1.我國城市修建深隧工程的必要性

圖1 城市防洪排澇規(guī)劃圖

       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。以廣州東濠涌深隧為例，深層隧道與雨污分流比選方案如表1 所示。

表1 深層隧道與雨污分流方案比選

       4) 可緩解城市水危機。我國是缺水國家，每年卻把大量的雨水當做災害因素排入大海，與此同時，卻進行大規(guī)模的跨流域調(diào)水，將局部的水危機轉(zhuǎn)嫁給其他流域和地區(qū)，從而導致全面的水危機。大型的排水深隧可將雨水儲存起來，緩解城市水資源匱乏的問題。北京水務局統(tǒng)計資料顯示: 北京屬重度缺水地區(qū)，人均水資源占有量不足300 m3，而北京年均降雨總量為98． 28 億m3。據(jù)了解北京擬建深隧2 條廊道，總長約100 km，蓄滯能力可達800 萬m3。

       2.國外深邃建設成功案例

       由以上分析可以看出，建設深層排水隧道來解決城市內(nèi)澇問題是很有必要的; 但目前我國修建深隧的城市較少，在規(guī)劃和施工技術方面缺乏經(jīng)驗，故要對世界上已建成的深隧工程進行分析和研究，借鑒其成熟的經(jīng)驗。以下簡單介紹幾個典型的案例以作分析。


       2.1 日本首都圈外郭放水路


       1) 建設概況。日本首都圈外郭放水路屬于洪澇控制隧道，全長6． 4 km，直徑為10． 6 m，連接東京1 萬5 700 km的城市下水道，通過5 個高65 m、直徑32 m 的豎井，連通附近的江戶川、倉松川、中川、古利川等河流，作為分洪入口。單個豎井容積約為4． 2 萬m3，工程總儲水量為67 萬m3。蓄水池調(diào)壓水槽長177 m、寬78 m，由59 根長7 m、寬2 m、高18 m、質(zhì)量為500 t 的混凝土巨柱撐起，以防止蓄水池在地下水的推力下上浮。4 臺由航空發(fā)動機改裝而成的燃氣輪機驅(qū)動的大型水泵，單臺功率達1 萬4 000 馬力，將水以200 m3 /s 的速度排入江戶川，最終匯入東京灣。


       2) 施工技術。豎井采用逆筑襯砌和自動化沉井法施工，工程采用鋼管插入式接頭管片。鋼管插入式接頭包括插入桿和接收管，接收管的內(nèi)面包裹了一層聚乙烯，插入時用來吸收膨脹以避免外面管片混凝土破裂，其拼裝自動化程度高，減少了螺栓孔，避免二次襯砌。豎井施工方法見表2。

表2 豎井施工方法

       3) 運行情況。截至2013 年11 月1 日，首都圈外郭放水路每年運行5—10 次，累計經(jīng)歷了75 次暴雨。歷史最 大流入量出現(xiàn)在2008 年8 月的暴雨之時，處理的洪水水量相當于約2． 5 萬個25 m 標準泳池。


       4) 建設意義。2007 年，中川及綾瀨川流域遭水浸的房屋數(shù)量由最嚴重年份的4 萬1 544 間減至245間，浸水面積由2 萬7 840 hm2 減至65 hm2，降低了洪水對城市造成的損失［6］。


       2.2 神田川環(huán)狀7 號線地下調(diào)節(jié)池


       1) 建設概況。神田川環(huán)狀7 號線地下調(diào)節(jié)池，隧道長4． 5 km，內(nèi)徑為12． 5 m，位于地下50 m 深處。調(diào)節(jié)池的貯水量達54 萬m3。


       2) 施工技術。隧道采用泥水式盾構法。一期工程隧道外徑為13． 7 m，內(nèi)徑為12． 5 m，襯砌采用鋼筋混凝土平板形管片，厚0． 6 m; 二期采用嵌合式NM 管片，厚0． 35 m。


       3) 建成后效果。神田川是洪水重災區(qū)，于1997 年蓄水池一期工程完成后，就發(fā)揮了強大的調(diào)節(jié)功能。2004 年臺風來襲時的降雨量和1993 年的洪水災害差不多，但相比當時，周邊超過3 000 間房屋被淹，僅46間房屋受災。


       2.3英國泰晤士河LEE 溢流污水隧道


       1) 建設概況。LEE 溢流污水隧道屬于污染控制隧道，位于英國倫敦地下75 m 深處，長為6． 9 km，內(nèi)徑為7． 2 m，隧道和豎井的總儲存空間達到38． 2 萬m3，隧道設有4 個最 大直徑為38 m 的深豎井，工程價值達6． 35 億英鎊。


       2) 施工技術。隧道采用直徑為8． 85 m 的“BusyLizzie”號泥水平衡盾構掘進，使用混凝土管片作為隧道襯砌，隧道掘進于2010 年9 月開始，2014 年1 月掘進完成。工程中使用了全新的二次襯砌技術。為滿足建設需求，設計創(chuàng)新采用鋼纖維混凝土代替了傳統(tǒng)的混凝土二次襯砌，研發(fā)了全新可泵送的混凝土配比。通過使用該技術，在1 周內(nèi)最多可以完成300 m 的襯砌。鋼纖維混凝土襯砌厚度為300 mm，襯砌后隧道的內(nèi)徑由7． 8 m 縮小為7． 2 m。


       2.4 吉隆坡Smart 隧道


       1) 建設概況。吉隆坡Smart 隧道屬于多功能雨洪隧道，隧道全長達9． 7 km，是東南亞最長以及亞洲第二長隧道。隧道由洪水隧道與機動車隧道2 部分組成，隧道中間3 km 的隧道段在非暴雨季用做公路隧道，以緩解城市交通擁堵。這段隧道分為3 層，第3 層用于永 久性排水，上2 層用于通車。在遇到5 年一遇的暴雨時，第2 層隧道變?yōu)榕潘淼? 在遇到20 年一遇的暴雨時，整個直徑12 m 的隧道全部用于泄洪［6 － 7］。吉隆坡Smart 隧道如圖2 所示。

圖2 吉隆坡Smart隧道

       2) 建設目的。隧道主要用途是舒緩市區(qū)交通擁堵以及在發(fā)生閃電水災時排水。


       3.對于我國城市排水深隧工程規(guī)劃設計的思考


       我國深受內(nèi)澇災害的城市眾多，通過對國外城市的調(diào)研可以看出，深隧工程在應對超常降雨、暴雨消峰、蓄滯雨水等方面發(fā)揮了重要的作用。建排水深隧對完善我國城市排水系統(tǒng)，解決內(nèi)澇問題來說是很有必要的。排水深隧的規(guī)劃要從長遠的角度考慮，結合國外已建深隧的成功經(jīng)驗、頻率和強度都在增加的極端天氣及可持續(xù)發(fā)展理念提出以下建議。


       3.1 排水深隧規(guī)劃設計必須堅持雨污分流


       由于雨水污染小，經(jīng)過分流后，可直接排入城市內(nèi)河，經(jīng)過自然沉淀，即可作為天然的景觀用水，也可作為供給噴灑道路的城市市政用水，故雨水經(jīng)過凈化、緩沖流入河流，可以提高地表水的使用效益。同時，讓污水排入污水管網(wǎng)，并通過污水處理廠處理，實現(xiàn)污水再生回用。雨污分流后能加快污水收集率，提高污水處理率，避免污水對河道、地下水造成污染，明顯改善城市水環(huán)境，還能降低污水處理成本。


       3.2 深隧設計防澇標準應設為百年一遇，可分期修建


       從長遠的角度考慮，深隧設計防澇標準應設為百年一遇，有些城市即使過去沒有遭遇過百年一遇的暴雨，并不代表未來的幾年、十幾年內(nèi)不會出現(xiàn)百年一遇的極端降雨。根據(jù)國家氣象局統(tǒng)計顯示: 暴雨極值天氣出現(xiàn)的概率以每年20%的速率增加，短歷時暴雨強度、極端降雨日數(shù)也在不斷增加，故深隧設計防澇標準設為百年一遇是合理的。


       3.3 深隧規(guī)劃設計的空間布局


       1) 深隧管線布設，處理好深隧、淺管和河道之間的關系。深隧管線應根據(jù)城市內(nèi)澇風險評估報告中確定的城市內(nèi)澇積水點，布設在城市易澇區(qū)。以北京為例，解決北京西山洪水構想: 如果2012 年7 月21 日特大暴雨中心( 全市平均降雨量215 mm，暴雨中心達541 mm)發(fā)生在北京西山地區(qū)，將是北京更大的災難性事件。沿西山開挖截洪溝，建設地下排水深隧系統(tǒng)，導入到永定河，避免山區(qū)洪水與城區(qū)內(nèi)澇疊加沖擊城區(qū)。為減輕超標準降雨給城區(qū)“東排”增加的排澇壓力，根據(jù)中心城河流水系特點及近年積水分布情況，提出: 在城市西部建設以分流消峰為主的排水廊道，在城市東部建設以蓄滯為主的調(diào)蓄廊道［8］。除此之外，要重視深隧、淺管和河道的有效結合，深隧工程不是要重建一個城市排水系統(tǒng)，它應該是在原有治水管網(wǎng)基礎上的一個提升與深化，只有深隧、淺管和河道的管路暢通，深隧的功能才能發(fā)揮正常，否則就可能出現(xiàn)有暴雨時，下面的深隧“吃不飽”，上面的管網(wǎng)又頂不住的現(xiàn)象。淺層排水管網(wǎng)和深隧工程構成城市排澇系統(tǒng)，同時要連通城市內(nèi)外的天然水系河道，將防洪和排澇進行有效鏈接。


       2) 排水深隧建設層位。城市地下空間層位都有較為明確的規(guī)劃，城市地表以下0 ～ 8 m 是用于市政排水管網(wǎng)及各種通信、電力管線，地表以下8 ～ 30 m 已經(jīng)被地鐵占據(jù)，故深層排水隧道只能建于地下30 m 以下的位置，考慮抽水泵站的揚程和抽水成本以及地下更深層位用于其他規(guī)劃，建議深層排水隧道建于地下30 ～ 50 m的位置。城市地下空間開發(fā)規(guī)劃見圖3。

圖3 城市地下空間開發(fā)規(guī)劃圖（單位：m）

       3) 隧道儲量的確定。模擬海綿城市建成后，以地面雨水調(diào)蓄設施為參數(shù)，考慮城市歷年來最 大暴雨強度與歷時，并預測未來一定年限內(nèi)暴雨發(fā)展趨勢，建立城市暴雨洪水仿真模型，模擬超常雨情下海綿城市市區(qū)積水情況，確定隧道的儲量。


       4) 區(qū)別儲水豎井分體與合體設計。深隧豎井有分體、合體設計，針對城市內(nèi)澇積水區(qū)域的不同，選擇不同的設計方案。城市內(nèi)澇積水點集中，可采用合體設計，在深隧的末端設置一座大型的儲水豎井，緩存雨水; 若城市內(nèi)澇積水點分散，可采用分體設計，并在深隧布設沿線嚴重積水點設置儲水豎井。日本排水深隧設計構成圖見圖4。

圖4 日本排水深邃設計構成圖

       5) 排水深隧的防水設計。排水深隧在設計時應注重對地下水的隔離保護，防止雨水污染地下水，所以要注重排水深隧的防水設計。


       3.4 排水深隧多功能設計


       排水深隧的建設耗資巨大，據(jù)了解我國首條在建排水深隧———廣州深隧，東濠涌深隧僅1．8 km 就耗資7 億元左右，“一主七副”8 條深層隧道總長86．42 km需投資250億元左右。為充分發(fā)揮深隧的使用價值，可將深隧排水與道路運輸結合起來，在非暴雨時節(jié)，用做城市快速路，可緩解城市交通擁堵問題。


       4.排水深隧施工方法分析

       4.1 豎井施工技術


       排水深隧豎井施工技術有3 種: 鉆爆法、反井鉆機法和下沉式豎井掘進機( VSM) 。


       1) 鉆爆法。適用于各種地質(zhì)條件和地下水條件，具有適合各種斷面形式和變化斷面的高度靈活性，在深隧豎井施工初期階段，對松軟的土質(zhì)層，利用挖掘機挖掘; 在更深的巖石層，利用鑿巖臺車或多臂鉆車與專用炸 藥，鉆孔爆破掘進。


       2) 反井鉆機法。利用反井鉆機，先自上而下沿豎井設計中軸線，鉆出一個200～350 mm 倒孔，再沿倒孔自下而上擴孔鉆進，擴孔直徑一般為1～5 m，對于直徑超過5m的豎井，需要用鉆爆法施工最終成型。


       3) VSM 技術。主要是利用下沉式豎井掘進機進行掘進，利用這項技術可以建造直徑5～16m 的豎井到地面下150m的深處。目前，德國海瑞克能夠提供下沉式豎井掘進設備。該設備有2 個優(yōu)點: 一是能夠在地下水環(huán)境中作業(yè)，大幅度降低工程成本; 二是與隧道掘進設備聯(lián)手合作，為深隧工程系統(tǒng)提供成套解決方案。


       4.2 深層隧道施工技術


       深層隧道施工技術比較成熟，國內(nèi)外普遍采用盾構法，利用盾構機掘進，一次成型。以廣州東濠涌深隧試驗段為例。


       1) 工程概況。隧道起點位于越秀橋西南側綠化用地，線路沿越秀北路向南，沿途下穿地鐵1 號線和6 號線，順著越秀中路、越秀南路、東沙角路南下，終點位于江灣大酒店東側的補水泵站。隧道通過孖魚崗涌豎井和中山三路豎井，玉帶濠豎井與淺層系統(tǒng)連接。線路長1．77km，內(nèi)徑為5．3m，埋深33m［9］。


       2) 施工方法。隧道采用礦山法+ 盾構法施工，自中山三路往東風路豎井掘進，到東風路豎井后盾構吊出后回到中山三路豎井往沿江路尾端豎井及泵站掘進。盾構采用環(huán)寬為1．5m的通用管片襯砌，混凝土強度為C50，抗?jié)B等級不低于P12。沿江路豎井連接通道段及預留隧道段、尾端豎井預留隧道段、玉帶濠豎井聯(lián)絡通道段采用礦山法施工，采用復合襯砌。


       東風路豎井、中山三路豎井及玉帶濠豎井基坑上部土層采用排樁+ 內(nèi)支撐支護方式，樁間采用單管旋噴樁止水，基坑下部巖層采用巖石噴錨支護。尾端豎井與沿江路豎井由于臨近珠江，且地質(zhì)砂層較厚，基坑上部土層采用連續(xù)墻+ 內(nèi)支撐支護方式，基坑下部巖層采用巖石噴錨支護。


       5.結論與建議


       排水深隧在我國城市排水系統(tǒng)中應用不多，但前景廣闊，目前廣州、武漢、北京、上海都在積極地規(guī)劃建設排水深隧工程。通過調(diào)研分析總結出的結論與建議如下。


       1) 規(guī)劃排水深隧必須堅持雨污分流原則，防澇標準應設為百年一遇。


       2) 從城市地下空間資源綜合開發(fā)利用的角度出發(fā)，深隧層位應建于地下30 ～ 50 m 的位置，隧道管線應布設在城市易澇區(qū)，并且將修建深隧、改造淺管和清淤河道銜接起來，形成一套完整的防洪排澇系統(tǒng)，讓深隧的作用得以充分發(fā)揮，才能解決城市內(nèi)澇問題。


       3) 在城市內(nèi)澇積水集中的地方，可采用合體設計，在深隧的末端設置一座大型的儲水豎井，緩存雨水。若城市內(nèi)澇積水分散，可采用分體設計，在深隧沿線嚴重積水點設置儲水豎井，并且排水深隧要注重防水設計，防止雨水污染地下水。


       4) 為提高深隧的經(jīng)濟效益，應將深隧與地下快速路的規(guī)劃結合起來，實現(xiàn)功能多樣化。


       5) 排水深隧作為公共基礎設施，公益性較強，不以盈利為主要目的，并且投資規(guī)模巨大，故采取何種投融資方式是目前針對排水深隧建設需要進一步研究的方向。