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1、雪峰山隧道浅埋段隧道涌水对生态环境影响研究摘要: 基于对雪峰山隧道浅埋段开挖前和开挖后的地表水量的变化以及地表水水质和地下水水质变化的对比，分析研究；提出高速公路隧道浅埋段地下水应重视勘察，设计；从而更好的为隧道施工提供合理、科学、准确的依据。为保持隧址区的生态环境良性循环和和谐社会起着重要作用。关键词: 隧道 涌水 地表水 地下水 生态环境 和谐社会STUDYING ON THE ECOLOGICAL ENTIRONMENT effOF GROUNDWATER BY DISCHARGE FROM SHALLOW BURYING OF XUEFENG MOUNTAIN TUNNELWu xia
2、ngbing1 Huang dongliang1 Zhang hui1Zhang jinhua2 Wang yuefei2(1Hunan Provincial Communications Planning Survey & Design Institute, Changsha Hunan, China 4100082Department of geology and environmental engineer, Center South University, Changsha Hunan, China 410083)Abstract: On the basis of shallow bu
3、rying part of Xuefeng mountain tunnel , the paper analyzes and contrasts with surface water quantity、surface water quality、groundwater quality changing of constructing tunnel before and after ; and brings forward that investigation and planning must be put much value on during the study of shallow b
4、urying groundwater of speedway tunnel .As a consequence, it can provide reasonable scientific exact reference for tunnel construction. It acts to benign circulation of ecological entironment and harmonious society.Keywords: tunnel surface water groundwater ecological entironment harmonious society0前
5、言 现在，国家对环境保护，构建和谐社会越来越重视，而生态环境常常与水，尤其是地下水有关，其发生变化大多由于地下水的活动引起、或由于原有自然水均衡和水循环被改变的影响效应；特别是隧址区地下水以基岩裂隙水和构造裂隙水为主的高速公路隧道，其浅埋段开挖后，对地表水影响特别大。故隧道浅埋段的勘察,设计和施工对地表水和地下水流失，隧址区环境的恶化起着至关重要的作用和构建和谐社会发挥1工程概况 邵阳至怀化高速公路是国家重点建设的“五纵七横”国道主干线中上海至瑞丽高速公路的一段。雪峰山隧道为邵阳至怀化高速公路上最大的控制工程，其位于邵阳市、怀化市两市交界处，穿过雪峰山主脉。本隧道为上下行线分离的双洞隧道，左右
6、洞长度分别为6942.56m、6958.605m，平均长度为6951m，按隧道分类属特长隧道。两洞室净距在洞口段为20m左右，在洞身浅埋段为35m左右。纵坡整体为一单坡，纵坡坡度为0.938%，在邵阳端洞门设计高程为520m左右，在怀化端洞门设计高程为462m左右。在邵阳端均设置斜井，在怀化端设置竖井。隧道建筑限界净宽9.75m，建筑限界净高5.0m。隧道左洞起讫桩号为ZK95+865、ZK102+807.56，右洞起讫桩号为YK95+866.395、YK102+825。隧道的最浅埋深约35m,最大埋深约840m，约50%的地段隧道埋深大于450m。2隧址区环境背景:2.1 自然环境概况本隧道
7、横穿雪峰山主脉；雪峰山脉是横亘于湖南省西部的一道天然屏障，地势高耸，主峰苏宝顶海拔1934m，位于隧址西南约800m。雪峰山脉是沅水水系与资水水系的分水岭。区内属侵蚀深切中山地貌。隧道两侧山坡略呈台阶状，坡面沟壑纵横，相对高差多为100m左右。主要的溪沟有5 条，大致与隧道线平行或小角度斜交，流量为 0.0133 1.6041 m3/s，有多处大的跌水，沟内滚石众多，最大直径达23m，次级的溪沟呈鱼刺状排列在主要溪沟的两侧。由于溪沟深切，岸坡陡峻，自然坡度一般为3555。坡面植被发育，以乔木为主，灌木次之。气候对沿线施工有影响的主要是雨季，全年降雨量大于1300mm，雨季多集中于四、五、六月份
8、，约占全年降雨量的50%，降雨日数全年约有120d，降水日雨量小于25mm的占90%左右，大于50mm以上暴雨占23%，因气候而影响施工的是冬春交替期，一般自头年12月下旬开始，至第二年二月中，约20d左右。 2.2地质与水文地质隧址区浅埋段地层岩性主要有第四系（Q）：亚粘土、碎石块石土、漂石土等；和震旦系江口群长滩组（Zc），以变质砂岩、硅化砂质板岩基岩为主。浅埋段构造主要表现为F8和F2断层，其对隧道浅埋段有非常大的影响。隧址区内的地下水按其赋存的介质可分为如下几种。一是覆盖层中的孔隙水，主要赋存于碎石土中，主要靠大气降水补给； 二是基岩裂隙水，区内基岩主要为变质砂岩及硅化砂质板岩，地下水
9、主要赋存于全弱风化基岩中；三是构造裂隙水， 其主要是断层带内的裂隙水和褶皱核部的裂隙水。对隧址区内地下水埋深的长期观测表明：地下水位与降水关系密切，随降水量的增大，地下水位升高； 地下水位波动幅度与地形关系密切，平缓地段波动幅度小，地形切割强烈的地段，波动幅度大。3隧道涌水3.1隧道涌水影响范围的确定隧道开挖后的涌水对地表水的影响非常大,故而对其影响半径的圈定.工程勘察中压水试验和抽水试验基本上都为单孔试验，无法确定隧道排水影响范围，只能通过理论公式反算确定。本报告所采用的公式为用于非完整井的柯斯嘉科夫公式：由于为浅埋段，令降深S等于由隧道路肩起算的含水层厚度H，则在隧道排水条件下，其影响宽度
10、R为： R=2*S5/2*K1/2；根据上式计算隧道入口浅埋段隧道排水影响宽度R。表1 浅埋段隧道排水影响宽度序号起止桩号(ZK)长度（m）含水层特征地下水埋深(m)H=S渗透系数K(m/d)R（m）195+86595+94075全强风化基岩及F811650194359295+94096+070130弱风化基岩317002120396+07096+776706微风化新鲜基岩10150000662983.2涌水量计算3.2.1理论涌水量计算根据表1中所计算得出的浅埋段隧道排水影响宽度R，可计算出各段隧道涌水量。计算得ZK 95+865 ZK 95+940 涌水量为426.2m3/d；ZK 95+
11、940 ZK 96+070涌水量为223.3m3/d ； ZK 96+070 ZK 96+776涌水量为775.4m3/d。故此浅埋段总涌水量达到1424.9m3/d。根据勘察报告中，采用地下水动力学法预测的隧道入口前900m涌水量分别为399m3/d,189m3/d,774.5m3/d。故此浅埋段总涌水量：1362.5m3/d. 两者计算结果相差较小。3.2.2隧道开挖后实际涌水量计算由于隧道浅埋段地质条件复杂，自隧道开挖后，根据隧道施工进程对隧道进行实时监测。监测方法有多种，而且每种方法采用的计算公式都不一样；雪峰山隧道浅埋段监测方法和计算公式如表2。表2监测方法和计算公式监测方法涌水量计
12、算公式说明三角薄壁堰Q=0.014h2.5h 为实测水头.矩形薄壁堰流量系数;为有效宽度;Kh取0.001m孙奈利槽b 为出口宽度, h 为入口段水头高度浮漂法S为流水横断面积;L为在时间T内水所流过的长度; K为系数等效估算法S 为流水横截面积;g 为重力加速度,取10m/s2.K 为修正系数;这里取1.1。X 为出水口至落水点平均距离（m）;H 为出水口中心线至地面距离（m）按照隧道设计，坡度自入口后400m为正坡，400m后为负坡。根据隧道掘进，隧道进行初衬和二衬，故隧道前400m涌水通过隧道中心沟排放，400m后至开挖掌子面所有的涌水通过水泵抽出，所以隧道口总排水量由两部分组成。a左隧
13、入口段前400m涌水量：在左隧中心沟设置三角形（V形）簿壁堰，进行涌水量排放观测h值。利用三角薄壁堰公式,计算得涌水量最大值为4.55 L/s。b左隧入口段400m后涌水量：根据现场施工，400m后涌水量抽水后通过左隧左边沟，经过入口排放，其观测方法为在入口处利用三角围堰法测h值。经计算其涌水量为13.6 L/s 。所以左隧入口浅埋段900m开挖总涌水排水量为Q左=4.55 l/s+13.6 l/s=18.15 L/s。c右隧入口段400m后涌水量：根据隧道抽水后排放在右隧右边沟。故在右隧右边沟入口处设置孙奈利槽，进行观测h值。利用孙奈力公式计算得23.72 L/s。d右隧入口浅埋段900m整
14、个涌水量：在右隧入口处右则涌水排放处设置矩形簿壁堰。对整个隧道开挖后涌水量进行观测h值。根据矩形薄壁堰公式计算得：涌水量值Q右=25.62 L/s。Q总= Q左+Q右=18.15 L/s+ 25.62 L/s=43.77 L/s。即Q总=3781.7 m3/d。故实际涌水排水总量为预测涌水排水总量的2.65倍。3.3隧道涌水影响范围的地表观测验证地表水及隧道地下水观测集中在隧道入口浅埋段，在入口段附近设有三个地表冲沟小溪流观测点。1号点位于左隧入口以南冲沟中（表1中第一序列段），距洞口约40m处，2号点位于右隧以北冲沟中，距右隧约19m（表1中第二序列段）。3号点位于左隧以南约350m冲沟中（
15、表1中第三序列段）。据理论计算，第1，2，3序号段，隧道排水影响宽度分别为59m，20m，298m，而实际观测表明，1号点溪水完全被疏干，2号点溪水流量略有减少，3号点基本未受影响。其原因是1号点位于隧道排水影响范围内；2号点尽管也在影响范围内，但以接近范围边界，故其水量略有减少，影响不大；3号点超过影响边界，所以溪水基本没有影响。4地表水质及隧道排水水质4.1地表水质为有效的对隧址区水质在开挖前和开挖后是否发生变化，在浅埋段和隧道排 表3 雪峰山隧道浅埋段地表水及地下水化学特征 mg/L取样位置取样时间F-Cl-NO3-SO42-Li+NH4+K+Mg2+Ca2+Na+TDSPH左隧左边冲沟
16、开挖前0.210.110.440.91无痕痕0.921.953.018.5开挖后0.090.231.811.30痕1.810.473.752.309.0右隧右边冲沟开挖前0.240.480.891.41痕痕0.621.303.138.7开挖后0.10痕0.890.85痕痕0.661.823.797.9左隧排水口开挖时0.220.5351.2728.904.65166.54无47.6857.404469.5右隧排水口开挖时0.210.7564.2233.498.1353.960.2415.8976.897509.8左隧掌子面开挖前0.230.17痕25.731.402.690.6847.6848
17、.637.8右隧掌子面开挖前0.23痕痕34.100.54痕痕8.3840.377.9距隧道排水口下游500m处小溪水开挖前0.110.441.291.280.20痕0.802.932.368.5开挖后0.150.338.709.78痕7.740.6112.619.563149.2 说明：表中痕表示该离子的含量小于0.001mg/L。水口下游500m小溪水处选取合理的观测点，并进行了不同时期的水质采样，化验分析，如表3中。从表3中可以看出左隧左边冲沟和右隧右边冲沟的地表水在隧道开挖前和开挖后各阴阳离子的含量基本无多大变化；然而在距隧道排水口下游500m小溪水处，隧道开挖前和开挖后有些离子的含量
18、发生了显著的变化。如NO3-和K+的含量是隧道开挖前的7倍；而SO42-离子高达8倍；Ca2+ 和Na+离子也有56倍。4.2 隧道排水水质为真实的反映隧道在施工期间施工是否对隧道内地下水水质有影响，故而在隧道掌子面开挖前裂隙水进行取样和在隧道排水口进行取样，化验分析，再对比研究；如表3。从表3中可以得到隧道掌子面开挖前裂隙水和隧道排水口的水质主要发生显著变化的是NO3-和K+离子；其含量高达50100多倍。4.3水质变化机理隧址区浅埋段地表水和地下水水质发生变化，主要是NO3-和K+离子。在隧道排水口与隧道掌子面裂隙水中NO3-和K+离子发生巨变；NO3-离子主要是隧道施工开挖放炮，炸药发生
19、爆炸时，产生高温高压，形成NO3-离子，而NO3-离子极易溶于水中。从而使隧道内地下水中NO3-离子含量显著增高，故而在隧道排水口的水质发生变化。K+离子的变化机理主要是，雪峰山隧道浅埋段岩性为变质砂岩为主，由于隧道的施工方法为新奥发，在隧道施工过程中，工程车的排放的尾气、钻机排放的CO2；加上在浅埋段隧道洞室潮湿或淋水或涌水。从而加快了变质岩岩石中钾矿物的风化溶解，其化学过程为：K2Al2Si6O16 + 2CO2 + 3H2O 2HCO3- + 2K+ + H4Al2Si2O9 + 4SiO2这样一来隧道排出的水为高矿化，从而使隧址区的地表水的矿化度增高。5结论雪峰山隧道浅埋段开挖后采取排
20、水措施，局部采用注浆堵水，但排水确实对影响范围内的冲沟溪流产生了较大影响，生态环境发生改变，实际排水总量远比预测值大，说明隧道开挖对围岩的性质（尤其是渗透系数）产生了较大影响；隧道排出的水，改变了隧址区地表水的水质。因此建议：1）采取防排结合措施，以尽量避免和减轻隧道开挖后隧址区影响范围内地表水的影响，做到合理防水；限量排放；2）采取野外实测或理论推算等措施重新确定围岩的渗透系数；3）隧道浅埋段勘察应加大密度；4）在隧道排水口处对排出水进行环保处理；5）隧道设计应增加施工及运营时水环境处理工程。6参考文献1 沈继方,高云福. 地下水与环境M. 北京: 中国地质出版社, 1995.2 郑黎明.隧道涌水灾害预测的随机性数学模型方法J. 西南交通大学学报,1998,33(3).3 戴塔根,刘悟辉. 环境地质学M. 长沙:中南大学出版社,1999. 4 刘丹,杨立中.华蓥山隧道排水的生态环境的问题及效应J. 西南交通大学学报,2001,36（3）.5 戴塔根,龚铃兰. 应用地球化学M. 长沙: 中南大学出版社,2005.此课题为：交通部西部交通建设科技项目资助
