隧道施工对水源保护地水环境的影响及保护措施研究

涂德贵

摘 要：隧道施工对地表水环境和地下水环境均有较大影响。相比其他功能区域，水源保护地对水环境质量有着更高的要求标准。基于水源保护地水环境的特点，分析了隧道施工对水源保护地水环境的影响特征，综述了水源保护地水环境保护的主要措施。研究发现，水源保护地隧道施工中的水环境保护可从施工管理、水环境风险的监测与预防，废弃物处理技术研发3个方面加强研究。

关键词：隧道施工;水源保护地;水环境;保护措施

中图分类号：U455;X734   文献标志码：A   文章编号：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

近年来，随着快速交通体系的建设和发展，隧道施工已成为高速公路工程等重大交通工程建设时穿越山岭、横穿河海的主要工程方式[1]。隧道施工作为复杂的工程类型，在施工过程中难免会对环境产生一定的不利影响。秦成等[2]研究发现隧道建设对本区域环境造成不同程度的影响，隧道涌水量与施工区的地表水质量呈显著相关性。姚红志等[3]研究发现六盘山隧道建设对地下水环境的扰动程度为Ⅳ级（较强偏中等），有较强的地下水环境恶化风险。与此同时，山岭隧道施工一般多在山峦聚集区，该区域多为重要的水源保护地，或为天然水产出源头区、主要干流汇集区和饮用水水源保护区[4]。水源保护地是当地居民或流域居民的主要饮用水取水地，其水源水质和存水量状况直接影响人们的饮用水安全和水量供应，与其他区域类型相比，水源保护地对水环境生态有着更高的要求。然而，随着我国社会经济的飞速发展和人口规模的快速增长，人们生产生活对自然环境干预的加大和气候条件变化的影响，我国饮用水的供需矛盾日益突出，如张季等[5]研究发现1956—2016年，丹江口水库的年平均入库径流量减少了47亿 m3，若遇枯水年份，将会极大限制下游干流的取水和水质保障。因此，在饮用水资源明显紧张的大背景下，加强对水源保护地的管理和保护显得尤为重要。

目前，虽然政府相关部门已经颁布了《饮用水水源保护区划分技术规范》（HJ 338—2018），但是水源保护地的水环境保护依然面临着点—面源污染的威脅，水源地水环境保护形势依然不容乐观[6]。其中，隧道施工便是重要的工业点状污染源[6]。因此，加强隧道施工对水环境的污染风险分析识别和预防管控，对消除隧道施工对水源水质的威胁和增强水环境的保护有着极为显著的现实意义。笔者将结合水源保护地水环境的特点，重点分析隧道施工对水源保护地水环境的影响，同时结合具体案例，综述隧道施工对水源地水环境预防和保护的具体措施，为隧道施工时水源保护地水环境的保护提供理论指导和工程借鉴。

1 隧道施工对水源保护地的水环境影响

1.1 对地下水水环境的影响

隧道施工对地下水的影响主要表现在隧道涌排水对地下水水文生态的影响上[7]。高速公路隧道工程建设过程中，尤其隧道穿越不良地质单元时，隧道打穿可能会造成地面应力状态改变，进而造成岩体裂隙分布特点和其物形特性发生变化，导致原地下水的动态平衡状态发生改变[7]。在隧道施工过程中，由于对原始水岩力学平衡的破坏，尤其对发育完全的砂岩裂隙和溶隙的震动作用，以及对深层山体裂隙水和溶隙水的凿穿作用，地下水的流动特点和给补关系通常被改变，而隧道岩体极易出现大量涌水和突水，隧道易成为新的地下水排水通道[7-8]。这不仅会严重阻滞隧道施工进度，造成巨大的工程损失，而且还会导致水源保护地保存的地下水大量漏失和消耗，最终导致井泉干涸，严重影响人们的生产生活，如在歌乐山的隧道建设过程中，突发涌水事故，造成地表水位的快速下降，生产和饮用水源干涸，致使当地6万居民的生产生活用水困难，严重破坏当地的水环境平衡[7，9]。对于生态环境相对脆弱和水资源极为珍贵的水源保护地来说，隧道涌突水和隧道排水事故对水源保护地的地下水环境的保护有着极为不利的影响。图1为隧道施工涌突水事故现场。

1.2 隧道施工对地表水水环境的影响

隧道施工在改变水源保护地地下水水平衡状态的同时，还会对地表水水环境产生严重影响。其影响主要表现在隧道钻挖过程（如钻孔爆破、隧道涌水突泥和施工废弃物等）和生活污水排放对地表水水质和水生生态的影响上[7]。

钻孔爆破是隧道开挖的主要方式，然而爆破所使用的炸药对水体水质有着严重的影响。爆破炸药的成分是决定钻孔爆破对地表水水环境影响程度大小的重要影响因素。其中，熊峻巍等[10]研究发现炸药的主要成分是硝酸铵（NH4NO3），被裹挟进地表水体的爆破产物会促使水体中含氮量大大提高，尤其硝酸盐和亚硝酸盐含量大幅提升，使得水体富营养化的爆发概率增高，严重危害水体水质、破坏水体原生生态和危害人类健康。然而，炸药成分复杂，致使爆破产物中危害物质种类多样，其中不乏剧毒类物质，如硝基苯类物质，具有强致癌性和致畸性，据《地表水环境质量标准》（GB 3838—2002）规定，集中式生活饮用水地表水源地特定项目硝基苯含量不得高于0.017 mg/L[7]。因此，在隧道爆破施工过程中，若不对硝基苯类等剧毒有害物质进行有效控制，将会对水源保护地的水质安全造成极大威胁，严重危害水源地居民的饮用水安全。除此之外，隧道钻挖过程中的粉尘、积存废渣的冲洗迁移也是造成水体中污染物质含量超标的重要原因[11]。

隧道涌水多为水质较好的地下水，然而其对地表水环境的影响主要表现在其对隧道施工废弃物（施工废水和固体废弃物）和施工材料的冲刷迁移上[11]。但是，隧道突泥却会对地表水环境产生直接的破坏[12]。隧道施工过程中，隧道中会积存部分施工材料（如油料、化学品和粉状材料等）和部分未经处理的施工废弃物（如施工废水、废弃渣土等），在涌突水事故情况下，该施工材料和废弃物会和隧道突泥一样，被水流冲刷至水源保护地的地表水中，这不仅会造成水土流失，而且会增加水中的悬浮固体颗粒物（SS），改变水体的pH值，破坏水体水质和水体原生生态，对水源保护地水环境造成极大破坏[12]。

此外，施工过程中，施工人员的生活污水也是水源保护地水环境保护的又一威胁。生活污水一直是污染环境的重要来源，其中污染成分复杂，氮、磷、COD含量高，若不加妥善处理而任意排放，必定会造成严重的水质污染，从而破坏水体的原生水环境生态[13]。水资源保护地对水质的标准更为严格[14]。因此，比邻水源保护区的隧道施工中，对生活污水的处理标准有着更高的要求。

2 水源保护地隧道施工的水环境防护对策

2.1 水源保护地隧道施工中基于水环境保护的施工管理

在水源保护地的生态系统中，其地表水环境和地下水环境受同地区土壤环境、大气环境的影响[15]。因此，应对施工建设进行系统、全方位的管理和规划，以防污染物对水环境造成直接和间接的破坏。

水源保护地对水环境质量标准要求较高，应对隧道施工临时建设场地设置更多的限制性要求。首先，施工场地各临时环境保护功能单元必须建设齐全，尤其废弃物处理场地或设施，应能够有效地对施工废水、生活污水、固体废弃物和各种遗弃化学品进行达标处理排放或循环利用消纳，以减少对水环境的破坏影响;其次，合理选择临时施工建设场地，使其尽可能地远离受保护的敏感水域，如扬尘量大、垃圾产物多的临时建设场地（尤其如混凝土搅拌站、沥青混合料搅拌站等）和废弃物处置场地（如弃土场、废水处理设施等）要尽可能地远离敏感水域，确保临时建设场地或废弃物处置场地与隧道施工场地的距离能够尽可能地减弱相应施工环节对水环境的直接破坏影响[16]。徐胜利[17]在建平隧道建设过程中，为了减少对周边水环境的影响，首先压缩混凝土搅拌站的数量，并将其建在远离水源的地方，而设备清洗水在沉淀池沉淀后再排放。在初期渗水严重的地面采用全环径向注浆止水，保证了地下水系不被破坏。当然，场地的选址要综合考虑环境工程技术、运输成本、施工期限等因素。

在施工过程中，须秉承“精细管理、文明施工”的原则开展施工建设。如保持施工场地清洁有序;物料收置得当，固体粉末物料不会散落混杂、飞扬飘洒，液体物料无跑、冒、滴、漏等现象发生;废弃物能够分类存放，妥善处理，严禁不经处理而任意排放到环境中;严禁有毒的固体废弃物用于泥土填筑[16];对施工设备进行严格的日常检查，以防油品泄露而污染环境等。

2.2 水源保护地隧道施工中水环境风险的监测与预防

隧道施工事故是造成水环境破坏的主要因素，对事故的监测和预防是减少隧道施工事故的有效途径[18]。因此，加强隧道施工事故的监测和预防研究是水源保护地水环境保护的重要举措。基于水源保护地的特点，及时建立隧道施工期对水环境影响的评价指标体系是施工中預防施工事故和保护水环境的有效途径。梁军平等[19]针对岩溶地区隧道的施工特点，建立了隧道施工期对水环境影响的评价指标体系，系统评价了施工中含污废水排放对地表水体污染以及地下水疏排给隧道周边水资源的流失，对岩溶地区隧道施工的水环境保护提供了积极的措施导向。与此同时，隧道施工事故中，涌水突泥灾害给隧道施工带来了巨大的经济损失、重大的人员伤亡与恶劣的社会影响，也对地表及隧址区水环境造成了不可修复的破坏[17-19]。因此，隧道施工中，对涌水突泥的监测和预防研究是隧道施工事故预防和水环境保护研究的主要内容。聂利超等[20]为了预防隧道的突水突泥灾害，改进了传统激发极化探测方法，提出了激发极化法隧道含水构造超前探测综合定量识别方法，提高了抗旁侧干扰能力与超前探测能力，可同时适用于钻爆法与TBM施工环境，大大降低了隧道建设过程中涌水突泥灾害的发生频率，保护了地表及隧址区水资源和生态环境，其已成功应用于宜巴高速马家坡隧道、石门垭隧道等工程实践中。然而，对于已发生的涌水突泥事故，则应因地制宜、据因决策、即时救治，杜绝再次发生。祝俊甲等[21]通过分析岩溶地区隧道施工中涌水突泥原因，对比了岩溶处置的3种方案（即平行导坑原位防护通过、平导与正洞之间绕行通过、远离正洞侧绕行通过），研究发现远离正洞侧绕行方案对暗河出口无影响，即为最佳方案，其施工技术可为今后类似工程提供一定的借鉴。与此同时，秦成[2]利用水文动态监测技术研究蓥山隧道工程施工对地表水和地下水的影响，以此研究隧址区地下水水文地球化学特征、判定隧道开挖后地下水的影响范围，为后续的隧道施工建设的水环境保护提供借鉴。

2.3 水源保护地隧道施工废弃物的处理

隧道施工过程中，施工废弃物和生活废弃物的任意排放或不达标排放是造成水环境破坏的另一重要因素。因此，水源保护地的隧道施工过程中，对废弃物进行达标处理或妥善循环利用是水环境保护的重要研究方面，而加强废弃物处理技术的研发是实现废弃物尽善处理的研究热点。史志翔[22]研究了不同混凝剂对公路施工废水和工地生活废水的处理效果，并研发了相应的废水处理工艺。研究发现，混凝沉淀法对隧道施工废水具有较好的处理效果，当硫酸铝投加量为0.05 g/L、pH为8、硫酸铝与水泥的混合比为1∶20、沉淀时间为1 h及搅拌时间为3 min时，混凝沉淀法对COD、硝基苯和石油类的去除率分别达到了79.73%、32.65%和19.46%。与此同时，“化粪池+人工湿地”的组合工艺对生活废水的处理效果最好，其中，人工湿地对化粪池出水中COD、NH3-N、TN和TP的去除率最高分别达到88.98%、74.03%、71.39%和95.91%，这为水源保护地隧道施工生产废水和生活污水的处理提供了技术借鉴。除了废弃物的达标排放之外，循环利用也是降低隧道施工废弃物对水环境影响的重要方向。张雯[23]利用废弃水泥为原料，使用水泥混凝法处理公路隧道施工废水，研究发现废弃普通硅酸盐水泥可以作为处理药剂处理公路隧道施工废水，其富含可絮凝沉淀成分，同时其在水化和硬化过程中，可生成丰富的具有电性中和、网捕卷扫、吸附等作用的水化产物以去除水中胶体杂质，其对废水中COD的去除率最高至 41.9%，对硝基苯的最高去除率达40.5%。同时，废弃建筑垃圾（如废土、废渣和废弃沥青）可即时用于路基填补、材料搅拌和混凝土浇筑[16]。然而，施工废弃物的处理要依据水源保护地水体的排放要求和山区环境的实际特点，因地制宜地制定处理方案。徐志嫱[4]在考虑受纳水体的排放要求和山区环境特点的情况下，对山岭隧道施工过程产生的各类废水进行分质分流处理，本着简单易行的原则，提出了有针对性的工艺技术路线，为水源保护地隧道施工废水处理方案的制定和选择提供了参考。

3 结语

施工过程中，若不对隧道施工环节和施工废弃物进行有效管理和控制将造成隧址区水环境的极大破坏。虽然目前采取的部分措施能够降低隧道施工对水环境的不利影响，但是水源保护地对水环境的质量要求更为严格，目前采取的措施仍难以满足水源保护地隧道施工中水环境的保护要求。因此，为了更好地保护水源保护地的水环境，水源保护地的隧道施工尚须做以下3个方面的努力。

3.1 着重水源保护地隧道施工的临时建设用地布局研究

平衡临时建设用地（如搅拌站、废弃物处理场地等）、隧道施工场地和水源保护地敏感水域之间的距离关系，使其既能保证隧道建设的施工效率，又能使隧道建设对水环境的不利影响降到最低。同时，实施精细隧道施工管理，从源头到末尾，最大化地实现施工污染物和生活污染物的达标排放，从而最大化降低隧道施工对水源保护地水环境的影响。

3.2 加强水源保护地隧道施工中水环境风险的监测与预防技术研发

首先在施工前，重点对隧址区水生生态和岩石构造特征等基本生态数据进行監测分析;其次基于现实生态数据，建立隧道施工期对水环境影响的评价指标体系，同时着重开展预测模型的研发，以此预测现有技术水平下，隧道施工过程中施工事故的发生类型和概率;最后根据预测结果，进行隧道施工决策的调整优化。水源保护地隧道施工中水环境风险的监测技术研发不仅可为隧道施工，对隧址区水环境影响状况的监测分析提供基础参照，而且可为隧道施工中水环境保护的准确决策提供制定依据。

3.3 增强废弃物处理和资源化利用技术的研发

施工废弃物和生活废弃物的不达标排放是造成水环境破坏的主要原因。废弃物的处理效率直接影响到隧道施工对生态环境的影响程度，同时是隧道施工是否得以顺利进行的重要环评参考。因此，加强废弃物处理技术的研发，提高废弃物的处理效果和效率对水环境的保护和隧道施工工程均有重要的现实意义。

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