川藏鐵路隧道疏排地下水生態(tài)風(fēng)險及保護(hù)對策

宋詞，鄭光玉，羅運(yùn)武，吳展波，李景吉，許模

(1．中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司,成都 610031;2. 成都理工大學(xué),成都 610059)

20世紀(jì)80年代以來，隨著國民經(jīng)濟(jì)和社會高速發(fā)展，我國中西部地區(qū)公路、鐵路建設(shè)正如火如荼，許多超深、超大、超長隧道的建設(shè)逐漸增多[1-2]。受隧址所處工程地質(zhì)條件的影響，隧道建設(shè)經(jīng)常面臨突水突泥等災(zāi)害問題，而以往的應(yīng)對方法常以疏排水為主，因此造成地下水大量流失，對一定范圍的生態(tài)形成極大的破壞[3-4]。前人針對隧道建設(shè)對生態(tài)環(huán)境的影響已經(jīng)開展過一些有益的研究[5-7]。馬成[8]以地下水環(huán)境動態(tài)平衡為出發(fā)點(diǎn)，針對高風(fēng)險生態(tài)敏感區(qū)一定水文年內(nèi)隧道水平衡恢復(fù)，提出了維持植被生態(tài)的隧道排水控制標(biāo)準(zhǔn)的計算方法和流程。白明洲等[9]通過對隧道施工過程的地下水位監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)隧道地下水層的破壞，地下水位存在不同下降趨勢，而隧道施工對環(huán)境也造成一定影響。

川藏鐵路從成都至拉薩，途經(jīng)8座高山；全線隧道建設(shè)198座，占全線路總長70.2%，其中包括折多山隧道(20.008 km)、海子山隧道(32.541 km)、芒康山隧道(30.534 km)等46座特長隧道，地下水問題顯著[10-11]。而青藏高原生態(tài)屏障脆弱、生態(tài)系統(tǒng)多樣，分布著眾多珍稀保護(hù)動植物[12]，研究川藏鐵路隧道疏排地下水生態(tài)風(fēng)險及保護(hù)對策至關(guān)重要。本文現(xiàn)場調(diào)查了隧道沿線自然地理、植被地帶性分布規(guī)律等，研究了該區(qū)植被種類、分帶分布特征及生態(tài)需水特征；評價了隧道工程地下水疏排水動力條件變化對沿線生態(tài)環(huán)境的影響，最后提出了隧道施工堵排水原則和措施。

1 研究區(qū)工程地質(zhì)條件

川藏鐵路主體工程位于青藏高原區(qū)，全線高程700～5 200 m，沿線依次經(jīng)過川西高山峽谷區(qū)與高原區(qū)、藏東南橫斷山區(qū)和藏南谷嶺區(qū)等地貌單元。不同氣候區(qū)水熱條件差異大，具有高寒、大溫差、強(qiáng)紫外線等特點(diǎn)，冬季極端最低氣溫為-32.2 ℃，夏季最高氣溫為40 ℃，晝夜最大溫差達(dá)35 ℃以上；高原區(qū)降雨量達(dá)450～1 127 mm，干旱河谷地帶年平均降雨量僅為400 mm，區(qū)間降雨分配極不均勻。沿線主要通過4個一級構(gòu)造，12個二級構(gòu)造。水系干流流向與區(qū)域構(gòu)造走向一致，構(gòu)造骨架控制了基本水系展布，在該地區(qū)呈近南北向分布，與橫斷山構(gòu)造帶走向基本一致。

工程沿線地下水類型主要有孔隙水、基巖裂隙水、巖溶水、構(gòu)造裂隙水，以及高溫?zé)崴?。孔隙水分布在測區(qū)溝谷中第四系沖洪積、冰水堆積層、砂巖、砂礫卵石層等松散巖體，特別是低階地和洪積扇中埋藏有豐富孔隙水；在海拔4 000 m以上高原空谷兩岸坡積層還有融雪水補(bǔ)給?；鶐r裂隙水受構(gòu)造影響，富水性差異較大，板巖、砂巖、花崗巖等為弱-中等基巖裂隙含水層。巖溶水主要分布在毛埡壩至金沙江段、米拉山-瑪曲河兩側(cè)和八宿、洛隆、擁巴、波密周邊的三疊系、泥盆系、志留系碳酸鹽巖中。構(gòu)造裂隙水主要分布于褶皺構(gòu)造以及斷裂帶內(nèi)，其中向斜核部、背斜兩翼節(jié)理裂隙較密集發(fā)育，地下水易富集。線路藏東南地區(qū)是地中海-南亞地?zé)岙惓У闹匾M成部分，存在高溫?zé)崴植迹疁丶s40 ℃～100 ℃。

2 工程沿線植被類型及生態(tài)需水特征

川藏鐵路途中翻越多座海拔4 000 m以上的高山，因此沿線經(jīng)過的植被類型十分豐富。雅安至林芝段統(tǒng)計植被類型圖斑的數(shù)量和面積來看：低山與中山植被類型和經(jīng)濟(jì)林類型分布零碎，表現(xiàn)為草叢、草甸及其他類型分型零碎，圖斑的面積較小；而高山的植被類型主要為灌叢、草甸及針葉林，海拔越往上，植被越稀疏，最后表現(xiàn)為高山植被類型。但從不同植被類型分布情況來看，灌叢植被幾乎全線均有分布(圖1)。

圖1 川藏線10 km緩沖區(qū)范圍內(nèi)植被類型分布圖

沿線植被根據(jù)不同區(qū)段特征，可分為雅安-康定段、康定-昌都段、昌都-林芝段，不同路段植被類型表現(xiàn)不同。①雅安-康定段主要以山地闊葉林、針葉林或針闊混交林為主，其中雅安至二郎山段植被以闊葉林、針闊混交林和竹林為主，降水為植被生態(tài)水主要來源，受地下水影響微弱；瀘定以上至康定區(qū)段植被類型以合歡、仙人掌等旱生或耐旱植灌叢和云南松、柏木等針葉林為主，降水和地下水是該區(qū)段植被生態(tài)水主要補(bǔ)給類型，地下水水位變化對該區(qū)植被影響較華西雨屏區(qū)顯著。②康定-昌都段主要以高山灌叢、高寒草甸和山地針葉林為主，康定至雅江段、海子山以上至孜拉山隧道、芒康隧道-昌都路段植被主要分布高山灌叢、高寒草甸為主，該段植被受氣候變化響應(yīng)明顯，降水、冰雪融水、凍土土壤水是該區(qū)段重要植被生態(tài)水類型；雅江縣附近、孜拉山隧道區(qū)段上則分布有以冷杉、云杉為主的針葉林植被，植被生態(tài)水主要受降水和冰雪融水影響。③昌都-林芝段植被類型逐漸由高山灌叢植被類型向針葉林過渡，至林芝段降雨豐沛，形成以林芝云杉、喜馬拉雅冷杉等針葉林為主的植被類型，并間或分布有楊樺林等落葉闊葉林，植被生態(tài)需水以大氣降水為主。

3 隧道地下水疏排對生態(tài)環(huán)境的影響調(diào)查評價

3.1 隧道工程引起水動力條件變化對生態(tài)環(huán)境影響

綜合分析隧址區(qū)地下水分布情況、隧道建設(shè)前后氣候變化情況，研究隧道工程地下水動力條件改變對植被生態(tài)影響。

(1) 老二郎山隧道

二郎山隧道隧址區(qū)氣候變化如圖2，該區(qū)2000～2002年間年累計降水量持續(xù)降低，2001年較2000年降低41.3 mm，2002年較2001年降低77.5 mm。年均溫變化幅度相對穩(wěn)定，年均溫、年最低溫和年最高溫變化幅在2 ℃以內(nèi)。由二郎山隧址區(qū)2000～2002年NDVI(植被覆蓋指數(shù))變化可知，隧址區(qū)2000～2002年NDVI值呈現(xiàn)持續(xù)增加態(tài)勢。但隧址區(qū)2000～2002年間降水呈現(xiàn)持續(xù)減少，氣溫較為穩(wěn)定；因此氣候條件變化不是導(dǎo)致植被長勢變化的主要原因，氣候變化與隧址區(qū)的NDVI變化相關(guān)性不高。

圖2 二郎山隧道隧址區(qū)2000～2002年間年累計降水量(a)與年氣溫(b)變化圖

根據(jù)隧址區(qū)水文條件，二郎山隧道隧頂以分水嶺兩側(cè)主要為含水豐富的碳酸鹽巖裂隙溶洞水，西側(cè)往外延伸為全流量<0.1 l/s的基巖裂隙水；東側(cè)往外延伸依次為含水弱的碳酸鹽巖裂隙溶洞水和基巖裂隙水。通過2000～2002年NDVI變化情況圖與水文地質(zhì)圖疊合發(fā)現(xiàn)，NDVI增加的區(qū)域集中分布于隧頂兩側(cè)含水豐富的碳酸鹽巖裂隙溶洞水區(qū)域，少量分布于含水弱的碳酸鹽巖裂隙溶洞水，而在基巖裂隙水分布區(qū)域NDVI值變化則較小。由于隧址區(qū)域碳酸鹽巖裂隙溶洞水非常發(fā)育，地下水極易流失，故2000～2002年NDVI值增加的原因可能是在隧道工程修建階段引發(fā)的地層巖溶水流失，影響該區(qū)段巖溶水對地表水的補(bǔ)給，造成地下水對植被生態(tài)需水補(bǔ)給量的減少，生長受到影響，在1999年12月隧道修建完成后，由于一系列的堵水措施，地下水位升高，恢復(fù)對隧址區(qū)植被的補(bǔ)給，植被長勢變好。

(2) 米拉山隧道

米拉山隧道隧址區(qū)氣候變化如圖3，隧址區(qū)2014～2016年間累計降水呈先降后升的變化，2015年降雨量最少值382 mm/a。年均溫整體上稍有增加，但不明顯；但年均極高溫、極低溫均成小幅下降趨勢，下降幅度微小。

圖3 米拉山隧道隧址區(qū)2014～2016年間年累計降水量(a)與年氣溫(b)變化圖

根據(jù)2014～2016年降水變化特征發(fā)現(xiàn)，在2015年研究區(qū)降水出現(xiàn)大幅減少，2016年降水又大幅增加。結(jié)合2015年隧道沿線局部植被退化趨勢推測，該年度局部區(qū)域植被退化可能與降水變化相關(guān)。

3.2 隧道工程地下水疏排對陸生植被生態(tài)影響敏感性整體評價

基于隧址區(qū)地質(zhì)構(gòu)造條件、地下水水文地質(zhì)單元、敏感植被分布和保護(hù)植物分布情況等綜合分析，將川藏鐵路沿線31座隧道工程地下水疏排對陸生植被生態(tài)影響敏感性整體評價如表1所示。

表1 川藏鐵路沿線敏感隧道綜合評價

4 隧道施工疏排水原則和措施

4.1 隧道施工疏排水原則

川藏鐵路隧道工程建設(shè)中對由地下水動力條件改變所誘發(fā)的地下水突涌和地表水疏干問題及誘發(fā)的生態(tài)問題，應(yīng)遵循一定的防控原則：

(1) 超前預(yù)報與防控方案相結(jié)合的原則。隧道超前預(yù)報有利于提前發(fā)現(xiàn)隧道不良地質(zhì)現(xiàn)象隱蔽點(diǎn)，為隧道地下水處理提供必要參數(shù)。

(2) 特殊部位重點(diǎn)防護(hù)的原則。特殊部位，如隧址中的裂隙發(fā)育、巖體破碎、可溶巖和非可溶巖的界面、斷裂構(gòu)造帶、褶皺構(gòu)造核部等易發(fā)生涌突水、突泥和掌子面垮塌的部位應(yīng)重點(diǎn)治理，做到超前預(yù)報與超前防護(hù)。

(3) 治理措施與支護(hù)措施相協(xié)調(diào)的原則。對于災(zāi)害易發(fā)部位的超前治理應(yīng)與隧道工程中的支護(hù)相結(jié)合，使涌突水治理在防滲的同時實(shí)現(xiàn)對破碎巖體和斷裂的加固，達(dá)到一定的支護(hù)目的。此外，疏排水量應(yīng)合理計算，做到“堵排結(jié)合”的方法。

4.2 隧道施工疏排水建議措施

(1) 粘度時變材料及注漿封堵技術(shù)

粘度時變灌漿材料是由自主研發(fā)的SJP外摻劑、水泥和水配制而成，SJP粘度時變性漿液可以通過外摻劑加量的調(diào)節(jié)而克服純水泥漿材可泵時間過長且不可控的缺點(diǎn)，使?jié){液具有20～90 min的可泵期，利用粘度時變漿液作為護(hù)壁液，在破碎巖層段或目標(biāo)加固層隨鉆注漿，實(shí)現(xiàn)邊鉆進(jìn)邊加固。

(2) 隧道涌水封堵原理與方法

對于破碎巖體和陡傾寬大裂隙的加固，主要是利用漿液的粘度時變性，在起始期漿液的低粘度、高流動性能夠使?jié){液在注漿壓力的作用下，從注漿孔揭露的裂隙斷面沿著裂隙的擴(kuò)展方向流動。隨著注漿時間的增長，漿液的粘度逐漸增加，注漿壓力沿裂隙擴(kuò)展方向衰減，當(dāng)注漿壓力小于漿液對屈服應(yīng)力時，漿液停止流動，完成裂隙的充填和破碎巖體的膠結(jié)。在注漿工藝當(dāng)中，為了實(shí)現(xiàn)對漿液流動控制，可改變注漿參數(shù)中的注漿時間、注漿壓力和漿液參數(shù)中的可泵期和屈服應(yīng)力。

5 結(jié)語

(1) 川藏鐵路沿線植被生態(tài)類型豐富，可分為雅安-康定段、康定-昌都段、昌都-林芝段3個不同植被類型區(qū)段。其中雅安-康定段植物生態(tài)需水受降水和地下水影響較大，康定-昌都段、昌都-林芝段植物生態(tài)需水主要受冰雪融水、大氣降水影響。

(2) 通過對沿線隧址區(qū)地下水環(huán)境、氣候變化和植被覆蓋變化調(diào)查，分析了隧道工程地下水疏排對植被生態(tài)的影響；進(jìn)一步對31座隧道工程地下水疏排對植被生態(tài)影響敏感性進(jìn)行了評價，其中海子山、孜拉山、芒康山、浪拉山、同卡二號、扎宗6座隧道工程地下水疏排對植物生態(tài)影響敏感性較大。

(3) 為做好川藏鐵路沿線生態(tài)防護(hù)，建議遵循超前預(yù)報與防控方案相結(jié)合、特殊部位重點(diǎn)防護(hù)和治理措施與支護(hù)措施相協(xié)調(diào)的原則。