深層隧道方案解決城市地道橋汛期積水問題的研究

王云波

摘 要：該文以興工街雨水深層隧道工程設(shè)計方案為例，提出解決鐵路沿線地道橋積水問題的有效方法是修建深層隧道工程，并進(jìn)一步提出深層隧道重現(xiàn)期按50年設(shè)計。支線管道與深層隧道重力流連接取消了地道橋的泵站，節(jié)省了相關(guān)配套和維護(hù)費(fèi)用。同時，將泵站改造成清掃維護(hù)站，解決了管道長期無法養(yǎng)護(hù)維護(hù)的難題。新建終端泵站不要求重新征地，解決了規(guī)劃泵站選址難的問題。該工程的建設(shè)為解決其他區(qū)域的地道橋積水問題起到示范和指導(dǎo)作用。

關(guān)鍵詞：深隧設(shè)計方案 地道橋積水 海綿城市

中圖分類號：TU99 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2017）04（c）-0075-05

沈陽是一個降雨分布時間極為不均衡的北方城市。降雨相對集中，主要分布在夏季的七、八月份，且多為短歷時高強(qiáng)度暴雨，全年降水量平均為721.9 mm。近年來，沈陽市加大了排水設(shè)施的建設(shè)力度，城市水環(huán)境質(zhì)量有了較大的改善，但由于氣候變化導(dǎo)致極端天氣增多，多次出現(xiàn)了較為嚴(yán)重的內(nèi)澇現(xiàn)象。積水嚴(yán)重時，最大積水深度近3 m，交通癱瘓10 h以上。為了切實(shí)解決城市內(nèi)澇、改善市民居住環(huán)境、保障城市安全運(yùn)行，沈陽市全面審視既有排水系統(tǒng)存在的問題，以科學(xué)發(fā)展觀為指導(dǎo)，運(yùn)用先進(jìn)的理念，對排水系統(tǒng)進(jìn)行科學(xué)規(guī)劃設(shè)計。該文以興工街雨水深隧工程設(shè)計方案為例，闡述大城市地道橋等低洼地區(qū)積水的解決方案，為解決沈陽市其他區(qū)域，尤其是地道橋積水問題將起到指導(dǎo)作用。

1 提出興工街雨水深隧工程的項(xiàng)目背景

沈陽是典型的平原城市地勢特征，東部地區(qū)起伏較大，西部地區(qū)較平坦，整體地勢東北高，西南低，大部分地區(qū)高程在海拔35～50 m，地表坡度在0.6‰～0.7‰，排水系統(tǒng)對泵站依賴程度極大。城市主城區(qū)內(nèi)多條鐵路線構(gòu)成了排水區(qū)域的分界線，造成了地道橋較多，汛期積水嚴(yán)重影響城市交通，如：沈山線（皇姑-鐵西）、沈山聯(lián)絡(luò)線（鐵西-于洪）、京哈線（皇姑-大東）、沈大線（和平-鐵西）、沈吉線（沈河-大東）及?；⒕€（沈北-皇姑）（圖1）。

興工街—凌空二街—城東湖街位于沈陽市和平區(qū)、鐵西區(qū)與于洪區(qū)三區(qū)交界處，東側(cè)和南側(cè)緊鄰沈大鐵路線和沈山鐵路聯(lián)絡(luò)線，沿線由北至南分布著北二地道橋、南五地道橋、南八地道橋、砂陽地道橋、騰飛二街地道橋和凌空二街地道橋6座鐵路地道橋。由于當(dāng)年排水設(shè)施設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)較低，加之沿線客水流量大，造成地道橋低洼處大雨積深水，小雨積淺水。特別是，2016年7月25日，沈陽市降下了40年一遇的大雨，6座地道橋全部積水1.5～2.5 m（圖2）。由于這6座地道橋是中心城區(qū)的重要交通節(jié)點(diǎn)，因此，解決城市地道橋積水問題已經(jīng)成為政府當(dāng)務(wù)之急。

2 問題分析

沈陽市的現(xiàn)狀是排水系統(tǒng)建設(shè)較早，受當(dāng)時經(jīng)濟(jì)條件的限制，設(shè)計重現(xiàn)期為0.33年一遇，近期建設(shè)的排水管道設(shè)計重現(xiàn)期接近0.5年一遇，新區(qū)的設(shè)計重現(xiàn)期多為1年一遇。目前的排水管網(wǎng)中，約78%的管網(wǎng)僅能抵御15 mm/h（重現(xiàn)期0.33年）以下的降雨，且管線存在老化、淤堵等問題。同時，在沿渾河的泵站中，僅工農(nóng)泵站具有較強(qiáng)的排水能力，目前已出現(xiàn)雨季泵站雨水受渾河頂托而排水不暢的問題，當(dāng)渾河汛期出現(xiàn)高水位時，增加內(nèi)澇風(fēng)險。

項(xiàng)目組根據(jù)要求組織專業(yè)團(tuán)隊對6座地道橋沿線進(jìn)行了詳細(xì)勘察，由于該區(qū)域地處市中心地帶，地鐵1號線橫穿興工街而過，周邊道路路面以下5 m地下空間內(nèi)密布各種管線，在5 m地下空間范圍內(nèi)選擇排水管線線位難度較大。根據(jù)我們對沈陽市排水系統(tǒng)的長期調(diào)查，排水系統(tǒng)面臨的主要問題是水體污染和城市內(nèi)澇，也是我國許多大城市在發(fā)展過程中面臨的共性問題，同時也是國外許多大城市曾經(jīng)遇到過的問題。我們進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)總結(jié)提出如下思路（圖3）。

項(xiàng)目組針對該區(qū)域積水問題初步提出三套概念性設(shè)計方案。方案一是在6座地道橋附近分別設(shè)置雨水調(diào)蓄池，通過汛期對雨水峰值進(jìn)行調(diào)蓄來解決地道橋積水問題；方案二是將6座地道橋作為一個整體系統(tǒng)來研究，通過建設(shè)一條深隧排水管線，將6座地道橋的積水一次性解決；方案三與方案二基本相同，但比方案二所涉及的匯水區(qū)域更大。目前，國內(nèi)其他城市，如：上海、北京、廣州、武漢等城市已開始建設(shè)深層雨水調(diào)蓄隧道或調(diào)蓄池，并在汛期發(fā)揮了重大作用。

3 設(shè)計方案的討論

通過項(xiàng)目組進(jìn)一步研究，對提出的三套設(shè)計方案論證如下。

3.1 方案一

根據(jù)《鐵路保護(hù)條例》第十條：鐵路線路兩側(cè)應(yīng)當(dāng)設(shè)立鐵路線路安全保護(hù)區(qū)，鐵路沿線兩側(cè)50 m內(nèi)為鐵路用地。

在地道橋附近建設(shè)調(diào)蓄池需要征得鐵路部門同意后方能實(shí)施，協(xié)調(diào)難度較大。

調(diào)蓄池：在每個地道橋泵站設(shè)置1座調(diào)蓄池，共計6座。經(jīng)理論計算，單個調(diào)蓄池的容積為5 000 m3。

根據(jù)現(xiàn)場踏勘，地道橋周圍無建設(shè)矩形調(diào)蓄池的場地，因此，設(shè)計成圓管式調(diào)蓄池，DN3 500管道，長度520 m。

工程投資估算：采用頂管法或盾構(gòu)法施工，每個調(diào)蓄池的投資3 000萬元，項(xiàng)目總投資估算為18 000萬元。

3.2 方案二

3.2.1 城市內(nèi)澇防治標(biāo)準(zhǔn)

國外發(fā)達(dá)國家已建立完善的內(nèi)澇防治標(biāo)準(zhǔn)體系，而我國尚無此類標(biāo)準(zhǔn)。為支撐城市發(fā)展，確保新一輪城市總體規(guī)劃制定把沈陽市建設(shè)成國家中心城市、生態(tài)宜居之都等發(fā)展目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，研究制定適合沈陽市的內(nèi)澇防治標(biāo)準(zhǔn)體系迫在眉睫。在面對出現(xiàn)一定規(guī)模的重大重現(xiàn)期暴雨的時候，應(yīng)以保證車輛可以通行，城市可以基本運(yùn)行，不產(chǎn)生重大損失為根本。借鑒國外各城市的經(jīng)驗(yàn)，并根據(jù)沈陽市實(shí)際條件，規(guī)劃制定了有效應(yīng)對50年一遇降雨為沈陽市的內(nèi)澇防治標(biāo)準(zhǔn)，并保證在發(fā)生此類降雨時，道路積水深度不超過0.3 m，積水時間不超過2 h。

3.2.2 深隧設(shè)計方案設(shè)計依據(jù)

采用最新規(guī)范：《室外排水設(shè)計規(guī)范》GB 50014-2006（2016年版）要求，特大城市中心城區(qū)的重要地區(qū)設(shè)計重現(xiàn)期5～10年，中心城區(qū)地下通道30～50年，人口密集、內(nèi)澇易發(fā)且經(jīng)濟(jì)條件較好的城鎮(zhèn)，宜采用規(guī)范的上限。

采用最新的暴雨強(qiáng)度公式：

采用排水管網(wǎng)模擬軟件SWMM模型對降雨過程進(jìn)行模擬計算。

3.2.3 深隧設(shè)計方案

該方案的主要設(shè)計理念：雨水深層調(diào)蓄隧道、初期雨水截污、終端排澇泵站、智能化監(jiān)控系統(tǒng)、水力與機(jī)械相結(jié)合的管道清掃維護(hù)方式等。

匯水區(qū)域：如圖4所示，匯水面積約6 km2，管道計算流量30 m3/s，采用內(nèi)徑3.5 m管道，坡度1‰～2‰，長度約6 200 m，管道末端接入新建的凌空泵站二期（圖4）。

支線：聯(lián)絡(luò)管（d2.6m頂管），地道橋雨水不經(jīng)過泵站，直接接入主線管道。取消泵站功能，保留泵站場地。

清掃：雨季采用水力沖刷；旱季采用車輛器具下井清淤的方式，將原有的地道橋泵站改建為清掃維護(hù)站，d2.6m聯(lián)絡(luò)管作為清淤通道，與主線管道連接。

工法：管道以盾構(gòu)施工為主，約6 100 m，頂管施工為輔，約100 m。

深隧管道線位：線路北起北二路南側(cè)，沿興工街-凌空二街向南，在凌空二街框構(gòu)橋的下方依次穿越攬軍路高架橋、沈山鐵路框構(gòu)橋后，沿城東湖街至陽光路以北、凌空污水廠以東的泵站選址處。線路全長約6 200 m，管道起點(diǎn)覆土約9 m，終點(diǎn)覆土約18 m。

主要障礙節(jié)點(diǎn)（圖6）：①北三路上跨地鐵1號線區(qū)間，②下穿攬軍路高架，③下穿沈山鐵路框構(gòu)橋，④側(cè)穿城東湖街橋。

線路控制點(diǎn)：凌空二街沈山鐵路框構(gòu)橋，即節(jié)點(diǎn)③。采用盾構(gòu)法施工穿越該控制點(diǎn)。

泵站：新建凌空泵站二期工程，選址位于凌空泵站一期的東南角，初步選定的泵站占地面積約3 800 m2。

泵站設(shè)計流量30 m3/s，揚(yáng)程大于25 m。泵站按照調(diào)蓄功能設(shè)計，高水位運(yùn)行，同時具有強(qiáng)排功能（渾河300年一遇水位41.33 m）和初期雨水截污功能（初期雨水通過排空泵提升至凌空污水廠）。泵站設(shè)計為半地下泵站，用電設(shè)備總裝機(jī)容量約12 000 kW，用電負(fù)荷為一級負(fù)荷，采用兩路獨(dú)立10kV高壓電源專線供電，電源引自附近66/10 kV變電站。

工程投資估算：采用深隧管道盾構(gòu)法施工，同時擴(kuò)建一座提升規(guī)模為30 m3/s的泵站投資為9 000萬元，對6座地道橋泵站進(jìn)行改造合計2 400萬元，項(xiàng)目總投資估算為49 880萬元。

3.3 方案三

匯水區(qū)域：如圖5所示，匯水面積約9 km2，管道計算流量50 m3/s，上游采用內(nèi)徑3.5 m管道，下游（滑翔路以南）采用內(nèi)徑5.4 m管道，坡度1‰～2‰，長度約6 200 m，管道末端接入新建的凌空泵站二期（圖5）。

支線和清掃：與方案二相同。

工法：管道以盾構(gòu)施工為主，約5 700 m，暗挖施工為輔，約500 m。

深隧管道線位：線路北起北二路南側(cè)，沿興工街-凌空二街向南，在凌空二街框構(gòu)橋的下方依次穿越攬軍路高架橋、沈山鐵路框構(gòu)橋后，沿城東湖街至陽光路以北、凌空污水廠以東的泵站選址處。線路全長約6 200 m，管道起點(diǎn)覆土約9 m，終點(diǎn)覆土約18 m。

主要障礙節(jié)點(diǎn)（圖7）：①北三路上跨地鐵1號線區(qū)間，②下穿攬軍路高架，③下穿沈山鐵路框構(gòu)橋，④側(cè)穿城東湖街橋。

線路控制點(diǎn)：凌空二街沈山鐵路框構(gòu)橋，即節(jié)點(diǎn)③。采用暗挖法施工穿越該控制點(diǎn)。

泵站：新建凌空泵站（二期）工程，選址位于凌空泵站（一期）的東南角，初步選定的泵站占地面積約3 800 m2。

泵站設(shè)計流量50 m3/s，揚(yáng)程大于25 m。泵站按照調(diào)蓄功能設(shè)計，高水位運(yùn)行，同時具有強(qiáng)排功能（渾河300年一遇水位41.33 m）和初期雨水截污功能（初期雨水通過排空泵提升至凌空污水廠）。

泵站設(shè)計為半地下泵站，用電設(shè)備總裝機(jī)容量約20 000 kW，用電負(fù)荷為一級負(fù)荷，配套建設(shè)獨(dú)立用戶變電站（位于凌空泵站一期院內(nèi)）。

工程投資估算：采用深隧管道盾構(gòu)法施工，同時擴(kuò)建一座提升規(guī)模為50 m3/s的泵站投資為15 000萬元，對6座地道橋泵站進(jìn)行改造合計2 400萬元，項(xiàng)目總投資估算為63 320萬元。

4 三套方案的比選

通過三套方案的論證我們可以看出：方案一設(shè)計方案比較簡單、投資少、比較經(jīng)濟(jì)。缺點(diǎn)是在地道橋附近建設(shè)調(diào)蓄池需要征得鐵路部門同意，協(xié)調(diào)難度較大。另外，由于大量客水的涌入，每座地道橋?qū)嶋H所需的調(diào)蓄容積遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于5 000 m3，因此，無法解決降雨強(qiáng)度較大時地道橋積水問題。同時，局部建設(shè)調(diào)蓄池的方案與徹底解決鐵西區(qū)排水問題背道而馳，對雨污分流改造無任何貢獻(xiàn)。方案二與方案三比較，工程規(guī)模較小、投資略少；管徑較小、施工難度較小。缺點(diǎn)是由于匯水面積小，僅包括興工地區(qū)，工程所產(chǎn)生的社會效益有限。方案三匯水面積大，涵蓋區(qū)域較大，工程的實(shí)際效果更顯著。同時解決了興工、滑翔和于洪新城的積水問題，為未來這些地區(qū)解決雨污分流問題奠定了基礎(chǔ)，對老系統(tǒng)的改造較為徹底。缺點(diǎn)是工程規(guī)模較大、投資較大；管徑較大、施工難度較大，尤其是下穿沈山鐵路時，施工工法技術(shù)上可行，但需要報請鐵路局審批。

5 施工組織方案

主線管道施工以盾構(gòu)法為主。由于線路較長，為提高效率，分多個標(biāo)段進(jìn)行盾構(gòu)掘進(jìn)，每段掘進(jìn)距離1.6～2.3 km不等。凌空二街過鐵路處采用暗挖法施工。

支線管道采用頂管法施工，線位多位于綠化帶、人行道或輔道內(nèi)。

盾構(gòu)始發(fā)井開挖采用旋噴樁+內(nèi)支撐的支護(hù)形式，每一個始發(fā)井也兼做上一段盾構(gòu)的接收井。支線井等其他井室采用先盾后井的施工工序。

1～4#井均位于興工街-凌空二街道路上，需要封半幅道路施工，同時進(jìn)行交通疏導(dǎo)。5#井位于城東湖街上，整體封路，往來車輛需要繞行。6#井位于綠地內(nèi)（圖8）。

6 結(jié)語

通過對上述設(shè)計方案的討論，我們認(rèn)為從沈陽市未來發(fā)展考慮，應(yīng)采用方案三比較適合。該方案的實(shí)施提高了興工街及攬軍路沿線公鐵橋的排水設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)（達(dá)到50年一遇），徹底解決了地道橋的積水問題，同時也解決了南二環(huán)（鐵西段）下方的路面積水問題。因此，保障了鐵西、和平和于洪三區(qū)之間的重要交通樞紐，在極端暴雨天氣下的暢通。為鐵西區(qū)增加了一處可靠的排水出口，極大降低了鐵西區(qū)的內(nèi)澇風(fēng)險。隨著興工街雨水干線的建設(shè)，從全局上改變了鐵西區(qū)擁堵的排水現(xiàn)狀，為雨污分流改造奠定了基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)

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