地质灾害与环境环境
JOURNAL OF GEOLOGICAL HAZARDS AND ENVIRONMENT PRESERVATION
　1999年　第10卷　第4期　Vol.4　No.12 1999



地下工程建筑对环境的影响
苏生瑞
摘要：地下工程建筑引起的环境问题主要有岩土工程问题、供水问题、水化学问题、对植物的影响等。为了避免地下工程对环境的影响，在工程的规划、建设和运行期间应采取不同的措施。
关键词：环境；地下工程建筑；环境影响；预防措施；地下水位
中图分类号：TU9；X141
文献标识码：A
文章编号：1006-4362(1999)04-0012-06
THE EFFECT OF UNDERGROUND
CONSTRUCTION ON ENVIRONMENT
Su Shengrui
(Xi′an Engineering University,Xi′an　710054)
Abstract：The environmental effect of underground construction include those on geotechnical problems,water supply,water chemistry and vegetation.In order to prevent the effect,different measures can be applied during the period of planning,construction and operation of underground construction.
Key words：environment;underground construction;enviornmental impact;preventing measure;ground water level
　　在当今世界，由于地面空间拥挤，迫使人们在地下进行工程建筑，且某些工程，还必需建在地下。但在人们利用地下空间为人类造福的同时，又产生了一系列问题，环境问题即是其中之一。我国已经有许多地下工程建筑，随着经济的发展，将会有更多的地下工程。这些工程的建设，特别是在人口密集地区兴建地下工程，必然产生环境问题。然而，目前地下工程建筑对环境影响的研究，还未引起足够的重视。北欧是世界上最早进行地下工程建设的地区之一，也是最早研究地下建筑对环境影响的地区之一。笔者受教育部派遣在瑞典皇家工学院访问研究期间，有幸了解到这方面的一些资料，经整理撰写成本文。
　　地下工程建筑引起的环境问题，主要有岩土工程问题、供水问题、水化学问题、对植物的影响和振动、噪音、灰尘问题，以及废石的运输和堆放对工作环境的影响等。鉴于振动和噪音、灰尘问题，以及废石运输和堆放问题，对地面和地下建筑工程都会产生，本文对此不作论述。
1　岩土工程问题
　　地下工程建筑引起的岩土工程问题，有地面沉降、地基失稳、滑坡和诱发地震等。在地下工程建设和运行期间，水向其中的排泄能减小上覆岩层中的孔隙水压力，增加覆盖层中的有效应力，导致地面沉降。隧道开挖引起地面沉降的例子很多，世界上许多城市，如香港、新加坡、奥斯陆、墨西哥城等，都有由地下水位下降引起的岩土工程问题的事例。这些城市地区大多数地面以下都是松散沉积物或深风化的结晶岩。在瑞典从斯德哥尔摩到哥德堡坚硬的基岩地区也有类似实例。结晶岩中储存的地下水通常是非常少的，因此，小量的渗漏即可引起地下水位的明显下降。
　　覆盖层内渗水后使氧进入，还能造成木桩的腐烂和细菌的分解等作用，使桩的承载力有时在工程完工几个月后即明显降低。在赫尔辛基市最严重的破坏，是由房屋木桩的腐烂引起的破坏(Anttikoski等，1987)。
　　地下水退缩引起的岩土工程问题，也见于软弱基岩地区，如南非和美国等。
　　有压隧道在运行时导致水向外排泄，抬高基岩及覆盖层中的地下水位，增加覆盖层中孔隙水压力，引起天然和人工斜坡的失稳，最终会激发滑坡。瑞典、挪威和加拿大的天然滑坡，大多是由孔隙水压力所诱发的。
　　地下水位的抬高会导致地基承载力的下降、扬压力的形成、粘土的膨胀和水向地基及服务设施管道中的渗漏，从而使建筑物的稳定或正常使用条件遭到破坏。在瑞典北部和邻国，地下水位的上升使岩土的冻胀加剧，引起房屋和道路破坏。在春季，冰冻的地面消融时在土层中产生高的孔隙水压力，从而使岩土工程问题增多。瑞典19世纪在结晶岩体中建设了一条有压隧道，隧道的运行导致水从在地面上通过的铁路路基中涌出，引起冰冻破坏和稳定问题，并在Kramforsan附近激发了一次滑坡，据估计当时的地下水压力高于地面几米(Bjurstrom，1977)。
　　由于地下水位的变化，在裂隙化结晶岩石中同样会出现稳定问题，如在岩质斜坡上。从水文学角度看，水对裂隙起不同的作用，它们可能是高渗透的，或者是愈合的，愈合时可形成几乎不渗透的屏障。若膨胀粘土充填裂隙时，则会发生滑动。在地震危险区，流体压力的变化会产生断层运动。如在美国丹佛向3 671 m深处注入有毒废液，使其渗入到前寒武纪花岗岩和片麻岩中，引起的地震活动一直持续到1965年注入工程结束几年以后。
　　地下水的渗入，也能危及地下建筑的稳定性。因而，有水流入的隧道断面，一般比干燥的断面需要更多的加固措施。在日本，曾发生海水由海底突然涌入海底隧道，导致隧道沿70 m长断面的塌落事故(Fujita，1979)。1965年斯德哥尔摩Hammarby隧道的坍塌，使沙和水填满700 m长的断面，造成隧道之上的地面坍塌。当含有粘土矿物裂隙带中有水流入时，粘土矿物发生膨胀，会导致隧道稳定性降低，往往需要大规模的支护 。
2　供水问题
　　由于进行地下工程建筑，使水流入隧道或其他地下建筑物，往往可造成基岩和土层中的地下水位下降，在这些地区形成沉降漏斗，有时可危及供水。
　　美国北卡罗来纳州从一个磷矿矿井里抽取大量的水，造成3 367 km2范围内地下水位下降1.5 m以上，影响距离距矿井达65 km，使当地的供水井干涸(Peek，1969)。1925年日本建设Tanna铁路隧道造成缺水，使隧道一侧的井水水位下降区达4 km以远；1959年建成的另一条平行于老Tanna隧道的新隧道也产生地下水的入渗，使供水、稻田和地表水受到影响。
　　瑞典曾对斯德哥尔摩东南的排污隧道，进行了结晶岩地区地下工程建筑对供水影响的最全面的调查。此隧道系统长45 km，于1969年开工，1973年建成。在2 000多个观测点对地下水位进行了月观测，将总数188口井中的29口井用来研究对隧道建设的影响，结果表明，这些井中的水位都受到了影响。由于修建隧道造成7口井干涸，这些井的主人得到了建设者的赔偿。从这一研究中得出一个结论：即使有可能圈出地下水位下降危险带，也不可能预测在危险带内什么样的井、或到什么程度，某一个井会受到开挖隧道的影响。
　　Ahlberg等(1977)研究了瑞典西南部一个2.8 km长的岩石隧道。岩石为片麻岩，裂隙极为发育，上覆泥砾土、砂，且往往有厚层粘土。沿隧道的10个观察孔中有7个观测到2～3 m的水位下降。在隧道附近基岩中，地下水位下降达40 m。在隧道建成初期，隧道穿过地区地下水位下降往往最明显；然而，受影响地带在过一定时间之后，有一半仍在发展，据Byryn(1986)的研究，远离隧道所钻的井，在隧道开挖几年以后会干涸。
　　对有压隧道而言，水位下降一般仅限于建筑期内，当隧道运行时，地下水位往往会完全恢复。如果隧道中的水压比原来基岩中地下水的压力大，则地下水位可上升到比天然水位还高。Nordberg(1983)研究了瑞典中部一条输水隧道，水从Holmsjo湖通过一条8.5 km长的隧道输到Ange的发电厂，于1974年当隧道掘进通过Ljungan河时，一些井的主人要求赔偿水的损失。据观测，在隧道建筑期间，预测对泥砾土中挖的井的影响，就是井中有地下水位下降，然而在运行期间未观测到水位下降。
3　对水化学的影响
　　地下工程建设也可以直接或间接地导致地下水化学的改变，地表水的污染和其他化学影响。采矿洞的开挖在世界上引起了严重的污染。然而，在这些情况下大多数的化学破坏源于原材料设施，而不是在采矿期间挖的洞。
　　由于隧道引起的化学影响，可以是隧道建筑中使用的化学物质，也可以是地下水位的变化和地下水的流入而间接引起。
　　设备的漏油与残余的炸药，可以污染从隧道中抽出的水。Braaten(1984)指出，从隧道中抽出的水，可被机器油和岩石灰尘污染。因此，挪威有关部门，经常对地下水被抽到地表水汇水处，或公共废料系统中对油和泥浆分离箱的使用，提出严格要求。
　　灌浆使用的混凝土和化学品，可以影响隧道附近的地下水化学。灌浆要用水泥，且经常与膨润土混在一起，但是，有水泥的混合物难以灌入窄的裂隙里，所以，化学添加剂如硅胶在窄裂隙地区灌浆中频繁使用。Muller等(1985)研究了柏林地下铁路建设期间，使用具有硅胶的灌浆粘土的影响，发现在隧道系统建成两年多以后，地下水中仍存在污染效应。
　　隧道或地下建筑周围地下水位的下降，能改变地下水中的氧化还原条件。来自覆盖层的表层地下水能渗入到深层地下水中，使古地下水被置换。Shimada等(1986)研究了日本建于结晶岩中的隧道渗入水的化学变化。他们对隧道之上的地表水和渗入隧道中的水进行了化学分析，包括环境同位素如18O，氚和14C。结果表明，片麻岩和花岗岩中的裂隙内的古地下水，部分被年轻的渗入隧道的表层地下水所替换，年轻的地下水中Ca+2，HCO3和SiO2的含量较高。替换水的组成，在一到两年之内稳定在80%的古水和20%的年轻水中。
　　地下水位的下降，同样能改变氧化还原条件，氢氧化铁的氧化作用和沉淀，可以引起FeO2+含量的降低。在有机土和含有黄铁矿的基岩中，硫化物能氧化，导致地下水中硫酸盐和氢离子含量的增加(Lindskoug等，1974)。
　　在瑞典南部和中部有许多曾经在不同时期、主要在冰期之后被咸水或者半咸水淹没的地区，这些地区存在咸地下水，地下水的水位下降，能产生逐渐把咸地下水替换成具有较低盐含量的水。在瑞典南部哥德堡的Angered，隧道的建设降低了地下水位，导致盐含量的降低。但是，水位下降也能使通过咸地下水的水流增大，而反过来流入淡水水库，增加其盐含量。瑞典南部和中部地区，增加的地下水流从井水中流出时，使有些井水中的氯离子含量增加(Tilly，1990)。
　　在海岸地带的隧道，可以把地下水位降低到海平面以下，造成海中咸水的入侵。瑞典最南部Scania石灰岩中Limhamn隧道的建设，导致地下水的超常渗入，且使上覆地层和浅层基岩中200多口的民用井干涸。水位下降诱发咸水的补给，增加了地下水中氯化物的含量 。
　　此外，钻孔和钻孔排水，也能引起深部水和浅层水的混合与污染。
4　对植物的影响
　　开挖隧道可由于地下水位的变化间接地影响植物。这种影响取决于土层中水文地质条件和天然地下水位的高度。水的条件是控制植物生长的一个最基本因素，然而，植物生长通常不取决于地下水，因为根系既需要水分又需要氧气，而且往往是在浅层土中扩展，因而非饱和带中土壤水分的多少更为重要。但是，含有较多毛细管水的土层，如淤泥中地下水位的下降，影响非饱和带中水的含量，引起干旱季节植物生长所需水分的短缺。
　　最明显的危险区，是那些具有高地下水位的地区，在这些地方，植物已经适应了季节性的潮湿条件，如泥炭地，因此，主要从周围吸收水分的沼泽地，比主要依赖直接降水的泥炭地里的植物，对地下水位的变化更加敏感。
　　Florgard(1978)研究了瑞典的城市化对植物的影响后认为，地下水位的下降只有在特殊条件组合下，才会产生严重的破坏，如植物生长期间的过高地下水位，具有低保持水分能力的土层如卵石和沙中地下水位的小的起伏变化等。其他的危险地区是山坡，在那里水中的含氧量很高，流动快，在这样的地区，树木能周期性地通过根系直接从地下水中吸收水，所以，在这种特殊环境下，地下水位的下降能造成植物生长的变化。Florgard等(1977)的研究表明，这种变化从草场开始依次发生，且在几年之内都能观察到。在潮湿地带，地下水位下降能起到正面作用，如加快树木的生长。所以，瑞典对许多潮湿地区已经采取了排水措施，以增加森林产量，而且也是为了农业的增产目的。
　　在具有承压水的粘性土中，草木通常不利用承压水，水位下降对植物没有危害。相反，上部粘土层中水的含量，更依赖于其他因素如干壳形成之后的浅层排水。
　　地下水位的上升，如在有压隧道运行期间，对植物来说更为有害，根系能被浸没，造成草木窒息死亡。在地下水位上升期间，特殊情况下，离子能溶于土壤中的水中并富集，这对植物会造成直接危害。还原的铁离子和硫离子的有毒聚集，甚至可在几天之内产生(Bessel等，1957)。
　　地下水位的上升，对潮湿地区植物造成的影响是缓慢的，在草地要经几年以后才能观察到，而对原始林区则要几十年后才能观察到。但是，地下水位微小变化造成的影响，很难与其他原因造成的影响相区别。
5　对环境影响的控制措施
　　为了避免地下工程对环境的影响，在工程的规划、建设和运行期间应该采取不同的措施。
5.1　规划阶段
　　为了避免产生环境问题的最好办法，是选择一条不可能发生较强烈的地下水渗漏的隧道线。为此，必需进行全面的现场调查，由此而可以对构造带的位置、基岩面高程、基岩和覆盖层的水力学性质，以及其他重要因素加以评价。在地下工程建设开始之前，沿隧道线也应该进行建筑物对振动的敏感性调查。同时，作为在隧道施工之前的一种管理措施，一般要在沿隧道线方向布置钻孔进行地下水位观测。在斯德哥尔摩、哥德堡和赫尔辛基，地方当局在成千上万的点进行着定期观测。这种地下水位的参考测量，在这几个国家中都是定期完成。瑞典地质调查局，负责瑞典的地下水管理区。沿隧道线的地下水位定期观测工作，应当至少在开挖工作开始之前一年或几年之前就开始。
5.2　建设阶段
　　在隧道建设阶段，可以沿隧道线采取不同措施以避免对环境的影响。在表层开挖隧道，特别是在松散风化的岩石或土中，可以用“随挖随填”法。因而，临时性或永久性的排水，可以通过抽水来解决。然而，由于地下水格局的变化，预排水可局部地对供水产生影响，而由于地面沉降可对基础产生影响。仅在隧道线附近的排水可不考虑渗透，这样可使排水范围减到最小。在城市和其他敏感地区，有时排水与防渗墙的建设相结合，以维持墙外的地下水位。在隧道建设期间，可以采取不同措施以避免水的流入，如使用压缩空气，或灌入不同材料等方法使地下水冻结。
　　压缩空气的使用，一般限于均质土或软岩。然而，如果压力太大，会导致地下稳定问题。太高的压力能产生气沟效应，使空气排到地面，有时会造成灾害。例如，应用压缩空气在纽约East河及Hudson河下面开凿水下隧道时，吹出了一个穿过河底的孔，造成水的涌入和生命损失。
　　在坚硬的结晶岩中，防止渗漏常用的方法，是把不同材料注入裂隙中。但是，由于岩体的非均质性和各向异性，要完全使隧道变干是非常困难的。可以选择在混凝土层之间加塑料布，从而成为防水隧道(Haack，1988)。灌浆本来是用于加固岩体的，但也可以起到防水作用。
　　在不允许有地下水位下降的地方，如水压面下降能造成地面沉降的地区，可以把水渗到原有的土层中，使通过隧道的水的损失得到补偿。土层中的渗透管道，在瑞典许多城市中常常用来恢复地下水位。斯德哥尔摩西南部的Botkyrka，通过水管以每秒渗入3 L的水量就能控制1 km2范围内的地下水位。虽然，在有些地方曾出现过渗水管和钻孔的堵塞，但在大多数地方，这种方法是非常成功的。
　　由于难于重新填满在隧道开挖期间排了水的岩体中所有的孔隙，Janelid(1970)提出在隧道开挖之前就应该进行渗水。在斯德哥尔摩西南的Kista地区，研制了对一条250 m长的隧道，通过20～50 m长的钻孔向许多方向进行渗水的方法。隧道被通过一个钻孔从地表充水。渗水隧道是在该区20世纪70年代开始开发前建设的，Ejerholm等(1982)认为此隧道作用发挥很好，避免了比实际渗入区大10倍的影响区(也是一个构造带)内地下水位的下降。在哥德堡向隧洞的渗漏曾经导致了地下水位的下降，而通过人工向被粘土和砾石土充填的基岩表面的一个囊形洼地内注水使其得到了补偿。
　　当然，如果注入的水和天然地下水有明显的不同，水向原有的土层和岩石裂隙的渗入可以影响地下水的化学条件。由于从隧道渗漏的水具有高的粘粒含量，应尽量避免把这种水用作注水的水源，以减少堵塞的危险。
5.3　运行阶段
　　在隧道建设完成以后，对地下水位的测量通常要延续一段时间，要达到恒定条件的时间往往要一年以上。隧道的间接影响如地面沉降，可以持续10余年。因此，据Sjoberg等(1986)对斯德哥尔摩隧道附近地下水位的测量，一般在保用期间(通常是在隧道完工以后两年)继续进行。
　　如果隧道在基岩中要起到永久的排水作用，人工补给地下水位有时必需继续。泥或矿物沉淀物的渗入，会使管道或钻孔发生堵塞，降低渗入速度，但是，在斯德哥尔摩和哥德堡地区安装的许多渗入设施，似乎在很长时期内仍运行良好(Sjoberg等，1987)。
　　有压隧道附近的地下水位必需进一步测量，特别是水压面上升到原始水位或者地表以上时。这种隧道中水流的变化，往往能影响周围的地下水位(Nordberg，1983)。
作者简介：苏生瑞，男，36岁。副教授。成都理工学院工程地质研究所，博士研究生。任职于西安工程学院，从事工程地质与岩土工程的教学与科研工作。
作者单位：苏生瑞　西安工程学院水工系，西安　710054
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收稿日期：1999-06-10
