服役期城市水下隧道的水害防治策略研究

朱铁环，安永林，岳 健

(湖南科技大学 土木工程学院，湖南 湘潭 411201)

0 引言

一直以来，突涌水与渗漏水等水害问题严重困扰着隧道行业的发展，引起了众多学者的广泛关注[1-4]；即便是在科技发达的当今世界，隧道水害事故也层出不穷。例如，2021年7月20日，在极端降雨的影响下，郑州市京广快速路北隧道被淹，导致 6 人死亡。在漫长的服役期内，与非水下隧道相比，城市水下隧道由于来水源源不断，水害防治更为困难，有必要研究合理的水害防治策略。

在当今社会发展背景下，制定服役期城市水下隧道的水害防治策略时，在以下几个方面应给予特别关注。

(1)全球气候变化愈加异常。将来极端降雨与极端干旱等极端天气可能会越来越频繁地出现，在城市水下隧道漫长的服役期内，遇到极端天气的概率较大。

(2)“海绵城市”与“韧性城市”的发展理念逐步推广。为了应对日益严峻的城市环境问题，“海绵城市”与“韧性城市”的理念被提出并且逐步推广，但目前在地方具体执行上还存在一系列问题。

(3)信息技术更新速度加快。随着人工智能、大数据、5G、云计算等信息技术的飞速发展，在城市水下隧道的水害防治中充分利用先进的信息化手段已是大势所趋。

本文针对城市水下隧道这一类特殊隧道，结合气候变化愈加异常、“海绵城市”与“韧性城市”的发展理念逐步推广、信息技术更新速度加快等新时代特征，主要研究隧道服役期的水害防治问题，得出了一系列有效的水害防治策略，这对于实际开展隧道水害防治工作具有重要的参考价值。

1 隧道水害防治存在的问题

目前，在隧道水害防治工作中，存在各种各样的问题。本文主要从宏观策略的角度展开分析，认为在隧道的水害防治工作中，容易出现以下问题。

隧道施工单位与运营管理单位往往不是同一家单位，如果只考虑各自单位的利益，总想着撇清自己的责任，就会割裂施工期的水害防治与服役期的水害防治，这不利于水害的整体防治。

过去，一些隧道在进行防排水设计时，并没有想到现今全球气候变化竟然如此异常，有些防排水设施可能无法满足极端天气的要求，而对这些防排水设施进行改造也困难重重。

有些隧道不习惯将“海绵城市”与“韧性城市”的发展理念应用到水害防治工作中；只注重洞内水害的防治，而不关心洞外环境的治理，这样就容易忽略水害的根源；治理水害时不能全面考虑其他类型灾害对水害的影响。

有些隧道本着“能拖就拖”的思想，不愿意应用信息化手段更新水害防治技术，不肯在信息化改造中投入经费，这就容易导致有限的人力物力用不对地方或用不对时机，从而导致治水低效甚至无效。

2 隧道水害防治的策略

针对上述问题，通过深入调研近些年来发生的多起隧道水害案例，研究得出了服役期城市水下隧道的一系列水害防治策略，可供实际工程参考利用。

2.1 统筹防治施工期水害与服役期水害

隧道水害是一个贯穿施工期与服役期的长期性问题，宜适当加大施工期的水害防治力度，尽量不把水害隐患留到服役期，这能明显减轻服役期的水害防治压力。隧道水害具有明显的时间效应，有些水害在施工期间孕育但并没有暴露，随着时间推移，在服役期间才会逐渐扩展、显现直至造成严重危害。一般情况下，施工期治理水害比服役期治理水害具备更便利的工作条件，付出的代价也相对较低，因为施工期是先治理好水害后，再施作衬砌，这样就不用破坏衬砌；而服役期要想彻底治理水害，很多情况下要破坏掉衬砌。例如，某隧道位于岩溶地区，施工期间恰巧干旱少雨，隧道开挖后渗水量较小，在这种表面现象的影响下，施工期间对不良岩溶地质的处理力度不够，这样做在施工期间并没有发生突涌水事故；但隧道仅仅在服役半年后，强降雨影响叠加上原有不良岩溶的影响，导致隧道洞内出现严重的突涌水，花费了大量的人力物力才把突涌水治理好[5]。相比非水下隧道，城市水下隧道水害的时间效应更为显著，因为一方面水下隧道的来水源源不断，另一方面城市污染致使来水往往含有酸、碱、盐等各种侵蚀性物质，隧道的防水注浆体、防水混凝土、防水卷材在长期被水浸泡与侵蚀下会逐渐失效，导致隧道的某些区段虽然在施工期间并没有漏水，在服役期间却漏水严重，而且堵了又漏。因此，宜适当加大施工期的水害防治力度，在施作上述各种防水设施时应确保施工质量，尽可能提高其耐久性，尽量不把水害隐患留到服役期，否则在服役期治理水害会非常麻烦。

隧道的运营管理单位应与施工单位加强合作，有效衔接施工期与服役期的水害防治工作。例如，隧道运营管理单位可以利用建筑信息模型(BIM)，主导建立从施工期延续到服役期的水害防治信息系统；虽然受当时技术水平与经费限制，有些情况下施工单位并没有完全根除水害隐患，但最起码可以把水害的地质资料、孕育部位、表现形式、渗漏原因、监测数据、已做的处理工作以及施工细节等宝贵信息输入模型中，方便隧道运营管理单位日后查看，以确定隧道维修养护的重点与难点，在水害暴露时不破坏衬砌结构就能快速找到出水的根源，从而对症下药，对水害进行有效治理。

2.2 统筹防治常规天气水害与极端天气水害

极端降雨未来可能会越来越频繁地发生，隧道管理部门应在防治常规天气水害的基础上，提前制定好应对极端降雨水害的系统性防治措施。2021年7月20日，郑州市降下极端暴雨，京广快速路北隧道附近的降雨量曾一度达到隧道排水泵站设计标准的 3 倍，周围大量涝水快速涌入地势较低的隧道，隧道内积水无法及时排走而迅速增长漫延；隧道也没有及时封闭，没有及时阻止人车进入隧道，隧道内人员也未能及时逃出，造成 6 人死亡[6]。这一事故提醒有关部门应该提前制定好城市水下隧道的极端降雨水害防治措施，因为城市水下隧道不仅要防止洞外雨水涌入隧道，还要防止隧道上方的江河水涌入隧道。隧道内要配备足够的水灾救援设备，例如救生衣、救生船、潜水装备等，并放在专用空间由专人妥善保管。在常规天气时，应适时在隧道内进行极端降雨情况下的逃生及救援模拟演练，达到届时能够不慌不乱应对极端降雨引发水灾的目的。在城市水下隧道服役期间，因为隧道始终处于江河之下，即便是常规天气，隧道也极有可能发生渗漏水，在长时间抽排这类渗漏水后，既有排水设施性能会随着时间推移而劣化。考虑到这一点，再预估当年发生极端降雨的强度，重新验算隧道的排水管尺寸、排水池容积、排水泵性能等是否能应对极端降雨；如果不能，应在极端降雨来临前对排水设施进行维修或更换；如果排水设施难以改造，就要提前确定关闭隧道的合适时机。

对于城市水下隧道而言，确定极端降雨情况下关闭隧道的合适时机并不是一件容易的事情。因为城市水下隧道纵向一般为“下凹型”设计，在洞口看不见隧道内部是否积水，等到人车进入隧道较长距离后才发现隧道积水快速漫延，此时逃生将困难重重，因此，关闭隧道不能太晚；但城市水下隧道往往又是穿越江河的交通要道甚至是必经之路，如果关闭隧道太早，并不利于整个城市的内涝救援，例如，医院救护车改道而行会浪费大量时间。隧道管理部门可主导建立统筹防治常规天气水害与极端天气水害的一体化信息系统，信息系统内可及时输入确定关闭隧道时机所需的各种参数，例如天气变化情况、江河水位上涨速度、隧道内漏水积水扩展速度、排水设施如排水泵的运行状况等；土木工程、交通工程、水利工程、气象工程、控制工程等多个领域的专家虽然分散在各地，但可以基于信息系统提供的信息及时在线会诊，从而快速确定关闭隧道的合适时机，并且能够通过信息系统及时对公众发布信息，尽早阻止市民进入积水隧道。

2.3 统筹规划隧道水害防治与城市环境治理

2.3.1 统筹规划隧道水害防治与周围污染治理

城市水下隧道的水环境如图1所示。尽管城市水下隧道设计有多道防水措施，但因为在城市中，水下隧道往往被居民区或工业区包围，其水环境易受污染。渗过围岩到达隧道防水结构背后的江河水与地下水经常会携带酸、碱、盐等腐蚀性物质，在这些腐蚀性物质的长时间侵蚀下，防水结构会逐渐失效而导致隧道漏水。可见，宜统筹规划水下隧道本身的水害防治与隧道周围的水污染治理。

图1 城市水下隧道的水环境

2.3.2 将隧道水害防治纳入城市整体发展中统筹规划

例如，浏阳河公路隧道位于长沙市内的湘江与浏阳河的交汇处附近，隧道下穿著名的浏阳河，隧道上方风景优美，隧道周围还有很多重要的建筑物；对于源自江河水与地下水的隧道漏水，如果采取“以排为主”的方式治理，时间一长，容易使隧道周围水土流失或地面沉陷，这显然会破坏周围的风景，不利于城市整体发展；除了极端降雨等特殊情况，一般应采取“以防为主”的方式治理隧道漏水，隧道的防水板要全环封闭，二次衬砌也要全环封闭，并在二次衬砌背后预留注浆管，以便隧道发生漏水时可以随时注浆堵水，也可以在衬砌表面安装止水钢板，尽量减少水土流失。

2.3.3 采用“海绵城市”的理念对水下隧道的周围环境进行建设与维护

建议采用“海绵城市”的理念对水下隧道的周围环境进行建设与维护，可以减轻水下隧道的水害防治压力。例如，可在隧道周围施作渗透塘、植被缓冲带等“海绵设施”，这些“海绵设施”在雨天可以减缓地表径流速度或削减峰值流量，与洞口的雨水泵房共同作用把雨水拦截在洞外，从而减轻洞内排水设备的负担(极端暴雨会另行考虑)；周围的“海绵设施”也可以有效利用隧道渗水，例如，可以利用处理后的隧道渗水浇灌地面的花草树木。洞内洞外协同治水，才能彻底治理隧道水害。

2.3.4建议采用“韧性城市”的理念选择水下隧道的水害防治措施

目前，人们居住的城市越来越繁华，但城市中的灾害诱发因素也逐渐增多，包括城市水下隧道在内的整个城市系统应具有适应环境变化、承受灾害冲击、灾后快速修复的能力。在城市水下隧道的漫长服役期内，隧道水害可能与衬砌开裂掉块、车辆猛烈撞击、爆炸、火灾、地震等多种灾害耦合作用，这种情况下单纯治理水害并不能彻底根治水害，需要多种灾害协同治理，选择的水害防治措施应具有足够的“韧性”，例如，可在衬砌背后预留可维护的注浆管。城市水下隧道的周围环境变化会影响隧道的水害防治效果，甚至会引发灾害。例如，隧道上方的江河过度采砂而破坏围岩，再遇上洞内车辆不慎撞击衬砌结构等状况，若干种风险耦合有可能导致江河水突涌进入洞内进一步倒灌淹没周围城区。宜建立城市水下隧道环境变化信息系统，通过信息系统实时监测并反馈河床冲刷及淤积情况，隧道周围地下空间的开发情况，隧道周围环境的水生态、水污染、水资源、水灾害的发展变化及对隧道的影响状况等信息，从而为适时更新隧道水害防治措施提供重要参考。

2.4 在水害防治中充分利用先进的信息化手段

(1)在水害防治规划中，应充分引入先进的信息化理念，建立并应用合适的信息模型。例如，上述提到的从施工期延续到服役期的水害防治信息系统、统筹防治常规天气水害与极端天气水害的一体化信息系统、城市水下隧道环境变化信息系统都是值得尝试的信息模型。

(2)在确定水害防治措施时，应充分利用先进的信息化技术。例如，某隧道下穿水库时，右洞发生坍塌透水，大量泥水由右洞通过横通道涌入左洞，导致在左洞作业的多人未能及时撤离而溺亡。引起事故的原因有多个，笔者认为其中一个事故原因是水害防治技术的信息化程度不够，在通讯信号不佳的情况下，右洞发生坍塌透水时，发现险情的工作人员不能及时将险情信息传递给左洞的工人[7]。对于城市水下隧道，无论是在施工期还是在服役期，都存在发生类似突涌水事故的风险，建议在洞内设置足够数量的自动报警设备，不留信息联通的盲区；在洞内合适位置宜设置可以远程自动控制关闭的防淹门；将先进的自动化技术与智能化技术融入先进的信息化技术中。

3 结语

针对城市水下隧道，结合气候变化愈加异常、“海绵城市”与“韧性城市”的发展理念逐步推广、信息技术更新速度加快等新时代特征，主要从宏观角度分析在隧道服役期水害防治中存在的问题，研究得出了一系列有效的水害防治策略：建议统筹防治施工期水害与服役期水害,统筹防治常规天气水害与极端天气水害,统筹规划隧道水害防治与城市环境治理；建议在水害防治中充分利用先进的信息化手段，建立并应用合适的信息模型，以确保水害防治工作的及时性、高效性以及精确性。应用这些策略可以提高城市水下隧道的水害防治效果，对其他类型隧道也有较好的参考价值。