鐵路隧道建設(shè)對(duì)沿線水土流失的影響及防治措施研究

摘 要：鐵路隧道工程建設(shè)過(guò)程中的隧道開(kāi)挖與棄渣堆放等活動(dòng)對(duì)沿線水土保持造成顯著干擾。施工期間隧道進(jìn)出口區(qū)域與棄渣場(chǎng)與施工便道等重點(diǎn)區(qū)域土壤侵蝕加劇，對(duì)生態(tài)環(huán)境造成不利影響。針對(duì)不同施工區(qū)域采取工程防護(hù)與生態(tài)修復(fù)相結(jié)合的綜合防治體系，包括擋墻防護(hù)與框格護(hù)坡與排水設(shè)施以及植被恢復(fù)等措施。通過(guò)工程實(shí)踐驗(yàn)證，土壤侵蝕模數(shù)顯著降低，植被覆蓋率明顯提升，各項(xiàng)防治指標(biāo)均達(dá)到規(guī)范要求。建立的水土保持監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了工程建設(shè)期的動(dòng)態(tài)監(jiān)控，為鐵路隧道工程安全以及沿線生態(tài)環(huán)境保護(hù)提供了技術(shù)支撐。

關(guān)鍵詞：鐵路隧道 水土流失 綜合防治 生態(tài)恢復(fù) 工程防護(hù)

隨著我國(guó)鐵路建設(shè)規(guī)模不斷擴(kuò)大，山區(qū)鐵路隧道工程日益增多，由此引發(fā)的水土流失問(wèn)題逐漸凸顯。隧道施工過(guò)程中的開(kāi)挖作業(yè)破壞原有地貌，棄渣堆放改變地表覆蓋，施工便道與場(chǎng)地建設(shè)擾動(dòng)地表結(jié)構(gòu)，這些工程活動(dòng)顯著增加了水土流失風(fēng)險(xiǎn)。加之施工過(guò)程中植被遭到破壞，表土裸露，遇到降雨天氣極易形成面源污染，危及周邊生態(tài)環(huán)境。為保障鐵路工程建設(shè)與生態(tài)環(huán)境的和諧發(fā)展，亟須深入分析隧道施工引發(fā)水土流失的影響機(jī)制，制定科學(xué)合理的防治措施，建立完善的監(jiān)測(cè)評(píng)估體系。

1 鐵路隧道建設(shè)引發(fā)的水土流失影響分析

1.1 隧道建設(shè)過(guò)程中的水土流失現(xiàn)狀

鐵路隧道工程施工引發(fā)的水土流失呈現(xiàn)多發(fā)性與集中性以及復(fù)合性特征，隧道洞口區(qū)域因大規(guī)模開(kāi)挖形成高陡邊坡，導(dǎo)致表層土體結(jié)構(gòu)松散，抗侵蝕能力顯著降低，降雨作用下產(chǎn)生嚴(yán)重的面蝕以及溝蝕現(xiàn)象，棄渣場(chǎng)堆放過(guò)程中，因土體結(jié)構(gòu)疏松與固土能力差及坡面裸露，在降雨以及重力作用下極易形成水土流失源[1]。工程施工便道以及臨時(shí)場(chǎng)地的修建過(guò)程改變?cè)械匦蔚孛玻茐牡乇碇脖幌到y(tǒng)，而機(jī)械設(shè)備碾壓以及施工活動(dòng)致使土壤緊實(shí)度降低，土壤結(jié)構(gòu)遭到破壞，施工期間的水土流失具有工序性與特殊性以及季節(jié)變異性，施工高峰期以及雨季期間水土流失強(qiáng)度顯著增大，加之洞口及邊坡開(kāi)挖形成大面積裸露面，棄渣堆積高度以及坡度往往超過(guò)穩(wěn)定臨界值，致使水土流失防治難度加大。

1.2 水土流失的主要影響因素與危害

隧道工程建設(shè)引發(fā)的水土流失受工程與地形地貌與水文氣象以及土壤等多重因素影響，隧道開(kāi)挖方式與支護(hù)形式以及棄渣處置方法等工程因素直接決定了水土流失的發(fā)生程度，地形起伏度與坡度坡向以及土層厚度等自然地形條件影響著水土流失的空間分布特征，降雨強(qiáng)度與降雨歷時(shí)以及風(fēng)速等氣象條件制約水土流失的時(shí)空分布規(guī)律，土壤類型與結(jié)構(gòu)以及抗蝕性等特性則決定了土壤的可蝕程度[2]。水土流失對(duì)工程安全造成的危害表現(xiàn)為邊坡失穩(wěn)以及坍塌等地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生，對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響主要體現(xiàn)在土壤養(yǎng)分流失與植被退化以及水質(zhì)污染等方面，同時(shí)導(dǎo)致農(nóng)田淤積以及基礎(chǔ)設(shè)施損毀等社會(huì)經(jīng)濟(jì)問(wèn)題，顯著增加了工程維護(hù)成本。

2 鐵路隧道沿線水土流失防治措施

2.1 隧道進(jìn)出口區(qū)域防護(hù)工程

隧道進(jìn)出口區(qū)域采用漿砌石擋墻防護(hù)，墻高根據(jù)地形條件設(shè)置為6-8米，基礎(chǔ)埋深不小于2米，并設(shè)置規(guī)則間距的泄水孔，邊坡采用三級(jí)臺(tái)階式開(kāi)挖，不同區(qū)段的坡比嚴(yán)格控制在1∶1至1∶1.5之間，確保邊坡穩(wěn)定性，邊坡防護(hù)采用C25鋼筋混凝土梁格網(wǎng)格防護(hù)體系，合理設(shè)置梁格尺寸以及鋼筋配置，增強(qiáng)抗滑移能力[3]。坡面排水系統(tǒng)包括矩形截水溝與豎向急流槽以及平臺(tái)橫向排水溝，形成完整的截排水網(wǎng)絡(luò)，對(duì)于特殊地質(zhì)條件區(qū)段，采用掛鋼筋網(wǎng)噴射混凝土防護(hù)，并輔以土工格柵加固，坡面綠化選用紫穗槐與爬山虎等深根性耐旱植物，結(jié)合袋裝土栽植技術(shù)，確保植物成活率，進(jìn)出口仰坡頂部設(shè)置警示標(biāo)識(shí)，并預(yù)留檢修通道，便于后期維護(hù)。

2.2 棄渣場(chǎng)水土保持措施

棄渣場(chǎng)采用反壓式堆放工藝，通過(guò)分級(jí)設(shè)置控制堆渣邊坡穩(wěn)定性，底部修建重力式擋渣墻，墻體尺寸及斷面形式根據(jù)堆渣量確定，基礎(chǔ)持力層嵌入穩(wěn)定基巖，擋渣墻設(shè)置規(guī)則間距的泄水孔以及反濾層，提高排水能力。堆渣采用分層壓實(shí)工藝，嚴(yán)格控制每層堆渣厚度以及壓實(shí)度指標(biāo)，馬道與邊坡的幾何尺寸滿足規(guī)范要求，馬道內(nèi)側(cè)截水溝采用漿砌片石砌筑，并設(shè)置消力池[4]。邊坡防護(hù)采用植生袋護(hù)坡技術(shù)，選用適宜草種配比，并嚴(yán)格控制種植土質(zhì)量以及播種量，渣場(chǎng)頂平臺(tái)覆土厚度滿足植物生長(zhǎng)需求，通過(guò)草灌結(jié)合的配置方式提高植被覆蓋率，棄渣場(chǎng)周邊設(shè)置環(huán)形截水溝以及沉沙設(shè)施，避免區(qū)外徑流對(duì)渣場(chǎng)的侵蝕。

2.3 施工便道與場(chǎng)地防護(hù)設(shè)計(jì)

2.3.1 施工便道防護(hù)工程

施工便道路基邊坡防護(hù)采用分段設(shè)計(jì)理念，根據(jù)地質(zhì)條件以及邊坡高度采用不同防護(hù)措施，邊坡坡比在1∶1至1∶1.5范圍內(nèi)進(jìn)行控制，對(duì)于高度超過(guò)8米的邊坡采用臺(tái)階式開(kāi)挖，邊坡面采用預(yù)制混凝土六棱塊壓實(shí)鋪砌，通過(guò)錯(cuò)縫鋪設(shè)增強(qiáng)整體穩(wěn)定性，六棱塊鋪設(shè)區(qū)域應(yīng)超出坡腳線1米以上，路基排水系統(tǒng)采用縱橫向相結(jié)合的布設(shè)方案，縱向混凝土邊溝采用矩形斷面，沿路基兩側(cè)布設(shè)，每隔100米設(shè)置橫向排水涵管[5]。排水溝與自然溝道銜接處設(shè)置消力池，防止沖刷，路面采用雙層鋼筋網(wǎng)混凝土硬化，并設(shè)置泄水孔以及沉降縫，邊坡坡腳采用漿砌片石護(hù)腳，基礎(chǔ)持力層嵌入穩(wěn)定土層，保證邊坡整體穩(wěn)定性。在陡坡路段增設(shè)減速帶以及防撞護(hù)欄，確保行車安全，對(duì)于軟土地基路段，采用換填處理，并設(shè)置土工格柵加固，增強(qiáng)路基穩(wěn)定性。

2.3.2 施工生產(chǎn)區(qū)防護(hù)措施

施工生產(chǎn)區(qū)采用全封閉式防護(hù)體系，四周布設(shè)防洪截排水溝網(wǎng)絡(luò)，采用漿砌片石結(jié)構(gòu)，斷面尺寸滿足50年一遇降雨量要求，場(chǎng)地排水采用分區(qū)導(dǎo)流方案，主要生產(chǎn)區(qū)地面硬化采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，設(shè)置合理坡度引導(dǎo)地表徑流。材料堆場(chǎng)以及拌合場(chǎng)地設(shè)置彩鋼板圍擋設(shè)施，地面采用防滲混凝土硬化，并設(shè)置導(dǎo)流槽以及集水坑收集雨水以及滲濾液，沉砂池采用鋼筋混凝土整體澆筑，設(shè)置格柵以及溢流設(shè)施，確保泥沙充分沉淀，生產(chǎn)廢水經(jīng)沉淀處理后回用于生產(chǎn)或場(chǎng)地灑水降塵，實(shí)現(xiàn)廢水零排放，場(chǎng)區(qū)設(shè)置自動(dòng)噴淋系統(tǒng)，控制施工揚(yáng)塵。危險(xiǎn)品存儲(chǔ)區(qū)設(shè)置防滲漏托盤以及應(yīng)急收集池，防止污染物滲漏，機(jī)械維修區(qū)設(shè)置隔油池，含油廢水經(jīng)處理后達(dá)標(biāo)排放，材料堆場(chǎng)設(shè)置防雨棚以及防風(fēng)抑塵網(wǎng)，減少揚(yáng)塵以及水土流失。

2.3.3 臨時(shí)場(chǎng)地防護(hù)與恢復(fù)

臨時(shí)場(chǎng)地防護(hù)采用生態(tài)環(huán)保的設(shè)計(jì)理念，生活區(qū)地面采用植草磚鋪裝，增加場(chǎng)地透水性，四周布設(shè)排水溝以及沉沙設(shè)施，有效控制地表徑流，排水溝末端設(shè)置凈化池處理生活雜排水，場(chǎng)地綠化帶采用喬灌結(jié)合的立體綠化模式，選擇適應(yīng)性強(qiáng)的本土植物品種，喬木選擇根系發(fā)達(dá)與抗逆性強(qiáng)的常綠樹(shù)種，灌木選擇固土能力強(qiáng)的品種。施工結(jié)束后進(jìn)行全面整治，清除混凝土硬化層，進(jìn)行土地翻耕以及表土回覆，臨時(shí)堆土場(chǎng)采取防塵網(wǎng)覆蓋以及臨時(shí)攔擋措施，周邊設(shè)置草袋裝土臨時(shí)擋墻，植被恢復(fù)采用草灌結(jié)合的配置方式，選擇生長(zhǎng)迅速的草本植物以及固土能力強(qiáng)的灌木品種，覆土厚度確保植物正常生長(zhǎng)，對(duì)重點(diǎn)區(qū)域進(jìn)行土壤改良，增施有機(jī)肥提升土壤肥力。建立養(yǎng)護(hù)管理制度，定期進(jìn)行澆水與修剪，確保植被恢復(fù)效果，場(chǎng)地周邊設(shè)置截水溝以及沉沙池，防止水土流失，對(duì)于飲用水源保護(hù)區(qū)附近的臨時(shí)場(chǎng)地，增設(shè)生態(tài)溝渠以及人工濕地，確保排水達(dá)標(biāo)。

2.4 邊坡生態(tài)防護(hù)技術(shù)

邊坡生態(tài)防護(hù)采用鋼筋混凝土框格梁與植物措施相結(jié)合的技術(shù)體系，框格梁尺寸及鋼筋配置根據(jù)邊坡高度以及地質(zhì)條件確定，預(yù)埋錨桿與坡面連接，框格內(nèi)采用客土噴播技術(shù)，噴播材料包括有機(jī)基質(zhì)與保水劑與粘合劑以及混合草籽，控制噴播厚度以及播種量，坡面設(shè)置規(guī)則間距的種植槽，栽植火棘與紫穗槐等抗逆性強(qiáng)的灌木，形成點(diǎn)狀綠化斑塊。坡腳布設(shè)藤本植物，選用爬山虎或凌霄等攀援植物，增加植被覆蓋度，客土噴播層添加一定比例的保水劑與有機(jī)肥以及復(fù)合肥，改善基質(zhì)保水保肥性能，種草區(qū)域采用椰纖維毯覆蓋，提高保水保溫效果，防止水土流失，定期進(jìn)行撫育管理，包括澆水與施肥與修剪以及補(bǔ)植，確保植被長(zhǎng)勢(shì)良好，通過(guò)多層次植被結(jié)構(gòu)的構(gòu)建，實(shí)現(xiàn)邊坡的生態(tài)防護(hù)功能。

3 防治效果評(píng)估與優(yōu)化建議

3.1 防治效果評(píng)估指標(biāo)體系

鐵路隧道工程水土流失防治效果評(píng)估采用定量與定性相結(jié)合的指標(biāo)體系，擾動(dòng)土地整治率指標(biāo)通過(guò)測(cè)量擾動(dòng)土地整治面積與擾動(dòng)土地總面積的比值確定，要求達(dá)到95%以上，水土流失總治理度控制在90%以上，土壤流失控制比應(yīng)大于0.7，攔渣率指標(biāo)通過(guò)實(shí)際攔擋的棄渣量與棄渣總量的百分比確定，應(yīng)達(dá)到95%。林草植被恢復(fù)率要求達(dá)到97%，林草覆蓋率指標(biāo)應(yīng)達(dá)到25%，水土流失背景值以及土壤侵蝕模數(shù)通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)獲取，采用徑流小區(qū)法以及簡(jiǎn)易水土流失觀測(cè)場(chǎng)法進(jìn)行定位觀測(cè)，工程區(qū)域應(yīng)設(shè)置固定監(jiān)測(cè)點(diǎn)，采用侵蝕溝樣方法與坡面細(xì)溝監(jiān)測(cè)法等方法進(jìn)行定期監(jiān)測(cè)，土壤流失量測(cè)定采用簡(jiǎn)易徑流小區(qū)法，通過(guò)泥沙采樣以及稱重分析確定土壤流失量。表1列出了水土流失防治效果評(píng)估指標(biāo)體系及其控制標(biāo)準(zhǔn)，該指標(biāo)體系涵蓋了工程措施與植物措施以及臨時(shí)措施的綜合防治效果。

3.2 水土流失防治效果分析

隧道工程水土流失防治效果分析采用定期巡查與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)以及遙感影像對(duì)比等方法，邊坡防護(hù)工程使土壤侵蝕模數(shù)由4500t/km2·a降至850t/km2·a，植被覆蓋度達(dá)到85%，防護(hù)工程運(yùn)行期間，框格護(hù)坡完整性保持在98%以上，未發(fā)現(xiàn)明顯的結(jié)構(gòu)損壞，棄渣場(chǎng)擋渣墻穩(wěn)定性滿足設(shè)計(jì)要求，沉降值控制在允許范圍內(nèi)，排水系統(tǒng)暢通，邊坡植被覆蓋率達(dá)到90%，土壤侵蝕強(qiáng)度降至輕度水平。施工場(chǎng)地完成土地整治以及植被恢復(fù)，場(chǎng)地植被覆蓋度由初期的35%提升至88%，水土保持設(shè)施完整性達(dá)到95%，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示，土壤流失量較施工期間下降80%，攔渣率達(dá)到98%，擾動(dòng)土地整治率達(dá)到96%，表2反映了工程區(qū)水土流失防治效果對(duì)比情況。

3.3 防治措施優(yōu)化建議

監(jiān)測(cè)結(jié)果表明水土保持措施整體效果良好，但仍需在以下方面進(jìn)行優(yōu)化，隧道進(jìn)出口區(qū)域邊坡應(yīng)加強(qiáng)框格梁與地層的錨固連接，錨桿深度增加至6米，間距調(diào)整為2.5米，增設(shè)植生帶斷面積至0.4m2，優(yōu)化植物配置方案，邊坡排水系統(tǒng)需增加沉砂池容積至100m3，完善截水溝與急流槽的銜接，確保排水通暢，棄渣場(chǎng)擋渣墻每50米增設(shè)沉降觀測(cè)點(diǎn)，并定期開(kāi)展變形監(jiān)測(cè)，加強(qiáng)排水管網(wǎng)疏通維護(hù)，對(duì)植被覆蓋率低于85%的區(qū)域進(jìn)行補(bǔ)植。施工便道路基邊坡防護(hù)需增設(shè)直徑300mm橫向排水管，間距調(diào)整為80米，邊溝斷面由梯形調(diào)整為矩形以提高過(guò)流能力，建議建立水土保持設(shè)施管理制度，每季度開(kāi)展維護(hù)，及時(shí)修復(fù)損毀設(shè)施，現(xiàn)有監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)增設(shè)土壤含水率以及徑流量監(jiān)測(cè)設(shè)備，在易發(fā)生水土流失的重點(diǎn)區(qū)域增設(shè)視頻監(jiān)控設(shè)施，植物措施優(yōu)化應(yīng)選擇耐旱抗逆物種，采用喬灌草結(jié)合的立體綠化模式，灌木選擇紫穗槐與小葉女貞等深根性品種，并加強(qiáng)撫育管理，適時(shí)進(jìn)行澆水施肥。

3.4 水土保持監(jiān)測(cè)與預(yù)警系統(tǒng)構(gòu)建

鐵路隧道水土保持監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用地面監(jiān)測(cè)站與自動(dòng)監(jiān)測(cè)設(shè)備相結(jié)合的布設(shè)方式，重點(diǎn)監(jiān)測(cè)區(qū)域設(shè)置固定監(jiān)測(cè)斷面，包括隧道進(jìn)出口邊坡與棄渣場(chǎng)與施工便道等水土流失敏感區(qū)域，地面監(jiān)測(cè)站配備降雨量計(jì)與土壤含水率儀與泥沙采樣器等設(shè)備，每季度開(kāi)展常規(guī)監(jiān)測(cè)，汛期加密監(jiān)測(cè)頻次至每周一次，自動(dòng)監(jiān)測(cè)設(shè)備包括土壤含水率傳感器與地表徑流采集器以及高清視頻監(jiān)控設(shè)備，實(shí)時(shí)采集監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。預(yù)警系統(tǒng)設(shè)置三級(jí)預(yù)警機(jī)制，根據(jù)24小時(shí)降雨量與土壤含水率等指標(biāo)確定預(yù)警等級(jí)，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線傳輸模塊上傳至監(jiān)控中心，配備專業(yè)分析軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，建立完善的監(jiān)測(cè)預(yù)警響應(yīng)機(jī)制，編制應(yīng)急預(yù)案，配備搶險(xiǎn)物資，定期開(kāi)展監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析評(píng)估，形成監(jiān)測(cè)月報(bào)以及年報(bào)，為水土保持設(shè)施維護(hù)以及管理提供科學(xué)依據(jù)，構(gòu)建信息共享平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)與氣象與水文等部門的數(shù)據(jù)互通，提升監(jiān)測(cè)預(yù)警能力。

4 結(jié)語(yǔ)

鐵路隧道建設(shè)水土流失防治工作應(yīng)立足于工程實(shí)際，從隧道進(jìn)出口與棄渣場(chǎng)與施工便道與邊坡等不同區(qū)域特點(diǎn)出發(fā)，采取有針對(duì)性的防護(hù)措施。工程防護(hù)與生態(tài)修復(fù)相結(jié)合的綜合治理體系，能夠有效控制隧道施工引發(fā)的水土流失。在具體實(shí)施過(guò)程中，應(yīng)加強(qiáng)施工管理，建立完善的監(jiān)測(cè)評(píng)估體系，定期評(píng)估防治效果，及時(shí)調(diào)整優(yōu)化防治方案。通過(guò)持續(xù)改進(jìn)以及完善防治措施，實(shí)現(xiàn)隧道工程建設(shè)期間的水土保持目標(biāo)，為鐵路工程建設(shè)與生態(tài)環(huán)境保護(hù)提供有益借鑒。

參考文獻(xiàn)：

[1]劉恒，劉德祥，譚成偉，等.淺析鐵路隧道施工環(huán)境保護(hù)的措施[J].交通節(jié)能與環(huán)保，2024，20（S2）：50-54.

[2]呂仁猛.常益長(zhǎng)鐵路（益陽(yáng)南至長(zhǎng)沙西段）水土流失防治措施與效果分析[J].陜西水利，2024（11）：114-117.

[3]呂仁猛.鐵路工程水土保持監(jiān)測(cè)技術(shù)應(yīng)用研究——以懷邵衡鐵路為例[J].中國(guó)水運(yùn)，2024（17）：138-140.

[4]肖波，蒙曉斌，李琳，等.生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目主體工程水土保持優(yōu)化設(shè)計(jì)探索——以鷹駿一號(hào)煤礦項(xiàng)目為例[J].中國(guó)水土保持，2024（08）：35-37.

[5]陳慧鑫.山區(qū)鐵路“隧道-環(huán)境”耦合機(jī)理及協(xié)同路徑調(diào)控研究[D].蘭州：蘭州交通大學(xué)，2024.