深層隧道排水系統(tǒng)的探究

1、深層隧道排水系統(tǒng)的探究摘要：隨著城市規(guī)模的不斷擴大，對城市排水系統(tǒng)排水能力的要求越來越高，深層隧道排水系統(tǒng)憑借其自身的優(yōu)勢，近年來在城市排水規(guī)劃中的應用越來越多。本文以國內外典型深層隧道排水系統(tǒng)的工程為例,總結了其在城市防洪排澇和控制溢流污染方面的應用，分析了其與其他排水系統(tǒng)相比的優(yōu)勢以及需要考慮的問題，最后針對國內深層隧道排水系統(tǒng)的建設提出了一些實質性的建議。關鍵詞：深層隧道，排水系統(tǒng)，防洪排澇，控制溢流污染Abstract: With the continuous expansion of city scale, urban drainage capacity of the drainag

2、e system have become increasingly demanding, Deep Tunnel Drainage System，with its own advantages, in recent years in urban drainage has been used more and more. In this paper, taking the typical home and abroad Deep Tunnel Drainage System projects as examples, summarizes its application in city floo

3、d control & drainage and Combined Sewer Overflow Pollution, analyses its advantages compared with other drainage system as well as the problems, finally according to the construction of deep tunnel drainage system some substantive Suggestions are put forward.Key Words: Deep Tunnel; Drainage Syst

4、em; city flood control & drainage; control the Combined Sewer Overflow Pollution1.前言1.1城市排水現(xiàn)狀當前社會城市的發(fā)展速度越來越快了，但是與之相對應的一些城市基礎服務配套設施卻并沒有隨之發(fā)展起來，比如當前在城市中常見的一些因為雨水而導致的內澇災害時有發(fā)生。近五六年來，城市內澇近一直是困擾中國大城市的難題，且不說看得見的交通癱瘓等問題，其還能引發(fā)下游水體溢流污染等次生災害1。頻繁的內澇已經(jīng)給城市敲響了警鐘，隨著相關政策文件的出臺2，國外先進理念和措施得到普遍認同，其中深層隧道（簡稱深隧）排水技術引起了廣

5、泛關注。隨著廣州市開始開展深層隧道方面研究3，編制廣州市中心城區(qū)深層隧道排水系統(tǒng)對策研究，以及“東濠涌試驗段工程”的開始施工，“深層隧道排水”技術作為緩解中國內澇問題的一種手段開始逐漸被大眾熟知4。1.2深層隧道排水系統(tǒng)系統(tǒng)分類從功能和運行方式的不同，排水深層隧道有以下分類。（1）根據(jù)控制目的及功能，隧道類型主要分為：污染控制隧道，收集合流制溢流污水、兼顧分流制雨水徑流；洪澇控制隧道，收集、調蓄雨水徑流及截流、接納上游洪水；多功能雨洪隧道，同時實現(xiàn)洪澇控制、污染控制、交通等多種功能。（2）根據(jù)運行方式，隧道類型主要分為：用于污染控制的調蓄處理式隧道、用于洪澇控制的直接排放式隧道和調蓄排放式隧道

6、。系統(tǒng)組成隧道主要由以下6個部分構成：主隧道；銜接設施：進水口結構、豎井、垂直彎頭、連接隧道；通風系統(tǒng)：注入新鮮空氣、排除經(jīng)處理的臭氣；出口設施：末端排水泵站、處理設施；控制中心：對隧道系統(tǒng)的連接點和泵站實行24h監(jiān)測；底泥清洗。其中銜接設施是連接現(xiàn)有管道系統(tǒng)、地面設施、溢流口、積水點和主隧道的配套設施，如圖1所示。圖1 隧道銜接設施構造示意圖應用原則深層隧道的應用主要應符合以下的原則：1）方案比選應遵循綜合性原則，因地制宜。隧道一般都設置在地下管線復雜、傳統(tǒng)的雨水排放和存儲設施不具備空間條件以及洪澇或CSO（合流制地區(qū)的溢流）污染問題突出的老城區(qū)和中心城區(qū)。2）遵循重力排水優(yōu)先，自排減少抽排

7、原則。利用自身豎向條件重力排水，節(jié)省能耗，開辟了新的排水隧道，對下游水體水位影響較小。3）淺層排水與深層隧道相結合。深層隧道和淺層系統(tǒng)結合起來，可以提高排洪能力、較好的解決水浸、污染問題。4）新建隧道與原有系統(tǒng)合理銜接。新建隧道與原有系統(tǒng)（檢查井、排水干管和支管、溢流口等）和配套設施（豎井、污水廠、泵站）的合理銜接，以最大程度的緩解洪澇和污染。5）多方案多功能。投資大，使用頻率低，應盡量結合交通、排澇、污染控制等發(fā)揮多功能的目標。2.國內外深隧排水系統(tǒng)的建設在國外，深層隧道排水技術已經(jīng)應用多年，且有更為廣泛的用途。本節(jié)從不同用途方面出發(fā)，通過引舉國內外經(jīng)典工程案例，對深隧排水系統(tǒng)的應用做以介紹

8、、啟示。2.1引流排放，避免城市內澇城市排水規(guī)劃要具有前瞻性，為未來變化留有余地，但現(xiàn)實往往不盡如人意。由于全球氣候變暖導致的海平面上升和氣候異常，暴雨和洪水的侵襲更加頻繁，加上中國的城市排水標準較低，引發(fā)城市內澇在所難免5。這時深層排水系統(tǒng)可以作為淺層排水系統(tǒng)的補充，提高城市防洪排澇標準6。典型城市有墨西哥城、東京和香港。墨西哥城深層隧道排水系統(tǒng)墨西哥城是墨西哥合眾國的首都，位于墨西哥中南部高原的山谷中，海拔為2240m。墨西哥城面積為1500km2，人口達1800多萬，平均降雨量為748mm。墨西哥城始建于公元前500年，是美洲較古老的城市之一，由于地處中央高原墨西哥谷地，四面環(huán)山，特別容

9、易遭受“水患”。該城市最早的排水系統(tǒng)是按雨污合流制形式建成于20世紀初，管道總長度達1.4萬km。由于收集的雨水、污水最終通過Gran Canal（大排水渠）利用重力流將城市雨水和污水收集排出城外，為早期城市防洪排澇發(fā)揮了重要作用。但由于墨西哥城大量抽取地下水而造成嚴重地表沉降（年平均沉降0300mm），使得修建于地表淺層的Gran Canal嚴重錯位，無法維持建設時的坡降，到1950年，其中有20km長的管道已經(jīng)完全失去了原有的坡度，使得Gran Canal的過流能力由原來的90m3/s銳減至12m3/s。當局不得不對Gran Canal系統(tǒng)進行改造，通過增設抽水系統(tǒng)來改變因不均勻沉降形成的

10、逆坡現(xiàn)狀7。隨著對當?shù)氐牡乇沓两祮栴}作進一步的深入分析，認為墨西哥城要徹底解決這個問題，必須要重新建立一套免受地表沉降影響的“深層排水系統(tǒng)”。1967年啟動了名為“深層隧道排水系統(tǒng)”的總體規(guī)劃，一期于1975年建成并投入運行?！吧顚铀淼琅潘到y(tǒng)”由中央隧道和截水隧道兩部分組成，全部敷設在地表30m以下，采用泥水盾構施工方法。中央隧道直徑為6.5m，長為50km，設計過流能力為220m3/s，是將墨西哥城雨水和污水排出城外的主要通道，承擔了整個城市排洪納污功能。截水隧道由呈支狀分布的9條總長約154km，直徑為3.15.0m的隧道組成，主要負責及時將區(qū)域內的雨洪及污水收集并排入中央隧道。但由于人

11、口增長（由1960年的512.5萬增長到2000年的1794.6萬）和服務范圍的擴展（由1970年的683km2擴大到1990年的1295km2），1975年建成的“深層隧道排水系統(tǒng)”已滿足不了需求，特別是雨季過流能力不足，導致城市內澇頻發(fā)，為此提出了“東部隧道”工程。該工程由長63km，直徑7m，埋設深度超過200m的“東部隧道”（East Tunnel）和埋設深度在150200m的24條進水道組成，排水能力為150m3/s，是目前全球在建的最大城市深層隧道排水系統(tǒng)，將與中央隧道互為備用，進一步提高城市排水能力。中國有些城市地面沉降也很嚴重!地下管網(wǎng)錯位不可避免，只不過情況難以檢測。一些建筑

12、密集、地下管線復雜的老城區(qū)，淺層排水難以有大的改善。針對這些情況，深層排水系統(tǒng)可作為有利補充，加大排水效力8。東京深層排水工程東京作為日本的首都，是世界上較大的城市之一。面積為2187km2，人口達1332萬。屬溫帶海洋性氣候，年平均氣溫為15.6，年平均降雨量為1800mm。由于特定的地理環(huán)境，除了地震以外，臺風和暴雨帶來的洪水是最大的威脅。特別是近幾十年，全球變暖造成海平面上升和氣候異常，給日本這個島國帶來的影響尤為明顯。當短歷時超常降雨出現(xiàn)時，帶來的洪水超出河道正常排澇能力，引起積水倒灌，城市內澇9。但分析表明，東京范圍內大大小小的河流中，最大的江戶川河道寬闊，具有足夠的泄洪能力。因此，

13、如何提高其他河道的洪水容納能力，并及時通過江戶川排入東京灣，是解決東京洪水問題的關鍵，也是深層隧道工程建設的初衷10。該工程全長6.3km，下水道直徑約10m，埋設深度為地下60100m，由地下隧道、5座巨型豎井、調壓水槽、排水泵房和中控室組成，將東京都十八號水路、中川、倉松川、幸松川、大落古利根川與江戶川串聯(lián)在一起，用于超標準暴雨情況下流域內洪水的調蓄和引流排放，調蓄量約為67萬m3，最大排洪量可達200m3/s。在正常狀態(tài)和普通降雨時，該隧道不必啟動，污水及雨水經(jīng)常規(guī)、淺埋的下水道和河道系統(tǒng)排入東京灣，而當諸如臺風，超標準暴雨等異常情況出現(xiàn)，并超過上述串聯(lián)河流的過流能力時，豎井的閘門便會開

14、啟，將洪水引入深層下水道系統(tǒng)存儲起來，當超過調蓄規(guī)模時，排洪泵站自行啟動，經(jīng)江戶川將洪水抽排入東京灣11。中國的防洪規(guī)劃還主要針對流域，防洪和排澇之間難以銜接，這也與中國水利和市政兩專業(yè)一直嚴于區(qū)分有關12。東京的深層排水工程將淺層排水系統(tǒng)與外圍河道有效連接，值得中國借鑒。香港港島西雨水排水隧道1）現(xiàn)狀：香港山多平地少，海洋性氣候、高降雨量、位于低洼地區(qū)、老化的排水系統(tǒng)不能滿足當前洪水預防標準，所以極易發(fā)生內澇災害。2）方案：在半山修建港島西雨水排放隧道，從半山區(qū)上游流域攔截雨水，直接排放到海洋，從而減少雨水流向下游低洼地區(qū)。利用自身豎向條件重力排水，節(jié)省能耗，見圖2。圖2 港島西雨水排放方案

15、示意3）規(guī)模：主隧道長度為11km，隧道直徑為6.257.25m；有34個入口設施，在數(shù)碼港有一個出口；主隧道采用雙重盾構隧道挖進機。4）效果：項目于為2007年11月動土，共投資207億元。雨水截取和排放到數(shù)碼港附近的海域，減少流向上環(huán)、中環(huán)、金鐘及灣仔等下游地區(qū)，整個香港島北部洪水問題得到緩解。2.2減少溢流污染，改善河湖水質城市都是緊靠水源地發(fā)展起來的，上游取水下游排水，無一例外。但是隨著城市人口膨脹，城市污染負荷加大，雨季合流制排水管網(wǎng)極易發(fā)生溢流，污染附近水源，當水體已經(jīng)無法利用自凈能力消化排放的污水，水質就會急劇惡化，這點在老工業(yè)城市尤為明顯13。例如倫敦、芝加哥和上海，利用深層隧

16、道的儲水能力減少溢流污染，挽救了當?shù)厮h(huán)境。倫敦深層隧道工程英國首都倫敦屬溫帶海洋性氣候，年平均降水量為1100mm，人口密度為5285人/km2。倫敦的排水系統(tǒng)自150多年前建造開始，隨城市發(fā)展一直在進行管道擴容和污水處理工藝的升級，維多利亞時代的下水道只占目前灌渠的不到1%，主干管總長接近81000km，即使是這樣，隨著城市擴張，服務人口和面積的增加，按6.5mm降雨強度設計的合流制系統(tǒng)在2007年時只能承受2mm的雨強，導致泰晤士河溢流頻繁，水質污染嚴重，對于城市景觀面貌十分不利，故2007年倫敦政府通過“雨污分流”、“可持續(xù)性城市排水系統(tǒng)”和“泰晤士隧道”3種方案論證，最終確定了深層隧

17、道工程。該隧道總長35km，直徑為6.57.2m，埋深為3575m。建成后溢流次數(shù)將由原來的60次/年減少到4次/年，有效地提高泰晤士河流域的水環(huán)境。芝加哥隧道和水庫方案芝加哥是美國人口排第3位的大都市，屬于濕潤的大陸性氣候，四季分明，年平均降雨量為910mm，大部分降雨以強烈夏季暴雨形式發(fā)生14，每年暴雨約有100次，合流制污水最終溢流至密歇根湖，導致作為芝加哥地區(qū)水源地的密歇根湖受到污染，污水還會倒灌至住宅和商業(yè)區(qū)的地下室內15。因此，1972年芝加哥市采取隧道和水庫方案（TARP）將51個社區(qū)共971.5km2劃入服務范圍16。TARP由4個獨立隧道和隧道下游3座大型水庫組成。第1階段是

18、4條隧道的修建，主要目標是控污17，能夠把數(shù)百個排污口排放的870萬m3合流制溢流污水收集起來。此工程于1975年開始施工，2006年4條隧道完工并運行。第2階段的主要目的是控制內澇，1998年已完成奧哈拉水庫的修建。據(jù)統(tǒng)計，水庫已經(jīng)為其服務的3個社區(qū)減少洪澇損失2億5千萬美元。另外2座水庫正在建設中。3座水庫完工后，TARP的儲水量將高達6600萬m318。雖然還沒有完全竣工，已經(jīng)顯著改善了芝加哥河等水道的水質，河岸可供垂釣的魚種回到之前水平，并帶動了旅游業(yè)的發(fā)展19。倫敦和芝加哥均是因為將水體作為水源或是城市景觀進行規(guī)劃，故對水體環(huán)境提出了更高要求。以中國目前的發(fā)展水平，從發(fā)展的眼光看，目

19、前的規(guī)劃建設深隧系統(tǒng)可以結合防澇與排污、蓄水等功能，部分工程可以分期建設。上海蘇州河南岸調蓄隧道1）現(xiàn)狀：歷年降雨資料統(tǒng)計一年中大到暴雨的次數(shù)約為4755次，其中對河水有明顯影響的次數(shù)約為28次。已建排水系統(tǒng)大部分為合流制，排水標準為0.51.0年，設計綜合徑流系數(shù)0.60.8.2）規(guī)模：隧道直徑為6.3m，隧道長度為3000m，埋深為-20m以下。3）運行模式：汛期時，隧道的主要功能是截流、存貯和輸送雨水；非汛期時，可以考慮將隧道作為地下人防設施或倉庫使用，從而充分發(fā)揮經(jīng)濟、社會效益。4）投資估算：直徑6.3的隧道單位造價為3.5萬元/m。5）效果：蘇州河溢流次數(shù)降低到5次/年，年溢流量也由

20、1600萬m3相應減少到367萬m3；減少CODcr污染負荷4188t。2.3多功能雨洪隧道適用范圍為兼顧污染控制、洪澇控制及緩解交通多種功能的區(qū)域；運行方式有調蓄式和直接排放式；隧道一般位于河道下方及地表。典型案例為廣州市仍在規(guī)劃試點階段的中國首個地下40m深層排水隧道網(wǎng)絡。1）現(xiàn)狀：廣州中心老城區(qū)的排水系統(tǒng)標準較低，83%的排水管道設計標準為“一年一遇”，有些甚至是半年一遇，僅9%的管道標準達到“兩年一遇”，降雨量過大時很容易發(fā)生內澇。2）方案：深層隧道建設將主要在廣州中心老城區(qū)，整個深層隧道將修建“一主七副”8條深層隧道，廣州老城區(qū)的排水將采取的是淺層排水和深層隧道相結合的排水方式。3）

21、運行模式：旱季和小雨時，深層隧道作為部分污水輸送通道；中等雨量時，深層隧道系統(tǒng)發(fā)揮調蓄治污功能；大暴雨時，深層隧道系統(tǒng)發(fā)揮防洪排澇功能。4）效果：總投資為250億左右。深層隧道建成后，司馬涌、西濠涌、東濠涌、沙河涌、獵德涌、深涌流域內及廣園路渠箱等排水干渠排水標準提高到（市政）10年一遇排水標準。3.深層隧道排水系統(tǒng)的應用分析3.1深隧排水系統(tǒng)的優(yōu)勢1）占地面積?。荷顚铀淼纼H僅為跌水井及檢查井處有地面構筑物，深層隧道洞主體為深埋地下4050m處，與現(xiàn)狀建筑基礎避開?；緹o拆遷，可以充分利用地下空間，大量減少拆遷，并顯著提高城市排水主渠道的行洪能力。2）施工影響小：由于隧道深埋在地下，較少地面沉

22、降及對地下水體的影響。相較于傳統(tǒng)大開挖或支護樁等形式的施工方式對環(huán)境相應亦少很多。且能回避淺層軟弱土層。深處開挖隧洞結構安全性佳及工程支護費用低。3）造價和維護費相對較低：深層隧道建設與雨污分流淺層排水系統(tǒng)改造相比，深層隧道的投入產(chǎn)出比更合理，并用“性價比高”來形容深層隧道。相對于實施雨污分流改造，在城市人口密集區(qū)建設深層隧道造價相對較低。據(jù)測算，以廣州東濠涌流域整治工程為例，實施雨污分流需投資16.13億元，建深層隧道投資將降至7億元左右。至于深層隧道運行費用，以東濠涌試驗段為例，用于污水提升的電費一年50萬元，沉淀物清潔2030萬元左右，一年維護費約120萬元20。4）建深層隧道的安全性較

23、高：隧洞施工在地鐵行業(yè)已得到充分驗證，而且越往地下深挖，對地面的影響將越小。深層隧道施工管片設計借鑒了國外成功的經(jīng)驗，采用較為可靠的防水、防腐措施，對沿線的地下水位及建筑物安全影響極小。5）深層隧道的前景廣闊：深圳市降雨量大、暴雨頻繁，城市空間擁擠，中心城區(qū)在現(xiàn)有淺層排水系統(tǒng)改造困難極大的情況下，建設深層隧道，符合深圳市中心城區(qū)排水特征，是現(xiàn)代大城市發(fā)展的需求，具有較強的戰(zhàn)略性與前瞻性；從地下空間開發(fā)、工程地質條件及工程效果來看，建設深層隧道是可行的。3.2深隧排水系統(tǒng)需考慮的問題1）適應性及經(jīng)濟性分析。由于深層排水隧洞融合防洪、治澇、治污、雨洪利用等多個方面，需保證效益最大化，找到綜合治理的

24、最佳點，從而確定隧洞的規(guī)模及布置形式。2）與現(xiàn)有及未來防洪治澇標準的適應性分析。隧洞越大，起到的作用應該越大，但這需要考慮今后城市治理的標準，太大容易造成不必要的浪費，太小又不能適應城市的高速發(fā)展。因此，在現(xiàn)有防洪治理的標準上，應研究今后有可能提高的治理標準，并提出適應標準提高的有效工程措施。3）泥沙問題。首先應研究在進水口設置格柵及沉砂池，以減少泥沙進入深層隧道的幾率。同時在出口豎井底部設置沉砂池，將泥沙集中后$采用機械下井的方式清除。清淤設備采用吊裝提升，如抓斗設備等。4）通風問題。水體進入本系統(tǒng)內部有大量的氣體需要及時排出，避免出現(xiàn)真空段，產(chǎn)生氣蝕等現(xiàn)象，布設的通風管容易被水體填充，需研

25、究通風設施的設置問題。另外檢修期間人員需氧，采用進氣排氣等通風設備置換氣體，以確保人員安全。5）隧洞洞線及形式選擇。宜選在沿線地質構造簡單，巖體完整穩(wěn)定、上覆巖層厚度適中、水文地質條件有利及施工方便的地區(qū)。洞線宜為直線，設置彎段不宜小于5.0倍洞徑（寬），同時可考慮將豎井改為斜井，減少豎井及隧洞的長度（三角行的長邊，代替兩個直角邊）。3.3對國內深隧排水系統(tǒng)建設的建議1）有針對性地建設深層隧道排水系統(tǒng)中國城市現(xiàn)在主要存在的是內澇問題，但深層隧道絕不是唯一的解決方案，因為淺層排水管道尚且還有因為雨水口管理不善導致的管道堵塞等問題。且有研究表明，現(xiàn)在城市地面硬化率高，發(fā)生暴雨時雨水由地面到排水口也

26、需要一段時間，如不能及時歸管引流，發(fā)生暴雨時也有可能發(fā)生積水21。深隧系統(tǒng)主要是解決排水能力不足與蓄水的問題，也就是說哪怕修了深隧也不一定能完全解決內澇問題。國外通常的做法是利用低影響開發(fā)（LID）幫助減緩水力峰值，在兩套系統(tǒng)相互配合下，雨水可以盡量平緩地流入隧道暫存。因此，要想利用深層隧道取得良好效果，必須有與之配套的“綠色基礎設施”，計劃建設深層隧道排水的城市要經(jīng)過充分調研，判斷是否能通過深邃解決問題。2）有前瞻性地建設深層隧道排水系統(tǒng)用水量能反映城市居民生活水平。研究表明，城市越發(fā)達，用水量越大。故城市的排水管網(wǎng)建設必須有極敏銳的前瞻性巴黎市100多年前建造的下水道就創(chuàng)造性的使用了1.5

27、6m的大尺寸的管道斷面設計，因此目前仍能滿足排水的需要，旱季污水和雨季洪水均能順利排放22。此外，其還在管道上方預留了安裝電力、供水等其他管道的空間，大大提高了地下空間的利用率。中國地下管網(wǎng)建設已經(jīng)落后甚多，現(xiàn)在才開始推行地下綜合管廊試點工程，故在規(guī)劃建設深層隧道時更應注重前瞻性，多專業(yè)、多角度的考量，至少為未來3050年發(fā)展預留空間。4.結論近年來中國無論東西南北的城市，一方面缺水嚴重，另一方面時常發(fā)生損失重大甚至造成人身傷亡的內澇事件，充分說明了目前中國管網(wǎng)系統(tǒng)排水能力應對暴雨徑流能力的不足。所以在未來的城市發(fā)展和規(guī)劃當中,我們必須把城市排水問題當作一個重點問題來抓，盡可能的解決城市排水問

28、題。在不影響地上建筑的前提下，深層隧道是運輸、存儲污水的有力手段，只要應用得當，可成為解決內澇問題或其他水資源調度問題的好方法。但最終選用與否，還需綜合考慮城市規(guī)劃、工程費用、工程效益，經(jīng)過多方的比選而決定。參考文獻1 魯朝陽，車伍，唐磊. 隧道在城市洪澇及合流制溢流控制中的應用J. 中國給水排水，2013,29（24）：35-412 林忠軍. 深層隧道排水系統(tǒng)在城市排水規(guī)劃中的應用J. 城市道橋與防洪，2014（5）：143-1473 萬杰，朱理銘. 廣州市車陂涌流域內澇分析及治理對策研究J. 給水排水工程，2014,32（5）：103-1064 李俊奇，劉洋，車伍. 發(fā)達國家雨水管理機制及

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