公路隧道具有减少阻挡视线的基础设施和噪音污染等环境影响的能力,在越来越多的道路设计中,选择隧道是一个更好的方案。然而选择隧道也会产生一些影响,有些影响甚至很严重。尽管出台了许多政策试图去控制甚至减少交通量,但预计在未来的数年交通量仍将持续增长,因此研究道路交通量引起环境问题必将引起人们的重视。
PIARC隧道协会深入系统地调查隧道空气污染现象得出:
实际上,考虑空气污染,选择相应的通风系统决定于隧道中尾气空气的位置和流量。通常有效的发送局部污染物浓度的目标值比选择更为复杂的通风系统更能达到通风系统控制的营运状态和空气质量的设定值。
道路交通和车辆排放物形成了严重的环境问题,尤其是在隧道这样的密闭空间中。这些排放物以各种各样的污染物形式呈现,当浓度过高时能够造成严重的影响和后果。PIARC隧道协会按照惯例需要评估在隧道内由车辆引起的排放物和空气质量。带着这个目的,常用的模型理论需要审核,相关的空气质量标准需重新定义以及描述其存在条件需重新分类。测量和模拟污染物的浓度与空气质量的标准相比较。最后,在隧道内部管理中提出减排措施以确保在隧道内有一个适当的空气质量(详见第8.5节)。
由于车辆的散热,尤其在热带国家,周围的温度已经高出隧道外面的温度很多了,因此在特长隧道中,隧道内的空气温度可能是一个非常重要的环境问题。在这种情况下,在自然通风下隧道内摩托车和小汽车驾驶员可能遭受到无法接受的空气温度。解决这种过热的隧道空气温度通常采取机械通风的方式,有时也通过向隧道内洒水,即利用隧道内的潜热使水蒸发来冷却隧道内的空气。
从隧道某处排放物分散开来影响空气的质量是在一个相对较短的距离内,然而,相邻的道路网对环境影响更为广泛。因此隧道空气质量应该在隧道两端口外面(道路网的一部分)被检验(详见第5.1节)。
其他重要的环境问题是噪音和震动。噪音污染伴随着建设阶段就有的环境公害,因为高噪音水平是经常发生的。加之高容量交通工具运行产生高噪音超过了允许水平。越来越多噪音成为了一个邻近道路旁的严重毒瘤问题。
在规划和建造过程中,噪音减排的策略已经是建立已久的标准程序。使用多种措施从源头上消除噪音,使用特别的吸收噪音的路面能够减小噪音,隔音屏障和其他综合装置变得越来越有效率以及使用改进的施工机械能够减小产生噪音和震动(详见第5.2节)。
如同其他基础设施一样,水是隧道生命周期内另一个而不得不考虑的影响因素。地表水和地下水在隧道建造之前和建造期间应该做出详细的调查。至少选择有害的路线和结构单元来改变水流模式和途径,从而获得最少的干扰。通过阻断水流这种方法修建基础设施已经成为一个越来越重要的课题。很多研究被开展起来,目的就是研究在隧道周边的水文区域对基础设施的影响和怎样去减小这种影响。另外在建筑材料使用期间由于渗漏产生的水污染,可以减少使用以这种方式设计的容器,从而排除渗漏(详见第5.3节)。
隧道的设计人员和管理人员的最终目标是从功能和环境观点上实现可持续的运营,这意味着要保证一个合理的安全水平和尽可能减少环境的影响。不同的因素是为了提高隧道可持续性运营而被考虑和分析的(详见第5.4节)。
本章是C4委员会4个成员于2008-2011年完成的,具体如下:
在公路隧道领域,传统认为空气质量与隧道内部交通工具排放的尾气浓度水平有关。实际上,一个隧道外部污染物的浓度对人们也是有害和令人烦恼的。这种污染物浓度根据复杂的机理,如速度、风向和周边的地形等快速的从洞门或者排气井扩散到周围环境。因此,当交通强度增加或隧道建在市区时,隧道洞门和其他排气点附近的空气质量必需引起人们的关注。
一般而言在相同的位置上面,有隧道的公路上空比没有隧道公路上空的空气质量要好。然而在洞门和排气井旁,污染的空气在纵向和横向空气流动在交通或通风系统的活塞效应作用下自由排放。在隧道洞口和排气进附近的本底浓度和其他来源的污染物浓度已超过官方给出的最大水平数值。在这种情形下,提高隧道附近空气质量的措施必须采取,措施可能包括土木或者机械工作,隧道周围土地使用计划等。大部分可能采用基于改变运行措施如改变通风系统等。
PIARC隧道协会已经出版了2008R04的技术报告《公路隧道:优化空气质量对环境影响的指南》,该指南着眼于与隧道相关的外部空气质量,通过改变交通工具的排放量和改变隧道周围空间位置分布。指南认为各式各样设计和运行有利于减轻隧道对周围空气质量的影响:从选择一个隧道最优位置,到坡度、通风类型、空气排放管理、交通管理、隧道维护和污染物排除技术等。
噪音通常被认为是带给人类感官不舒服的重要危害之一,它严重影响着市区的环境。因此,在隧道设计中噪音应当被考虑进去,尤其是那些在隧道洞口和排气孔附近有一个噪音集中区的地方。
交通产生的噪音对隧道而言还不具体,地下基础设施通常情况下对声环境有着积极的影响,但对于那些在隧道洞口附近的建筑物就是一个具体的问题。在大部分发达国家,噪音影响的研究实施在隧道旁的每一个基础设施(或者重大维修设施)。
交通噪音是影响隧道周围环境的重要根源。在隧道内部的交通车辆的噪音一部分经过隧道衬砌反射到洞门变成了噪音源。在特定的条件下,隧道洞口的噪音水平高于相同情况下开敞部分的噪音。然而,这种影响只对位于隧道洞口附近的那些声接收器相当重要,隧道洞口的噪音水平迅速消失,因为噪音来自开敞的部分交通车辆产生的噪音的当时影响并通过隧道衰减。
由隧道基础设施建设引起的噪音源很大一部分是有通风系统引起的,吸收井的横向或纵向通风的风扇和流动的空气在通风井的进出口可能产生明显的噪音,在某些情况下当噪音标准设置较低时,它们不得不具备这种功能即使在晚上也如此。利用优化通风系统的控制可能会作为减小噪音的一种途径,但这可能只会取得有限的效果。
最有效的解决办法是将这些问题在设计阶段就解决掉,大部分显著的噪音受区域性限值,例如尽可能的使隧道的进出口远离附近的建筑物,这样一来隧道的造价就会明显升高。空气的速度应当被限定在一个相对低的数值,缩减隧道进出口的巷道尺寸所产生足够大的噪音。另外,在通风装置外部安装消音设备可减少由风扇产生的噪音。
在纵向通风情况下,由风扇引起对环境的噪音基本有所缓和。一方面,喷气式排风扇不应当距离洞门太近,为了最大效率的将排风扇产生的噪音由交通噪音稀释;另一方面,消音器通常能够使隧道内的风扇声音维持在一个可以接受的水平,然而,对于这些特别灵敏的装置,选择一个特殊的设计或者运行措施是非常必要的。
公路交通产生的震动几乎是一个不太关注的问题,不像铁路隧道由火车产生的震动噪音那么大。一般情况下公路噪音较小,除了超重型交通工具进入。另外一个振动源是风扇,这就应当细致的平衡风扇引起的额外震动。然而,在环境中风扇的震动一般情况下是不易感知的。它的影响主要是机器本身和它的使用寿命。喷气式风扇可能会成为一个有利的问题,例如,它可以降低部分从隧道顶棚上传下来的震动。喷气式排气扇的震动式发动机的可靠度和安全性很关键。
震动在建设阶段是一个麻烦的问题,尤其是在爆破施工中更明显。隧道建设和相关环境措施在PIARC委员会制定的规范之外的内容,特别推荐参考已出版的ITA。
水的质量对公路基础设施在正常运行期烃类渗漏,轮胎的磨损和偶然情况下大量的污染物溢出都很重要。
一个隧道的存在不是能解决所有问题的,像任何一条公路一样,在排放到环境之前的水都要经过过滤和除污的处理。对于一些特殊隧道还需要设置水的管理系统。首先,隧道需要定期清理,对于城区交通量大的隧道尽可能每个月清理一次。这些净化产品里产生了大量的污水。另外,允许危险物资运输的隧道一般安装有特殊的导流槽以便限制路面上的易燃物到处传播。即使偶然的渗漏发生,污染液体在导流槽的流动率要比常规路面上流动的要快,水的管理系统应当能够处理这些流动液体。
图5.3.1 : 在建隧道段内进水
每一个挑战性的问题都是跟隧道建设阶段敏感环境所遭受的水资源相联系,例如,建设处流出的混浊液体,应当采用适当的措施。在某些情形下,他们对建设工作是强制性的约束和增加了成本。关于PIARC委员会在隧道建设中有关未尽事宜,推荐读者查阅ITA的详细论述。
像隧道这种基础设施在它的生命周期内,水在另一方面的影响也必须加以分析。
大部分隧道建设对水(或水对隧道)的影响是发生在建设阶段,但是有一部分是在运营和维修阶段产生的,故要特别注意在隧道规划和设计阶段,杜绝不利因素,注意造价和其他的影响因素。在隧道建设之前和建设中对地表和地下水的详细勘察是必不可少的,最有效的选线和结构单元,尽可能少的打断或更改地下水流的方式和路径。
理论上隧道是不允许渗漏的(在水的允许进口和充满水压力的衬砌上)。实际上大部分隧道在建设阶段渗漏和在运营阶段半渗漏,如图5.3.1所示,在隧道进口处设计的是不渗漏。
图5.3.2 : 水流穿过渗漏的玄武岩层
隧道没有衬砌(或者具有渗漏的衬砌)进水口是非常重要的,如图5.3.2所示水流从一个渗漏的玄武岩层流进隧道。
建筑设施使地下水位下降的议题变得越来越重要了。这个影响通常在隧道运行阶段结束,虽然具有一个供水井一直注水,然而地下原始水位不断的持续下降。
图5.3.3 : 排水流和石灰中氢氧化钙沉淀在隧道的衬砌上.....................................图5.3.4 : 类似的影响发生在建设节缝处
水进入隧道能够溶解在混凝土石灰中自由的氢氧根离子,在排水系统中变成越来越多的碱性并释放出固体沉淀物,这种影响经常发生在排水系统过期的旧隧道里。图5.3.3表明了排水流和石灰中氢氧化钙沉淀在隧道的混凝土衬砌上 ,图5.3.4类似的影响发生在建设节缝处。
当前国际趋势是要求公路运营者和公路当局促进一个对公共公路建设和运营的有效使用能源和采用可持续发展的方法。
PIARC委员会以提高隧道运营效率为目标,降低运营成本,减缓环境影响为目的,已出版了几个相关报告。
可持续隧道运营的理念将是PIARC委员会即将到来的下一届工作周期(2012-2015)的一个基本议题。