我国城市防洪排涝地下深隧规划设计与施工方法

黄明利， 张志恩， 谭忠盛

(北京交通大学土建学院， 北京 100044)

我国城市防洪排涝地下深隧规划设计与施工方法

黄明利， 张志恩*， 谭忠盛

(北京交通大学土建学院， 北京 100044)

为了建设符合中国国情的地下排水深隧，解决城市内涝问题，消除“城市看海”现象，采用调研分析的研究方法，通过调研国外城市排水深隧建设的成功案例，借鉴成熟经验并结合我国国情探索出我国城市排水深隧在规划设计、施工技术等方面的建设模式。主要结论如下： 1)深隧规划必须坚持雨污分流原则，防涝标准应设为百年一遇； 2)深隧层位应建于地下30～50 m的位置，隧道管线应布设在城市易涝区，并且将修建深隧、改造浅管和清淤河道衔接起来，形成一套完整的防洪排涝系统，让深隧的作用得以充分发挥，才能解决城市内涝问题； 3)排水深隧要注重防水设计，防止雨水污染地下水； 4)为提高深隧的经济效益，应将深隧与地下快速路的规划结合起来，功能上多样化。

防洪排涝； 排水深隧； 规划设计； 施工方法

0 引言

2016年我国各地频繁遭受内涝灾害，损失严重。根据国家防汛抗旱总指挥部办公室统计结果，截至2015年，全国有29省(区、市) 1 810个县5 932万人遭受洪涝灾害，因灾死亡232人、失踪55人，紧急转移安置466.35万人，农作物受灾面积4 839万hm2，房屋倒塌11.75万间，直接经济损失约1 176亿元。城市防洪排涝问题引起越来越高的重视。为解决城市逢雨必涝现象，国家大力推广海绵城市建设，建立海绵城市试点城市，希望起到示范作用。海绵城市建设已经1年，但是众多试点城市仍旧无法摆脱“逢雨必涝”。根据《中国经济周刊》记者不完全统计，从2015年至今，全国30个海绵城市试点中有19个城市出现内涝。《关于推进海绵城市建设的指导意见》提出将70%的降雨就地消纳和利用的建设目标，到2020年，城市建成区20%以上的面积达到目标要求，2030年80%以上的面积达到目标要求。中央对试点城市考核的时间表是 5～10 年，目前首批海绵城市试点工作启动仅1年，不能因为这次被水淹了，就认为海绵城市的试点失败了，同时也暴露出海绵城市现阶段规划建设存在的问题：“重地上、轻地下”，过分重视“渗”“蓄”“滞”地上“海绵体”设施建设，忽略了“排”“用”，即地下排水系统的升级改造，尤其是深层调蓄隧道的规划建设。

一些学者对深隧进行了研究。文献[1]根据控制目的和功能，将隧道类型分为： 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；文献[2-5]认为深隧工程在排污、防涝等方面能起到不可替代的作用，尤其是对老城区排水管道的雨污分流改造，并且提出只有深层隧道和浅层系统结合起来，才能解决城市内涝及污水处理问题。以上文献对深隧工程的研究还较为浅显，对我国城市防洪排涝为什么要选择排水深隧，排水深隧建设是否也要坚持雨污分离、防洪标准年限，以及从城市地下空间资源的综合利用考虑深隧的建设层位、储量的确定、采用分体或合体设计、防止地下水污染等问题，还有修建排水深隧要采用何种施工技术都未给予合理的建议。

1 我国城市修建深隧工程的必要性

1)宏观上，基于我国人多地少的国情，地表调蓄空间严重不足，需要地下深层调蓄。国家统计局资料显示： 我国人口总量13.68亿人(2014年)，多集中在东部平原。我国有4大平原，平原面积只占总面积的12%，其中面积最大的平原为东北平原(35万km2)、最小的平原为关中平原(约4万km2)，经济最为富庶的为长江中下游平原(16万km2)，人口最多的平原为华北平原(31万km2)。

建设海绵城市需要占用地表土地资源转化为绿化、渗蓄储水设施，这与我国人多地少的国情相矛盾，故建设地下深层调蓄可节约土地资源。

2)只靠海绵城市“海绵体”不能消除内涝，排水深隧可辅助海绵城市消除内涝。海绵城市通过“海绵体”将城市积水蓄存或者下渗为地下水。当地下水位上升，“海绵体”饱和以后，剩余积水如何解决？武汉市(试点海绵城市)水务局统计资料显示： 从2016年6月30日至7月2日，降雨达到 22.5个东湖的水量及全年1/3的雨量，6个远城区降雨量超过200 mm，部分地区甚至4 h就降雨240 mm。超强降雨引起江水倒灌是此次武汉内涝的主要原因。

连续超强的降雨、外江水位的不断上涨，使城市“海绵体”失去作用，这种情况如何“破”？排水深隧助力海绵城市可消除内涝。城市防洪排涝规划图如图1所示。

图1 城市防洪排涝规划图

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。以广州东濠涌深隧为例，深层隧道与雨污分流比选方案如表1所示。

表1 深层隧道与雨污分流方案比选

4)可缓解城市水危机。我国是缺水国家，每年却把大量的雨水当做灾害因素排入大海，与此同时，却进行大规模的跨流域调水，将局部的水危机转嫁给其他流域和地区，从而导致全面的水危机。大型的排水深隧可将雨水储存起来，缓解城市水资源匮乏的问题。北京水务局统计资料显示： 北京属重度缺水地区，人均水资源占有量不足300 m3，而北京年均降雨总量为98.28亿m3。据了解北京拟建深隧2条廊道，总长约100 km，蓄滞能力可达800万 m3。

2 国外深隧建设成功案例

由以上分析可以看出，建设深层排水隧道来解决城市内涝问题是很有必要的； 但目前我国修建深隧的城市较少，在规划和施工技术方面缺乏经验，故要对世界上已建成的深隧工程进行分析和研究，借鉴其成熟的经验。以下简单介绍几个典型的案例以作分析。

2.1 日本首都圈外郭放水路

1)建设概况。日本首都圈外郭放水路属于洪涝控制隧道，全长6.4 km，直径为10.6 m，连接东京 1万5 700 km的城市下水道，通过5个高65 m、直径32 m的竖井，连通附近的江户川、仓松川、中川、古利川等河流，作为分洪入口。单个竖井容积约为4.2万 m3，工程总储水量为67万 m3。蓄水池调压水槽长177 m、宽78 m，由59根长7 m、宽2 m、高18 m、质量为500 t的混凝土巨柱撑起，以防止蓄水池在地下水的推力下上浮。4台由航空发动机改装而成的燃气轮机驱动的大型水泵，单台功率达1万4 000马力，将水以200 m3/s的速度排入江户川，最终汇入东京湾。

2)施工技术。竖井采用逆筑衬砌和自动化沉井法施工，工程采用钢管插入式接头管片。钢管插入式接头包括插入杆和接收管，接收管的内面包裹了一层聚乙烯，插入时用来吸收膨胀以避免外面管片混凝土破裂，其拼装自动化程度高，减少了螺栓孔，避免二次衬砌。竖井施工方法见表2。

表2 竖井施工方法

Table 2 Construction methods for inclined shafts

3)运行情况。截至2013年11月1日，首都圈外郭放水路每年运行5—10次，累计经历了75次暴雨。历史最大流入量出现在2008年8月的暴雨之时，处理的洪水水量相当于约2.5万个25 m标准泳池。

4)建设意义。2007年，中川及绫濑川流域遭水浸的房屋数量由最严重年份的4万1 544间减至245间，浸水面积由2万7 840 hm2减至65 hm2，降低了洪水对城市造成的损失[6]。

2.2 神田川环状7号线地下调节池

1)建设概况。神田川环状7号线地下调节池，隧道长4.5 km，内径为12.5 m，位于地下50 m深处。调节池的贮水量达54万 m3。

2)施工技术。隧道采用泥水式盾构法。一期工程隧道外径为13.7 m，内径为12.5 m，衬砌采用钢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。神田川是洪水重灾区，于1997年蓄水池一期工程完成后，就发挥了强大的调节功能。2004年台风来袭时的降雨量和1993年的洪水灾害差不多，但相比当时，周边超过3 000间房屋被淹，仅46间房屋受灾。

2.3 英国泰晤士河LEE溢流污水隧道

1)建设概况。LEE溢流污水隧道属于污染控制隧道，位于英国伦敦地下75 m深处，长为6.9 km，内径为7.2 m，隧道和竖井的总储存空间达到38.2万 m3，隧道设有4个最大直径为38 m的深竖井，工程价值达6.35亿英镑。

2)施工技术。隧道采用直径为8.85 m的“Busy Lizzie”号泥水平衡盾构掘进，使用混凝土管片作为隧道衬砌，隧道掘进于2010年9月开始，2014年1月掘进完成。工程中使用了全新的二次衬砌技术。为满足建设需求，设计创新采用钢纤维混凝土代替了传统的混凝土二次衬砌，研发了全新可泵送的混凝土配比。通过使用该技术，在1周内最多可以完成300 m的衬砌。钢纤维混凝土衬砌厚度为300 mm，衬砌后隧道的内径由7.8 m缩小为7.2 m。

2.4 吉隆坡Smart隧道

1)建设概况。吉隆坡Smart隧道属于多功能雨洪隧道，隧道全长达9.7 km，是东南亚最长以及亚洲第二长隧道。隧道由洪水隧道与机动车隧道2部分组成，隧道中间3 km的隧道段在非暴雨季用做公路隧道，以缓解城市交通拥堵。这段隧道分为3层，第3层用于永久性排水，上2层用于通车。在遇到5年一遇的暴雨时，第2层隧道变为排水隧道； 在遇到20年一遇的暴雨时，整个直径12 m的隧道全部用于泄洪[6-7]。吉隆坡Smart隧道如图2所示。

图2 吉隆坡Smart隧道

2)建设目的。隧道主要用途是舒缓市区交通拥堵以及在发生闪电水灾时排水。

3 对于我国城市排水深隧工程规划设计的思考

我国深受内涝灾害的城市众多，通过对国外城市的调研可以看出，深隧工程在应对超常降雨、暴雨消峰、蓄滞雨水等方面发挥了重要的作用。建排水深隧对完善我国城市排水系统，解决内涝问题来说是很有必要的。排水深隧的规划要从长远的角度考虑，结合国外已建深隧的成功经验、频率和强度都在增加的极端天气及可持续发展理念提出以下建议。

3.1 排水深隧规划设计必须坚持雨污分流

由于雨水污染小，经过分流后，可直接排入城市内河，经过自然沉淀，即可作为天然的景观用水，也可作为供给喷洒道路的城市市政用水，故雨水经过净化、缓冲流入河流，可以提高地表水的使用效益。同时，让污水排入污水管网，并通过污水处理厂处理，实现污水再生回用。雨污分流后能加快污水收集率，提高污水处理率，避免污水对河道、地下水造成污染，明显改善城市水环境，还能降低污水处理成本。

3.2 深隧设计防涝标准应设为百年一遇,可分期修建

从长远的角度考虑，深隧设计防涝标准应设为百年一遇，有些城市即使过去没有遭遇过百年一遇的暴雨，并不代表未来的几年、十几年内不会出现百年一遇的极端降雨。根据国家气象局统计显示： 暴雨极值天气出现的概率以每年20%的速率增加，短历时暴雨强度、极端降雨日数也在不断增加，故深隧设计防涝标准设为百年一遇是合理的。

3.3 深隧规划设计的空间布局

1)深隧管线布设，处理好深隧、浅管和河道之间的关系。深隧管线应根据城市内涝风险评估报告中确定的城市内涝积水点，布设在城市易涝区。以北京为例，解决北京西山洪水构想： 如果2012年7月21日特大暴雨中心(全市平均降雨量215 mm，暴雨中心达541 mm)发生在北京西山地区，将是北京更大的灾难性事件。沿西山开挖截洪沟，建设地下排水深隧系统，导入到永定河，避免山区洪水与城区内涝叠加冲击城区。为减轻超标准降雨给城区“东排”增加的排涝压力，根据中心城河流水系特点及近年积水分布情况，提出： 在城市西部建设以分流消峰为主的排水廊道， 在城市东部建设以蓄滞为主的调蓄廊道[8]。除此之外，要重视深隧、浅管和河道的有效结合，深隧工程不是要重建一个城市排水系统，它应该是在原有治水管网基础上的一个提升与深化，只有深隧、浅管和河道的管路畅通，深隧的功能才能发挥正常，否则就可能出现有暴雨时，下面的深隧“吃不饱”，上面的管网又顶不住的现象。浅层排水管网和深隧工程构成城市排涝系统，同时要连通城市内外的天然水系河道，将防洪和排涝进行有效链接。

2)排水深隧建设层位。城市地下空间层位都有较为明确的规划，城市地表以下0～8 m是用于市政排水管网及各种通信、电力管线，地表以下8～30 m已经被地铁占据，故深层排水隧道只能建于地下30 m以下的位置，考虑抽水泵站的扬程和抽水成本以及地下更深层位用于其他规划，建议深层排水隧道建于地下 30～50 m的位置。城市地下空间开发规划见图3。

图3 城市地下空间开发规划图(单位： m)

3)隧道储量的确定。模拟海绵城市建成后，以地面雨水调蓄设施为参数，考虑城市历年来最大暴雨强度与历时，并预测未来一定年限内暴雨发展趋势，建立城市暴雨洪水仿真模型，模拟超常雨情下海绵城市市区积水情况，确定隧道的储量。

4)区别储水竖井分体与合体设计。深隧竖井有分体、合体设计，针对城市内涝积水区域的不同，选择不同的设计方案。城市内涝积水点集中，可采用合体设计，在深隧的末端设置一座大型的储水竖井，缓存雨水；若城市内涝积水点分散，可采用分体设计，并在深隧布设沿线严重积水点设置储水竖井。日本排水深隧设计构成图见图4。

图4 日本排水深隧设计构成图

5)排水深隧的防水设计。排水深隧在设计时应注重对地下水的隔离保护，防止雨水污染地下水，所以要注重排水深隧的防水设计。

3.4 排水深隧多功能设计

排水深隧的建设耗资巨大，据了解我国首条在建排水深隧——广州深隧，东濠涌深隧仅1.8 km就耗资7亿元左右，“一主七副”8条深层隧道总长86.42 km需投资250亿元左右。为充分发挥深隧的使用价值，可将深隧排水与道路运输结合起来，在非暴雨时节，用做城市快速路，可缓解城市交通拥堵问题。

4 排水深隧施工方法分析

4.1 竖井施工技术

排水深隧竖井施工技术有3种： 钻爆法、反井钻机法和下沉式竖井掘进机(VSM)。

1)钻爆法。适用于各种地质条件和地下水条件，具有适合各种断面形式和变化断面的高度灵活性，在深隧竖井施工初期阶段，对松软的土质层，利用挖掘机挖掘；在更深的岩石层，利用凿岩台车或多臂钻车与专用炸药，钻孔爆破掘进。

2)反井钻机法。利用反井钻机，先自上而下沿竖井设计中轴线，钻出一个φ200～350 mm倒孔，再沿倒孔自下而上扩孔钻进，扩孔直径一般为1～5 m，对于直径超过5 m的竖井，需要用钻爆法施工最终成型。

3)VSM技术。主要是利用下沉式竖井掘进机进行掘进，利用这项技术可以建造直径5～16 m的竖井到地面下150 m的深处。目前，德国海瑞克能够提供下沉式竖井掘进设备。该设备有2个优点： 一是能够在地下水环境中作业，大幅度降低工程成本；二是与隧道掘进设备联手合作，为深隧工程系统提供成套解决方案。

4.2 深层隧道施工技术

深层隧道施工技术比较成熟，国内外普遍采用盾构法，利用盾构机掘进，一次成型。以广州东濠涌深隧试验段为例。

1)工程概况。 隧道起点位于越秀桥西南侧绿化用地，线路沿越秀北路向南，沿途下穿地铁1号线和6号线，顺着越秀中路、越秀南路、东沙角路南下，终点位于江湾大酒店东侧的补水泵站。隧道通过孖鱼岗涌竖井和中山三路竖井，玉带濠竖井与浅层系统连接。线路长1.77 km，内径为5.3 m，埋深33 m[9]。

2)施工方法。隧道采用矿山法+盾构法施工，自中山三路往东风路竖井掘进，到东风路竖井后盾构吊出后回到中山三路竖井往沿江路尾端竖井及泵站掘进。盾构采用环宽为1.5 m的通用管片衬砌，混凝土强度为C50，抗渗等级不低于P12。沿江路竖井连接通道段及预留隧道段、尾端竖井预留隧道段、玉带濠竖井联络通道段采用矿山法施工，采用复合衬砌。

东风路竖井、中山三路竖井及玉带濠竖井基坑上部土层采用排桩+内支撑支护方式，桩间采用单管旋喷桩止水，基坑下部岩层采用岩石喷锚支护。尾端竖井与沿江路竖井由于临近珠江，且地质砂层较厚，基坑上部土层采用连续墙+内支撑支护方式，基坑下部岩层采用岩石喷锚支护。

5 结论与建议

排水深隧在我国城市排水系统中应用不多，但前景广阔，目前广州、武汉、北京、上海都在积极地规划建设排水深隧工程。通过调研分析总结出的结论与建议如下。

1)规划排水深隧必须坚持雨污分流原则，防涝标准应设为百年一遇。

2)从城市地下空间资源综合开发利用的角度出发，深隧层位应建于地下30～50 m的位置，隧道管线应布设在城市易涝区，并且将修建深隧、改造浅管和清淤河道衔接起来，形成一套完整的防洪排涝系统，让深隧的作用得以充分发挥，才能解决城市内涝问题。

3)在城市内涝积水集中的地方，可采用合体设计，在深隧的末端设置一座大型的储水竖井，缓存雨水。若城市内涝积水分散，可采用分体设计，在深隧沿线严重积水点设置储水竖井，并且排水深隧要注重防水设计，防止雨水污染地下水。

4)为提高深隧的经济效益，应将深隧与地下快速路的规划结合起来，实现功能多样化。

5)排水深隧作为公共基础设施，公益性较强，不以盈利为主要目的，并且投资规模巨大，故采取何种投融资方式是目前针对排水深隧建设需要进一步研究的方向。

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Planning, Design and Construction of Deep Underground Tunnel for Flood Control and Drainage in Urban Areas in China

HUANG Mingli, ZHANG Zhien*, TAN Zhongsheng

(SchoolofCivilEngineering&Architecture,BeijingJiaotonguniversity,Beijing100044,China)

The waterlogging in some urban areas in China is serious, as a result, it is very important to build proper underground drainage tunnels in these areas. The successful cases of deep urban drainage tunnels in other countries are studied; meanwhile, the proper modes of planning, design and construction technology of deep urban drainage tunnel in China are discussed. Some main conclusions are as follows: 1) The principle of rainfall and sewage separation should be kept; and the flood control standard should be rather strict. 2) The drainage tunnels should be located underground 30-50 m in areas are prone to waterlogging. 3) A flood control and drainage system connecting tunnels, shallow pipelines and desilting riverway should be established. 4) The planning of deep drainage tunnels and underground expressway should be connected so as to improve the economical benefits of deep drainage tunnels.

flood control and drainage; deep drainage tunnel; planning and design; construction method

2016-12-05;

2017-06-10

城市地下空间开发规划战略研究(中国工程院咨询研究项目(2015-XZ-16))

黄明利(1969—)，男，黑龙江双城人，2000年毕业于东北大学，采矿工程专业，博士，教授，主要从事地铁和隧道设计与施工技术、岩土破坏力学、隧道注浆理论与技术等方面的教学科研工作。E-mail： mlhuang@bjtu.edu.cn。*通信作者： 张志恩， E-mail： 2550398151@qq.com。

10.3973/j.issn.1672-741X.2017.08.005

U 45

A

1672-741X(2017)08-0946-06