天山特长铁路隧道的环境影响与控制研究

・隧道/地下工程・

天山特长铁路隧道的环境影响与控制研究

周孝文1,魏庆朝1,许兆义1,魏建方2,任建旭2,白明洲1

(11北京交通大学土木建筑工程学院,北京　100044;21铁道第一勘察设计院,兰州　73000)

摘　要:特长隧道由于开挖工程量巨大、施工周期长,引起的山体地下水资源损失量大等特点,形成了对工程区地质环境状况的较大改变。以即将建设的精伊霍铁路天山特长隧道为例,研究天山特长隧道施工期的隧道弃碴、污染物排放、山体水资源损失对地表环境影响等较为突出的环境问题,探讨特长隧道施工期环境影响的控制措施。

关键词:铁路特长隧道;环境影响;控制措施中图分类号:U45;X82013　　文献标识码:B文章编号:10042954(2005)01000703

图1　隧道位置示意

AStudyonEnvironmentalImpactandControlMethodofTian2shanExtra2LongRailwayTunnel

ZhouXiaowen,WeiQingchao,XuZhaoyi,WeiJianfang,RenJianxu,BaiMingzhou

　　隧道由两端采用钻爆法相向施工,工程区地形地

貌复杂,地层岩性构造多样,在沿线的天山越岭地段,隧道出碴处理最为困难,弃碴产生水土流失的潜在影响较大。沿线地表水环境功能要求较高,位于水环境敏感地段的隧道,其隧道施工排水将对地下水环境造成影响,天山特长隧道位于地表水较为发育地段,隧道排水可能对两端阿沙勒及博尔博松河水质产生影响。施工过程产生的噪声、扬尘、废水、垃圾、机动车尾气等对施工现场、施工单位临时驻地及与其相通的道路周边环境产生一定的污染。若不采取控制措施,取弃土碴及特长隧道排去地下水将产生较长期的环境影响。2　隧道涌水环境影响

　

Abstract　Becauseofsuchcharacteristicsashugevolumeofexca2vation,longconstructionperiod,andsignificantlossofunder2groundwaterresource,extra2longrailwaytunnelmaygreatlychangegeologicalenvironmentsituationofprojectarea.TheTian2shanextra-longrailwaytunnelofJingYiHuorailwaywhichisgo2ingtobeconstructedinXinjiangUygurAutonomousRegionistakenasanexampleinthispaper.Severalimportantenvironmen2talproblemscausedbytunneldebris,pollutantdischargeandwaterresourcelossarestudied.Atthesametimescontrolmeasuresofenvironmentalimpactinconstructionperiodoftheextra-longrailwaytunnelarediscussed.

Keywords　Extra2Longrailwaytunnel;environmentalimpact;controlmeasure

Author’saddress　SchoolofCivilEngineering&Architecture,BeijingJiaotongUniversity,Beijing　100044

隧道排水使工程所在山体地下水资源流失,将造成隧道工程区泉水消失或流量减小,在隧道排水、降位漏斗的逐渐扩展过程中,不仅在丰水期地下水系统可接受大量的降水或沟水补给增量的补充,造成天然补给量增大,而且在平枯水期于漏斗影响范围内还将引起泉水的流量减小甚至消失等一系列天然排泄量减小的现象。因此隧道涌水量是衡量隧道工程排水造成地质环境影响程度的重要衡量指标。

隧道涌水量是指在隧道设计高程以上,因施工排水引起的降落漏斗范围内的地下水的疏干量,隧道涌水量预测可以认为是用水文地质学理论来研究和计算隧道通过工程地区时,在隧道进出口设计高程以上疏干范围内含水层(组)中地下水的储存量和补给量,在隧道施工中通过含水层时,从溶孔、溶隙、溶洞和施工激活的节理、裂隙以渗流、喷淋、管道流等方式流入坑道中的地下水,除已汇聚成管道流的地段外,流动速度往往较缓慢,虽然岩溶地区地下水分布极不均匀,但仍然可以采用地下水资源计算方法进行隧道涌水量计

7

1　工程概况

天山特长隧道为精伊霍铁路北天山越岭主隧道,是该铁路的控制工程,位于北天山西段中山区苏古尔与蒙马拉尔之间,隧道全长13573m。隧道洞身岩性主要为石炭系砂岩夹灰岩、英安斑岩、志留系砂岩夹灰岩、奥陶系灰岩,洞身经过三条区域性大断层,包括岭北f14断层、岭南侧f5、f16三条断层。隧道部分地段穿越灰岩地层,施工、设计总工期4318个月。隧道位置见图1

。

收稿日期:20041210

),男,高级工程师,1982年毕业于兰州铁道学作者简介:周孝文(1961—

院铁道工程专业,工学学士。

铁道标准设计　RAILWAYSTANDARDDESIGN　2005(1)

・隧道/地下工程・

周孝文,魏庆朝,许兆义等—天山特长铁路隧道的环境影响与控制研究

算。常采用的涌水量计算方法有:水均衡法(大气降水入渗法)、地下径流模数法、地下水动力方法、工程地质比拟法等。

水均衡法(大气降水入渗法):

Q渗=α×W×A×1000/365=2174α×W×A

(1)

降位漏斗将不断扩展,直至隧道排水量完全靠来自边界的补给保证为止。工程区地下水系统和外界进行水量交换是不断进行的,尤其是丰水期,与外界的水量交换是剧烈的。因此,在施工后数年甚至更长时间范围内,工程区降位漏斗在平、枯期将继续扩展,但扩展速率将逐渐降低。疏干漏斗的形成和由此引起的其他水量交换,为接受外界的补给,尤其是降水的补给创造了条件,打破了原有的水文动态平衡,促进了水循环交替,这些过程将加剧地表水土的流失,影响植被和农作物的生长等。

3　施工期间废水排放的环境影响

α—式中　——大气降水入渗系数;

W———多年(月、日)平均降水量,mm;

A———水文地质单元面积,km。

2

α的求法有如下方法:(1)试验方法　渗水试验;中子仪测得数据。(2)现场测量　α=x-h/x。

其中,x为年平均降水量;h为地表径流深度。参数取值时应充分考虑各水文地质单元的岩性、地形地貌、构造及边界条件基础上取经验数据,碳酸岩分布区粗略采用均衡法所取得数据较为合理。在岩溶地区,地下水的补给区和各级夷平面上往往地表岩溶发育,如岩溶洼地、槽谷发育,其中多数又发育有落水洞、漏斗、竖井等。通过岩溶洼地、槽谷汇集大气降水,经其中的落水洞、漏斗、竖井等将暂时性流水导入地下。有人提出在这种地段α取018,也就是在这种地段大气降水的80%转入地下;垄岗谷地,断裂带α取013～016。天山隧道通过地区既有砂岩等非可溶岩又有灰岩等碳酸岩分布,所以总体涌水量计算中对参数的选取要综合考虑。

天山特长隧道进口上坡段3803m,出口下坡段9770m,位于北天山西段中山区,山系为伊犁盆地和准葛尔盆地的分水岭,地形条件十分复杂,地表多为植被覆盖。进口位于阿萨勒沟右岸山坡上,出口位于博尔博松河右岸山坡上。隧道最大埋深约900m。隧道通过区地下水的补给来源主要为高山融雪水和大气降水,地表水在灰岩地区入渗后,经垂直渗流带下渗至水平径流带在灰岩与砂岩接触带,以泉群形式集中排泄。在砂岩区地下水的排泄主要以河流、沟谷边以小型泉水形式线状排泄。隧道通过两个级别的富水性分区,即碳酸岩岩溶裂隙水中等富水区、基岩裂隙水弱富水区。

根据计算结果及地质调查分析,采用降水入渗法计算的隧道总涌水量为3197814m3/d。隧道内为人字坡,进口上坡段涌水量4034135m3/d。出口下坡段涌水量27944106m3/d。进口端排入阿沙勒河Ⅰ类水体,出口端排入博尔博松河Ⅱ类水体。根据涌水量计算结果,隧道排水作用是明显的,对既有地下水系统的影响是存在的。

在隧道开挖初期,排水量完全由隧道围岩地下水系统中的储存量的消耗来保证,因而随着隧道排水过程的延续,需要不断动用储存量,隧道工程区地下水的8

天山隧道按单线电化隧道断面设计,采用钻爆法两端相向施工。按线路左侧30m设一座贯通平行导坑的施工方案,设计32处横通道与正洞相通,担负正洞中间段开挖。隧道洞内采用双侧高式水沟排水,洞身地段侧沟部分水流通过横通道分段引入平导,由平导内排水沟排出。拱墙衬砌背后设环向透水管盲沟,墙脚设纵向软式透水管盲沟,与环向盲沟、墙脚泄水孔三通连接。隧道施工废水排放环境影响主要体现在水污染方面,根据对秦岭及乌鞘岭特长隧道的监测结果(表1,表2),确定隧道施工过程中产生的主要污染物为:石油类、COD、SS。石油类主要来自液压施工机械油管密封不严、油管爆裂造成的液压油外泄;SS(悬浮物)主要来自打钻过程中产生的岩粉、裂隙中夹杂的泥沙等;COD主要来自石油类的氧化等。而SS由于多为泥沙,易于沉淀,其对水环境的影响范围较小,所以隧道施工最主要的污染物即为石油类,其排放浓度及排放量与施工管理及机械养护关系密切。

表1　秦岭铁路特长隧道施工期污水排放

(1996年9月5～7日)

流量/(m3/d)

项目

SS

1890

COD

实测浓度/(mg/L)

[1**********]10

施工状况Ⅱ线平导开挖,Ⅰ线未开工

施工方法

钻爆法

石油类

　　铁道第一勘察设计院资料

表2　乌鞘岭铁路特长隧道施工期污水排放

(2003年10月15～17日)

流量/(m3/d)

项目

SS

6240

COD

实测浓度/(mg/L)

837150116

施工状况施工方法

全面开工钻爆法

石油类

　　铁道第一勘察设计院资料

从表中数据可以看出,随着隧道开挖的全面展开,施工中施工废水量不是很大,污染物浓度与隧道涌水

铁道标准设计　RAILWAYSTANDARDDESIGN　2005(1)

周孝文,魏庆朝,许兆义等—天山特长铁路隧道的环境影响与控制研究

・隧道/地下工程・

量和施工管理有很大关系,隧道实际排水水质有较大的不确定性,在正常施工中隧道涌水和施工废水一同

排出,再流入阿沙勒及博尔博松河,势必增加河流泥沙含量,降低水体透明度,影响其功能。

隧道施工的3年内,废水排入地表水后将在一定范围内造成污染,使河流水质超过水体功能标准。根据隧道施工排污量、隧道涌水量及地表径流初步推算,考虑污染物排放量、排放浓度最不利情况下,按隧道施工进度图,每端隧道开挖面最多3处,博尔博松河塔尔流量站冬季日平均流量2014×104m3,全年日平均流量为3315×104m3。在考虑以上条件下,则未处理时博尔博松河在塔尔处石油类01022～01067mg/L,径流按枯水期冬季平均流量计算,结果则为01037～01111mg/L。阿沙勒河预测分析同上,取水口处冬季日平均流量2014×104m3,全年日平均流量为3712×104m3,则未处理时阿沙勒河在83团灌区取水口处石油类冬季枯水期01025～01075mg/L,全年平均01033～01091mg/L。由上述初步分析可以说明,隧道在多个开挖面同时施工且施工机要管理维护不善的情况下,可能造成博尔博松河塔尔处或阿沙勒河取水口处水质超出功能要求。4　隧道弃碴的环境影响

参数选取说明

(2)堆碴形式流弃比a值的说明

弃土弃碴场具体分布在阿恰勒车站至塔尔车站间的北天山中山区及北天山南麓丘陵区,弃土弃碴组成主要为土石混合物,弃碴场大部分位于支沟内或山坡坡脚。根据以上特点,经类比分析可确定,岭北地区流弃比为0115,北天山长隧道出口至苏布台间越岭地带流弃比为012,北天山南麓丘陵区流弃比为0115。根据以上确定的系数,可基本确定流弃比a值为0115～012,弃碴容重按18kN/m3考虑。

对于隧道建设中弃土弃碴可能造成的侵蚀量的估计,在确定相关参数后据上述公式进行计算。根据以上确定的系数,经计算统计,在不采取任何措施的情况下,本隧道弃土弃碴每年在施工期将可能产生水蚀量约26174万t。由此可确定,弃土弃碴是本隧道水土流失重点防护工程。施工期及工程竣工后若不采取有效的保护措施,隧道弃碴不仅会引起施工区水土流失的加剧,而且土地沙漠化程度的加剧并会侵袭施工区以外的地区,造成沙漠化土地的扩大与蔓延。5　隧道环境影响的控制对策

对于隧道排水造成的地表环境影响控制问题比较困难,由于长大隧道工程水文地质的复杂性,施工对地表水的影响将极为复杂,在设计和施工时应采取必要的措施,确保重要水源不受隧道施工的影响。主要控制措施是减小隧道涌水量,在施工过程中贯彻“以堵为主、限量排放”的原则,利用堵水或截流技术,封闭进水通道,减少涌水量。另外,设计中考虑必要措施,保证地表出现泉水干涸、地表水漏失时,能及时从附近区域引水,以保证居民生活生产的需要。在灰岩等可能发育岩溶地段,要在地表考虑必要的工程措施,例如河流改道引流、修筑防流堤和建设防渗帷幕等,防止地表岩溶塌陷的产生与发展。

施工期污水排放的环境影响控制主要是要采取废水处理措施。由于隧道排水中石油类主要来自施工机械用油的跑冒滴漏,其隧道排水中的石油类排放及其对地表受纳水体的影响与施工单位所采用的设备、设备的维修养护及废漏油的收集管理密切相关。因而,建议从石油类的源头抓起,加强施工机械的养护维修及对隧道内废油、漏油的收集。在施工过程中,台车下铺垫棉纱等吸油材料,用以吸收滴漏的油污,其他施工机械、运输车辆等产生的含油污水采用棉纱吸收后将其打包外运至垃圾场集中处理或就地焚烧,以最大限度地减小产污量。其次,鉴于隧道所排污水性质随施工进展而有所波动的情况,建议考虑以隧道进出口采取隔油沉淀气浮处理,预留补强设施场地等污水处理

9

隧道工程开挖弃土弃碴可能造成工程区水土流失的加剧,弃碴所带来的水土流失多发生在暴雨及洪水来临之际,不但对水利设施和铁路桥梁造成破坏,而且还会使河床抬高,加剧洪水的危害,严重的水土流失还会进一步使区域生态环境恶化,制约着流失区经济建设的发展和人民生活水平的提高,这是特长隧道工程环境影响问题之一。天山隧道弃土弃碴场主要分布在北天山中山区及北天山南麓丘陵区,该区降水量具有随着海拔高程增加而增加的特点,岭脊一线降水量最大,其次是岭南,岭北最少。气象资料显示,年均降水量在300～860mm。

结合工程特点和所处的环境特征,以北天山中山区为重点地段,以弃土弃碴场为重点工程,分别对不同的地貌单元进行水土流失影响预测,预测因子选择侵蚀强度和侵蚀量,预测方法采用类比调查与模式预测相结合的方法,类比调查对象为已建成的兰新铁路。

(1)堆碴形式流失量预测模式

n

w2=

∑(SaT)

i

i

1

(2)

式中　w2———项目区预测时段水蚀量;

Si———弃土弃碴量,m;a———流弃比;Ti———预测时段,年。

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・隧道/地下工程・

乌鞘岭隧道深埋志留系地层大变形控制技术

王志坚

(北京交通大学土木建筑工程学院,北京　100044)

摘　要:乌鞘岭隧道岭脊段志留系地层千枚岩夹板岩地段,施工中发生大变形,初期支护开裂破坏甚至侵限。为此,对深埋志留系地层围岩特性及其变形规律作了分析研究,结合现场测试,提出控制该段围岩大变形的工程技术措施,有效地控制了围岩大变形,保证了结构安全。

关键词:乌鞘岭隧道;志留系地层;大变形;控制中图分类号:U451+15　　文献标识码:B文章编号:10042954(2005)01001005

ControlofSeverDeformationofDeepBuriedSiluricStratumofWushaolingTunnelWangZhijiang

niversity,Beijing　100044

1　工程概况

乌鞘岭特长隧道全长20050m,设计为两座单线隧道,线间距40m。隧道位于祁连山褶皱系北祁连优

地褶皱带内,褶皱及断裂构造极为发育,主要地质构造为F4、F5、F6、F7四条区域性逆断层或左旋逆走滑断层。现场地应力测试结果,隧道岭脊处属高地应力区。本区最大水平主应力达32184MPa,一般为15～25MPa,隧道洞身F4～F7岭脊地段呈现水平、垂直应力

Abstract　SeveredeformationoccurredatthesiluricstratumattheridgeofWushaolingTunnel,causingsplittingofprimaryliningandevenexceedingclearancelimit.Ananalysiswasmadeofthechar2acteristicsandlawofdeformation,andtechnologicalmeasureswereputforwardfordeformationcontroltoensurestructuresafety.

Keywords　WushaolingTunnel;Siluricstratum;severedeforma2tion;control

Author’saddress　CivilEngineeringSchool,BeijingJiaotongU2收稿日期:20041201

),男,高级工程师,1984年毕业于石家庄铁道作者简介:王志坚(1962—

学院,工学学士;铁道部工程管理中心副主任兼总工程师,北京交通大学在职研究生。

共同作用的复杂应力状态,隧道越岭段的志留系千枚岩、板岩地层处在活断层F6～F7,单线长度约2800m,埋深800～1200m。

2　乌鞘岭隧道志留系地层大变形及初步分析211　大变形情况(图1)

乌鞘岭隧道实行动态设计,隧道修改预设计该段地层为Ⅲ、Ⅳ级围岩,9号斜井进入正洞后,揭示的地质情况同修改预设计差距较大。该段岩性以千枚岩为主,局部夹有石英脉,围岩受构造影响,岩体破碎,构造裂隙发育,岩体完整性差异较大,多处发育次生断裂或分支断6　主要结论

方案进行设计。由于隧道排水水质与施工单位的管理

及设备维修养护状况密切相关,故建议对隧道施工排水及阿沙勒及博尔博松河水质加强监测,根据监测结果调整污水处理工艺并分步实施污水处理工程。

对于隧道弃碴的环境影响控制,应考虑对碴体的尽快稳定,控制弃碴场地的水土流失,对弃碴进行多级挡护,层层拦截;并及时平整弃碴场地植树种草,或复垦还耕种植农作物,或对弃碴场地绿化,绿化要乔灌草相结合,多种植物混种,使其内部生物保护系统尽快形成合理的结构。经对天山特长隧道工程区现场调查、踏勘和研究设计资料后,考虑如下防护措施:隧道弃碴场均采取浆砌片石重力式挡碴墙防护,弃碴场场坪设置2%～4%的排水坡,碴顶设置横坡坡度为4%的排水沟,坡面用块石码砌,碴体边坡坡率按1∶15设计。同时,为了达到与周围自然景观相协调,进一步控制碴体及弃土场表面水土流失,弃土弃碴场采取植草防护措施,并配置一定数量的乔木。10

通过对精伊霍铁路天山特长隧道工程区地质、地表水及地下水环境条件的研究,结合工程设计施工情况,笔者认为,该隧道工程的主要环境影响在于施工及工后长期排水带来的环境效应、隧道施工期间污水排放导致的环境污染、隧道弃碴加剧的工程区水土流失等问题,在设计施工过程中考虑采用堵水或截流技术、污水处理技术和弃碴防护技术,将使相应的环境影响问题得到有效地控制。参考文献:

[1]　胡友彪.论矿区排水的综合环境影响与矿井水综合利用[J].中国

矿业,1997,6(4):7174.

[2]　刘　丹,杨立中.华莹山隧道排水的生态环境问题及效应[J].西

南交通大学学报,2001,36(3):309313.

[3]　李　嘉.铁路长隧道弃碴环境影响分析及其防治措施[J].铁道劳

动安全卫生与环保,1998,25(1):15.

[4]　沈振武.山区长大隧道工程的环境问题研究[J].华东交通大学学

报,2003,20(5):3537.

铁道标准设计　RAILWAYSTANDARDDESIGN　2005(1)

・隧道/地下工程・

天山特长铁路隧道的环境影响与控制研究

周孝文1,魏庆朝1,许兆义1,魏建方2,任建旭2,白明洲1

(11北京交通大学土木建筑工程学院,北京　100044;21铁道第一勘察设计院,兰州　73000)

摘　要:特长隧道由于开挖工程量巨大、施工周期长,引起的山体地下水资源损失量大等特点,形成了对工程区地质环境状况的较大改变。以即将建设的精伊霍铁路天山特长隧道为例,研究天山特长隧道施工期的隧道弃碴、污染物排放、山体水资源损失对地表环境影响等较为突出的环境问题,探讨特长隧道施工期环境影响的控制措施。

关键词:铁路特长隧道;环境影响;控制措施中图分类号:U45;X82013　　文献标识码:B文章编号:10042954(2005)01000703

图1　隧道位置示意

AStudyonEnvironmentalImpactandControlMethodofTian2shanExtra2LongRailwayTunnel

ZhouXiaowen,WeiQingchao,XuZhaoyi,WeiJianfang,RenJianxu,BaiMingzhou

　　隧道由两端采用钻爆法相向施工,工程区地形地

貌复杂,地层岩性构造多样,在沿线的天山越岭地段,隧道出碴处理最为困难,弃碴产生水土流失的潜在影响较大。沿线地表水环境功能要求较高,位于水环境敏感地段的隧道,其隧道施工排水将对地下水环境造成影响,天山特长隧道位于地表水较为发育地段,隧道排水可能对两端阿沙勒及博尔博松河水质产生影响。施工过程产生的噪声、扬尘、废水、垃圾、机动车尾气等对施工现场、施工单位临时驻地及与其相通的道路周边环境产生一定的污染。若不采取控制措施,取弃土碴及特长隧道排去地下水将产生较长期的环境影响。2　隧道涌水环境影响

　

Abstract　Becauseofsuchcharacteristicsashugevolumeofexca2vation,longconstructionperiod,andsignificantlossofunder2groundwaterresource,extra2longrailwaytunnelmaygreatlychangegeologicalenvironmentsituationofprojectarea.TheTian2shanextra-longrailwaytunnelofJingYiHuorailwaywhichisgo2ingtobeconstructedinXinjiangUygurAutonomousRegionistakenasanexampleinthispaper.Severalimportantenvironmen2talproblemscausedbytunneldebris,pollutantdischargeandwaterresourcelossarestudied.Atthesametimescontrolmeasuresofenvironmentalimpactinconstructionperiodoftheextra-longrailwaytunnelarediscussed.

Keywords　Extra2Longrailwaytunnel;environmentalimpact;controlmeasure

Author’saddress　SchoolofCivilEngineering&Architecture,BeijingJiaotongUniversity,Beijing　100044

隧道排水使工程所在山体地下水资源流失,将造成隧道工程区泉水消失或流量减小,在隧道排水、降位漏斗的逐渐扩展过程中,不仅在丰水期地下水系统可接受大量的降水或沟水补给增量的补充,造成天然补给量增大,而且在平枯水期于漏斗影响范围内还将引起泉水的流量减小甚至消失等一系列天然排泄量减小的现象。因此隧道涌水量是衡量隧道工程排水造成地质环境影响程度的重要衡量指标。

隧道涌水量是指在隧道设计高程以上,因施工排水引起的降落漏斗范围内的地下水的疏干量,隧道涌水量预测可以认为是用水文地质学理论来研究和计算隧道通过工程地区时,在隧道进出口设计高程以上疏干范围内含水层(组)中地下水的储存量和补给量,在隧道施工中通过含水层时,从溶孔、溶隙、溶洞和施工激活的节理、裂隙以渗流、喷淋、管道流等方式流入坑道中的地下水,除已汇聚成管道流的地段外,流动速度往往较缓慢,虽然岩溶地区地下水分布极不均匀,但仍然可以采用地下水资源计算方法进行隧道涌水量计

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1　工程概况

天山特长隧道为精伊霍铁路北天山越岭主隧道,是该铁路的控制工程,位于北天山西段中山区苏古尔与蒙马拉尔之间,隧道全长13573m。隧道洞身岩性主要为石炭系砂岩夹灰岩、英安斑岩、志留系砂岩夹灰岩、奥陶系灰岩,洞身经过三条区域性大断层,包括岭北f14断层、岭南侧f5、f16三条断层。隧道部分地段穿越灰岩地层,施工、设计总工期4318个月。隧道位置见图1

。

收稿日期:20041210

),男,高级工程师,1982年毕业于兰州铁道学作者简介:周孝文(1961—

院铁道工程专业,工学学士。

铁道标准设计　RAILWAYSTANDARDDESIGN　2005(1)

・隧道/地下工程・

周孝文,魏庆朝,许兆义等—天山特长铁路隧道的环境影响与控制研究

算。常采用的涌水量计算方法有:水均衡法(大气降水入渗法)、地下径流模数法、地下水动力方法、工程地质比拟法等。

水均衡法(大气降水入渗法):

Q渗=α×W×A×1000/365=2174α×W×A

(1)

降位漏斗将不断扩展,直至隧道排水量完全靠来自边界的补给保证为止。工程区地下水系统和外界进行水量交换是不断进行的,尤其是丰水期,与外界的水量交换是剧烈的。因此,在施工后数年甚至更长时间范围内,工程区降位漏斗在平、枯期将继续扩展,但扩展速率将逐渐降低。疏干漏斗的形成和由此引起的其他水量交换,为接受外界的补给,尤其是降水的补给创造了条件,打破了原有的水文动态平衡,促进了水循环交替,这些过程将加剧地表水土的流失,影响植被和农作物的生长等。

3　施工期间废水排放的环境影响

α—式中　——大气降水入渗系数;

W———多年(月、日)平均降水量,mm;

A———水文地质单元面积,km。

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α的求法有如下方法:(1)试验方法　渗水试验;中子仪测得数据。(2)现场测量　α=x-h/x。

其中,x为年平均降水量;h为地表径流深度。参数取值时应充分考虑各水文地质单元的岩性、地形地貌、构造及边界条件基础上取经验数据,碳酸岩分布区粗略采用均衡法所取得数据较为合理。在岩溶地区,地下水的补给区和各级夷平面上往往地表岩溶发育,如岩溶洼地、槽谷发育,其中多数又发育有落水洞、漏斗、竖井等。通过岩溶洼地、槽谷汇集大气降水,经其中的落水洞、漏斗、竖井等将暂时性流水导入地下。有人提出在这种地段α取018,也就是在这种地段大气降水的80%转入地下;垄岗谷地,断裂带α取013～016。天山隧道通过地区既有砂岩等非可溶岩又有灰岩等碳酸岩分布,所以总体涌水量计算中对参数的选取要综合考虑。

天山特长隧道进口上坡段3803m,出口下坡段9770m,位于北天山西段中山区,山系为伊犁盆地和准葛尔盆地的分水岭,地形条件十分复杂,地表多为植被覆盖。进口位于阿萨勒沟右岸山坡上,出口位于博尔博松河右岸山坡上。隧道最大埋深约900m。隧道通过区地下水的补给来源主要为高山融雪水和大气降水,地表水在灰岩地区入渗后,经垂直渗流带下渗至水平径流带在灰岩与砂岩接触带,以泉群形式集中排泄。在砂岩区地下水的排泄主要以河流、沟谷边以小型泉水形式线状排泄。隧道通过两个级别的富水性分区,即碳酸岩岩溶裂隙水中等富水区、基岩裂隙水弱富水区。

根据计算结果及地质调查分析,采用降水入渗法计算的隧道总涌水量为3197814m3/d。隧道内为人字坡,进口上坡段涌水量4034135m3/d。出口下坡段涌水量27944106m3/d。进口端排入阿沙勒河Ⅰ类水体,出口端排入博尔博松河Ⅱ类水体。根据涌水量计算结果,隧道排水作用是明显的,对既有地下水系统的影响是存在的。

在隧道开挖初期,排水量完全由隧道围岩地下水系统中的储存量的消耗来保证,因而随着隧道排水过程的延续,需要不断动用储存量,隧道工程区地下水的8

天山隧道按单线电化隧道断面设计,采用钻爆法两端相向施工。按线路左侧30m设一座贯通平行导坑的施工方案,设计32处横通道与正洞相通,担负正洞中间段开挖。隧道洞内采用双侧高式水沟排水,洞身地段侧沟部分水流通过横通道分段引入平导,由平导内排水沟排出。拱墙衬砌背后设环向透水管盲沟,墙脚设纵向软式透水管盲沟,与环向盲沟、墙脚泄水孔三通连接。隧道施工废水排放环境影响主要体现在水污染方面,根据对秦岭及乌鞘岭特长隧道的监测结果(表1,表2),确定隧道施工过程中产生的主要污染物为:石油类、COD、SS。石油类主要来自液压施工机械油管密封不严、油管爆裂造成的液压油外泄;SS(悬浮物)主要来自打钻过程中产生的岩粉、裂隙中夹杂的泥沙等;COD主要来自石油类的氧化等。而SS由于多为泥沙,易于沉淀,其对水环境的影响范围较小,所以隧道施工最主要的污染物即为石油类,其排放浓度及排放量与施工管理及机械养护关系密切。

表1　秦岭铁路特长隧道施工期污水排放

(1996年9月5～7日)

流量/(m3/d)

项目

SS

1890

COD

实测浓度/(mg/L)

[1**********]10

施工状况Ⅱ线平导开挖,Ⅰ线未开工

施工方法

钻爆法

石油类

　　铁道第一勘察设计院资料

表2　乌鞘岭铁路特长隧道施工期污水排放

(2003年10月15～17日)

流量/(m3/d)

项目

SS

6240

COD

实测浓度/(mg/L)

837150116

施工状况施工方法

全面开工钻爆法

石油类

　　铁道第一勘察设计院资料

从表中数据可以看出,随着隧道开挖的全面展开,施工中施工废水量不是很大,污染物浓度与隧道涌水

铁道标准设计　RAILWAYSTANDARDDESIGN　2005(1)

周孝文,魏庆朝,许兆义等—天山特长铁路隧道的环境影响与控制研究

・隧道/地下工程・

量和施工管理有很大关系,隧道实际排水水质有较大的不确定性,在正常施工中隧道涌水和施工废水一同

排出,再流入阿沙勒及博尔博松河,势必增加河流泥沙含量,降低水体透明度,影响其功能。

隧道施工的3年内,废水排入地表水后将在一定范围内造成污染,使河流水质超过水体功能标准。根据隧道施工排污量、隧道涌水量及地表径流初步推算,考虑污染物排放量、排放浓度最不利情况下,按隧道施工进度图,每端隧道开挖面最多3处,博尔博松河塔尔流量站冬季日平均流量2014×104m3,全年日平均流量为3315×104m3。在考虑以上条件下,则未处理时博尔博松河在塔尔处石油类01022～01067mg/L,径流按枯水期冬季平均流量计算,结果则为01037～01111mg/L。阿沙勒河预测分析同上,取水口处冬季日平均流量2014×104m3,全年日平均流量为3712×104m3,则未处理时阿沙勒河在83团灌区取水口处石油类冬季枯水期01025～01075mg/L,全年平均01033～01091mg/L。由上述初步分析可以说明,隧道在多个开挖面同时施工且施工机要管理维护不善的情况下,可能造成博尔博松河塔尔处或阿沙勒河取水口处水质超出功能要求。4　隧道弃碴的环境影响

参数选取说明

(2)堆碴形式流弃比a值的说明

弃土弃碴场具体分布在阿恰勒车站至塔尔车站间的北天山中山区及北天山南麓丘陵区,弃土弃碴组成主要为土石混合物,弃碴场大部分位于支沟内或山坡坡脚。根据以上特点,经类比分析可确定,岭北地区流弃比为0115,北天山长隧道出口至苏布台间越岭地带流弃比为012,北天山南麓丘陵区流弃比为0115。根据以上确定的系数,可基本确定流弃比a值为0115～012,弃碴容重按18kN/m3考虑。

对于隧道建设中弃土弃碴可能造成的侵蚀量的估计,在确定相关参数后据上述公式进行计算。根据以上确定的系数,经计算统计,在不采取任何措施的情况下,本隧道弃土弃碴每年在施工期将可能产生水蚀量约26174万t。由此可确定,弃土弃碴是本隧道水土流失重点防护工程。施工期及工程竣工后若不采取有效的保护措施,隧道弃碴不仅会引起施工区水土流失的加剧,而且土地沙漠化程度的加剧并会侵袭施工区以外的地区,造成沙漠化土地的扩大与蔓延。5　隧道环境影响的控制对策

对于隧道排水造成的地表环境影响控制问题比较困难,由于长大隧道工程水文地质的复杂性,施工对地表水的影响将极为复杂,在设计和施工时应采取必要的措施,确保重要水源不受隧道施工的影响。主要控制措施是减小隧道涌水量,在施工过程中贯彻“以堵为主、限量排放”的原则,利用堵水或截流技术,封闭进水通道,减少涌水量。另外,设计中考虑必要措施,保证地表出现泉水干涸、地表水漏失时,能及时从附近区域引水,以保证居民生活生产的需要。在灰岩等可能发育岩溶地段,要在地表考虑必要的工程措施,例如河流改道引流、修筑防流堤和建设防渗帷幕等,防止地表岩溶塌陷的产生与发展。

施工期污水排放的环境影响控制主要是要采取废水处理措施。由于隧道排水中石油类主要来自施工机械用油的跑冒滴漏,其隧道排水中的石油类排放及其对地表受纳水体的影响与施工单位所采用的设备、设备的维修养护及废漏油的收集管理密切相关。因而,建议从石油类的源头抓起,加强施工机械的养护维修及对隧道内废油、漏油的收集。在施工过程中,台车下铺垫棉纱等吸油材料,用以吸收滴漏的油污,其他施工机械、运输车辆等产生的含油污水采用棉纱吸收后将其打包外运至垃圾场集中处理或就地焚烧,以最大限度地减小产污量。其次,鉴于隧道所排污水性质随施工进展而有所波动的情况,建议考虑以隧道进出口采取隔油沉淀气浮处理,预留补强设施场地等污水处理

9

隧道工程开挖弃土弃碴可能造成工程区水土流失的加剧,弃碴所带来的水土流失多发生在暴雨及洪水来临之际,不但对水利设施和铁路桥梁造成破坏,而且还会使河床抬高,加剧洪水的危害,严重的水土流失还会进一步使区域生态环境恶化,制约着流失区经济建设的发展和人民生活水平的提高,这是特长隧道工程环境影响问题之一。天山隧道弃土弃碴场主要分布在北天山中山区及北天山南麓丘陵区,该区降水量具有随着海拔高程增加而增加的特点,岭脊一线降水量最大,其次是岭南,岭北最少。气象资料显示,年均降水量在300～860mm。

结合工程特点和所处的环境特征,以北天山中山区为重点地段,以弃土弃碴场为重点工程,分别对不同的地貌单元进行水土流失影响预测,预测因子选择侵蚀强度和侵蚀量,预测方法采用类比调查与模式预测相结合的方法,类比调查对象为已建成的兰新铁路。

(1)堆碴形式流失量预测模式

n

w2=

∑(SaT)

i

i

1

(2)

式中　w2———项目区预测时段水蚀量;

Si———弃土弃碴量,m;a———流弃比;Ti———预测时段,年。

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・隧道/地下工程・

乌鞘岭隧道深埋志留系地层大变形控制技术

王志坚

(北京交通大学土木建筑工程学院,北京　100044)

摘　要:乌鞘岭隧道岭脊段志留系地层千枚岩夹板岩地段,施工中发生大变形,初期支护开裂破坏甚至侵限。为此,对深埋志留系地层围岩特性及其变形规律作了分析研究,结合现场测试,提出控制该段围岩大变形的工程技术措施,有效地控制了围岩大变形,保证了结构安全。

关键词:乌鞘岭隧道;志留系地层;大变形;控制中图分类号:U451+15　　文献标识码:B文章编号:10042954(2005)01001005

ControlofSeverDeformationofDeepBuriedSiluricStratumofWushaolingTunnelWangZhijiang

niversity,Beijing　100044

1　工程概况

乌鞘岭特长隧道全长20050m,设计为两座单线隧道,线间距40m。隧道位于祁连山褶皱系北祁连优

地褶皱带内,褶皱及断裂构造极为发育,主要地质构造为F4、F5、F6、F7四条区域性逆断层或左旋逆走滑断层。现场地应力测试结果,隧道岭脊处属高地应力区。本区最大水平主应力达32184MPa,一般为15～25MPa,隧道洞身F4～F7岭脊地段呈现水平、垂直应力

Abstract　SeveredeformationoccurredatthesiluricstratumattheridgeofWushaolingTunnel,causingsplittingofprimaryliningandevenexceedingclearancelimit.Ananalysiswasmadeofthechar2acteristicsandlawofdeformation,andtechnologicalmeasureswereputforwardfordeformationcontroltoensurestructuresafety.

Keywords　WushaolingTunnel;Siluricstratum;severedeforma2tion;control

Author’saddress　CivilEngineeringSchool,BeijingJiaotongU2收稿日期:20041201

),男,高级工程师,1984年毕业于石家庄铁道作者简介:王志坚(1962—

学院,工学学士;铁道部工程管理中心副主任兼总工程师,北京交通大学在职研究生。

共同作用的复杂应力状态,隧道越岭段的志留系千枚岩、板岩地层处在活断层F6～F7,单线长度约2800m,埋深800～1200m。

2　乌鞘岭隧道志留系地层大变形及初步分析211　大变形情况(图1)

乌鞘岭隧道实行动态设计,隧道修改预设计该段地层为Ⅲ、Ⅳ级围岩,9号斜井进入正洞后,揭示的地质情况同修改预设计差距较大。该段岩性以千枚岩为主,局部夹有石英脉,围岩受构造影响,岩体破碎,构造裂隙发育,岩体完整性差异较大,多处发育次生断裂或分支断6　主要结论

方案进行设计。由于隧道排水水质与施工单位的管理

及设备维修养护状况密切相关,故建议对隧道施工排水及阿沙勒及博尔博松河水质加强监测,根据监测结果调整污水处理工艺并分步实施污水处理工程。

对于隧道弃碴的环境影响控制,应考虑对碴体的尽快稳定,控制弃碴场地的水土流失,对弃碴进行多级挡护,层层拦截;并及时平整弃碴场地植树种草,或复垦还耕种植农作物,或对弃碴场地绿化,绿化要乔灌草相结合,多种植物混种,使其内部生物保护系统尽快形成合理的结构。经对天山特长隧道工程区现场调查、踏勘和研究设计资料后,考虑如下防护措施:隧道弃碴场均采取浆砌片石重力式挡碴墙防护,弃碴场场坪设置2%～4%的排水坡,碴顶设置横坡坡度为4%的排水沟,坡面用块石码砌,碴体边坡坡率按1∶15设计。同时,为了达到与周围自然景观相协调,进一步控制碴体及弃土场表面水土流失,弃土弃碴场采取植草防护措施,并配置一定数量的乔木。10

通过对精伊霍铁路天山特长隧道工程区地质、地表水及地下水环境条件的研究,结合工程设计施工情况,笔者认为,该隧道工程的主要环境影响在于施工及工后长期排水带来的环境效应、隧道施工期间污水排放导致的环境污染、隧道弃碴加剧的工程区水土流失等问题,在设计施工过程中考虑采用堵水或截流技术、污水处理技术和弃碴防护技术,将使相应的环境影响问题得到有效地控制。参考文献:

[1]　胡友彪.论矿区排水的综合环境影响与矿井水综合利用[J].中国

矿业,1997,6(4):7174.

[2]　刘　丹,杨立中.华莹山隧道排水的生态环境问题及效应[J].西

南交通大学学报,2001,36(3):309313.

[3]　李　嘉.铁路长隧道弃碴环境影响分析及其防治措施[J].铁道劳

动安全卫生与环保,1998,25(1):15.

[4]　沈振武.山区长大隧道工程的环境问题研究[J].华东交通大学学

报,2003,20(5):3537.

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