隧道施工對水源保護(hù)地水環(huán)境的影響及保護(hù)措施研究

涂德貴

摘 要：隧道施工對地表水環(huán)境和地下水環(huán)境均有較大影響。相比其他功能區(qū)域，水源保護(hù)地對水環(huán)境質(zhì)量有著更高的要求標(biāo)準(zhǔn)?；谒幢Ｗo(hù)地水環(huán)境的特點，分析了隧道施工對水源保護(hù)地水環(huán)境的影響特征，綜述了水源保護(hù)地水環(huán)境保護(hù)的主要措施。研究發(fā)現(xiàn)，水源保護(hù)地隧道施工中的水環(huán)境保護(hù)可從施工管理、水環(huán)境風(fēng)險的監(jiān)測與預(yù)防，廢棄物處理技術(shù)研發(fā)3個方面加強研究。

關(guān)鍵詞：隧道施工;水源保護(hù)地;水環(huán)境;保護(hù)措施

中圖分類號：U455;X734 ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? 文章編號：1003-5168（2022）5-0068-05

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2022.05.015

The Study of the Effects and Protecttion Rotection Measuces Easures of Tunnel Constructions in Source Water Protection Area on Water

Environment

TU Degui

（ Fujian Environmental Protection Design Institute Co.， Ltd， Fuzhou 350000，China）

Abstract：Great effects of tunnel construction are exerted on the surface water environment and underground water environment. Compared with other function area， higher standards are required for water environment in source water protection area. Based on the characteristics of water environment in source water protection area， the effect characteristics of tunnel construction on water environment in source water protection area were analyzed and the main measures of water environment protection in source water protection area were reviewed. Results showed that the research of water environment protection in source water protection area should be enhanced from three aspects including tunel construction management， the monitoring and precaution of water environment risk and treatment technology of wastes.

Keywords： tunnel construction; source water protection area; water environment; protection measures

0 引言

近年來，隨著快速交通體系的建設(shè)和發(fā)展，隧道施工已成為高速公路工程等重大交通工程建設(shè)時穿越山嶺、橫穿河海的主要工程方式[1]。隧道施工作為復(fù)雜的工程類型，在施工過程中難免會對環(huán)境產(chǎn)生一定的不利影響。秦成等[2]研究發(fā)現(xiàn)隧道建設(shè)對本區(qū)域環(huán)境造成不同程度的影響，隧道涌水量與施工區(qū)的地表水質(zhì)量呈顯著相關(guān)性。姚紅志等[3]研究發(fā)現(xiàn)六盤山隧道建設(shè)對地下水環(huán)境的擾動程度為Ⅳ級（較強偏中等），有較強的地下水環(huán)境惡化風(fēng)險。與此同時，山嶺隧道施工一般多在山巒聚集區(qū)，該區(qū)域多為重要的水源保護(hù)地，或為天然水產(chǎn)出源頭區(qū)、主要干流匯集區(qū)和飲用水水源保護(hù)區(qū)[4]。水源保護(hù)地是當(dāng)?shù)鼐用窕蛄饔蚓用竦闹饕嬘盟∷?，其水源水質(zhì)和存水量狀況直接影響人們的飲用水安全和水量供應(yīng)，與其他區(qū)域類型相比，水源保護(hù)地對水環(huán)境生態(tài)有著更高的要求。然而，隨著我國社會經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展和人口規(guī)模的快速增長，人們生產(chǎn)生活對自然環(huán)境干預(yù)的加大和氣候條件變化的影響，我國飲用水的供需矛盾日益突出，如張季等[5]研究發(fā)現(xiàn)1956—2016年，丹江口水庫的年平均入庫徑流量減少了47億 m3，若遇枯水年份，將會極大限制下游干流的取水和水質(zhì)保障。因此，在飲用水資源明顯緊張的大背景下，加強對水源保護(hù)地的管理和保護(hù)顯得尤為重要。

目前，雖然政府相關(guān)部門已經(jīng)頒布了《飲用水水源保護(hù)區(qū)劃分技術(shù)規(guī)范》（HJ 338—2018），但是水源保護(hù)地的水環(huán)境保護(hù)依然面臨著點—面源污染的威脅，水源地水環(huán)境保護(hù)形勢依然不容樂觀[6]。其中，隧道施工便是重要的工業(yè)點狀污染源[6]。因此，加強隧道施工對水環(huán)境的污染風(fēng)險分析識別和預(yù)防管控，對消除隧道施工對水源水質(zhì)的威脅和增強水環(huán)境的保護(hù)有著極為顯著的現(xiàn)實意義。筆者將結(jié)合水源保護(hù)地水環(huán)境的特點，重點分析隧道施工對水源保護(hù)地水環(huán)境的影響，同時結(jié)合具體案例，綜述隧道施工對水源地水環(huán)境預(yù)防和保護(hù)的具體措施，為隧道施工時水源保護(hù)地水環(huán)境的保護(hù)提供理論指導(dǎo)和工程借鑒。

1 隧道施工對水源保護(hù)地的水環(huán)境影響

1.1 對地下水水環(huán)境的影響

隧道施工對地下水的影響主要表現(xiàn)在隧道涌排水對地下水水文生態(tài)的影響上[7]。高速公路隧道工程建設(shè)過程中，尤其隧道穿越不良地質(zhì)單元時，隧道打穿可能會造成地面應(yīng)力狀態(tài)改變，進(jìn)而造成巖體裂隙分布特點和其物形特性發(fā)生變化，導(dǎo)致原地下水的動態(tài)平衡狀態(tài)發(fā)生改變[7]。在隧道施工過程中，由于對原始水巖力學(xué)平衡的破壞，尤其對發(fā)育完全的砂巖裂隙和溶隙的震動作用，以及對深層山體裂隙水和溶隙水的鑿穿作用，地下水的流動特點和給補關(guān)系通常被改變，而隧道巖體極易出現(xiàn)大量涌水和突水，隧道易成為新的地下水排水通道[7-8]。這不僅會嚴(yán)重阻滯隧道施工進(jìn)度，造成巨大的工程損失，而且還會導(dǎo)致水源保護(hù)地保存的地下水大量漏失和消耗，最終導(dǎo)致井泉干涸，嚴(yán)重影響人們的生產(chǎn)生活，如在歌樂山的隧道建設(shè)過程中，突發(fā)涌水事故，造成地表水位的快速下降，生產(chǎn)和飲用水源干涸，致使當(dāng)?shù)?萬居民的生產(chǎn)生活用水困難，嚴(yán)重破壞當(dāng)?shù)氐乃h(huán)境平衡[7，9]。對于生態(tài)環(huán)境相對脆弱和水資源極為珍貴的水源保護(hù)地來說，隧道涌突水和隧道排水事故對水源保護(hù)地的地下水環(huán)境的保護(hù)有著極為不利的影響。圖1為隧道施工涌突水事故現(xiàn)場。

1.2 隧道施工對地表水水環(huán)境的影響

隧道施工在改變水源保護(hù)地地下水水平衡狀態(tài)的同時，還會對地表水水環(huán)境產(chǎn)生嚴(yán)重影響。其影響主要表現(xiàn)在隧道鉆挖過程（如鉆孔爆破、隧道涌水突泥和施工廢棄物等）和生活污水排放對地表水水質(zhì)和水生生態(tài)的影響上[7]。

鉆孔爆破是隧道開挖的主要方式，然而爆破所使用的炸藥對水體水質(zhì)有著嚴(yán)重的影響。爆破炸藥的成分是決定鉆孔爆破對地表水水環(huán)境影響程度大小的重要影響因素。其中，熊峻巍等[10]研究發(fā)現(xiàn)炸藥的主要成分是硝酸銨（NH4NO3），被裹挾進(jìn)地表水體的爆破產(chǎn)物會促使水體中含氮量大大提高，尤其硝酸鹽和亞硝酸鹽含量大幅提升，使得水體富營養(yǎng)化的爆發(fā)概率增高，嚴(yán)重危害水體水質(zhì)、破壞水體原生生態(tài)和危害人類健康。然而，炸藥成分復(fù)雜，致使爆破產(chǎn)物中危害物質(zhì)種類多樣，其中不乏劇毒類物質(zhì)，如硝基苯類物質(zhì)，具有強致癌性和致畸性，據(jù)《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB 3838—2002）規(guī)定，集中式生活飲用水地表水源地特定項目硝基苯含量不得高于0.017 mg/L[7]。因此，在隧道爆破施工過程中，若不對硝基苯類等劇毒有害物質(zhì)進(jìn)行有效控制，將會對水源保護(hù)地的水質(zhì)安全造成極大威脅，嚴(yán)重危害水源地居民的飲用水安全。除此之外，隧道鉆挖過程中的粉塵、積存廢渣的沖洗遷移也是造成水體中污染物質(zhì)含量超標(biāo)的重要原因[11]。

隧道涌水多為水質(zhì)較好的地下水，然而其對地表水環(huán)境的影響主要表現(xiàn)在其對隧道施工廢棄物（施工廢水和固體廢棄物）和施工材料的沖刷遷移上[11]。但是，隧道突泥卻會對地表水環(huán)境產(chǎn)生直接的破壞[12]。隧道施工過程中，隧道中會積存部分施工材料（如油料、化學(xué)品和粉狀材料等）和部分未經(jīng)處理的施工廢棄物（如施工廢水、廢棄渣土等），在涌突水事故情況下，該施工材料和廢棄物會和隧道突泥一樣，被水流沖刷至水源保護(hù)地的地表水中，這不僅會造成水土流失，而且會增加水中的懸浮固體顆粒物（SS），改變水體的pH值，破壞水體水質(zhì)和水體原生生態(tài)，對水源保護(hù)地水環(huán)境造成極大破壞[12]。

此外，施工過程中，施工人員的生活污水也是水源保護(hù)地水環(huán)境保護(hù)的又一威脅。生活污水一直是污染環(huán)境的重要來源，其中污染成分復(fù)雜，氮、磷、COD含量高，若不加妥善處理而任意排放，必定會造成嚴(yán)重的水質(zhì)污染，從而破壞水體的原生水環(huán)境生態(tài)[13]。水資源保護(hù)地對水質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)更為嚴(yán)格[14]。因此，比鄰水源保護(hù)區(qū)的隧道施工中，對生活污水的處理標(biāo)準(zhǔn)有著更高的要求。

2 水源保護(hù)地隧道施工的水環(huán)境防護(hù)對策

2.1 水源保護(hù)地隧道施工中基于水環(huán)境保護(hù)的施工管理

在水源保護(hù)地的生態(tài)系統(tǒng)中，其地表水環(huán)境和地下水環(huán)境受同地區(qū)土壤環(huán)境、大氣環(huán)境的影響[15]。因此，應(yīng)對施工建設(shè)進(jìn)行系統(tǒng)、全方位的管理和規(guī)劃，以防污染物對水環(huán)境造成直接和間接的破壞。

水源保護(hù)地對水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)要求較高，應(yīng)對隧道施工臨時建設(shè)場地設(shè)置更多的限制性要求。首先，施工場地各臨時環(huán)境保護(hù)功能單元必須建設(shè)齊全，尤其廢棄物處理場地或設(shè)施，應(yīng)能夠有效地對施工廢水、生活污水、固體廢棄物和各種遺棄化學(xué)品進(jìn)行達(dá)標(biāo)處理排放或循環(huán)利用消納，以減少對水環(huán)境的破壞影響;其次，合理選擇臨時施工建設(shè)場地，使其盡可能地遠(yuǎn)離受保護(hù)的敏感水域，如揚塵量大、垃圾產(chǎn)物多的臨時建設(shè)場地（尤其如混凝土攪拌站、瀝青混合料攪拌站等）和廢棄物處置場地（如棄土場、廢水處理設(shè)施等）要盡可能地遠(yuǎn)離敏感水域，確保臨時建設(shè)場地或廢棄物處置場地與隧道施工場地的距離能夠盡可能地減弱相應(yīng)施工環(huán)節(jié)對水環(huán)境的直接破壞影響[16]。徐勝利[17]在建平隧道建設(shè)過程中，為了減少對周邊水環(huán)境的影響，首先壓縮混凝土攪拌站的數(shù)量，并將其建在遠(yuǎn)離水源的地方，而設(shè)備清洗水在沉淀池沉淀后再排放。在初期滲水嚴(yán)重的地面采用全環(huán)徑向注漿止水，保證了地下水系不被破壞。當(dāng)然，場地的選址要綜合考慮環(huán)境工程技術(shù)、運輸成本、施工期限等因素。

在施工過程中，須秉承“精細(xì)管理、文明施工”的原則開展施工建設(shè)。如保持施工場地清潔有序;物料收置得當(dāng)，固體粉末物料不會散落混雜、飛揚飄灑，液體物料無跑、冒、滴、漏等現(xiàn)象發(fā)生;廢棄物能夠分類存放，妥善處理，嚴(yán)禁不經(jīng)處理而任意排放到環(huán)境中;嚴(yán)禁有毒的固體廢棄物用于泥土填筑[16];對施工設(shè)備進(jìn)行嚴(yán)格的日常檢查，以防油品泄露而污染環(huán)境等。

2.2 水源保護(hù)地隧道施工中水環(huán)境風(fēng)險的監(jiān)測與預(yù)防

隧道施工事故是造成水環(huán)境破壞的主要因素，對事故的監(jiān)測和預(yù)防是減少隧道施工事故的有效途徑[18]。因此，加強隧道施工事故的監(jiān)測和預(yù)防研究是水源保護(hù)地水環(huán)境保護(hù)的重要舉措?；谒幢Ｗo(hù)地的特點，及時建立隧道施工期對水環(huán)境影響的評價指標(biāo)體系是施工中預(yù)防施工事故和保護(hù)水環(huán)境的有效途徑。梁軍平等[19]針對巖溶地區(qū)隧道的施工特點，建立了隧道施工期對水環(huán)境影響的評價指標(biāo)體系，系統(tǒng)評價了施工中含污廢水排放對地表水體污染以及地下水疏排給隧道周邊水資源的流失，對巖溶地區(qū)隧道施工的水環(huán)境保護(hù)提供了積極的措施導(dǎo)向。與此同時，隧道施工事故中，涌水突泥災(zāi)害給隧道施工帶來了巨大的經(jīng)濟(jì)損失、重大的人員傷亡與惡劣的社會影響，也對地表及隧址區(qū)水環(huán)境造成了不可修復(fù)的破壞[17-19]。因此，隧道施工中，對涌水突泥的監(jiān)測和預(yù)防研究是隧道施工事故預(yù)防和水環(huán)境保護(hù)研究的主要內(nèi)容。聶利超等[20]為了預(yù)防隧道的突水突泥災(zāi)害，改進(jìn)了傳統(tǒng)激發(fā)極化探測方法，提出了激發(fā)極化法隧道含水構(gòu)造超前探測綜合定量識別方法，提高了抗旁側(cè)干擾能力與超前探測能力，可同時適用于鉆爆法與TBM施工環(huán)境，大大降低了隧道建設(shè)過程中涌水突泥災(zāi)害的發(fā)生頻率，保護(hù)了地表及隧址區(qū)水資源和生態(tài)環(huán)境，其已成功應(yīng)用于宜巴高速馬家坡隧道、石門埡隧道等工程實踐中。然而，對于已發(fā)生的涌水突泥事故，則應(yīng)因地制宜、據(jù)因決策、即時救治，杜絕再次發(fā)生。祝俊甲等[21]通過分析巖溶地區(qū)隧道施工中涌水突泥原因，對比了巖溶處置的3種方案（即平行導(dǎo)坑原位防護(hù)通過、平導(dǎo)與正洞之間繞行通過、遠(yuǎn)離正洞側(cè)繞行通過），研究發(fā)現(xiàn)遠(yuǎn)離正洞側(cè)繞行方案對暗河出口無影響，即為最佳方案，其施工技術(shù)可為今后類似工程提供一定的借鑒。與此同時，秦成[2]利用水文動態(tài)監(jiān)測技術(shù)研究鎣山隧道工程施工對地表水和地下水的影響，以此研究隧址區(qū)地下水水文地球化學(xué)特征、判定隧道開挖后地下水的影響范圍，為后續(xù)的隧道施工建設(shè)的水環(huán)境保護(hù)提供借鑒。

2.3 水源保護(hù)地隧道施工廢棄物的處理

隧道施工過程中，施工廢棄物和生活廢棄物的任意排放或不達(dá)標(biāo)排放是造成水環(huán)境破壞的另一重要因素。因此，水源保護(hù)地的隧道施工過程中，對廢棄物進(jìn)行達(dá)標(biāo)處理或妥善循環(huán)利用是水環(huán)境保護(hù)的重要研究方面，而加強廢棄物處理技術(shù)的研發(fā)是實現(xiàn)廢棄物盡善處理的研究熱點。史志翔[22]研究了不同混凝劑對公路施工廢水和工地生活廢水的處理效果，并研發(fā)了相應(yīng)的廢水處理工藝。研究發(fā)現(xiàn)，混凝沉淀法對隧道施工廢水具有較好的處理效果，當(dāng)硫酸鋁投加量為0.05 g/L、pH為8、硫酸鋁與水泥的混合比為1∶20、沉淀時間為1 h及攪拌時間為3 min時，混凝沉淀法對COD、硝基苯和石油類的去除率分別達(dá)到了79.73%、32.65%和19.46%。與此同時，“化糞池+人工濕地”的組合工藝對生活廢水的處理效果最好，其中，人工濕地對化糞池出水中COD、NH3-N、TN和TP的去除率最高分別達(dá)到88.98%、74.03%、71.39%和95.91%，這為水源保護(hù)地隧道施工生產(chǎn)廢水和生活污水的處理提供了技術(shù)借鑒。除了廢棄物的達(dá)標(biāo)排放之外，循環(huán)利用也是降低隧道施工廢棄物對水環(huán)境影響的重要方向。張雯[23]利用廢棄水泥為原料，使用水泥混凝法處理公路隧道施工廢水，研究發(fā)現(xiàn)廢棄普通硅酸鹽水泥可以作為處理藥劑處理公路隧道施工廢水，其富含可絮凝沉淀成分，同時其在水化和硬化過程中，可生成豐富的具有電性中和、網(wǎng)捕卷掃、吸附等作用的水化產(chǎn)物以去除水中膠體雜質(zhì)，其對廢水中COD的去除率最高至 41.9%，對硝基苯的最高去除率達(dá)40.5%。同時，廢棄建筑垃圾（如廢土、廢渣和廢棄瀝青）可即時用于路基填補、材料攪拌和混凝土澆筑[16]。然而，施工廢棄物的處理要依據(jù)水源保護(hù)地水體的排放要求和山區(qū)環(huán)境的實際特點，因地制宜地制定處理方案。徐志嬙[4]在考慮受納水體的排放要求和山區(qū)環(huán)境特點的情況下，對山嶺隧道施工過程產(chǎn)生的各類廢水進(jìn)行分質(zhì)分流處理，本著簡單易行的原則，提出了有針對性的工藝技術(shù)路線，為水源保護(hù)地隧道施工廢水處理方案的制定和選擇提供了參考。

3 結(jié)語

施工過程中，若不對隧道施工環(huán)節(jié)和施工廢棄物進(jìn)行有效管理和控制將造成隧址區(qū)水環(huán)境的極大破壞。雖然目前采取的部分措施能夠降低隧道施工對水環(huán)境的不利影響，但是水源保護(hù)地對水環(huán)境的質(zhì)量要求更為嚴(yán)格，目前采取的措施仍難以滿足水源保護(hù)地隧道施工中水環(huán)境的保護(hù)要求。因此，為了更好地保護(hù)水源保護(hù)地的水環(huán)境，水源保護(hù)地的隧道施工尚須做以下3個方面的努力。

3.1 著重水源保護(hù)地隧道施工的臨時建設(shè)用地布局研究

平衡臨時建設(shè)用地（如攪拌站、廢棄物處理場地等）、隧道施工場地和水源保護(hù)地敏感水域之間的距離關(guān)系，使其既能保證隧道建設(shè)的施工效率，又能使隧道建設(shè)對水環(huán)境的不利影響降到最低。同時，實施精細(xì)隧道施工管理，從源頭到末尾，最大化地實現(xiàn)施工污染物和生活污染物的達(dá)標(biāo)排放，從而最大化降低隧道施工對水源保護(hù)地水環(huán)境的影響。

3.2 加強水源保護(hù)地隧道施工中水環(huán)境風(fēng)險的監(jiān)測與預(yù)防技術(shù)研發(fā)

首先在施工前，重點對隧址區(qū)水生生態(tài)和巖石構(gòu)造特征等基本生態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測分析;其次基于現(xiàn)實生態(tài)數(shù)據(jù)，建立隧道施工期對水環(huán)境影響的評價指標(biāo)體系，同時著重開展預(yù)測模型的研發(fā)，以此預(yù)測現(xiàn)有技術(shù)水平下，隧道施工過程中施工事故的發(fā)生類型和概率;最后根據(jù)預(yù)測結(jié)果，進(jìn)行隧道施工決策的調(diào)整優(yōu)化。水源保護(hù)地隧道施工中水環(huán)境風(fēng)險的監(jiān)測技術(shù)研發(fā)不僅可為隧道施工，對隧址區(qū)水環(huán)境影響狀況的監(jiān)測分析提供基礎(chǔ)參照，而且可為隧道施工中水環(huán)境保護(hù)的準(zhǔn)確決策提供制定依據(jù)。

3.3 增強廢棄物處理和資源化利用技術(shù)的研發(fā)

施工廢棄物和生活廢棄物的不達(dá)標(biāo)排放是造成水環(huán)境破壞的主要原因。廢棄物的處理效率直接影響到隧道施工對生態(tài)環(huán)境的影響程度，同時是隧道施工是否得以順利進(jìn)行的重要環(huán)評參考。因此，加強廢棄物處理技術(shù)的研發(fā)，提高廢棄物的處理效果和效率對水環(huán)境的保護(hù)和隧道施工工程均有重要的現(xiàn)實意義。

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