深层隧道排水系统技术浅析

深层隧道排水系统技术浅析

于洋

深圳市市政设计研究院有限公司广东深圳518035

摘要：随着城市开发飞速进行，城镇排水问题却愈演愈烈，城市看海、黑臭水现象频现。而现有解决方法受城市地上、浅层地下空间高密度开发严重受限，深层隧道排水技术的提出是解决现状问题的有效途径之一。深隧项目国外虽已有多项成功案例，国内却少有工程经验可以借鉴，我国多条深隧项目仅处于设计或施工阶段，新的设计思路与模式势在必行。

1.前言

近年来，随着城市进展的加快，高强度开发区、建筑密集区大幅增加，城市热岛效应加剧，以及城镇排水系统设计标准低，排涝管理体系不完善等因素导致城镇排水现状问题愈发明显，城市看海等内涝导致城市运行瘫痪的新闻频现，“黑臭水”等河涌污染也无时无刻的影响着城镇居民生活环境。面对这些问题常规的解决方案主要有：提高排水系统设计标准，扩大排水系统规模；雨污分流、正本清源；分散或集中收集、处理初小雨、溢流污水；拓宽河道，提高排涝标准；结合海绵城市建设，消减洪峰流量，降低实际进入排水系统的降雨强度等。但这些方式均存在一定的局限性，如城市建筑密集、老城区不具备雨污分流改造条件；浅层地下管线复杂，地铁及地下综合体开发导致浅层地下空间有限，排涝系统扩容、新建排水系统难度大；河道穿越中心城区，水面率不高，两岸地区建筑密度高、人口密集、地下管线错综复杂。利用地下深层空间建设大型排水隧道来解决排水问题成为许多国外发达城市的选择[1]，深层隧道排水系统（简称深隧）可避免大量征地和拆迁，并适当利用城市30-60m的深层地下空间，已为改善城市排水能力的重要手段之一。

2.深隧主要构筑物及功能

结合国内外深隧排水系统案例进行分析，深层隧道排水主要构筑物有浅层衔接设施、预处理设施、竖井、主体隧道、调压水槽、排水泵站、通风（除臭）设施、排泥除砂设施、检测与控制系统等，可根据深隧的功能而省略部分构筑物。

深层隧道排水系统根据工程实际情况，可分为以下几种功能：

1)污染控制：多用于老城区合流制改造，可收集超过截留管截留能力的溢流污水及分流制初期雨水，以减少溢流污染，改善河湖水质；收集污水并输送，集中处理，应对城市水系管控要求的提高[2]。

2)洪涝控制：引流排放，避免城市内涝[2]，可分为防涝隧道和排洪隧道，前者主要收集、调蓄超过现有排水管道或泵站排水能力的雨水径流；后者主要截留、接纳上游洪水或超过河道输送能力的洪水并排放。作为浅层排水系统的补充，提高城市防洪排涝标准[3]。

3)多功能：通过合理的设计和调整运行方式，实现洪涝控制、污染控制、交通等多种功能兼顾。

目前深隧运行案例20余项，绝大多数均以单一功能为主，多功能运行模式很少。

3.国内外深隧案例

1）以污染控制为主要目的深隧系统

（1）泰晤士深层隧道工程（英国伦敦）

伦敦目前采用截流式合流制排水体制，为解决泰晤士河沿岸合流制雨季溢流污染现状，改善泰晤士河道水质，伦敦政府于2007年启动泰晤士深层排水隧道工程的建设。该项目具体建设时间为2007~2014年，主要功能即为防治水体污染，总长度约为35公里，隧道直径规模约为7.2~9米，埋深30～65米。

（2）深隧道污水系统（新加坡）

原来新加坡的污水处理系统由2450km管渠、134座泵站、大型污水处理厂和一些小型处理厂组成。随着城市发展，为节约城市用地，满足未来需求，新加坡前瞻性地设计了以污水输送为目的的深层隧道系统，即通过２个交错的深层隧道，将覆盖99％人口范围的污水集中输送至郊区２个大型污水厂，最后将处理过的水排入远离新加坡的深海。该项目具体建设时间为2000~2009年一期建成，2014~至今二期仍在施工中，其主要功能即为污水输送，总长度约100公里，其中一期工程48公里,二期工程50公里，隧道直径约6米，埋深:22～55米。

（3）大东湖污水深隧系统工程（武汉）

武汉市通过深隧系统将三大污水处理厂（沙湖污水厂、二郎庙污水厂、落步嘴污水处理厂）及规划中的北湖污水处理厂“四厂合一”。大东湖污水深隧系统主要的功能定位是污水转输，地跨武昌区、洪山区和青山区,整合收集污水之后集中处理。并为未来雨水深隧预留接口，为未来武汉排渍能力的持续提升预留空间。该项目具体建设时间为2016~至今，主要功能即为污水转输和为雨水深隧预留接口，总长度约为17.52公里，隧道直径:3~3.4米，埋深约25.5m~35.5m米。

2）以洪涝控制为主要目的深隧系统

（1）江户川深层排水隧道工程（日本东京）

该工程实名“首都圈外围放水路”工程，位于东京都外围的埼玉县，被誉为世界上最先进的下水道排水系统。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引流排放。该项目具体建设时间为1992~2002年，主要功能即为排洪隧道，总长度约为6.3公里，隧道直径10.6米，埋深约60～100米，最大排洪流量200m3/s。[4]

（2）荔枝角雨水排放隧道工程（香港）

为缓解荔枝角、长沙湾及深水埗地区水浸，香港建设了荔枝角雨水排放隧道，该隧道将西九龙集水区的雨水，通过隧道将雨水最终排到维多利亚港。该项目具体建设时间为2008~2012年，主要功能即为缓解内涝，隧道总长度3.7公里，直径约4.9米，埋深约40米。

3）多功能的深隧系统

（1）广州深隧系统

广州深层隧道建设的规划—拟建1条临江主隧道（约30公里）、7条分支隧道（约60公里）和一座初雨污水处理厂，并与现有的大坦沙、猎德、大沙地3座污水处理厂衔接。深隧运行工况：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，深隧系统发挥调蓄治污功能；大暴雨时，深隧系统发挥防洪排涝功能。通过深隧实现两大目标：一是提高排水主渠道的排水标准，为全面提高城市排水标准创造条件；二是基本消除溢流污染和初雨污染，大幅改善河涌水质。目前广东深隧系统仅东濠涌试验段正在实施，其主要功能为缓解内涝、防治污染，试验段总长度约1.77公里，隧道直径约6.0米，埋深约40米。

（2）深圳南山深隧

深圳南山排水深隧系统工程是流域雨水进入前海片区水系的最后一道屏障，通过对上游近期旱季漏排污水和初小雨的拦截，最大限度削减进入前海水系的污染负荷，以改善前海和大铲湾湾区水环境，同时解决上游南山片区多年内涝问题。该项目目前仍处于设计阶段，主要功能有防治合流制溢流污染、初雨调蓄、行洪通道，总长度约4.1公里，隧道直径约4~7米，埋深约35m~40m米。

4.深隧系统设计重难点及解决方案分析

深隧系统一般具有路线长、地质条件复杂、埋深大、流量及流态变化频繁的特点，而不确定因素多、没有成熟的设计、计算方法，使得无论是构筑物工艺选择、处理与现状地下构筑物的关系、深大构筑物施工均存在较大的技术风险。

1）相交叉地下构筑物保护方案

深层排水系统在实际设计的过程中，其路由与标高经常会与地下轨道交通等构筑物相交叉，如地铁隧道、高架桥桥墩等。受深隧与现状构筑物的最小间距以及周边地质情况的影响，施工工法的比选显得尤其重要。

如对现状地铁区间的保护若采用矿山法时运用电子数码雷管微差爆破法，优化爆破参数，减少装药量，减小每循环开挖进尺，严格控制爆破参数。而采用TBM法施工，可有效控制对围岩的扰动，减少对地铁结构的影响。另一方面，加强地铁结构监测，地铁隧道采用全自动监测手段，及时反馈监测信息，做到全过程信息化施工，确保地铁运营安全

2）深大竖井施工

在深隧系统中，盾构井及接驳点竖井基坑深大，深度多为30~60m，当底部为微风化岩层时，岩质坚硬，开挖难度较大，制定合理的围护结构设计尤为重要。

深隧竖井可考虑采用围护桩及内支撑结合矿山法设计施工。微风化岩

层以上采用吊脚桩及内支撑进行支护；微风化岩层以下，采用矿山法开挖采用围护桩及内支撑结合矿山法既可以解决上层软弱土层的围护问题，又可以解决下层坚硬岩层成桩困难的问题。确保施工安全的同时，有效提高工程经济效益。

另一个可行的方案是借鉴港岛西雨水排放隧道及坪盐马峦山隧道深大竖井的设计施工经验，采用反井法施工竖井。此工法可以借助反钻形成的溜渣孔作为出渣通道，大大增加工作效率。

3）竖井消能工艺

竖井是一种引导水流大距离下落的设施，是深层隧道排水系统连接浅层排水系统和深隧的重要部分。常见的进水竖井形式有：直落式、涡流式、螺旋式、折板式。

跌落式竖井易于设计和施工，适用于高度差小的地基坚实地带，但竖井湍流夹带的大量空气会对竖井和隧道结构产生强烈的腐蚀并造成结构震动；旋流竖井是采用最多的一种竖井型式，在设计流量下能够有效运行，但当流量大于或者小于设计流量时，竖井内不能形成有效的旋流，消能效果降低，且由于旋流式竖井中水流流速大且夹带气体量多，旋流竖井的防冲蚀、臭气与噪音控制需针对性分析处理；新型的折板竖井消能型式，消能效果更好，但占地较大，且缺乏对大折板间距下水流流态与消能规律的研究，无法指出竖井内水流流动的型态转变，常使得设计参数与实际运行效果大相径庭。

不合理的竖井工艺可能导致竖井消能率低增大运行损耗，并造成结构不利振动，形成高速水流造成空化空蚀现象；夹带空气较多进入隧道造成复杂、不利的水流流态。如1914年美国俄亥俄州克里夫兰市的竖井就由于经验不足而垮塌；克利夫兰折板竖井采用的是全断面过流形式，未设置干区及通气孔，从而使竖井运行时产生不利负压和振动，导致折板失稳并垮塌。

4）气爆浪涌

2010年芝加哥市主城区短时间内发生特大暴雨，主城区降雨经过竖井快速涌入并填满直径9m的主隧道，发生气爆浪涌；2004年Minneapolis市直径为3.66m主隧道也曾发生气爆。

气爆现象可描述为水气混合物从竖井口（通气孔）剧烈间歇性的喷涌现象。在深隧系统运行时，暴雨期各竖井快速入流时气体来不及排出，被水流封闭在深隧干管内压缩成有压气腔，并随水流移动，当到达竖井出口时有压气腔突然释放，形成气爆浪涌现象。

相关研究表明气爆现象的发生，是由于竖井入流量快速增大，同时主隧道内发生强烈的涌浪；竖井泄气量、隧道内压力也是影响气爆的重要因素。采用竖井优化形式以降低进气量、充分排除空气，并结合气爆模拟软件评估方案发生气爆现象的风险，优化深隧方案及调度过程是有效减少气爆浪涌现场发生的主要措施。

5.展望

深隧排水系统在解决城市内涝和溢流污染等方面能够发挥重要作用，是解决老旧城区、建筑密集区城市内涝、征地拆迁困难，满足更高城市排水标准要求的重要途径，是补充浅层管网、河道不足的备用通道。国外的实践经验可以借鉴,却不能完全照搬,深隧排水系统仍面临着管网衔接、施工地质、地下大容量泵站建设、运行管理等一系列技术问题,这是城市深隧排水系统未来发展的关键所在。面对深邃排水系统的多种工程技术风险，转变固有设计思路，不单纯依靠工程经验开展设计工作，采取多元化设计模式，研究与设计相结合，才能寻求最优解决方案。

参考文献:

[1]广州市市政工程设计研究总院.广州市中心城区深层隧道排水系统对策研究［R］.广州:广州市市政工程设计研究总院，2012．

[2]门绚,李冬,张杰.国内外深隧排水系统建设状况及其启示[J].河北工业科技,2015,32(5):438-442.

[3]俞士静,第五届城市排水防洪与雨洪控制利用技术论坛暨画面城市高峰论坛.

[4]陈贻龙,利用深层排水隧道提高城市防洪与水污染控制标准--广州东濠涌深层排水隧道工程研究,第二届城市排涝与雨洪利用技术研讨会,2013.