上海市某市区内初雨调蓄工程设计案例分析

上海市某市区内初雨调蓄工程设计案例分析

许秋寒

上海市水利工程设计研究院有限公司  上海  200001

[摘要]：随着社会的进步，初期雨水污染的问题正逐渐引起重视。上海市相关雨水规划中，对强排区初期雨水调蓄有明确要求；上海市区内强排系统雨水泵站大多为已建成，市区内人员密度大，用地紧张等问题一直是初雨调蓄设施建设的难点。本工程位于上海市某市区内，方案未采用传统矩形调蓄池型式，通过设置调蓄管道，采用盾构施工工艺，解决了用地紧张等问题，对进一步提升河道水质和区域水环境质量、改善周边城市居民的生活环境起到了十分重要的意义。。

[关键词]：调蓄管道；盾构工艺；给排水设计；应用

引言

我国经济建设近年来取得了突破性的进展，推动了城市化进程的加快，城市需要不断地扩大，城镇需要改造和升级。《上海市城市总体规划（2017-2035）》中，提出要将上海建设为“迈向卓越的全球城市”，进一步提高防灾减灾能力和安全保障水平，加快构建与新型城镇化相适应的雨水排水体系。市级雨水规划同时提出，对于强排系统地区，按照合流制不小于11mm、分流制不小于5mm标准设置调蓄设施，对截流水量通过调蓄后，错峰排入污水厂处理后排放，以减少初期雨水放江，为城市营造更加舒适的生活环境。

本文以上海市某市区内初雨调蓄工程为例，该工程的主要特点是用调蓄管道替代传统矩形调蓄池，采用水平曲线盾构法施工。盾构法在国内原水取水工程、供水工程、深邃工程等已有应用，但在初雨调蓄中的应用较少。本文在对建设用地条件等现状分析的基础上，介绍了在复杂环境下初雨调蓄设施的建设的工作思路和技术路线，分析工程实施难点并提出解决方案，为其他相似案例提供参考。

1工程概况

本工程位于上海市市区内，调蓄设施服务的雨水强排系统面积2.09km2，初期雨水截流标准为5mm，经计算设计调蓄容量取8200m3。项目选址位于现状滨河景观公园，场地西侧为河道，东侧和南侧距离建成小区仅相隔一条马路，北侧为市政道路。场地为狭长不规则矩形，长约450m，宽度约30~40m。场地中间有一座高压配电站，将建设场地分为了南北两部分。

2 项目实施存在的问题

该项目的设计存在以下几个问题：

2.1用地制约

该工程建设用地呈现狭长地形，最窄处仅宽约30米，西侧紧邻河道，其余三侧环绕着市政道路。这个场地的中心恰好坐落着一座高压配电站，给项目的实施增加了额外的难度。考虑到采用传统矩形调蓄池型式可能会对周边环境造成较大的影响，我们需要进行更加精心的规划和润色，以确保项目的顺利进行与周边环境的和谐共存。

图1 建设场地范围

2.2周边均为建成小区，人员密度大，环境要求高

项目所在地位于上海主城区，周边居民会在公园内进行各项文体活动；若采用传统调蓄池，开挖面积较大，工程的建设实施过程中群众可能会引发异议、遭遇损失和不适，这些异议、损失或不适即为引起社会不稳定的风险。因此工程的建设需对周边居民的影响降至最低，同时主体工程完成后上部需恢复公园功能，将公共绿地还给居民。

2.3需对现状防汛墙进行保护或拆除重建

调蓄设施进出水井，距离现状防汛墙距离较近，为防止进出水井基坑施工过程中对防汛墙产生不利影响，基坑垂直投影面内及两侧影响范围内的防汛墙需进行保护或拆除重建。

3.优化设计及解决方案

3.1 调蓄池改调蓄管，解决用地紧张问题

目前国内新建初雨调蓄设施主要采用的是矩形调蓄池型式。然而，采用这种型式会引发一系列问题，如外运土方量较大、基坑围护实施难度及安全风险较高，施工周期较长，绿化搬迁面积较大等。此外，拟建位置附近多为住宅小区，居住人口密度大，大面积开挖可能对居民生活造成严重影响，容易引起矛盾，从而影响工程推进。

经过论证，我们提出了一种更为优化的方案：将调蓄池改为调蓄管道，采用一根长度约310米的DN5000的调蓄管道。这一改进不仅满足了设计容量要求，还最大限度地利用了有限空间，减少了开挖面积，从而将对环境的影响降到最小。

这一方案的优势在于技术上的成熟性以及在施工过程中减少土方运输量，简化了基坑围护实施难度，降低了安全风险，并且缩短了施工周期。同时，不再需要大规模的绿化搬迁，减少了对周边环境的干扰。最重要的是，由于调蓄管道所需的开挖面积较小，对附近居民的生活影响也大大减少，有助于缓解可能引发的矛盾。

综上所述，改用调蓄管道方案是一种更为可行和环保的选择，能够更好地满足工程需求，保障居民权益，同时减少对周边环境和社区的负面影响。

3.2 调蓄管道盾构施工法

调蓄管道采用非开挖施工，目前常用的有顶管法和盾构法。盾构法是非开挖施工中的一种全机械化施工方法。它是将盾构机械在地中推进，通过盾构外壳和管片支承四周围岩防止发生往隧道内的坍塌。同时在开挖面前方用切削装置进行土体开挖，通过出土机械运出洞外，靠千斤顶在后部加压顶进，并拼装预制混凝土管片，形成隧道结构的一种机械化施工方法。顶管法与盾构法的施工原理是一致的，这两种施工方法的区别仅在于隧道衬砌构筑方法不同。

相同之处在于两者都是采用液压装置配合掘进机成孔，成孔的方法是一致的；而且顶管法所用的顶管机（掘进机或盾构机）和盾构法采用的隧道掘进机是没有区别的。

不同之处在于顶管法是采用液压油缸将管节顶入掘进机形成的孔洞中形成衬砌；盾构法是在掘进机成孔后拼装衬砌块形成衬砌。顶管的衬砌是随着掘进机“运动”的，盾构的衬砌在拼装完成后是“静止”的。

对于盾构法和顶管技术，它们各有特点，适用于不同的工况技术条件，相比较于顶管施工，盾构施工具有对周边环境影响更小、适用的断面尺寸范围更大、掘进距离更长、曲率半径更小等优点。

调蓄管道的施工方法是非开挖技术领域的重要研究课题。盾构法作为全机械化施工的一种方法，涉及机械工程、土木工程、地下工程等学科的交叉应用。在盾构施工过程中，需要考虑土体力学、岩土工程、隧道结构设计、控制工程等方面的问题，以确保施工的安全、高效和可持续性。

同时，顶管法与盾构法的比较不仅涉及施工技术层面，还牵涉到工程经济学和环境影响评估等学科。在项目决策阶段，需进行综合评估，根据具体工程条件和需求确定最优施工方案。这样的决策过程需要考虑各种技术因素、环境因素、社会因素以及工程投资回报等因素的权衡，以确保工程的可行性和效益最大化。

盾构施工作为一种复杂的地下工程施工技术，对于施工管理和技术创新也提出了一系列挑战。在施工过程中，需要有效地解决隧道内地层不均匀性、地下水压力、岩层断裂带等地质问题，并采取合理的支护措施，确保隧道施工的稳定和安全。同时，随着科技的不断进步，盾构施工技术也在不断创新和完善，例如在盾构机设计、切削工具材料、土体处理等方面的技术改进，都为提高施工效率和质量提供了新的可能性。

目前上海市顶管最大口径为DN4000混凝土管，考虑到交通、造价等多方面因素，超过4m直径的非开挖管道均采用盾构施工。综合考虑调蓄容量，管道长度，后期养护，造价等多方面因素后，本工程调蓄主线采用上海地铁常用盾构机口径，外径ϕ6200，内径ϕ5000，盾构段管道采用叠合式双衬砌结构方案。

3.3 调蓄管道平面和高程设计

考虑用地范围中间部位高压配电站的影响，本工程调蓄管道采用水平曲线盾构，部分调蓄管段绕道河道下方，管道转弯处控制管道转弯半径大于等于350毫米。现状河底标高为-0.50米，河道东岸地面标高为4.50米，防汛墙墙底标高为2.0米，桩基类型为木桩，桩底标高为-10.5米。

为了使盾构穿越现状防汛墙时影响最小，水平盾构管的顶部标高取值为-12.50米，管内底部标高为-18.1米。盾构施工也存在一定风险，盾构行进时会带动周围土体移动，引起地面变形及建筑物沉降。为防止防汛墙产生竖向沉降，在穿越防汛墙段盾构管道外侧2米范围内采取注浆加固措施。

这些措施将有助于保护防汛墙的稳定性，减轻地面变形和建筑物沉降的风险，确保工程施工的安全性和顺利性。同时，根据现有的地势和标高数据，这些调控措施应该能够有效地保护河道和周边环境，确保工程的可持续发展。

图2 调蓄管道总平面图

3.4 工艺流程

市政雨水管网的初期雨水通过阀门井、进水井后流入调蓄管道，通过出水井排出。晴天时，泵站雨水进水闸门保持开启状态，阀门井内的电动球阀和速闭闸门处于关闭状态。降雨时，阀门井内的阀门和闸门开启，雨水管网的初期雨水通过重力流入调蓄管道。待累计流量达到系统设计的容量时，进水电动球阀和速闭闸门关闭阻断进水；此时，雨水泵站转入正常的防汛状态，相对清洁的雨水通过水泵提升后排入河道。降雨停止后，调蓄管道内的初期雨水通过出水井内的水泵排空。

市政雨水管网的初期雨水处理系统是城市雨水管理的重要组成部分，其目的在于有效处理和控制降雨引起的径流，以减少洪水、防止水质污染，并最大程度地保护城市环境。在此系统中，阀门井、进水井和出水井等设施发挥着关键的作用。在晴天时，为了确保系统正常运行，泵站雨水进水闸门保持开启状态，而阀门井内的电动球阀和速闭闸门则处于关闭状态。这样可以使得降雨期间形成的雨水通过重力作用流入调蓄管道，实现初期雨水的有效收集和储存。

而当降雨来临时，为了控制雨水流量并防止超负荷运行，阀门井内的阀门和闸门将会开启，从而使得初期雨水能够顺利地进入调蓄管道。在调蓄管道内，雨水得以缓慢聚集，待累计流量达到系统设计的容量时，进水电动球阀和速闭闸门将会关闭，阻断进水。

3.5 阀门井设计

阀门井是用于控制调蓄管道进水的重要设施。其尺寸为4.7米×7.8米，井底板埋深达9.0米。该井内装备有1套偏心半球阀和1套电动速闭闸门，以确保管道系统的有效运行和控制水流。

为了进行阀门井的开挖，挖掘深度约为11.7米。为了保障基坑的稳定，我们采用了1000厚地下连续墙作为围护结构，该墙的深度达到24.0米。在地下连续墙两侧，我们使用φ850@600三轴水泥搅拌桩进行槽壁加固，同时在下部采用2400MJS墙间加固来确保防水。

为了支撑基坑顶面，我们设置了1200×800钢筋混凝土冠梁及800×600钢筋混凝土支撑。在基坑内部，我们布置了二道HN700×300×13×24型钢围檩和HN700×300×13×24型钢支撑，以加强基坑的稳定性。

最后，在基坑底部以下3米的范围内，我们采用了φ800@600高压旋喷桩进行加固，以进一步增强基坑的稳定性。

这些措施将确保阀门井及其周围基坑的安全运行和稳固性，为管道系统的正常运行提供了可靠的基础。

3.6 进出水井设计

进水井主要作用是接收系统初期雨水，并对其进行预处理，同时兼做盾构工作井。进水井长22.1m，宽22.1m，井底板埋深19.50m，进水井中设置进水格栅和沉淀池，对初期雨水中的悬浮颗粒物及部分沙粒进行拦截。进水井采用全地下的型式，上部除通风口、人员进出口、设备检修口等突出地面外，其余部分均为绿化。设计地面标高4.50，设备层标高-2.90，设备层设置一套除臭设备、电气控制设备等；考虑到进水安全性，将格栅间局部抬高至0.00并设置独立的隔间，格栅间单独设置通风口和人员进出口。

进水井内主要的设备为2台格栅除污机，1套冲洗设备以及吸砂泵。

出水井的主要作用是用于调蓄管末端排污，同时兼做盾构接收井。出水井尺寸15.6m×17.1m，井底板埋深20.0m，设备层标高-2.90，设置一套除臭装置；水池层标高-15.50，主要设置有3台潜水离心泵，用于调蓄管道内初期雨水的排空。

进出水井深度在20m左右，基坑围护方案采用地下连续墙+内支撑的方式，基坑围护采用1000厚地下连续墙围护，墙深为40.0m，地下连续墙两侧采用φ850@600三轴水泥搅拌桩槽壁加固，下部采用2400MJS墙间加固止水，基坑顶面设置1600×1000钢筋混凝土冠梁及1200×1000钢筋混凝土支撑，基坑内设置三道1600×1000钢筋混凝土围檩及1200×1000钢筋混凝土支撑，基坑底部以下5m范围内采用φ800@600高压旋喷桩加固。

3.7 除臭设计

本工程考虑在进出水井的操作层，分别设置1套除臭设备，除臭设备采用“水洗+离子法+化学滤料吸附”的三级组合工艺，对调蓄管道内初期雨水产生的臭气进行处理后排放。根据《城镇雨水调蓄工程技术规范》（GB51174-2017），调蓄除臭设施的处理量宜按每小时处理调蓄容积1~2倍的臭气体积考虑。本工程调蓄管道臭气处理量按每小时处理调蓄容积2倍的臭气体积进行估算，除臭总风量设计取值为25000m3/h。调蓄管道进水时连锁开启除臭设施，将通过吸风管路将可能外溢的臭气收集处理达标后排出。调蓄存水期间（进完水之后排空之前）除臭设施保持在开启状态，但风量可根据充水后的空间降低。调蓄排水时可关停除臭设施。

3.8 景观设计

本工程位于居民区，主体建设完成后，上部完全恢复为绿化和公园。因此通风井，设备吊装口等出地部分如何能够与周边环境协调统一，充分地融合是景观设计的重点难点。设计时将调蓄功能与河道滨水公共空间相结合，将调蓄转化为环境友好型设施和对外科普展示的窗口，利用处理过后的雨水，设计参与性湿地体验区，来增加场地的特色与可识别性，更重要的是通过景观标识能增强参与性，使人们参与到雨水的控制与利用中来，增强人们对雨水可持续利用的认识。

结语

本工程结合现场实际，创新性的采用调蓄管道盾构法，充分利用河道地下空间，解决了用地紧张的难题。本文介绍了调蓄管道工程的设计要点，为类似工程项目提供借鉴。本工程的实施，对于改善人民的生活水平、建设生态宜居城市具有很大的作用。

参考文献

[1]郝慧敏,屠怡倩. 竹园污水处理片区超大规模污水调蓄池工艺设计要点[J].中国市政工程,2023(6):47-50.

[2]颜晓斐.大口径污水输送干管设计方案比选[J].城市道桥与防洪. 2010,(06):146-149+238