劉建友，呂 剛 ，趙 勇，岳 嶺

(1. 中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司，北京 100055； 2. 川藏鐵路有限公司, 四川 成都 610045)

0 引言

近年來(lái)，隨著我國(guó)鐵路、公路等工程建設(shè)的發(fā)展，鐵路和公路鄰近或穿越風(fēng)景名勝區(qū)的情況時(shí)有發(fā)生。隧道施工產(chǎn)生的振動(dòng)、噪聲、粉塵、棄碴、污水嚴(yán)重影響景區(qū)的自然環(huán)境，引起景區(qū)水土流失和植被破壞。與其他隧道工程相比，景區(qū)內(nèi)的隧道施工環(huán)保要求更為嚴(yán)格。

針對(duì)隧道靠近景區(qū)施工造成的影響和相應(yīng)的控制措施，國(guó)內(nèi)外學(xué)者開展了大量的研究。如: 馮文生等[1]對(duì)川黃公路雪山梁隧道緊鄰黃龍景區(qū)施工對(duì)景區(qū)環(huán)境的影響進(jìn)行了分析，并提出相應(yīng)的保護(hù)措施； 劉偉等[2]以天目山隧道進(jìn)口段毗鄰“富春江—新安江—千島湖”國(guó)家級(jí)風(fēng)景名勝區(qū)項(xiàng)目為背景，介紹“初沉+混凝+沉淀+過(guò)濾”工藝對(duì)隧道施工廢水的處理效果; 蔣忙舟[3]以新建大同至西安鐵路鄰近洽川國(guó)家級(jí)風(fēng)景名勝區(qū)項(xiàng)目為背景，對(duì)工程景區(qū)景觀與植被、鳥類、水體等生態(tài)環(huán)境方面的影響進(jìn)行了分析, 針對(duì)性地提出了減緩和防治措施； 牛銅鋼等[4]結(jié)合成蘭鐵路穿越黃龍風(fēng)景名勝區(qū)的案例, 介紹影響評(píng)價(jià)中的生態(tài)影響、景觀影響和視覺影響的評(píng)價(jià)方法； 黨輝等[5]對(duì)新建京沈鐵路客運(yùn)專線工程穿越雞冠山風(fēng)景區(qū)的選線過(guò)程、工程建設(shè)對(duì)景區(qū)的影響以及采取的防治措施進(jìn)行了介紹。《鐵路工程環(huán)境保護(hù)設(shè)計(jì)規(guī)范》明確指出，在環(huán)境敏感區(qū)域建設(shè)工程，必須采取相應(yīng)的環(huán)境保護(hù)和生態(tài)恢復(fù)措施，保護(hù)好周圍景物、水體、林草植被、野生動(dòng)物資源和地形地貌[6]。

相關(guān)學(xué)者對(duì)景區(qū)隧道施工的環(huán)保技術(shù)進(jìn)行了研究，但其環(huán)保指標(biāo)的全面性和高度均不能滿足京張高鐵新八達(dá)嶺隧道的要求。

八達(dá)嶺是舉世聞名的風(fēng)景名勝區(qū)，吸引了國(guó)內(nèi)外游客紛至沓來(lái)。為了給八達(dá)嶺景區(qū)的游客提供便捷的交通服務(wù)，京張高鐵采用直接穿越風(fēng)景名勝區(qū)的選線方案，并在景區(qū)核心位置設(shè)置地下車站。八達(dá)嶺景區(qū)對(duì)隧道施工提出全面而高標(biāo)準(zhǔn)的環(huán)保要求，景區(qū)的環(huán)境保護(hù)是新八達(dá)嶺隧道面臨的關(guān)鍵技術(shù)難題，本文將系統(tǒng)介紹新八達(dá)嶺隧道設(shè)計(jì)和施工中的環(huán)保技術(shù)。

1 京張高鐵新八達(dá)嶺隧道的周邊環(huán)境

目前鐵路線遇到風(fēng)景名勝區(qū)時(shí)，大多數(shù)采用繞避的選線方案，避免鐵路施工和運(yùn)營(yíng)破壞風(fēng)景名勝區(qū)的環(huán)境[7]。京張高鐵新八達(dá)嶺隧道在選線過(guò)程中有2種方案： 一是繞避八達(dá)嶺景區(qū)方案； 二是穿越八達(dá)嶺景區(qū)方案。為了給八達(dá)嶺景區(qū)的游客提供最便捷的交通服務(wù)，使車站盡可能地靠近八達(dá)嶺景區(qū)入口，選擇了穿越八達(dá)嶺景區(qū)的選線方案。該方案隧道連續(xù)下穿居庸關(guān)、水關(guān)和八達(dá)嶺古長(zhǎng)城，以及老京張鐵路的青龍橋車站，施工難度大，環(huán)保要求高。新八達(dá)嶺隧道周邊環(huán)境及線路方案如圖1所示。

圖1 新八達(dá)嶺隧道周邊環(huán)境及線路方案

穿越八達(dá)嶺景區(qū)的線路方案隧址位于北京市昌平區(qū)南口鎮(zhèn)至延慶縣區(qū)段，全長(zhǎng)12.01 km，在里程DK67+025和DK67+370 2次穿越八達(dá)嶺古長(zhǎng)城，其埋深分別為122 m和166 m；DK63+600～+750段并行水關(guān)長(zhǎng)城，最小水平凈距為8.4 m，隧道埋深為192～221 m。新八達(dá)嶺隧道穿越古長(zhǎng)城如圖2所示。新八達(dá)嶺隧道東北側(cè)為虎峪自然保護(hù)區(qū)，西南側(cè)2 km為八達(dá)嶺野生動(dòng)物世界，西側(cè)17 km是官?gòu)d水庫(kù)，東南側(cè)14 km是十三陵水庫(kù)，隧址區(qū)為2座水庫(kù)重要的水資源補(bǔ)給區(qū)，隧址區(qū)是北京市重要的水源涵養(yǎng)區(qū)，地理位置十分敏感。

圖2 新八達(dá)嶺隧道穿越古長(zhǎng)城

2 工程建設(shè)和運(yùn)營(yíng)可能造成環(huán)境污染的因素及環(huán)境保護(hù)原則

2.1 工程建設(shè)和運(yùn)營(yíng)可能造成環(huán)境污染的因素

1)隧道洞口或車站出入口對(duì)景區(qū)景觀的影響。新建工程必然改變當(dāng)前自然景觀或人文景觀的現(xiàn)狀，影響現(xiàn)有景觀的布局。八達(dá)嶺景區(qū)對(duì)新建工程建設(shè)提出了長(zhǎng)城上的游客視線范圍內(nèi)不出現(xiàn)人工建筑物的要求。

2)隧道施工期和運(yùn)營(yíng)期的排水對(duì)景區(qū)地下水的影響。隧道排水將引起地下水位降低，影響景區(qū)植被生長(zhǎng)。

3)隧道運(yùn)營(yíng)期列車振動(dòng)及養(yǎng)護(hù)維修對(duì)景區(qū)的影響。高速列車運(yùn)行的振動(dòng)、噪聲及氣動(dòng)效應(yīng)影響景區(qū)動(dòng)物的生活環(huán)境，運(yùn)營(yíng)期的養(yǎng)護(hù)維修作業(yè)也將影響景區(qū)環(huán)境。

4)隧道施工振動(dòng)、噪聲、粉塵對(duì)景區(qū)的影響。隧道鉆孔打眼、爆破開挖、裝卸碴、車輛運(yùn)輸、噴射混凝土等施工作業(yè)將產(chǎn)生大量振動(dòng)、噪聲和粉塵，對(duì)景區(qū)的動(dòng)植物和空氣造成影響。

5)隧道施工污水排放和棄碴處理對(duì)景區(qū)水環(huán)境的影響。隧道施工機(jī)械排出的油污、噴射混凝土和模筑混凝土產(chǎn)生的堿性污染物等與地下水混合，形成強(qiáng)堿性污水，嚴(yán)重影響景區(qū)的環(huán)境。隧道開挖形成的大量棄碴，其運(yùn)輸和堆放也將影響景區(qū)的環(huán)境。

2.2 風(fēng)景名勝區(qū)工程建設(shè)的環(huán)境保護(hù)原則

1)鐵路和公路選線設(shè)計(jì)時(shí)，在條件允許的情況下，應(yīng)優(yōu)先選擇繞避風(fēng)景名勝區(qū)的選線方案。

2)當(dāng)必須穿越風(fēng)景名勝區(qū)時(shí)，應(yīng)優(yōu)先選擇隧道方案下穿，且應(yīng)盡量降低隧道高程，以減少對(duì)景區(qū)的影響。

3)隧道洞口應(yīng)選擇在石質(zhì)、陡坡、植被差的位置，并遵循“早進(jìn)晚出”的原則，減少洞口開挖，洞門及出入口應(yīng)開展景觀設(shè)計(jì)，與周邊景觀相融合。

4)隧道防排水設(shè)計(jì)應(yīng)遵循“多堵少排”的原則，減少地下水的排放，保護(hù)景區(qū)地下水資源。運(yùn)營(yíng)期應(yīng)設(shè)置清污分離的排水系統(tǒng)，將清水還予自然，污水經(jīng)處理達(dá)標(biāo)后方可排放。

5)隧道應(yīng)具有更高的耐久性標(biāo)準(zhǔn)，減少隧道運(yùn)營(yíng)過(guò)程中養(yǎng)護(hù)維修的工作量，從而減少養(yǎng)護(hù)維修對(duì)景區(qū)的影響。

6)隧道施工期應(yīng)設(shè)置高標(biāo)準(zhǔn)的污水處理系統(tǒng)，防止施工污水排入景區(qū)污染環(huán)境。

7)隧道開挖應(yīng)采用控制性爆破技術(shù)，減少爆破振動(dòng)和噪聲對(duì)景區(qū)的影響。

8)隧道施工過(guò)程應(yīng)設(shè)置空氣除塵系統(tǒng)，防止施工粉塵和煙塵對(duì)景區(qū)空氣的影響。

9)隧道洞碴的處理應(yīng)遵循“回收利用、可用盡用”的原則，減少洞碴運(yùn)輸和堆放對(duì)景區(qū)的影響。

3 穿越景區(qū)的環(huán)保設(shè)計(jì)技術(shù)

3.1 車站出入口消隱設(shè)計(jì)

為了減少對(duì)八達(dá)嶺景區(qū)的影響，地面站房的設(shè)計(jì)充分利用周邊自然地形，依山而建，候車室設(shè)置在地下1層，地面層高控制為6 m。站房立面材料以石材為主，石材顏色與周邊山體裸露巖石的顏色一致，墻面肌理由山體向外逐漸過(guò)渡。站房屋頂設(shè)置草皮綠化，使車站隱于周邊環(huán)境內(nèi)。

為了達(dá)到建筑消隱的視覺效果，設(shè)計(jì)采用了弱化建筑視覺體量和擬態(tài)周邊環(huán)境的手法對(duì)建筑造型進(jìn)行嚴(yán)格把控。一方面結(jié)合功能需求，將30 m×80 m×9 m的既定建筑體量化整為零，拆解成旅客進(jìn)站單元、旅客出站單元和管理辦公單元3個(gè)獨(dú)立的功能體塊，減小建筑體型以達(dá)到消隱效果。建筑主體高度6 m，局部9 m，地面站房規(guī)?？s減到1 998 m2，遠(yuǎn)小于同等規(guī)格鐵路站房建筑規(guī)模； 另一方面對(duì)功能單元進(jìn)行“磊”砌組合，依山就勢(shì)擬態(tài)山體，與景區(qū)環(huán)境協(xié)調(diào)統(tǒng)一，形成一體。

地面站房依山就勢(shì)，并與長(zhǎng)城相協(xié)調(diào)，通過(guò)屋頂綠化與山體之間自然過(guò)渡，形體錯(cuò)落有致，互為照應(yīng)。站房廣場(chǎng)位于地上3個(gè)體塊的合圍之中構(gòu)成1個(gè)半圍合的過(guò)渡空間，增加空間層次。依山一側(cè)，利用已開挖基坑營(yíng)造下沉廣場(chǎng)，將陽(yáng)光和綠化庭院引入地下空間，提升地下1層候車大廳的空間質(zhì)量。車站出入口消隱設(shè)計(jì)效果如圖3所示。

圖3 車站出入口消隱設(shè)計(jì)效果圖

3.2 清污分離的排水系統(tǒng)

在風(fēng)景名勝區(qū)修建隧道及地下工程，對(duì)地下水的處理提出了更高的要求： 一是地下水水量的保護(hù)，包括采取工程措施減少隧道排水，把滲入隧道的地下水返回景區(qū)； 二是地下水水質(zhì)的保護(hù)，包括施工期和運(yùn)營(yíng)期污水的處理。

八達(dá)嶺長(zhǎng)城站施工期采用清污分離的排水方式，將二次襯砌背后滲入的清水和掌子面的污水分開排放； 設(shè)置了高標(biāo)準(zhǔn)的污水處理廠處理隧道排出的施工污水； 在隧道富水段設(shè)計(jì)了徑向帷幕注漿堵水，減少地下水滲入隧道的水量。在車站運(yùn)營(yíng)期，設(shè)計(jì)了清污分離的排水系統(tǒng)[8]，如圖4所示。其中清水是周邊圍巖滲入車站的地下水，該地下水是寶貴的地下水資源。清水排水系統(tǒng)包括隧道環(huán)向和縱向透水盲管、兩側(cè)的邊溝和中心排水溝等。清水通過(guò)清水排水系統(tǒng)排放到隧道進(jìn)口和出口的自然環(huán)境中，回饋給大自然。污水包括車站內(nèi)部的消防廢水、沖洗廢水、生活污水等，污水排水系統(tǒng)包括站臺(tái)下方的廢水排水溝、車站兩端的污水泵房等。污水通過(guò)污水排水系統(tǒng)排到市政的污水管網(wǎng)，送入市政的污水廠進(jìn)行處理。地下車站的清水排水系統(tǒng)和污水排水系統(tǒng)相互完全分離。

圖4 隧道清污分離的排水系統(tǒng)(單位： mm)

清污分離的排水體系使地下車站的每一滴清水都能還給自然，使每一滴污水都得到妥善處理，減少了地下車站泵站的抽排水量，實(shí)現(xiàn)了景區(qū)的水環(huán)境清潔，滿足了環(huán)保要求。清污分離的排水體系如圖5所示。

圖5 清污分離的排水體系

3.3 長(zhǎng)耐久性結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為了減少隧道運(yùn)營(yíng)期養(yǎng)護(hù)維修對(duì)景區(qū)的影響，下穿景區(qū)的隧道應(yīng)具有長(zhǎng)耐久性, 八達(dá)嶺長(zhǎng)城站首次提出了設(shè)計(jì)使用年限為300年的耐久性設(shè)計(jì)目標(biāo)[9]，主要采取2個(gè)措施來(lái)提高地下工程的耐久性。

1)采用以圍巖承載圈為主要承載結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)體系。受鋼筋和混凝土等材料耐久性的影響，鋼筋混凝土承載結(jié)構(gòu)的耐久性一般為100年。天然巖石具有長(zhǎng)耐久性的特點(diǎn)，如花崗巖暴露在空氣中每年的風(fēng)化深度為0.1 mm，即300年的風(fēng)化深度僅為30 mm。在新八達(dá)嶺隧道及八達(dá)嶺長(zhǎng)城站支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，采用了以圍巖為主的承載體系，而混凝土二次襯砌結(jié)構(gòu)僅為安全儲(chǔ)備。

2)二次襯砌混凝土采用了長(zhǎng)壽命混凝土。長(zhǎng)壽命混凝土的主要技術(shù)措施包括： 采用超細(xì)巖粉、優(yōu)質(zhì)粉煤灰等多級(jí)配原材料使混凝土更密實(shí)； 采用中低熱水泥減少混凝土水化熱； 對(duì)粗骨料進(jìn)行整形提高混凝土的工作性能； 優(yōu)化混凝土配合比減少單方混凝土的用水量； 混凝土表面采用保濕膜和保溫氣囊養(yǎng)護(hù)技術(shù)，減少干縮和溫縮裂縫。長(zhǎng)壽命隧道設(shè)計(jì)思路如圖6所示。

圖6 長(zhǎng)壽命隧道設(shè)計(jì)思路

4 穿越景區(qū)的環(huán)保施工技術(shù)

4.1 微震微損傷控制爆破技術(shù)

新八達(dá)嶺隧道3次穿越古長(zhǎng)城，八達(dá)嶺長(zhǎng)城站位于八達(dá)嶺景區(qū)地下，且附近還有八達(dá)嶺野生動(dòng)物園。為了確保八達(dá)嶺長(zhǎng)城文物的安全，并減少振動(dòng)對(duì)野生動(dòng)物的影響，根據(jù)GB 6722—2014 《爆破安全規(guī)程》[10]的要求，車站開挖爆破引起的振動(dòng)速度控制標(biāo)準(zhǔn)為0.2 cm/s。此外，八達(dá)嶺長(zhǎng)城站是一個(gè)多洞室組織的密集群洞結(jié)構(gòu)，最小巖墻厚度僅1.2 m。為了減少開挖爆破對(duì)周邊洞室圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)的不利影響，減少圍巖損傷，提高圍巖自穩(wěn)定能力，還要求對(duì)爆破的振動(dòng)速度進(jìn)行控制。

八達(dá)嶺長(zhǎng)城站開挖過(guò)程中采用了精準(zhǔn)爆破技術(shù)，車站站臺(tái)層左、右側(cè)洞采用非電毫秒雷管起爆，單孔最大裝藥量為1.68 kg；中洞采用電子雷管，電子雷管延期時(shí)間間隔為10 ms，單孔最大裝藥量為1.905 kg。利用電子雷管或毫秒雷管控制單次爆破的藥量，優(yōu)化洞群各洞室的開挖步序和炮孔布置，實(shí)現(xiàn)微震的爆破控制標(biāo)準(zhǔn)[11]。實(shí)測(cè)結(jié)果表明，八達(dá)嶺長(zhǎng)城的振動(dòng)速度小于0.15 cm/s，滿足文物保護(hù)和動(dòng)物保護(hù)的要求[12]。微震微損傷爆破的開挖效果如圖7所示。

圖7 微震微損傷爆破的開挖效果

4.2 大功率隧道空氣除塵技術(shù)

隧道粉塵是困擾隧道綠色施工的一大難題，長(zhǎng)期暴露在粉塵環(huán)境施工會(huì)嚴(yán)重危害工人健康[13-14]。在八達(dá)嶺長(zhǎng)城站的施工高峰期，同時(shí)有多達(dá)14個(gè)掌子面開挖爆破施工，導(dǎo)致地下車站施工期的粉塵濃度高，施工作業(yè)環(huán)境差。普通隧道一般采用通風(fēng)方式將隧道內(nèi)的粉塵排出洞外，從而降低洞內(nèi)粉塵含量，但在風(fēng)景名勝區(qū)，排出洞外的粉塵將對(duì)景區(qū)空氣造成污染，尤其是霧霾嚴(yán)重的地區(qū)，經(jīng)常會(huì)因?yàn)榭諝馕廴径Ｖ故┕?，?yán)重影響工期。

為了降低隧道內(nèi)部的粉塵，同時(shí)減少粉塵的排放，新八達(dá)嶺隧道采用了大功率的除塵凈化設(shè)備XA3000，如圖8所示。該設(shè)備利用除塵濾芯可使PM0.5以上粉塵的去除率達(dá)到90%，處理后的空氣清潔度可達(dá)0.1 mg/m3；利用風(fēng)幕隔絕技術(shù)，有效控制掌子面爆破產(chǎn)生的粉塵向外擴(kuò)散；利用集群濾芯脈沖自動(dòng)清洗技術(shù)，提高濾芯使用效率。該設(shè)備不僅能快速清潔掌子面爆破后的粉塵，大幅減少爆破后的等待時(shí)間，降低對(duì)送風(fēng)機(jī)的要求，保護(hù)掌子面施工人員的作業(yè)環(huán)境，而且還減少了隧道施工排放到景區(qū)的粉塵量，解決了施工粉塵對(duì)環(huán)境的污染問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了綠色環(huán)保設(shè)計(jì)理念。

圖8 隧道高效除塵凈化設(shè)備

4.3 曝氣生物濾池污水處理技術(shù)

隧道施工過(guò)程中產(chǎn)生的污水對(duì)景區(qū)污染較大[15-16]，隧道施工污水的排放和處理是景區(qū)施工的重點(diǎn)和難點(diǎn)。常規(guī)污水處理方法是在隧道洞口建設(shè)沉淀池，去除污水中的沉淀物，該方法操作簡(jiǎn)單、成本低，但無(wú)法消除溶解在水中的氨氮等污染物成分，不能滿足景區(qū)施工的環(huán)保要求。

八達(dá)嶺長(zhǎng)城站施工期采用清污分離的排水方式，將二次襯砌背后滲入的清水和掌子面的污水分開排放，同時(shí)建設(shè)了高標(biāo)準(zhǔn)的污水處理系統(tǒng)，利用曝氣生物濾池(G-BAF)污水處理技術(shù)去除污水中的氨氮含量，使處理后的污水達(dá)到Ⅰ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。八達(dá)嶺長(zhǎng)城站曝氣生物濾池(G-BAF)廢水處理系統(tǒng)如圖9所示。

圖9 八達(dá)嶺長(zhǎng)城站曝氣生物濾池(G-BAF)廢水處理系統(tǒng)

4.4 隧道洞碴回收利用技術(shù)

新八達(dá)嶺隧道部分棄碴經(jīng)過(guò)碎石廠生產(chǎn)成碎石，回收利用做為混凝土精骨料使用，不但減少了棄碴堆放對(duì)環(huán)境的影響，還大幅度提升了棄碴的經(jīng)濟(jì)利用價(jià)值。首先對(duì)原料進(jìn)行2級(jí)篩選，人工選取較好的圍巖(Ⅱ、Ⅲ級(jí)圍巖)進(jìn)行分類存放，后采用履帶底盤移動(dòng)式篩分設(shè)備MS702進(jìn)行二次選材，有效保證母料質(zhì)量；其后進(jìn)行專業(yè)加工整形，借鑒港珠澳特大橋混凝土骨料加工經(jīng)驗(yàn)，采用了PLX1100整形設(shè)備進(jìn)行加工，大幅度提高了骨料整形質(zhì)量，將針片狀骨料含量按國(guó)標(biāo)由3%降低至1%，按歐標(biāo)由40%降低至15%。

5 結(jié)論與討論

1)鐵路和公路選線設(shè)計(jì)時(shí)，在條件允許的情況下，應(yīng)優(yōu)先選擇繞避風(fēng)景名勝區(qū)的選線方案。當(dāng)必須穿越風(fēng)景名勝區(qū)時(shí)，應(yīng)優(yōu)先選擇隧道方案下穿，且應(yīng)盡量降低隧道高程，以減少對(duì)景區(qū)的影響。

2)在做好各項(xiàng)環(huán)保措施后，鐵路或者公路工程采用隧道方案下穿風(fēng)景名勝區(qū)是可行的。

3)地下水處理、爆破振動(dòng)控制、粉塵治理和洞碴處理是風(fēng)景名勝區(qū)施工的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題, 可采用高標(biāo)準(zhǔn)的污水處理技術(shù)、微震微損傷控制爆破技術(shù)、隧道空氣除塵技術(shù)和洞碴回收利用技術(shù)減少施工爆破振動(dòng)、粉塵、污水、洞碴等對(duì)景區(qū)的影響。

4)采用出入口消隱、清污分離的排水系統(tǒng)、長(zhǎng)耐久性結(jié)構(gòu)等設(shè)計(jì)方案，可減少隧道運(yùn)營(yíng)對(duì)景區(qū)的影響。

環(huán)境保護(hù)已逐漸成為我國(guó)隧道建設(shè)過(guò)程中不可忽視的一部分，投入環(huán)境保護(hù)的成本占隧道建設(shè)總成本的比例越來(lái)越高。在各項(xiàng)環(huán)保措施中，曝氣生物濾池污水處理技術(shù)效果較好，處理后的水質(zhì)能夠達(dá)到Ⅰ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，但成本較高； 隧道空氣除塵凈化技術(shù)目前還不成熟，使用過(guò)程中能耗較大，其除塵凈化設(shè)備XA3000需要配備足夠的電力供應(yīng)。