隧道渗漏水处置的应用（隧道施工废水对水环境的影响分析及防治措施）

谷世平 庄燕珍 王培文中交一公局厦门工程有限公司 三明莆炎高速公路有限责任公司

摘 要：随着我国公路和隧道项目逐渐增多，隧道开挖对于周围水环境将造成一定的影响。依托莆炎高速公路三明区段文笔山1号和2号隧道项目，对于穿越水源保护区段施工所产生的废水进行水质及影响分析，并提出防治措施，旨在减少隧道施工建设对周围水环境造成的不利影响。

关键词：隧道废水;水环境;影响分析;保护措施;

目前我国公路隧道长度总计18 966.6 km[1],隧道建设必然对周围生态环境造成一定影响，例如对于水环境、大气环境及声环境造成一定程度的影响。特别当所开挖隧道穿越水源保护区、风景名胜区时，更应重视隧道开挖所带来的不利影响，并将负效应影响降低到最小。

隧道开挖对水环境的影响较大，例如在地下水丰富的地区，隧道的建设无时无刻不受到地下水的影响，也对地下水渗流场造成影响[2]。由于隧道废水水质高pH值、高SS的特性[3],若不及时进行处理就排放到周围受纳水体中，受纳水体水质将会受到影响[4]。在以往的隧道建设过程中，发生过一系列地表水及地下水环境负效应影响，其中又以隧道突水突泥灾害最为频繁和严重[5],例如，衡广铁路南岭隧道施工中发生数次涌水突泥事件，极大地延误了工期[6];回弄山隧道施工过程中累计发生10次突水突泥，并很快发展成为地质灾害[7]。针对隧道对水环境可能发生的危害，许多学者展开了有关研究，例如，方振华等[8]针对贵广高速铁路坪山隧道涌水问题，在隧道内设置抽排水系统，加强进出洞口段排水；也有学者[9]从隧道废水中的沉积物出发，研究其形成机理。

莆炎高速公路依托工程位于福建三明三元区东南部，其中文笔山1号隧道全长4 676 m, 2号隧道全长4 760 m, 隧区属中低山区地貌，地形呈波状起伏，山体多呈浑圆状，局部为尖棱状，隧区跨越东牙溪二级水源保护区及薯沙溪二级水源保护区。现对隧道项目开挖过程中产生的隧道废水进行影响分析，并提出相应措施，旨在减少隧道施工建设中对周围水环境的负效应影响。

1 隧道废水来源及分析1.1隧道废水来源

(1)隧道施工对水环境的影响主要是隧道涌水及施工场地废水造成的[10]。隧道涌水是在隧道建设施工过程中，最为常见的一种事故[11]。隧道涌水的产生主要是由于隧道为原渗流场提供了新的排泄通道，使渗流场中部分水从隧道内排出，易造成水土流失及水环境污染[12]。根据项目已有条件，本项目隧道范围内的地下水主要为基岩裂隙水和第四系孔隙水。

(2)施工人员日常生活、施工机械清洗、施工爆破后降尘及喷射混凝土等原因均会产生施工场地废水。施工场地废水主要包括车辆上路前轮胎清洗、涵洞施工时少量混凝土用水以及雨季时地表径流等。项目穿越水源保护区，对于在保护区内设置混凝土拌和站以及大型施工机械的清洗等都是明确禁止的。

1.2隧道涌水水量预测

隧道施工中，除了解隧道废水来源，对隧道涌水量进行预测也是十分重要。现对文笔山1号和2号隧道进行涌水量预测计算[13,14],分别采用降雨入渗法及地下水动力学法进行比较。

(1)降雨入渗法。

经查隧址区水文地质资料，地下水主要补给来源是大气降水及地表水的直接入渗，降雨入渗法计算见式(1):

Q=2.74×α×W×A (1)

式中：Q为隧道平常期涌水量，m3/d; α为降雨入渗系数；W为年降雨量，mm, 三明地区年平均降雨量为1 580 mm; A为地表集水面积，km2。

最大涌水量按平常期涌水量1.6倍取值，计算参数取值及结果见表1。

表1 降雨入渗法计算结果

隧道名称	里程范围	降水入渗系数	地表水集水面积km2地表水集水面积km2	平常期涌水量m3/d平常期涌水量m3/d	最大涌水量m3/d最大涌水量m3/d
文笔山1号	K218 517～K233 135	0.20	8.2	7 100	11 360
文笔山2号	K223 370～K228 135	0.18	4.2	3 273	5 237

(2)地下水动力学法。

地下水动力学法计算见式(2)和式(3):

Q=2αKBH1lnR−lnr         (2)Q=2αΚBΗ1lnR-lnr         (2)

α=π2 H1R         (3)α=π2 Η1R         (3)

式中：Q为隧道平常期涌水量，m3/d; α为隧道中心距离河流或富水断层带的水平距离，m; B为隧道通过含水层宽度，m; K为含水层渗透系数；H1为静止水位至隧道洞底之间的垂直距离，m; R为隧道涌水影响半径，m; r为隧道宽度的1/2,m。

最大涌水量按平常期涌水量1.5倍取值，以文笔山2号隧道计算为例，根据围岩性质将隧道分为6段，各段计算参数取值及结果见表2。

表2 文笔山2号隧道地下水动力法计算结果

里程范围	围岩性质	隧道通过含水层宽度Bm水层宽度Bm	含水层渗透系数K	静止水位至隧道洞底之间的垂直距离H1m垂直距离Η1m	隧道涌水影响半径Rm影响半径Rm	1/2隧道宽度Rm宽度Rm	平常期涌水量Qm3/d涌水量Qm3/d	最大涌水量Qmaxm3/d水量Qmaxm3/d
K223 370～K223 435	全～强风化二长花岗岩	65	0.1	15	80	8.5	153	229
K223 435～K223 730	中风化辉绿岩(岩脉)	295	0.08	45	60	8.5	2 522	3 784
K223 730～K223 960	中风化黑云母花岗岩	230	0.006	105	40	8.5	785	1 178
K223 960～K227 480	微风化黑云母花岗岩	3 520	微风化层，不计入入渗段
K227 480～K228 025	中风化黑云母花岗岩	545	0.006	103	40	8.5	1 803	2 705
K228 025～K228 135	全～强风化黑云母花岗岩	110	0.1	14	80	8.5	240	360
总计							5 503	8 255

同法可以计算文笔山1号隧道平常期涌水量Q=21 370 m3/d, 最大涌水量Qmax=32 055 m3/d。

对两种方法结果取最大值，文笔山1号隧道平常期涌水量Q1=21 370 m3/d, 最大涌水量Q1max=32 055 m3/d; 文笔山2号隧道平常期涌水量Q2=5 503 m3/d, 最大涌水量Q2max=8 255 m3/d。对隧道涌水量进行预测，不仅能够反映各段的涌水特征，对隧道施工起到指导性作用，对隧道涌水处理工艺设备规模起到参考，为后续各处理单元的顺利运行起到保障作用。

1.3隧道涌水水质分析

隧道掌子面施工时产生的施工废水，主要污染物包括pH值、COD、SS,并含少量石油类[15]。在隧道施工时，将会产生大量SS,并且在不同施工场地，SS含量差别较大。同时施工机械将导致废水中含有石油类污染物，混凝土注浆及支护过程中，掺入速凝剂等外加剂(为铝矾土、纯碱、生石灰按比例烧制、磨细而成),容易进入隧道涌水中，导致涌水中pH值、SS增加[16]。而隧道涌水由于主要来自山体中原有的地下水，受人类活动影响小，水质较好，其水质基本可以达到《地表水环境质量标准》(GB 3838-2002)中Ⅲ类水质标准。

2 隧道施工对周围水环境的影响分析

隧道施工不可避免地会破坏原有的自然水环境，从施工过程中常见影响水环境因素的角度，分析文笔山1号及2号隧道废水对东牙溪二级水源保护区的影响。

2.1隧道涌水的影响

项目与一级水源保护区相距较远，穿越区域的地下水环境与一级水源保护区水体、取水口不产生直接联系，隧道施工产生的部分地下水经过合理处置后进入水体环境，经过长距离水体自净后，不影响水源保护区供水功能。另外，根据该区域地质资料，所涉范围不涉及压覆矿，并且已有岩芯、隧道涌水监测结果显示不存在金属、非金属矿产元素富集现象。

工程对水源的影响主要体现在施工期隧道开挖扰动造成局部地下水量漏失，不改变地表河流供水水量，对水源保护区的供水功能基本没有影响。在构造侵入带、断层带钻进过程中，岩体呈碎裂结构，开挖后易塌方、突涌、突泥，局部存在大量地下水突涌现象，对工程安全造成影响。当地下水涌水量过大，产生的地下水无法有效收集、处理，将携带施工场地的污染物进入地表水体，污染水源保护区的水体水质。

2.2材料运输与堆放的影响

施工车辆在运输材料过程中，不免引起路上扬尘，进而影响周围受纳水体水质。本项目位于水源保护区内，若将材料长期堆放于溪流旁，经过雨水冲刷等，污染物质将进入受纳水体。因此，禁止在保护区内设置油品、水泥外加剂及其他化学品物质等施工材料的存放点。

针对材料运输及堆放产生的问题，在场地内可以设置围挡，并设置挡雨措施。堆放场地应尽量远离溪流，减少不利影响。由于筑路材料种类繁多，应针对每种材料设置对应的保护管理措施，特别是有毒有害物质，更应加强管理和防护。

2.3施工便道的影响

施工便道方便了人员及物资的运输，对施工顺利开展起到重要作用。由于施工便道上车辆运输等因素产生的污染物，可能随着道路冲洗、路面径流等进入地表水体[17]。因此，需要根据施工便道的平面布置，在施工便道两侧设置边沟，利用地形高差在低洼处设置回用水池，对施工便道的初期雨水、道路清洗用水进行收集处理，沉淀后可回用道路抑尘晒水、植被绿化等，严禁未经收集处理就直接排入地表水体。

在设置施工便道时需进行不同通行方案的比选，尽量减少对地表水环境的影响，表3为本项目穿越东牙溪蟹头段的两个通行方案比较，通过综合分析，方案二对水源保护区的环境影响较小，因此推荐采用方案二新修便道。

表3 施工场地通行方案比较

方案	方案一：改造蟹头村道	方案二：新修便道
线路长度/m	1 000	400
工程方案	拓宽村道至6 m	新建6 m宽的便道
优点	利用现有道路拓宽，现有道路已经硬化，破坏植被量较小。	距离河道较远，便道修建及施工期运输对蟹头溪的影响较小。
缺点	需拆迁民房5户，需加宽1座跨河小桥，道路主要沿河布置，道路拓宽及车辆运输对蟹头溪影响较大。	需征用林地，破坏植被。

2.4施工场地废水的影响

(1)施工场地废水包括生活污水及施工废水。生活污水主要为施工人员日常生活产生，污染物较为简单。对施工人员进行统计，可以计算出施工人员每天产生的生活污水量。文笔山隧道施工人员平均每天产生生活污水约36 t/d, 主要污染物及浓度见表4。

表4 施工人员生活污水主要污染物及浓度

主要污染物	悬浮固体SSmg/L固体SSmg/L	化学需氧量CODmg/L量CΟDmg/L	生化需氧量BOD5mg/L量BΟD5mg/L	总磷TPmg/L总磷ΤΡmg/L	总氮TNmg/L总氮ΤΝmg/L	动植物油类mg/L油类mg/L
浓度	100	250	110	4	20	50

(2)对于施工废水，主要包括车辆上路前轮胎清洗、涵洞施工时少量混凝土用水以及雨季时地表径流等，主要污染以悬浮物和少量石油类为主。若施工场地采用围挡实现封闭式管理，施工废水日常产生量较少，主要需要考虑施工场地初期雨水产生量，对初期雨水的收集处置便十分重要。利用回用池对施工废水进行处理，水质稳定后可重复利用，起到环保作用。

3 隧道涌水处理措施3.1隧道涌水处理工艺

文笔山隧道涌水采用“五级沉砂集水池-一体化高效污水处理设备-中间水池-多介质过滤器-超滤膜过滤器-清水池”处理工艺[18],见图1,处理后水质稳定达到《地表水环境质量标准》(GB3 838-2002)中Ⅲ类水质标准，可以利用回用水池对处理后的水进行收集再利用，见图1。

图1 隧道涌水处理工艺流程

隧道施工涌水自流(顺坡情况下)或通过水泵提升(反坡情况下)进入五级沉砂池，通过自然沉淀作用去除水中比重较大的无机颗粒，利用隔油池去除石油类污染物后排入集水池。进入污水处理设备，通过加酸来调整pH值，并投加PAC和PAM完成絮凝沉淀反应去除水中大部分的污染物质。

水经多介质过滤器后，进入到超滤膜处理系统，对水质进行再次净化，最后根据水质情况及实际需求，对处理后的水进行排放或重复利用。在此过程中产生的污泥排入污泥池，浓缩后污泥定期使用罐车外运处置。

3.2隧道涌水预测处理效果

本项目穿越水源保护区，对水处理效果要求较高，综合考虑涌水中主要污染物质及隧道涌水计算预测量，隧道涌水处理效率见表5。

4 其他环境保护措施4.1地表水环境保护措施

除上述对隧道涌水处理方式，项目主要对施工场地及施工便道产生的污染采取以下保护措施，以减轻隧道施工对地表水的影响。

(1)项目施工营地利用附近村庄闲置房屋，并对现有污水处理系统进行改造，设置公共旱厕。另外，餐饮生活污水设置隔油、化粪池处理，全村污水经收集后统一外运。

(2)施工场地设置围挡，施工场地外围设置截水沟，施工便道设置边沟，将施工场地及边沟的初期雨水通过排水沟集中收集，后排入回用水池，经沉淀后可以再利用。严禁施工场地内部雨水、施工便道地表径流等未经处理直接进入水源保护区，从而影响水源保护区水质。

表5 隧道涌水处理效果预测值

序号	处理设施		酸碱度pH值	化学需氧量CODcrmg/L量CΟDcrmg/L	悬浮固体SSmg/LSSmg/L	石油类mg/L石油类mg/L
1	五级沉砂池	进水	7～12	100	2 000	0.20
		出水	7～12	90	800	0.12
		处理效率	-	10%	60%	40%
2	高效污水处理器	进水	7～12	90	800	0.12
		出水	6～9	18	16	0.04
		处理效率	-	80%	98%	70%
3	中间水池	进水	6～9	18	16	0.04
		出水	6～9	18	15	0.04
		处理效率	-	0	5%	0
4	多介质过滤器	进水	6～9	18	15	0.04
		出水	6～9	12	10	0.03
		处理效率	-	30%	33%	25%
5	超滤膜过滤器	进水	6～9	12	10	0.03
		出水	6～9	6	6	0.02
		处理效率	-	50%	40%	33%
6	清水池	进水	6～9	6	6	0.02
		出水	6～9	6	6	0.02
		处理效率	-	0	0	0
排放标准			6～9	≤20	≤25	≤0.05
是否满足要求			是	是	是	是

注：SS参照《地表水资源质量标准》(SL63-94)中二级标准，即25 mg/L。

(3)施工材料堆放采取遮盖和围挡等防雨水冲刷措施，施工场地外围裸露地表及时绿化或用彩条布遮盖，尽量减少水土流失。

(4)水源保护区范围内，禁止设置混凝土拌和站、取弃土场，禁止进行大型施工机械的维修、清洗等。

(5)采用在线监测结合定期人工监测排放河流水质，并设置施工期环境监理，在涌水末端设置水质在线检测系统，连接到环保局网络。

4.2地下水环境保护措施

隧道建设将导致局部地下水漏失，并且可能对上部山体生态环境产生影响，局部可能产生突水、突泥现象。若大量地下水无法有效收集处置，可能携带污染物进入地表水体。项目采用以下地下水环境保护措施，以减少不利影响。

(1)隧道在施工过程中，利用隧道垂向高程，降低隧道大量涌水影响外部水环境的可能性。

(2)利用地质超前预报措施，在部分事故发生前，做到针对性地加固，遵循“以堵为主，限量排放”的原则[19]。

(3)隧道开挖后设置集中出水点，采用环向增设排水盲管(沟)或者敷设排水板引排至墙脚纵向排水管内；防水板背后拱墙设置环向排水带，将地下水引排至纵向排水管内。

(4)制定应急预案，当出现涌水水质超标时，应当快速准确应对，并且严禁继续排放涌水，根据不同风险情况采取防范措施以保证水源保护区的供水安全。

5 结语

(1)隧道涌水是隧道施工中影响水环境十分重要的原因，不仅会造成地下渗流场的变化，更会对隧道结构的稳定、设备正常运转造成威胁。因此需要对隧道涌水量及水质进行预测分析，尽量减少对地表收纳水体的影响。

(2)根据文笔山隧道涌水水质，制定了“五级沉砂集水池-一体化高效污水处理设备-中间水池-多介质过滤器-超滤膜过滤器-清水池”的水处理工艺，经过处理可以达到需求。

(3)隧道施工废水水质特点偏碱性且SS较高，本文从材料运输与堆放、施工便道及施工场地产生施工废水的方面进行分析，并提出相应措施，例如利用回用水池对施工废水回收再利用，提高水资源利用效率。

(4)制定环境保护措施需要因地制宜，文笔山1号和2号隧道跨越二级水源保护区，且周围受纳水体主要为溪流，若隧道施工穿越一级水源保护区或有其他特殊情况，需要根据当地情况制定相应环境保护措施，减少对水环境的影响。

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