川藏铁路隧道疏排地下水生态风险及保护对策

2021-07-05宋词郑光玉罗运武吴展波李景吉许模

地质灾害与环境保护 2021年2期

宋词，郑光玉，罗运武，吴展波，李景吉，许模

(1．中铁二院工程集团有限责任公司,成都 610031;2. 成都理工大学,成都 610059)

20世纪80年代以来，随着国民经济和社会高速发展，我国中西部地区公路、铁路建设正如火如荼，许多超深、超大、超长隧道的建设逐渐增多[1-2]。受隧址所处工程地质条件的影响，隧道建设经常面临突水突泥等灾害问题，而以往的应对方法常以疏排水为主，因此造成地下水大量流失，对一定范围的生态形成极大的破坏[3-4]。前人针对隧道建设对生态环境的影响已经开展过一些有益的研究[5-7]。马成[8]以地下水环境动态平衡为出发点，针对高风险生态敏感区一定水文年内隧道水平衡恢复，提出了维持植被生态的隧道排水控制标准的计算方法和流程。白明洲等[9]通过对隧道施工过程的地下水位监测，发现隧道地下水层的破坏，地下水位存在不同下降趋势，而隧道施工对环境也造成一定影响。

川藏铁路从成都至拉萨，途经8座高山；全线隧道建设198座，占全线路总长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座特长隧道，地下水问题显著[10-11]。而青藏高原生态屏障脆弱、生态系统多样，分布着众多珍稀保护动植物[12]，研究川藏铁路隧道疏排地下水生态风险及保护对策至关重要。本文现场调查了隧道沿线自然地理、植被地带性分布规律等，研究了该区植被种类、分带分布特征及生态需水特征；评价了隧道工程地下水疏排水动力条件变化对沿线生态环境的影响，最后提出了隧道施工堵排水原则和措施。

1 研究区工程地质条件

川藏铁路主体工程位于青藏高原区，全线高程700～5 200 m，沿线依次经过川西高山峡谷区与高原区、藏东南横断山区和藏南谷岭区等地貌单元。不同气候区水热条件差异大，具有高寒、大温差、强紫外线等特点，冬季极端最低气温为-32.2 ℃，夏季最高气温为40 ℃，昼夜最大温差达35 ℃以上；高原区降雨量达450～1 127 mm，干旱河谷地带年平均降雨量仅为400 mm，区间降雨分配极不均匀。沿线主要通过4个一级构造，12个二级构造。水系干流流向与区域构造走向一致，构造骨架控制了基本水系展布，在该地区呈近南北向分布，与横断山构造带走向基本一致。

工程沿线地下水类型主要有孔隙水、基岩裂隙水、岩溶水、构造裂隙水，以及高温热水。孔隙水分布在测区沟谷中第四系冲洪积、冰水堆积层、砂岩、砂砾卵石层等松散岩体，特别是低阶地和洪积扇中埋藏有丰富孔隙水；在海拔4 000 m以上高原空谷两岸坡积层还有融雪水补给。基岩裂隙水受构造影响，富水性差异较大，板岩、砂岩、花岗岩等为弱-中等基岩裂隙含水层。岩溶水主要分布在毛垭坝至金沙江段、米拉山-玛曲河两侧和八宿、洛隆、拥巴、波密周边的三叠系、泥盆系、志留系碳酸盐岩中。构造裂隙水主要分布于褶皱构造以及断裂带内，其中向斜核部、背斜两翼节理裂隙较密集发育，地下水易富集。线路藏东南地区是地中海-南亚地热异常带的重要组成部分，存在高温热水分布，水温约40 ℃～100 ℃。

2 工程沿线植被类型及生态需水特征

川藏铁路途中翻越多座海拔4 000 m以上的高山，因此沿线经过的植被类型十分丰富。雅安至林芝段统计植被类型图斑的数量和面积来看：低山与中山植被类型和经济林类型分布零碎，表现为草丛、草甸及其他类型分型零碎，图斑的面积较小；而高山的植被类型主要为灌丛、草甸及针叶林，海拔越往上，植被越稀疏，最后表现为高山植被类型。但从不同植被类型分布情况来看，灌丛植被几乎全线均有分布(图1)。

图1 川藏线10 km缓冲区范围内植被类型分布图

沿线植被根据不同区段特征，可分为雅安-康定段、康定-昌都段、昌都-林芝段，不同路段植被类型表现不同。①雅安-康定段主要以山地阔叶林、针叶林或针阔混交林为主，其中雅安至二郎山段植被以阔叶林、针阔混交林和竹林为主，降水为植被生态水主要来源，受地下水影响微弱；泸定以上至康定区段植被类型以合欢、仙人掌等旱生或耐旱植灌丛和云南松、柏木等针叶林为主，降水和地下水是该区段植被生态水主要补给类型，地下水水位变化对该区植被影响较华西雨屏区显著。②康定-昌都段主要以高山灌丛、高寒草甸和山地针叶林为主，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丛、高寒草甸为主，该段植被受气候变化响应明显，降水、冰雪融水、冻土土壤水是该区段重要植被生态水类型；雅江县附近、孜拉山隧道区段上则分布有以冷杉、云杉为主的针叶林植被，植被生态水主要受降水和冰雪融水影响。③昌都-林芝段植被类型逐渐由高山灌丛植被类型向针叶林过渡，至林芝段降雨丰沛，形成以林芝云杉、喜马拉雅冷杉等针叶林为主的植被类型，并间或分布有杨桦林等落叶阔叶林，植被生态需水以大气降水为主。

3 隧道地下水疏排对生态环境的影响调查评价

3.1 隧道工程引起水动力条件变化对生态环境影响

综合分析隧址区地下水分布情况、隧道建设前后气候变化情况，研究隧道工程地下水动力条件改变对植被生态影响。

(1) 老二郎山隧道

二郎山隧道隧址区气候变化如图2，该区2000～2002年间年累计降水量持续降低，2001年较2000年降低41.3 mm，2002年较2001年降低77.5 mm。年均温变化幅度相对稳定，年均温、年最低温和年最高温变化幅在2 ℃以内。由二郎山隧址区2000～2002年NDVI(植被覆盖指数)变化可知，隧址区2000～2002年NDVI值呈现持续增加态势。但隧址区2000～2002年间降水呈现持续减少，气温较为稳定；因此气候条件变化不是导致植被长势变化的主要原因，气候变化与隧址区的NDVI变化相关性不高。

图2 二郎山隧道隧址区2000～2002年间年累计降水量(a)与年气温(b)变化图

根据隧址区水文条件，二郎山隧道隧顶以分水岭两侧主要为含水丰富的碳酸盐岩裂隙溶洞水，西侧往外延伸为全流量<0.1 l/s的基岩裂隙水；东侧往外延伸依次为含水弱的碳酸盐岩裂隙溶洞水和基岩裂隙水。通过2000～2002年NDVI变化情况图与水文地质图叠合发现，NDVI增加的区域集中分布于隧顶两侧含水丰富的碳酸盐岩裂隙溶洞水区域，少量分布于含水弱的碳酸盐岩裂隙溶洞水，而在基岩裂隙水分布区域NDVI值变化则较小。由于隧址区域碳酸盐岩裂隙溶洞水非常发育，地下水极易流失，故2000～2002年NDVI值增加的原因可能是在隧道工程修建阶段引发的地层岩溶水流失，影响该区段岩溶水对地表水的补给，造成地下水对植被生态需水补给量的减少，生长受到影响，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，恢复对隧址区植被的补给，植被长势变好。

(2) 米拉山隧道

米拉山隧道隧址区气候变化如图3，隧址区2014～2016年间累计降水呈先降后升的变化，2015年降雨量最少值382 mm/a。年均温整体上稍有增加，但不明显；但年均极高温、极低温均成小幅下降趋势，下降幅度微小。

图3 米拉山隧道隧址区2014～2016年间年累计降水量(a)与年气温(b)变化图

根据2014～2016年降水变化特征发现，在2015年研究区降水出现大幅减少，2016年降水又大幅增加。结合2015年隧道沿线局部植被退化趋势推测，该年度局部区域植被退化可能与降水变化相关。

3.2 隧道工程地下水疏排对陆生植被生态影响敏感性整体评价

基于隧址区地质构造条件、地下水水文地质单元、敏感植被分布和保护植物分布情况等综合分析，将川藏铁路沿线31座隧道工程地下水疏排对陆生植被生态影响敏感性整体评价如表1所示。

表1 川藏铁路沿线敏感隧道综合评价

4 隧道施工疏排水原则和措施

4.1 隧道施工疏排水原则

川藏铁路隧道工程建设中对由地下水动力条件改变所诱发的地下水突涌和地表水疏干问题及诱发的生态问题，应遵循一定的防控原则：

(1) 超前预报与防控方案相结合的原则。隧道超前预报有利于提前发现隧道不良地质现象隐蔽点，为隧道地下水处理提供必要参数。

(2) 特殊部位重点防护的原则。特殊部位，如隧址中的裂隙发育、岩体破碎、可溶岩和非可溶岩的界面、断裂构造带、褶皱构造核部等易发生涌突水、突泥和掌子面垮塌的部位应重点治理，做到超前预报与超前防护。

(3) 治理措施与支护措施相协调的原则。对于灾害易发部位的超前治理应与隧道工程中的支护相结合，使涌突水治理在防渗的同时实现对破碎岩体和断裂的加固，达到一定的支护目的。此外，疏排水量应合理计算，做到“堵排结合”的方法。

4.2 隧道施工疏排水建议措施

(1) 粘度时变材料及注浆封堵技术

粘度时变灌浆材料是由自主研发的SJP外掺剂、水泥和水配制而成，SJP粘度时变性浆液可以通过外掺剂加量的调节而克服纯水泥浆材可泵时间过长且不可控的缺点，使浆液具有20～90 min的可泵期，利用粘度时变浆液作为护壁液，在破碎岩层段或目标加固层随钻注浆，实现边钻进边加固。

(2) 隧道涌水封堵原理与方法

对于破碎岩体和陡倾宽大裂隙的加固，主要是利用浆液的粘度时变性，在起始期浆液的低粘度、高流动性能够使浆液在注浆压力的作用下，从注浆孔揭露的裂隙断面沿着裂隙的扩展方向流动。随着注浆时间的增长，浆液的粘度逐渐增加，注浆压力沿裂隙扩展方向衰减，当注浆压力小于浆液对屈服应力时，浆液停止流动，完成裂隙的充填和破碎岩体的胶结。在注浆工艺当中，为了实现对浆液流动控制，可改变注浆参数中的注浆时间、注浆压力和浆液参数中的可泵期和屈服应力。