深层隧道排水系统的探究.docx

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深层隧道排水系统的探究

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深层隧道排水系统的探究

摘要：

随着城市规模的不断扩大，对城市排水系统排水能力的要求越来越高，深层隧道排水系统凭借其自身的优势，近年来在城市排水规划中的应用越来越多。

本文以国内外典型深层隧道排水系统的工程为例,总结了其在城市防洪排涝和控制溢流污染方面的应用，分析了其与其他排水系统相比的优势以及需要考虑的问题，最后针对国内深层隧道排水系统的建设提出了一些实质性的建议。

关键词：

深层隧道，排水系统，防洪排涝，控制溢流污染

Abstract:

Withthecontinuousexpansionofcityscale,urbandrainagecapacityofthedrainagesystemhavebecomeincreasinglydemanding,DeepTunnelDrainageSystem，withitsownadvantages,inrecentyearsinurbandrainagehasbeenusedmoreandmore.Inthispaper,takingthetypicalhomeandabroadDeepTunnelDrainageSystemprojectsasexamples,summarizesitsapplicationincityfloodcontrol&drainageandCombinedSewerOverflowPollution,analysesit`sadvantagescomparedwithotherdrainagesystemaswellastheproblems,finallyaccordingtotheconstructionofdeeptunneldrainagesystemsomesubstantiveSuggestionsareputforward.

KeyWords:

DeepTunnel;DrainageSystem;cityfloodcontrol&drainage;controltheCombinedSewerOverflowPollution

1.前言

1.1城市排水现状

当前社会城市的发展速度越来越快了，但是与之相对应的一些城市基础服务配套设施却并没有随之发展起来，比如当前在城市中常见的一些因为雨水而导致的内涝灾害时有发生。

近五六年来，城市内涝近一直是困扰中国大城市的难题，且不说看得见的交通瘫痪等问题，其还能引发下游水体溢流污染等次生灾害[1]。

频繁的内涝已经给城市敲响了警钟，随着相关政策文件的出台[2]，国外先进理念和措施得到普遍认同，其中深层隧道（简称深隧）排水技术引起了广泛关注。

随着广州市开始开展深层隧道方面研究[3]，编制《广州市中心城区深层隧道排水系统对策研究》，以及“东濠涌试验段工程”的开始施工，“深层隧道排水”技术作为缓解中国内涝问题的一种手段开始逐渐被大众熟知[4]。

1.2深层隧道排水系统

1.2.1系统分类

从功能和运行方式的不同，排水深层隧道有以下分类。

（1）根据控制目的及功能，隧道类型主要分为：

污染控制隧道，收集合流制溢流污水、兼顾分流制雨水径流；洪涝控制隧道，收集、调蓄雨水径流及截流、接纳上游洪水；多功能雨洪隧道，同时实现洪涝控制、污染控制、交通等多种功能。

（2）根据运行方式，隧道类型主要分为：

用于污染控制的调蓄——处理式隧道、用于洪涝控制的直接排放式隧道和调蓄——排放式隧道。

1.2.2系统组成

隧道主要由以下6个部分构成：

主隧道；

衔接设施：

进水口结构、竖井、垂直弯头、连接隧道；

通风系统：

注入新鲜空气、排除经处理的臭气；

出口设施：

末端排水泵站、处理设施；

控制中心：

对隧道系统的连接点和泵站实行24h监测；

底泥清洗。

其中衔接设施是连接现有管道系统、地面设施、溢流口、积水点和主隧道的配套设施，如图1所示。

图1隧道衔接设施构造示意图

1.2.3应用原则

深层隧道的应用主要应符合以下的原则：

1）方案比选应遵循综合性原则，因地制宜。

隧道一般都设置在地下管线复杂、传统的雨水排放和存储设施不具备空间条件以及洪涝或CSO（合流制地区的溢流）污染问题突出的老城区和中心城区。

2）遵循重力排水优先，自排减少抽排原则。

利用自身竖向条件重力排水，节省能耗，开辟了新的排水隧道，对下游水体水位影响较小。

3）浅层排水与深层隧道相结合。

深层隧道和浅层系统结合起来，可以提高排洪能力、较好的解决水浸、污染问题。

4）新建隧道与原有系统合理衔接。

新建隧道与原有系统（检查井、排水干管和支管、溢流口等）和配套设施（竖井、污水厂、泵站）的合理衔接，以最大程度的缓解洪涝和污染。

5）多方案多功能。

投资大，使用频率低，应尽量结合交通、排涝、污染控制等发挥多功能的目标。

2.国内外深隧排水系统的建设

在国外，深层隧道排水技术已经应用多年，且有更为广泛的用途。

本节从不同用途方面出发，通过引举国内外经典工程案例，对深隧排水系统的应用做以介绍、启示。

2.1引流排放，避免城市内涝

城市排水规划要具有前瞻性，为未来变化留有余地，但现实往往不尽如人意。

由于全球气候变暖导致的海平面上升和气候异常，暴雨和洪水的侵袭更加频繁，加上中国的城市排水标准较低，引发城市内涝在所难免[5]。

这时深层排水系统可以作为浅层排水系统的补充，提高城市防洪排涝标准[6]。

典型城市有墨西哥城、东京和香港。

2.1.1墨西哥城深层隧道排水系统

墨西哥城是墨西哥合众国的首都，位于墨西哥中南部高原的山谷中，海拔为2240m。

墨西哥城面积为1500km2，人口达1800多万，平均降雨量为748mm。

墨西哥城始建于公元前500年，是美洲较古老的城市之一，由于地处中央高原墨西哥谷地，四面环山，特别容易遭受“水患”。

该城市最早的排水系统是按雨污合流制形式建成于20世纪初，管道总长度达1.4万km。

由于收集的雨水、污水最终通过GranCanal（大排水渠）利用重力流将城市雨水和污水收集排出城外，为早期城市防洪排涝发挥了重要作用。

但由于墨西哥城大量抽取地下水而造成严重地表沉降（年平均沉降0~300mm），使得修建于地表浅层的GranCanal严重错位，无法维持建设时的坡降，到1950年，其中有20km长的管道已经完全失去了原有的坡度，使得GranCanal的过流能力由原来的90m3/s锐减至12m3/s。

当局不得不对GranCanal系统进行改造，通过增设抽水系统来改变因不均匀沉降形成的逆坡现状[7]。

随着对当地的地表沉降问题作进一步的深入分析，认为墨西哥城要彻底解决这个问题，必须要重新建立一套免受地表沉降影响的“深层排水系统”。

1967年启动了名为“深层隧道排水系统”的总体规划，一期于1975年建成并投入运行。

“深层隧道排水系统”由中央隧道和截水隧道两部分组成，全部敷设在地表30m以下，采用泥水盾构施工方法。

中央隧道直径为6.5m，长为50km，设计过流能力为220m3/s，是将墨西哥城雨水和污水排出城外的主要通道，承担了整个城市排洪纳污功能。

截水隧道由呈支状分布的9条总长约154km，直径为3.1~5.0m的隧道组成，主要负责及时将区域内的雨洪及污水收集并排入中央隧道。

但由于人口增长（由1960年的512.5万增长到2000年的1794.6万）和服务范围的扩展（由1970年的683km2扩大到1990年的1295km2），1975年建成的“深层隧道排水系统”已满足不了需求，特别是雨季过流能力不足，导致城市内涝频发，为此提出了“东部隧道”工程。

该工程由长63km，直径7m，埋设深度超过200m的“东部隧道”（EastTunnel）和埋设深度在150~200m的24条进水道组成，排水能力为150m3/s，是目前全球在建的最大城市深层隧道排水系统，将与中央隧道互为备用，进一步提高城市排水能力。

中国有些城市地面沉降也很严重!

地下管网错位不可避免，只不过情况难以检测。

一些建筑密集、地下管线复杂的老城区，浅层排水难以有大的改善。

针对这些情况，深层排水系统可作为有利补充，加大排水效力[8]。

2.1.2东京深层排水工程

东京作为日本的首都，是世界上较大的城市之一。

面积为2187km2，人口达1332万。

属温带海洋性气候，年平均气温为15.6℃，年平均降雨量为1800mm。

由于特定的地理环境，除了地震以外，台风和暴雨带来的洪水是最大的威胁。

特别是近几十年，全球变暖造成海平面上升和气候异常，给日本这个岛国带来的影响尤为明显。

当短历时超常降雨出现时，带来的洪水超出河道正常排涝能力，引起积水倒灌，城市内涝[9]。

但分析表明，东京范围内大大小小的河流中，最大的江户川河道宽阔，具有足够的泄洪能力。

因此，如何提高其他河道的洪水容纳能力，并及时通过江户川排入东京湾，是解决东京洪水问题的关键，也是深层隧道工程建设的初衷[10]。

该工程全长6.3km，下水道直径约10m，埋设深度为地下60~100m，由地下隧道、5座巨型竖井、调压水槽、排水泵房和中控室组成，将东京都十八号水路、中川、仓松川、幸松川、大落古利根川与江户川串联在一起，用于超标准暴雨情况下流域内洪水的调蓄和引流排放，调蓄量约为67万m3，最大排洪量可达200m3/s。

在正常状态和普通降雨时，该隧道不必启动，污水及雨水经常规、浅埋的下水道和河道系统排入东京湾，而当诸如台风，超标准暴雨等异常情况出现，并超过上述串联河流的过流能力时，竖井的闸门便会开启，将洪水引入深层下水道系统存储起来，当超过调蓄规模时，排洪泵站自行启动，经江户川将洪水抽排入东京湾[11]。

中国的防洪规划还主要针对流域，防洪和排涝之间难以衔接，这也与中国水利和市政两专业一直严于区分有关[12]。

东京的深层排水工程将浅层排水系统与外围河道有效连接，值得中国借鉴。

2.1.3香港——港岛西雨水排水隧道

1）现状：

香港山多平地少，海洋性气候、高降雨量、位于低洼地区、老化的排水系统不能满足当前洪水预防标准，所以极易发生内涝灾害。

2）方案：

在半山修建港岛西雨水排放隧道，从半山区上游流域拦截雨水，直接排放到海洋，从而减少雨水流向下游低洼地区。

利用自身竖向条件重力排水，节省能耗，见图2。

图2港岛西雨水排放方案示意

3）规模：

主隧道长度为11km，隧道直径为6.25~7.25m；有34个入口设施，在数码港有一个出口；主隧道采用双重盾构隧道挖进机。

4）效果：

项目于为2007年11月动土，共投资207亿元。

雨水截取和排放到数码港附近的海域，减少流向上环、中环、金钟及湾仔等下游地区，整个香港岛北部洪水问题得到缓解。

2.2减少溢流污染，改善河湖水质

城市都是紧靠水源地发展起来的，上游取水下游排水，无一例外。

但是随着城市人口膨胀，城市污染负荷加大，雨季合流制排水管网极易发生溢流，污染附近水源，当水体已经无法利用自净能力消化排放的污水，水质就会急剧恶化，这点在老工业城市尤为明显[13]。

例如伦敦、芝加哥和上海，利用深层隧道的储水能力减少溢流污染，挽救了当地水环境。

2.2.1伦敦深层隧道工程

英国首都伦敦属温带海洋性气候，年平均降水量为1100mm，人口密度为5285人/km2。

伦敦的排水系统自150多年前建造开始，随城市发展一直在进行管道扩容和污水处理工艺的升级，维多利亚时代的下水道只占目前灌渠的不到1%，主干管总长接近81000km，即使是这样，随着城市扩张，服务人口和面积的增加，按6.5mm降雨强度设计的合流制系统在2007年时只能承受2mm的雨强，导致泰晤士河溢流频繁，水质污染严重，对于城市景观面貌十分不利，故2007年伦敦政府通过“雨污分流”、“可持续性城市排水系统”和“泰晤士隧道”3种方案论证，最终确定了深层隧道工程。

该隧道总长35km，直径为6.5~7.2m，埋深为35~75m。

建成后溢流次数将由原来的60次/年减少到4次/年，有效地提高泰晤士河流域的水环境。

2.2.2芝加哥隧道和水库方案

芝加哥是美国人口排第3位的大都市，属于湿润的大陆性气候，四季分明，年平均降雨量为910mm，大部分降雨以强烈夏季暴雨形式发生[14]，每年暴雨约有100次，合流制污水最终溢流至密歇根湖，导致作为芝加哥地区水源地的密歇根湖受到污染，污水还会倒灌至住宅和商业区的地下室内[15]。

因此，1972年芝加哥市采取隧道和水库方案（TARP）将51个社区共971.5km2划入服务范围[16]。

TARP由4个独立隧道和隧道下游3座大型水库组成。

第1阶段是4条隧道的修建，主要目标是控污[17]，能够把数百个排污口排放的870万m3合流制溢流污水收集起来。

此工程于1975年开始施工，2006年4条隧道完工并运行。

第2阶段的主要目的是控制内涝，1998年已完成奥哈拉水库的修建。

据统计，水库已经为其服务的3个社区减少洪涝损失2亿5千万美元。

另外2座水库正在建设中。

3座水库完工后，TARP的储水量将高达6600万m3[18]。

虽然还没有完全竣工，已经显著改善了芝加哥河等水道的水质，河岸可供垂钓的鱼种回到之前水平，并带动了旅游业的发展[19]。

伦敦和芝加哥均是因为将水体作为水源或是城市景观进行规划，故对水体环境提出了更高要求。

以中国目前的发展水平，从发展的眼光看，目前的规划建设深隧系统可以结合防涝与排污、蓄水等功能，部分工程可以分期建设。

2.2.3上海苏州河南岸调蓄隧道

1）现状：

历年降雨资料统计一年中大到暴雨的次数约为47~55次，其中对河水有明显影响的次数约为2~8次。

已建排水系统大部分为合流制，排水标准为0.5~1.0年，设计综合径流系数0.6~0.8.

2）规模：

隧道直径为6.3m，隧道长度为3000m，埋深为-20m以下。

3）运行模式：

汛期时，隧道的主要功能是截流、存贮和输送雨水；非汛期时，可以考虑将隧道作为地下人防设施或仓库使用，从而充分发挥经济、社会效益。

4）投资估算：

直径6.3的隧道单位造价为3.5万元/m。

5）效果：

苏州河溢流次数降低到5次/年，年溢流量也由1600万m3相应减少到367万m3；减少CODcr污染负荷4188t。

2.3多功能雨洪隧道

适用范围为兼顾污染控制、洪涝控制及缓解交通多种功能的区域；运行方式有调蓄式和直接排放式；隧道一般位于河道下方及地表。

典型案例为广州市仍在规划试点阶段的中国首个地下40m深层排水隧道网络。

1）现状：

广州中心老城区的排水系统标准较低，83%的排水管道设计标准为“一年一遇”，有些甚至是半年一遇，仅9%的管道标准达到“两年一遇”，降雨量过大时很容易发生内涝。

2）方案：

深层隧道建设将主要在广州中心老城区，整个深层隧道将修建“一主七副”8条深层隧道，广州老城区的排水将采取的是浅层排水和深层隧道相结合的排水方式。

3）运行模式：

旱季和小雨时，深层隧道作为部分污水输送通道；中等雨量时，深层隧道系统发挥调蓄治污功能；大暴雨时，深层隧道系统发挥防洪排涝功能。

4）效果：

总投资为250亿左右。

深层隧道建成后，司马涌、西濠涌、东濠涌、沙河涌、猎德涌、深涌流域内及广园路渠箱等排水干渠排水标准提高到（市政）10年一遇排水标准。

3.深层隧道排水系统的应用分析

3.1深隧排水系统的优势

1）占地面积小：

深层隧道仅仅为跌水井及检查井处有地面构筑物，深层隧道洞主体为深埋地下40~50m处，与现状建筑基础避开。

基本无拆迁，可以充分利用地下空间，大量减少拆迁，并显著提高城市排水主渠道的行洪能力。

2）施工影响小：

由于隧道深埋在地下，较少地面沉降及对地下水体的影响。

相较于传统大开挖或支护桩等形式的施工方式对环境相应亦少很多。

且能回避浅层软弱土层。

深处开挖隧洞结构安全性佳及工程支护费用低。

3）造价和维护费相对较低：

深层隧道建设与雨污分流浅层排水系统改造相比，深层隧道的投入产出比更合理，并用“性价比高”来形容深层隧道。

相对于实施雨污分流改造，在城市人口密集区建设深层隧道造价相对较低。

据测算，以广州东濠涌流域整治工程为例，实施雨污分流需投资16.13亿元，建深层隧道投资将降至7亿元左右。

至于深层隧道运行费用，以东濠涌试验段为例，用于污水提升的电费一年50万元，沉淀物清洁20~30万元左右，一年维护费约120万元[20]。

4）建深层隧道的安全性较高：

隧洞施工在地铁行业已得到充分验证，而且越往地下深挖，对地面的影响将越小。

深层隧道施工管片设计借鉴了国外成功的经验，采用较为可靠的防水、防腐措施，对沿线的地下水位及建筑物安全影响极小。

5）深层隧道的前景广阔：

深圳市降雨量大、暴雨频繁，城市空间拥挤，中心城区在现有浅层排水系统改造困难极大的情况下，建设深层隧道，符合深圳市中心城区排水特征，是现代大城市发展的需求，具有较强的战略性与前瞻性；从地下空间开发、工程地质条件及工程效果来看，建设深层隧道是可行的。

3.2深隧排水系统需考虑的问题

1）适应性及经济性分析。

由于深层排水隧洞融合防洪、治涝、治污、雨洪利用等多个方面，需保证效益最大化，找到综合治理的最佳点，从而确定隧洞的规模及布置形式。

2）与现有及未来防洪治涝标准的适应性分析。

隧洞越大，起到的作用应该越大，但这需要考虑今后城市治理的标准，太大容易造成不必要的浪费，太小又不能适应城市的高速发展。

因此，在现有防洪治理的标准上，应研究今后有可能提高的治理标准，并提出适应标准提高的有效工程措施。

3）泥沙问题。

首先应研究在进水口设置格栅及沉砂池，以减少泥沙进入深层隧道的几率。

同时在出口竖井底部设置沉砂池，将泥沙集中后$采用机械下井的方式清除。

清淤设备采用吊装提升，如抓斗设备等。

4）通风问题。

水体进入本系统内部有大量的气体需要及时排出，避免出现真空段，产生气蚀等现象，布设的通风管容易被水体填充，需研究通风设施的设置问题。

另外检修期间人员需氧，采用进气排气等通风设备置换气体，以确保人员安全。

5）隧洞洞线及形式选择。

宜选在沿线地质构造简单，岩体完整稳定、上覆岩层厚度适中、水文地质条件有利及施工方便的地区。

洞线宜为直线，设置弯段不宜小于5.0倍洞径（宽），同时可考虑将竖井改为斜井，减少竖井及隧洞的长度（三角行的长边，代替两个直角边）。

3.3对国内深隧排水系统建设的建议

1）有针对性地建设深层隧道排水系统

中国城市现在主要存在的是内涝问题，但深层隧道绝不是唯一的解决方案，因为浅层排水管道尚且还有因为雨水口管理不善导致的管道堵塞等问题。

且有研究表明，现在城市地面硬化率高，发生暴雨时雨水由地面到排水口也需要一段时间，如不能及时归管引流，发生暴雨时也有可能发生积水[21]。

深隧系统主要是解决排水能力不足与蓄水的问题，也就是说哪怕修了深隧也不一定能完全解决内涝问题。

国外通常的做法是利用低影响开发（LID）帮助减缓水力峰值，在两套系统相互配合下，雨水可以尽量平缓地流入隧道暂存。

因此，要想利用深层隧道取得良好效果，必须有与之配套的“绿色基础设施”，计划建设深层隧道排水的城市要经过充分调研，判断是否能通过深邃解决问题。

2）有前瞻性地建设深层隧道排水系统

用水量能反映城市居民生活水平。

研究表明，城市越发达，用水量越大。

故城市的排水管网建设必须有极敏锐的前瞻性——巴黎市100多年前建造的下水道就创造性的使用了1.5~6m的大尺寸的管道断面设计，因此目前仍能满足排水的需要，旱季污水和雨季洪水均能顺利排放[22]。

此外，其还在管道上方预留了安装电力、供水等其他管道的空间，大大提高了地下空间的利用率。

中国地下管网建设已经落后甚多，现在才开始推行地下综合管廊试点工程，故在规划建设深层隧道时更应注重前瞻性，多专业、多角度的考量，至少为未来30~50年发展预留空间。

4.结论

近年来中国无论东西南北的城市，一方面缺水严重，另一方面时常发生损失重大甚至造成人身伤亡的内涝事件，充分说明了目前中国管网系统排水能力应对暴雨径流能力的不足。

所以在未来的城市发展和规划当中,我们必须把城市排水问题当作一个重点问题来抓，尽可能的解决城市排水问题。

在不影响地上建筑的前提下，深层隧道是运输、存储污水的有力手段，只要应用得当，可成为解决内涝问题或其他水资源调度问题的好方法。

但最终选用与否，还需综合考虑城市规划、工程费用、工程效益，经过多方的比选而决定。

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