km以下為短隧道,0.5—1 km為中隧道,1—3 km為長隧道,3 km以上為特長隧道

表3 西南巖溶槽谷區(qū)涌水量大于1×104 m3/h的巖溶隧道統(tǒng)計(jì)

隧道施工貫穿了裂隙、斷裂、揭穿了溶洞,并產(chǎn)生了新的裂隙,致使大量地表水地下水通過裂隙、斷裂排入隧道,隧道成為新的集中排水點(diǎn)。宜萬鐵路野三關(guān)隧道在施工期間曾發(fā)生嚴(yán)重突水、涌泥、涌砂、涌礫及洞內(nèi)塌方事故,其主要原因即是地表水通過洼地、落水洞進(jìn)入地下河后,向下運(yùn)移至孫家埡斷裂、葉朝灣斷裂及望碑?dāng)嗔阎g破碎巖體處,經(jīng)由巖體中的構(gòu)造裂隙導(dǎo)入斷裂,地下水再順斷裂面而下,至隧道頂部產(chǎn)生突水引起的[11-12]。

動態(tài)監(jiān)測、示蹤試驗(yàn)及數(shù)值模擬是定量評估隧道的影響程度的有效手段。王勐等通過現(xiàn)場觀測證實(shí),渝懷鐵路圓梁山隧道對相距12.4 km的毛家院子暗河產(chǎn)生了影響[13]。Vincenzi 等利用示蹤試驗(yàn)確定了斷裂帶是補(bǔ)給源與排水隧道之間的主要水力通道[14]。Jin等利用三維有限元模型預(yù)測了南溫泉背斜槽谷區(qū)一處隧道的涌水量及影響范圍,利用監(jiān)測手段證明隧道涌水主要來自地表涂山湖,并通過控制隧道周圍巖石的滲透系數(shù),減少了隧道排水量,有效控制了對地下水系統(tǒng)的影響[15-16]。

隧道排水不僅疏干了大量地表水、地下水,引發(fā)了地面塌陷,降低了地下水位,而且改變了含水層的結(jié)構(gòu),加速了水循環(huán)及水文地球化學(xué)過程,從而改變了隧址區(qū)的水動力場及水化學(xué)場,產(chǎn)生了一系列生態(tài)環(huán)境效應(yīng)。

2.1 改變水資源分布格局及水文過程

2.1.1疏干地表地下水,改變水資源分布格局

隧道大量排水打破了隧址區(qū)原有的水資源平衡狀態(tài),降低了地下水位,疏干了地表水與天然泉點(diǎn),形成了降落漏斗,且降落漏斗會隨著排水時間的延續(xù)而擴(kuò)展,直至隧道排水量完全靠來自邊界的補(bǔ)給保證為止(圖2),這些過程加劇了巖溶水資源分布的不均一性,從而改變了水資源空間分布格局。

圖2 隧道排水影響水資源及水文過程縱剖面示意圖Fig.2 Schematic diagram of longitudinal profile of water resources and hydrological processes affected by tunnel drainage

由于巖溶發(fā)育的不均一性,隧道地下水的疏干導(dǎo)致水資源的流失也會表現(xiàn)出各向異性,如建于1972年重慶中梁山隧道形成了南北向的不對稱漏斗[17],疏干區(qū)面積約11 km2,北側(cè)疏干面積遠(yuǎn)大于南部,這種不對稱降落漏斗的形成是地下水自北向南流的緣故；修建于重慶銅鑼?shí){背斜巖溶槽谷區(qū)的玉峰山隧道,其軸線附近泉點(diǎn)疏干程度差異極大,隧道軸線兩側(cè)影響范圍較不對稱,東翼疏干程度明顯大于西翼[18]；在溫塘峽背斜、觀音峽背斜、明月峽背斜的巖溶槽谷區(qū)也有類似的情況,巖層傾角較陡的一翼疏干程度也較大[19]。

關(guān)于隧道疏干地表地下水、降低地下水位已積累了豐富的實(shí)測數(shù)據(jù),并形成了改變水資源分布格局的統(tǒng)一認(rèn)識,但在不同類型的巖溶槽谷區(qū),水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)不同,隧道對水資源分布格局的影響程度存在差異,因此,有必要加強(qiáng)梳理總結(jié),建立不同類型槽谷區(qū)隧道影響水資源分布格局與水文過程的水文地質(zhì)模式。另外,已有研究注重隧道對水資源資源空間分布的影響,對地表、地下水量年內(nèi)分配及多年變化的影響缺乏研究。

2.1.2改變地下水流場

隧道排水改變了隧址區(qū)水動力條件,并以其為中心構(gòu)成新的勢匯,局部水力梯度的顯著提高,顯著改變了地下水徑流模式。在巖溶槽谷區(qū),地下水徑流模式多數(shù)為軸部匯流型、翼部分流型及徑向徑流型。隧道開挖后,由于其集水和匯水作用,巖溶地下水不斷排入隧道中,地下流速、流向水隨之改變(圖2)。曹銳等通過示蹤試驗(yàn)及動態(tài)監(jiān)測發(fā)現(xiàn),黃泥埡隧道工程改變了地下水流場,隧址區(qū)地下水接收隧道頂部大氣降水垂直入滲補(bǔ)給,由背斜兩翼分流型轉(zhuǎn)變?yōu)榻创怪毖a(bǔ)給、徑流型[20]。

同時,隧道施工排水可能會動用地下水靜儲量,增大補(bǔ)給量,擴(kuò)展地下水補(bǔ)給邊界,從而改變區(qū)域地下水流場。若采取封堵措施,若干年后,區(qū)域地下水流場可能會恢復(fù)到之前的狀態(tài)；若隧道貫通后持續(xù)穩(wěn)定排水,則地下水流場會達(dá)到一種新的平衡狀態(tài)。Vincenzi等通過示蹤試驗(yàn)證實(shí)了隧道與地表多個出水點(diǎn)之間的水力聯(lián)系,最大線性距離為1.4 km,流速可達(dá)135 m/d,幾條水流通道均通過了隧道修建之前的地下水分水嶺(山脊),證明隧道已經(jīng)完全改變了區(qū)域水流系統(tǒng)[21]。

由于隧址區(qū)鉆孔及天然泉點(diǎn)出露有限,多通過地下水模擬軟件來研究區(qū)域地下水流場的變化,可在一定程度上定性呈現(xiàn)流場的變化過程。龔睿運(yùn)用三維數(shù)值模擬軟件Visual Modflow模擬排水、堵水工況下成渝客運(yùn)專線歌樂山隧道開挖引起的降落漏斗范圍及水力坡度的變化[22]。由于巖溶含水介質(zhì)的非均質(zhì)性及模型本身的不確定性,使其在模擬巖溶含水層的適用性有限,模擬結(jié)果往往并不理想。加強(qiáng)對現(xiàn)有模型的改進(jìn)及監(jiān)測手段的研發(fā),是需要長期努力的方向。

另外,在隔擋式巖溶槽谷區(qū),人口、工礦企業(yè)分布密集,交通壓力較大,同一水文地質(zhì)單元往往有多條平行隧道,形成隧道群,隧道群對地下水流場的影響過程更為復(fù)雜,也是將來研究的重點(diǎn)與難點(diǎn)。

2.1.3加速水循環(huán)過程

隧址區(qū)水循環(huán)過程加快主要有兩個方面的原因：一是區(qū)內(nèi)水動力條件的改變致使地下水運(yùn)動速度加快；二是隧道施工貫通了裂隙、斷裂,揭穿了溶洞,改變了含水層結(jié)構(gòu)(圖3),增加了地下水徑流、排泄通道[23]。另外,部分隧道長期排水也會加速碳酸巖的溶蝕,致使巖體滲透性增強(qiáng)[24],反過來又加速了水循環(huán)。

巖溶含水層特殊的裂隙、管道網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)致使隧道涌水對降雨的響應(yīng)更為及時[9],徑流過程更為迅速[25],影響范圍更大。在意大利北部7條高速鐵路隧道的系統(tǒng)觀測和示蹤試驗(yàn)表明,在碎屑巖地層中,隧道涌水影響半徑為200 m,地下水平均流速為3.6 m/d,而在巖溶地層中的影響半徑達(dá)到2.3—4.0km,地下水平均流速為39 m/d[14]。

水循環(huán)過程加快表現(xiàn)在：隧道疏干地下水,部分天然狀態(tài)下相對隔水 (或弱透水)的地層在重力作用下變?yōu)橥杆畬?由此造成相鄰含水層間的水量交換,如渝懷鐵路圓梁山隧道施工使 3 個具相對獨(dú)立性的含水層發(fā)生了水力聯(lián)系[26],穿越二疊系的隧道造成地表三疊系中的泉點(diǎn)干枯,暗河流量大幅減少；隧道排水形成了降落漏斗,使補(bǔ)給含水層騰出了接受外界補(bǔ)給水量的空間,加強(qiáng)了地表流水向地下水的入滲轉(zhuǎn)化,這些過程也將加劇地表水土的流失,從而產(chǎn)生一系列負(fù)效應(yīng)[27]。

隧道排水加速水循環(huán)過程,現(xiàn)有研究多是定性的描述,缺乏對降水、地表徑流、壤中流、地下徑流“四水”轉(zhuǎn)化的定量及過程研究。巖溶地區(qū)對降雨有很強(qiáng)的吸收能力,只有在大雨或暴雨的情況下才有坡面流的產(chǎn)生,而其余形式的降雨都被表層帶吸收[28],隧道排水是否對隧址區(qū)的產(chǎn)流機(jī)制有影響,目前未見相關(guān)研究。

2.1.4加速水文地球化學(xué)作用及改變水質(zhì)

隧道排水導(dǎo)致含水層水壓力降低,地球化學(xué)平衡條件發(fā)生變化[23]。同時,地下水循環(huán)過程加速促進(jìn)了水巖相互作用,從而改變地下水化學(xué)成分[29],隧道促使不同含水層間地下水混合,也會改變地下水化學(xué)特征。日本學(xué)者Li等在研究日本松本市隧道工程施工時,對地下水位和化學(xué)成分的變化規(guī)律進(jìn)行研究,發(fā)現(xiàn)井水化學(xué)成分的變化較之于地下水位變化更為明顯[30]。

隧道建設(shè)極易造成水質(zhì)污染,一方面,隧道大量涌水,疏干了充水圍巖,加速了水循環(huán)交替,促進(jìn)了氧化作用,使地下水中某些金屬元素含量增加或 pH 值發(fā)生顯著變化；另一方面,施工環(huán)境中被污染的其他水體極易進(jìn)入地下水。同時,被污染的地下水直接排入周圍環(huán)境,也會引起地表水和地下水二次污染。Chae等對韓國首爾地鐵隧道滲出地下水的水化學(xué)研究表明,隧道可使城市地下水質(zhì)量顯著下降[31]。渝懷鐵路歌樂山隧道施工期間的五個水質(zhì)監(jiān)測點(diǎn)中,有四個水質(zhì)處于劣V類[32]。隧道施工產(chǎn)生的粉塵,施工機(jī)械產(chǎn)生的漏油,注漿止水材料和噴錨支護(hù)材料,也可污染周邊地表水[33]。尤其是含有有害成分的加固劑,其泄漏液對水環(huán)境的影響最為顯著。有研究表明,使用含有丙烯酞胺的加固劑,隧道排水中的丙烯酞胺含量可達(dá)95500 μg/L,可能會給魚類或其他水生生物帶來急性致死作用[34]。隧道穿越不良地質(zhì)時,如煤系地層,將使該層中帶有的硫化物氧化,生成硫酸根和氫離子,引起地下水化學(xué)異常,后者使含鈣礦物水解或溶解生成鈣離子,從而導(dǎo)致水化學(xué)類型的改變和礦化度的升高[35-36]。

以上研究表明,隧道建設(shè)加速了水巖相互作用,是否會進(jìn)一步引起區(qū)域水文地球化學(xué)場時空演化特征變化,尚需要觀測資料證實(shí)。另外,隧道排水能否進(jìn)一步促進(jìn)巖溶作用進(jìn)行,尚有待深入系統(tǒng)研究。

2.2 誘發(fā)地質(zhì)災(zāi)害

2.2.1隧道突水

隧道突水、突泥問題在西南巖溶槽谷區(qū)極為普遍[37-38]。在統(tǒng)計(jì)的48座長度大于3 km的穿越巖溶地層的鐵路隧道中,90%以上巖溶長隧道都不同程度的發(fā)生過巖溶突水、突泥災(zāi)害[39]。如成昆鐵路線427座隧道中,93.5%的隧道在施工期間發(fā)生過不同程度的涌突水災(zāi)害,13座隧道發(fā)生嚴(yán)重涌水,其中8座隧道涌水量超過10000 m3/d[40]。

巖溶隧道突水實(shí)質(zhì)就是裂隙巖體含水結(jié)構(gòu)、水動力系統(tǒng)和圍巖力學(xué)平衡狀態(tài)因隧道開挖而發(fā)生急劇變化,存貯在地下水體的能量瞬間釋放,并以流體的形式高速向隧道內(nèi)運(yùn)移的一種動力破壞現(xiàn)象。巖溶突水的力學(xué)機(jī)制主要體現(xiàn)在4個方面,即突水蓄勢期巖溶水對裂隙巖體的軟化溶蝕作用、水壓對裂隙巖體的劈裂作用,突水失穩(wěn)期水流的沖刷擴(kuò)徑作用、水壓對突水量的動力控制作用[41]。從物質(zhì)成分來看,西南地區(qū)巖溶隧道已發(fā)生的巖溶突涌水災(zāi)害包括涌水(或突水)、突水突泥、突水突石等,突水災(zāi)害總是與突泥、突石等相伴而生。隧道涌水過程中,水流攜帶大量的泥砂使涌水流速快速下降,沉積物淤塞涌水口、隧道或涌水通道,致使涌水暫時中斷,當(dāng)涌水通道中的水位上升至一定高度時,水壓力作用又將堵塞物破壞,造成多期次涌水[42]。

隧道突水受到多種因素影響?；谒淼拦こ膛c巖溶管道(溶洞)的空間位置關(guān)系,根據(jù)隧道受水壓、巖溶充填物與隧道圍巖塑性區(qū)范圍等影響的漸進(jìn)破壞過程不同,劉招偉[43]提出了隧道巖溶突水的 6 類地質(zhì)模式：橫向斷面交錯模式(頂位交錯、底位交錯、上側(cè)位交錯、下側(cè)位交錯)、縱向斷面交叉模式(上側(cè)位交叉、下側(cè)位交叉)。降雨是誘發(fā)突水、突泥的重要因素,降雨一方面提供了突水、突泥水源及動力條件,另一方面,提高了地下水位,增加了溶洞中的靜水壓力,加速了溶洞中的黃色粘土的軟化、液化,增大了圍巖及支護(hù)體的載荷,降低了圍巖的穩(wěn)定性,促使隧址區(qū)發(fā)生突涌。重慶省道202線通渝隧道在2002至2004年施工期間先后發(fā)生7次特大涌水[44],一般都是在連續(xù)降雨或暴雨后發(fā)生。對于深埋型的巖溶隧道,極易發(fā)生高壓突水、突泥問題,其主要特點(diǎn)是壓力高、水量大、持續(xù)時間長,因此,對隧道的危險(xiǎn)性極大,往往會造成巨大的、無法估計(jì)的損失[39]。宜萬線齊岳山在施工過程中曾多次遇到高壓突水、突泥問題,水壓達(dá)3.5 MPa[45-46]。渝懷鐵路圓梁山隧道5個溶洞均出現(xiàn)了涌水突泥現(xiàn)象,由鉆孔中射出的水流數(shù)十米,2 #溶洞水壓力為2.73 MPa[47]。

總之,隧址區(qū)巖溶發(fā)育程度及富水性是發(fā)生巖溶突水的關(guān)鍵因素,隧道的相對位置、埋深及施工季節(jié)是巖溶突水也是影響巖溶突水的重要條件。巖溶突水具有突發(fā)性、高壓性,且水量大,不僅會造成經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡,而且?guī)砹艘幌盗猩鷳B(tài)環(huán)境負(fù)效應(yīng)。

2.2.2地面塌陷

圖3 隧道排水引發(fā)地面塌陷示意圖 Fig.3 Schematic diagram of ground collapse caused by tunnel drainage

隧道排水引起上覆松散土層內(nèi)有效應(yīng)力的改變和動水壓力的增加是地面塌陷的最根本原因。地下水位急劇變化帶和強(qiáng)徑流帶往往是塌陷產(chǎn)生的敏感區(qū),而水動力條件的改變是產(chǎn)生巖溶塌陷的主要誘導(dǎo)因素(圖3),這已為不少實(shí)際資料所證實(shí)。隧道排水引發(fā)的地面塌陷發(fā)育過程可分為三個階段。第一階段：天然狀態(tài)下,地下水保持自然水位并相對穩(wěn)定,基巖在溶蝕作用下形成落水洞或漏斗,此時土體還受到巖溶水的浮力和土體自身抗滑力的作用,使得上覆土體處于基本穩(wěn)定狀態(tài)；第二階段:隧道大量排水,地下水位迅速下降,水流過程對地表覆蓋土層及巖溶管道中土體的產(chǎn)生潛蝕和運(yùn)移,逐漸形成土洞,地表土體在重力作用下出現(xiàn)拉裂縫、下沉跡象。施工中炮震產(chǎn)生的震動氣壓和液壓破壞性大,加強(qiáng)了深、淺部巖溶管道的連通性[48]；第三階段：隨著土洞進(jìn)一步發(fā)育,頂板土層逐漸變薄,當(dāng)真空負(fù)壓、土體自重等致塌力大于抗塌力時,塌陷發(fā)生。

據(jù)不完全統(tǒng)計(jì),建于西南巖溶區(qū)的鐵路長隧道中,幾乎均不同程度地遇到了巖溶塌陷,給隧道的施工造成了一定影響,其中,發(fā)生過較大巖溶塌陷的隧道有10座之多,占總數(shù)的40%[49]。地面塌陷受降雨影響明顯,降雨使得地下水位升高,水力坡度增大,涌水?dāng)y帶大量泥沙,加快了地面塌陷的發(fā)展[50]。大量研究表明,地面塌陷發(fā)生或者塌陷擴(kuò)大的主要時間都是在雨季[51-52]。對于雙線或多線隧道,隧道間距和建設(shè)順序?qū)Φ孛嫠萘?、形態(tài)和范圍有較大影響。平行排列的隧道地面大塌陷規(guī)模比單線隧道大,范圍廣。隨著隧道間距的減小,將產(chǎn)生群洞效應(yīng),塌陷量呈現(xiàn)增大的趨勢[53-55]。

2.2.3地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評價及超前地質(zhì)預(yù)報(bào)

目前,對巖溶隧道工程誘發(fā)地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評價及超前地質(zhì)預(yù)報(bào)已經(jīng)取得很大進(jìn)展。模糊數(shù)學(xué)法、層次分析法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型、小波分析方法及其組合被廣泛應(yīng)用于巖溶隧道的風(fēng)險(xiǎn)評估[56-62]。各種方法均有利弊,在實(shí)際研究中,往往采用幾種方法的組合以求得評價或預(yù)測結(jié)果的合理性和科學(xué)性。超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方法主要有TSP、地質(zhì)雷達(dá)、瞬變電磁、陸地聲納、紅外探測儀及綜合超前預(yù)報(bào)技術(shù)[63-68],鑒于已有方法的局限性,李術(shù)才等提出基于風(fēng)險(xiǎn)分級的綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)[69]。葛顏慧等優(yōu)化了綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的預(yù)報(bào)方案和流程,提高了巖溶水位置探查的準(zhǔn)確性,并成功預(yù)報(bào)了滬蓉西高速公路烏池壩隧道掌子面前方的巖溶水[70]。Liu等提出了一種改進(jìn)的時移電阻率反演方法,用于監(jiān)測地下水運(yùn)移特征,并在廣西岑西隧道中進(jìn)行了成功應(yīng)用[71]。

綜上,對巖溶隧道誘發(fā)地質(zhì)災(zāi)害的規(guī)模、成因機(jī)制、風(fēng)險(xiǎn)評價及超前地質(zhì)預(yù)報(bào)已有廣泛而深入的研究,但隧道施工過程中地質(zhì)災(zāi)害仍時有發(fā)生,不少巖溶隧道運(yùn)營期每到雨季就會發(fā)生突涌水,因此,改善隧道設(shè)計(jì)理念,提高超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性,加強(qiáng)巖溶隧道(群)的區(qū)域穩(wěn)定性及隧道長期運(yùn)行的風(fēng)險(xiǎn)性的評估與研究,均是需要長期努力的方向。

2.3 降低土壤質(zhì)量和引起土壤污染

隧道排水加速水土流失,采用“以排為主”的衡廣復(fù)線南嶺隧道泥砂流失嚴(yán)重,隧道建成后,隧址區(qū)內(nèi)水土流失速度比自然風(fēng)化時的速度快了將近6000倍；大瑤山隧道建成后,地面水土以每年約5.4 cm的速度流失,近似于自然風(fēng)化時速度的5.4萬倍[72]。水土流失致使土壤層變薄,養(yǎng)分及水分損失,肥力下降[73],土壤質(zhì)量下降。隧道排水疏干地表水、降低地下水位,土壤含水率也隨之降低；地下水位下降及降雨淋溶作用增強(qiáng)都促使土壤養(yǎng)分轉(zhuǎn)移至土壤深層或者地下水中；土壤有機(jī)質(zhì)含量降低,導(dǎo)致土壤酸化[33]。

地鐵隧道對土壤溫度場的影響是近年來的研究熱點(diǎn),研究方法主要為現(xiàn)場實(shí)測,實(shí)驗(yàn)臺縮尺模型模擬,理論分析和數(shù)值模擬等[75-81]。地鐵運(yùn)行致使土壤溫度上升,土壤含水率減小,蓄熱性能降低,并隨時間和空間變化呈現(xiàn)一定的規(guī)律性。通過實(shí)驗(yàn)與數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn),上海某地鐵溫度場的變化主要發(fā)生在運(yùn)營后1—10年,在此期間,隨年限的增加,土壤熱庫峰值不斷升高,峰值位置和熱庫厚度不斷加深,10年以后溫度場趨于穩(wěn)定。土壤容積含水率的變化主要發(fā)生在隧道壁面3.5 m的范圍之內(nèi),隨著年限的推移,容積含水率逐年減少,直到趨于穩(wěn)定；新建地鐵區(qū)間隧道的年蓄熱量為遠(yuǎn)期年蓄熱量的11.6倍[82]。

綜上,隧道排水對土壤的影響主要體現(xiàn)在加速土壤流失、降低土壤養(yǎng)分與含水率、引起土壤污染等方面,未見對土壤CO2、土壤水地球化學(xué)特征的長期系統(tǒng)觀測與研究,隧道排水對土壤質(zhì)量的影響機(jī)制尚不明確。

2.4 影響植被生長與分布

巖溶地區(qū)因其富鈣的巖、水、氣循環(huán)系統(tǒng),以及“土在樓上、水在樓下”的雙層結(jié)構(gòu),造成其土壤貧瘠,保水能力差[83],植被覆蓋率低,生態(tài)系統(tǒng)抗干擾能力低。由于巖溶槽谷區(qū)缺乏系統(tǒng)的地表水文網(wǎng),天然植被生態(tài)系統(tǒng)主要依靠消耗地下水資源來維持,因此,植被對地下水變化響應(yīng)極為敏感。

地下水是植物分布和生長最重要的限制資源,影響天然植被生長的土壤水分和鹽分與地下水位高低密切相關(guān)[84-85],地下水位的降低可能導(dǎo)致植物枯萎、死亡。因此,有學(xué)者提出了“地下水生態(tài)水位”、“地下水生態(tài)平衡埋深”等概念[86-87],確定植物進(jìn)行光合等生理作用的地下水位埋深閾值[88],并基于植被生態(tài)需水,確定了的隧道所允許排放的最大水量[89-90]。

遙感技術(shù)是監(jiān)測隧道建設(shè)和運(yùn)營過程中的環(huán)境問題的重要手段之一。通過對成渝高速公路中梁山隧道修建前、修建中和運(yùn)營三年后同一季節(jié)的遙感影像數(shù)據(jù)進(jìn)行解譯,發(fā)現(xiàn)修建后自然植被覆蓋率降低了21.529%,運(yùn)營三年后自然植被覆蓋率上升了1.311%[91]。

由隧道開挖引起地下水位下降,進(jìn)而導(dǎo)致植物產(chǎn)量下降、化學(xué)組分變化[92-94],以及生長速率下降[95]已被不少研究證實(shí)。地下水位的下降致使植物根系吸收水分策略和效率發(fā)生改變,使其根系逐步向深部發(fā)育,吸收深部土壤水和地下水。通過對比研究發(fā)現(xiàn),隧道影響區(qū)植物吸收表層巖溶水的比例在雨季和旱季分別為33%、76%,而隧道未影響區(qū)植物吸收表層巖溶水的比例在雨季和旱季分別為24%、59%。結(jié)果也表明,隧道開挖降低了巖溶地區(qū)土壤含水量,改變了巖溶地區(qū)植物的吸水規(guī)律[96]。甚至有研究嘗試?yán)脴漭喿鳛橹甘舅淼篱_挖引起地下水位下降的指標(biāo)[97],這將為評估巖溶地區(qū)隧道開挖對樹木生長及生態(tài)環(huán)境的影響起到重要作用。

另外,隧道通車可作為植物種子遷徙的途徑和載體,增加了物種入侵的可能性,導(dǎo)致生物多樣性發(fā)生改變[98-99]。有研究發(fā)現(xiàn),某高速公路隧道內(nèi)的植物種子種類約有32.3%并不生活在隧道入口附近[98]。

綜上,隧道建設(shè)對巖溶槽谷區(qū)植被的影響主要體現(xiàn)在4個方面：一是隧道排水降低地下水位,減少了土壤含水量,影響植物吸收水分、養(yǎng)分；二是隧道建設(shè)改變了地下水水化學(xué)成分,影響植物吸收養(yǎng)分；三是隧道排水引起了地面塌陷,加速了地表水土流失與石漠化,改變了植被生長環(huán)境,影響了植被生長與空間分布；四是隧道通車為物種入侵提供了可能,可能會影響植物種類。已有研究主要關(guān)注隧道影響植物生長速率、產(chǎn)量、植被覆蓋度的變化,隧道建設(shè)對植被利用水的策略與效率影響、隧道長期排水是否會導(dǎo)致植被演替研究缺乏。已有研究僅發(fā)現(xiàn)隧道內(nèi)植物種子種類增多,是否會造成物種入侵和植物多樣性的變化,仍然需要觀測資料證實(shí)。

2.5 生態(tài)環(huán)境影響評價

隧道對生態(tài)環(huán)境的影響是多方面的,已有大量研究集中在隧道修筑導(dǎo)致地下水運(yùn)移所產(chǎn)生的生態(tài)環(huán)境效應(yīng)的具體表現(xiàn)形式以及影響范圍上,其主要方法有現(xiàn)場調(diào)查、綜合評述、動態(tài)監(jiān)測、示蹤試驗(yàn)及數(shù)值模擬(表4)。定量化綜合評價隧道施工引起的生態(tài)環(huán)境效應(yīng)研究仍然比較薄弱,目前主要采用的方法有綜合指數(shù)法、模糊綜合評判法、層次分析法、簡單關(guān)聯(lián)函數(shù)及有限元分析法等(表4)。生態(tài)環(huán)境影響評價為優(yōu)化隧道工程選址、確保隧道施工和運(yùn)營安全以及保護(hù)隧址區(qū)生態(tài)環(huán)境提供了一定的科學(xué)依據(jù),但目前缺乏普適性的巖溶隧道生態(tài)環(huán)境影響評價體系,且評價指標(biāo)需經(jīng)隧道修建后連續(xù)觀測進(jìn)行修正。對于如何定量評價隧道排水的生態(tài)環(huán)境效應(yīng)及優(yōu)化評價指標(biāo),仍然有待深入研究。

表4 隧道建設(shè)的生態(tài)環(huán)境影響評價方法

3 結(jié)論與展望

近年來,隨著我國西南地區(qū)社會經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,巖溶槽谷區(qū)隧道建設(shè)持續(xù)加速。由于隧道工程建設(shè)之初生態(tài)環(huán)保理念欠缺,加之巖溶槽谷區(qū)特殊的生態(tài)脆弱性,使得隧道建設(shè)對西南巖溶槽谷區(qū)帶來的生態(tài)環(huán)境負(fù)效應(yīng)更為顯著,為區(qū)域水資源與生態(tài)安全帶來了挑戰(zhàn)。為了分析隧道建設(shè)對水文、生態(tài)、環(huán)境的影響,國內(nèi)外學(xué)者開展了一系列的研究,并取得了一定的成果。然而已有研究多數(shù)停留在隧道建設(shè)產(chǎn)生的生態(tài)環(huán)境效應(yīng)的具體表現(xiàn)形式以及影響程度上,在隧道建設(shè)對土壤物理化學(xué)特征、植被生理過程改變、物種入侵、植被演替方面的影響,以及相關(guān)研究方法與手段方面還存在不足,隧道建設(shè)的生態(tài)環(huán)境效應(yīng)相關(guān)研究整體上還比較薄弱。在今后的研究中需要加強(qiáng)以下幾方面的工作：

(1)隧道影響水資源分布格局與水文過程的水文地質(zhì)模式及隧道群的排水效應(yīng)

基于西南巖溶槽谷區(qū)不同的地質(zhì)結(jié)構(gòu),結(jié)合典型案例,分析巖溶隧道施工建設(shè)與運(yùn)營期內(nèi)水資源分布、水動力和水化學(xué)過程與巖溶隧道、地質(zhì)背景、區(qū)域氣候之間的關(guān)系,揭示不同類型的槽谷區(qū)隧道建設(shè)的生態(tài)水文環(huán)境效應(yīng),探索巖溶隧道對水資源分布與水文過程作用機(jī)制,建立西南巖溶槽谷區(qū)隧道影響水資源分布格局與水文過程的概念模式。

巖溶發(fā)育易導(dǎo)致隧道突涌水,而隧道排水引起的土壤水分與土壤CO2變化,有可能影響大氣-水-土壤-巖石界面的物理化學(xué)作用強(qiáng)度,從而影響巖溶作用。運(yùn)用既有國內(nèi)外巖溶隧道研究案例,分析巖溶發(fā)育誘發(fā)的隧道突涌水的模式。通過現(xiàn)場監(jiān)測與試驗(yàn),探索隧道排水影響巖溶作用的途徑與方式,揭示隧道排水與巖溶作用的互饋?zhàn)饔脵C(jī)制。

另外,已有研究主要關(guān)注單個隧道排水產(chǎn)生的水文生態(tài)影響,以及新建隧道對既有隧道的影響,隧道群排水引起的水文、生態(tài)、環(huán)境問題以及隧道群間的相互干擾及疊加效應(yīng)研究將是未來研究的難點(diǎn)及熱點(diǎn)。

(2)“五水”轉(zhuǎn)換過程與地下水流場演化機(jī)制

隧道排水加速水循環(huán)過程、改變地下水流場目前多是定性的描述,缺乏系統(tǒng)的定量及過程研究。建議通過長期水文地質(zhì)現(xiàn)場監(jiān)測、試驗(yàn)、數(shù)值模擬,分析究隧道改變區(qū)域水循環(huán)特征和地下水動力條件的途徑和方式,揭示降水、地表水、土壤水、地下水及隧道水之間的轉(zhuǎn)換過程及轉(zhuǎn)化機(jī)制；綜合研究不同時間尺度上,地表水、土壤水、地下水及隧道水的動態(tài)過程及對降雨的響應(yīng)機(jī)制；探索巖溶隧道區(qū)地下水流場的演化過程與機(jī)制；通過資料分析、現(xiàn)場監(jiān)測、物理模擬試驗(yàn)、數(shù)值模擬等手段,分析水動力條件改變、水文地球化學(xué)環(huán)境改變、施工材料成分對巖溶水化學(xué)特征的影響,研究巖溶隧道區(qū)水文地球化學(xué)場時空演化機(jī)制。

(3)土壤質(zhì)量及土壤水文地球化學(xué)特性對隧道建設(shè)的響應(yīng)過程與機(jī)制

隧道排水導(dǎo)致水土流失加劇,土壤水分減少,土壤質(zhì)量下降,已有研究已證實(shí)了這一影響形式,但其影響機(jī)理與過程怎樣？隧道排水是否導(dǎo)致土壤微生物群落與功能變化,從而引起土壤質(zhì)量變化？未見相關(guān)研究。建議加強(qiáng)對土壤及土壤水物理、化學(xué)、生物、微生物特征的系統(tǒng)監(jiān)測,探索不同時間、空間尺度上土壤質(zhì)量及土壤水文地球化學(xué)特性對隧道建設(shè)的響應(yīng)過程與機(jī)制。

(4)巖溶隧道區(qū)植被生理過程與多樣性變化

利用水化學(xué)、同位素及遙感技術(shù)等手段,探索隧道干擾條件下植被利用水的策略與效率變化過程與機(jī)理,植被覆蓋度變化,求證隧址區(qū)物種入侵的可能性,揭示隧址區(qū)植被可能由水生或喬木植被演替為陸生、旱生或灌木、草本植被的過程。

(5)調(diào)查、評價、預(yù)測與模擬

提升巖溶隧道區(qū)水文生態(tài)環(huán)境現(xiàn)場監(jiān)測技術(shù),研發(fā)系統(tǒng)調(diào)查方法；研究隧道區(qū)水文生態(tài)環(huán)境效應(yīng)的影響因子,建立定量化評價指標(biāo)體系,研究分級分類的評價方法,提出評價標(biāo)準(zhǔn),對于擬建和在建工程,進(jìn)行評估預(yù)測和現(xiàn)狀預(yù)測,對已建工程進(jìn)行反分析、驗(yàn)證和后評估,修正并驗(yàn)證評價方法的科學(xué)性與可靠性。針對不同概念模式下的巖溶槽谷區(qū)隧道工程,提出預(yù)警指標(biāo)體系方法,并進(jìn)行工程驗(yàn)證,為西南槽谷區(qū)隧道的水文生態(tài)環(huán)境效應(yīng)評估提供參考依據(jù)?；诂F(xiàn)場監(jiān)測資料、室內(nèi)模擬實(shí)驗(yàn)等,建立并優(yōu)化模擬模型,合理評估與預(yù)測隧道建設(shè)引起的水文生態(tài)環(huán)境效應(yīng)演變趨勢,并評估該趨勢對巖溶隧道穩(wěn)定性的影響。