導(dǎo)讀
通過建設(shè)地下深層隧道來解決城市局部洪澇及合流制溢流污染問題在我國日益受到重視。盡管深層隧道具有靈活、高效、對地表和淺層地下空間擾動小等優(yōu)勢，但由于其施工周期長、工程量大、投資高、運行管理維護復(fù)雜，故在對深層隧道設(shè)置方案進行決策時，必須考慮其適用條件。本文對深層隧道適用降雨特點、地質(zhì)和水文條件進行了研究，通過已建和在建工程案例分析了深層隧道適用的城市類型及地理位置，為不同城市進行隧道設(shè)置方案決策提供參考。
張盛楠(1984-)，河北冀州人，碩士，講師，主要從事給排水專業(yè)的教學(xué)及科研工作。
深層隧道適用降雨特點分析
殷水清等人通過對大量降雨數(shù)據(jù)的分析，根據(jù)雨量集中位置出現(xiàn)在整個降雨歷時過程的時間段，將雨型分為如下四種，即：前期集中型（Ⅰ型，0~40%處），中期集中型（Ⅱ型，40%~60%處），后期集中型（Ⅲ型，60%~100%）和均勻型雨型（Ⅳ型，雨量均勻分布于整個降雨過程）。
由于前期集中型（Ⅰ型）降雨雨量集中，地表徑流峰值較其他雨型更早出現(xiàn)，易引起較大的洪澇災(zāi)害，對排水系統(tǒng)沖擊較大。此時，諸如低影響開發(fā)的分散式小型雨水措施無法在短時間內(nèi)排除大量超標(biāo)雨水，而深層隧道技術(shù)則可迅速地將大量徑流雨水通過深層地下隧道排放或暫時存儲于蓄水設(shè)施中。故深層隧道技術(shù)更適于降雨量大且雨量集中的極端暴雨事件多發(fā)，峰值明顯的地區(qū)內(nèi)澇防治。
深層隧道適用地質(zhì)、水文條件分析
隧道選址應(yīng)在工程水文地質(zhì)條件實地勘測與資料收集基礎(chǔ)上，對各方面條件進行綜合分析，盡量避免在工程地質(zhì)條件較差地區(qū)采用深隧技術(shù)。隧道宜選在沿線地質(zhì)構(gòu)造簡單、巖體完整穩(wěn)定、單斜斷層褶皺較少、水文地質(zhì)條件有利、地下無有害氣體、施工方便的地區(qū)。若經(jīng)多種技術(shù)方案對比分析后仍需在地質(zhì)條件較差的地區(qū)采用深層隧道技術(shù)時，可適當(dāng)對該地區(qū)地質(zhì)工程進行相應(yīng)改造，并在施工過程中采取提前防護措施，避免工程事故發(fā)生。
深層隧道適用城市類型分析
老城區(qū)合流制地區(qū)
由于老城區(qū)或中心城區(qū)發(fā)展成熟，建筑密集，淺層地下空間的利用已趨于飽和，傳統(tǒng)的淺層改造措施往往難以實施或成本太高，很難在短期內(nèi)整體提高防洪排澇和合流制溢流控制標(biāo)準(zhǔn)。而深層隧道工程可充分利用城市深層地下空間，對地面和淺層地下空間影響?。槐苊獯罅空鞯睾筒疬w，且通過一些特殊的施工方法，可降低施工對民生和環(huán)境交通的影響；同時，深層隧道還可連接現(xiàn)有的合流管道、調(diào)蓄池、污水處理廠等排水設(shè)施，較快地解決城市CSO污染問題。
洪澇易發(fā)城市
對于易受臺風(fēng)侵襲，暴雨量大且集中，經(jīng)濟發(fā)達、建筑密集的沿海城市，綠色基礎(chǔ)設(shè)施、低影響開發(fā)等雨水處理技術(shù)無法快速排出超標(biāo)雨水，排水系統(tǒng)提標(biāo)改造、河道擴挖等工程影響范圍大，投資成本高。而地下深層深層隧道可在短時間內(nèi)吸納大量徑流雨水，緩解城區(qū)洪澇問題。且深層隧道可以在保持現(xiàn)有排水系統(tǒng)的基礎(chǔ)之上，進行地下雨水系統(tǒng)的建設(shè)，工程影響范圍較小，更適合積水片區(qū)的雨水系統(tǒng)提升改造工程。
深層隧道適用的地理環(huán)境和地形分析
由于不同城市所處的地理環(huán)境不同，面臨的雨洪和CSO污染問題也不一樣，因此，在進行深層隧道的規(guī)劃和設(shè)計過程中，應(yīng)針對要解決的問題、城市的地形，并結(jié)合現(xiàn)有排水設(shè)施的位置、規(guī)模和作用，因地制宜，確定深層隧道系統(tǒng)的技術(shù)方案。
連接溢流口或污水處理廠的深層隧道
為輸送污水，可沿溢流口或者污水處理廠設(shè)置深層隧道，典型的如新加坡深層隧道陰溝系統(tǒng)（DTSS）、正在規(guī)劃建設(shè)的廣州市深層隧道排水系統(tǒng)以及悉尼北部隧道系統(tǒng)。
圖1 污水輸送隧道示意圖
在悉尼，污水管渠破損和雨水管路的不合理連接，使大量雨水滲入污水管渠造成溢流排放，悉尼港遭受嚴(yán)重污染。因此，悉尼市沿郊區(qū)現(xiàn)有排水系統(tǒng)修建了大型的悉尼北部隧道系統(tǒng)。該隧道將萊茵灣、斯考特溪、唐柯公園、貴格匯海灣、謝利海灘等主要的溢流口和污水處理廠連接起來，當(dāng)污水管道達到排水容量時，溢流口可以起到“緩解閥門”的作用，將多余的污水和雨水輸送至悉尼北部隧道存儲，而后將污水輸送至北方污水廠處理。
新加坡為了置換市中心原有分散的污水處理廠和泵站用地，建設(shè)了深層隧道陰溝系統(tǒng)（DTSS）。該系統(tǒng)利用連接管截流現(xiàn)有污水系統(tǒng)中的污水，并通過兩條交錯的深層隧道，輸送污水至遠離中心區(qū)的東、西兩端的兩個大型污水廠集中處理，最后將處理過的水排入遠離新加坡的深海。該項目分兩個階段建設(shè)，第一階段包括一條長48km的污水隧道和樟宜污水處理廠，已于2008年完工。第一階段完工后，逐漸淘汰了新加坡東部地區(qū)原有的3個污水處理廠和45座泵站，釋放了161公頃的緩沖和設(shè)備用地，極大緩解了新加坡用地緊張的狀況。
廣州規(guī)劃在珠江河道之下建設(shè)長約29.1km的污水輸送隧道，收集沿途污水處理廠中的污水，為將來搬遷污水處理廠，置換污水廠土地奠定基礎(chǔ)。
該類型隧道可有效地將沿途溢流口或者污水處理廠串聯(lián)起來，收集和輸送沿途合流制溢流污水或城市污水至集中的污水處理廠處理，適用于溢流口多，溢流水量大，而城市空間有限，無法沿每個溢流口設(shè)置分散的調(diào)蓄處理設(shè)施或者城區(qū)污水廠多、位置分散、占地面積大而用地緊張的地區(qū)。
垂直于主徑流方向的深層隧道
此類隧道多為雨洪排放隧道，通常沿主徑流垂直方向設(shè)置。典型的如香港荔枝角、荃灣、港島西雨水排放隧道系統(tǒng)。
以荔枝角雨水排放隧道為例，香港荔枝角地區(qū)鄉(xiāng)郊地勢較高，而市區(qū)地勢較為低洼。暴雨時，大量雨水瞬間沿山上已鋪筑地區(qū)和斜坡流到市區(qū)，造成內(nèi)澇水浸。為減少山洪和雨水對香港市區(qū)排水系統(tǒng)的沖擊，香港政府投巨資在地下約40米處修建了荔枝角雨水排放隧道。該隧道系統(tǒng)在香港西九龍地區(qū)大埔道及呈祥道修建了多個進水口、豎井和隧道，將荔枝角、長沙灣和深水埗上游高地的雨水，通過全長約3.7km、直徑4.9m的雨水深層隧道引流繞過鬧市，最終排入維多利亞港，使流入市區(qū)排水系統(tǒng)的高地雨水量大大減少，有效降低了下游區(qū)域的內(nèi)澇風(fēng)險。
圖2 香港雨水截流系統(tǒng)示意圖
該類型隧道通過截流積水區(qū)域或上游山洪，降低下游區(qū)域洪澇風(fēng)險，一般建于暴雨量大且集中，水澇頻繁且城市中山地丘陵較多，主城區(qū)位于山下，地勢低洼，易被山洪侵襲的地區(qū)。
河道下方設(shè)置的深層隧道
此類隧道多平行于河道或位于河道正下方，以解決河道排水能力不足或者合流制溢流污水污染問題，典型的如美國奧斯汀沃勒河排洪隧道和英國泰晤士潮汐隧道，我國廣州深層隧道排水系統(tǒng)也規(guī)劃將部分隧道建于河道下方。
圖3 奧斯汀沃勒河排洪隧道系統(tǒng)示意圖
為了修復(fù)洪泛區(qū)，轉(zhuǎn)移暴雨洪峰流量，美國奧斯汀市于2011年開始修建沃勒河排洪隧道。該隧道沿著沃勒河修建，由長1707米，直徑6.2~8.1米的三段混凝土隧道、入口和出口設(shè)施以及溢流側(cè)堰截水系統(tǒng)組成，將暴雨流量通過出口設(shè)施直接輸送至伯德夫人湖。工程完成后，沃勒河排洪隧道將可控制該流域百年一遇的洪水。
泰晤士潮汐隧道是沿泰晤士河鋪設(shè)的。此隧道直接或通過一連串的連接隧道攔截大量合流溢流污水，使其靠重力自流至東部的阿比米爾斯泵站，再通過“李隧道”泵至升級后的貝克頓污水處理廠。該工程在泰晤士河下方施工，降低施工對城市生活的影響。隧道建成后可有效減少泰晤士河的溢流次數(shù)，改善泰晤士河的水體環(huán)境。
圖4 泰晤士潮汐隧道示意圖
在一些依河而建的老城市，排水口或溢流口、排水泵站和污水處理廠等排水設(shè)施均建于河邊。雨季時，河道排洪能力不足，溢流污染嚴(yán)重。將深層隧道平行于河道設(shè)置或建于河道下方，可有效吸納、存儲、處理或排放超量雨水和合流制溢流污水，減輕城市洪澇災(zāi)害，緩解合流制溢流污染。
與公路隧道、雨水蓄水池等設(shè)施相結(jié)合的深層隧道
為實現(xiàn)隧道的高效綜合利用，可通過合理的設(shè)計與運行調(diào)度，將其與公路、溢流口、雨水調(diào)蓄池、現(xiàn)有管道系統(tǒng)、積水區(qū)域等進行適當(dāng)連接，以兼顧洪澇控制、污染控制、舒緩交通、雜用水補充等多種功能。此種設(shè)計主要用于有洪澇、CSO污染、交通、水資源短缺等多重問題的城市。
馬來西亞吉隆坡SMART(the StormwaterManagement and Road Tunnel)隧道是世界上第一條兩用隧道，全長9.7km，直徑13.26m(內(nèi)徑11.83m)，呈3層結(jié)構(gòu)，包括3~4km的雙層高速公路隧道和最底層的永久排水隧道。無雨或小雨時，第一、二層隧道用于通車；當(dāng)遇到5年一遇的大暴雨時，第二層即變?yōu)榕潘ǖ溃划?dāng)遇到特大的極端性暴雨時，車道全部封閉，直徑近12m的整個隧道全部變?yōu)榕藕榈溃跃徑獬鞘兄行膮^(qū)的排澇壓力。該工程在同一條隧道內(nèi)解決吉隆坡城區(qū)的洪水及交通擁堵問題，充分發(fā)揮了隧道的多重作用。
圖5 吉隆坡SMART隧道工程運行模式示意圖
此外，美國芝加哥隧道和水庫計劃（TARP）將地下深層隧道與大型蓄水池（水庫）連接，有效地控制了城區(qū)內(nèi)澇風(fēng)險和CSO污染，顯著改善了河道水質(zhì)。香港荔枝角雨水排放隧道與地下靜水池結(jié)合，將截留的高地雨水暫時存蓄在靜水池，而后將靜水池收集到的部分雨水過濾后供沖廁、綠地灌溉和街道清洗等雜用，實現(xiàn)了雨水資源的充分利用。
結(jié) 語
雨水深層隧道適用于短歷時超強降雨天氣多發(fā)導(dǎo)致城區(qū)洪澇和CSO污染問題突出，發(fā)展成熟建筑密集不便于進行地面和淺層地下施工，地質(zhì)構(gòu)造簡單、巖體完整穩(wěn)定、水文地質(zhì)條件有利且經(jīng)濟發(fā)達的老城區(qū)和中心城區(qū)。
在進行隧道方案決策時，還需科學(xué)分析和借鑒已建成隧道的成功經(jīng)驗，認(rèn)真分析當(dāng)?shù)亟?jīng)濟社會發(fā)展?fàn)顩r、存在的雨洪問題、降雨特點、地質(zhì)條件、原有排水系統(tǒng)改造可能性以及是否可與現(xiàn)有排水系統(tǒng)相結(jié)合，綜合運用方案比選、模型模擬、系統(tǒng)分析、部門協(xié)商、公眾咨詢等多種手段，做出更具針對性、因地制宜的決策。
本文發(fā)表于《中國給水排水》2017年第2期，作者是張盛楠1，李成江2 , 宗紹利1，孟令超1（1.天津大學(xué)仁愛學(xué)院； 2.中國市政工程華北設(shè)計研究總院有限公司）
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