服役期城市水下隧道的水害防治策略研究

朱鐵環(huán)，安永林，岳 健

(湖南科技大學 土木工程學院，湖南 湘潭 411201)

0 引言

一直以來，突涌水與滲漏水等水害問題嚴重困擾著隧道行業(yè)的發(fā)展，引起了眾多學者的廣泛關注[1-4]；即便是在科技發(fā)達的當今世界，隧道水害事故也層出不窮。例如，2021年7月20日，在極端降雨的影響下，鄭州市京廣快速路北隧道被淹，導致 6 人死亡。在漫長的服役期內，與非水下隧道相比，城市水下隧道由于來水源源不斷，水害防治更為困難，有必要研究合理的水害防治策略。

在當今社會發(fā)展背景下，制定服役期城市水下隧道的水害防治策略時，在以下幾個方面應給予特別關注。

(1)全球氣候變化愈加異常。將來極端降雨與極端干旱等極端天氣可能會越來越頻繁地出現(xiàn)，在城市水下隧道漫長的服役期內，遇到極端天氣的概率較大。

(2)“海綿城市”與“韌性城市”的發(fā)展理念逐步推廣。為了應對日益嚴峻的城市環(huán)境問題，“海綿城市”與“韌性城市”的理念被提出并且逐步推廣，但目前在地方具體執(zhí)行上還存在一系列問題。

(3)信息技術更新速度加快。隨著人工智能、大數(shù)據(jù)、5G、云計算等信息技術的飛速發(fā)展，在城市水下隧道的水害防治中充分利用先進的信息化手段已是大勢所趨。

本文針對城市水下隧道這一類特殊隧道，結合氣候變化愈加異常、“海綿城市”與“韌性城市”的發(fā)展理念逐步推廣、信息技術更新速度加快等新時代特征，主要研究隧道服役期的水害防治問題，得出了一系列有效的水害防治策略，這對于實際開展隧道水害防治工作具有重要的參考價值。

1 隧道水害防治存在的問題

目前，在隧道水害防治工作中，存在各種各樣的問題。本文主要從宏觀策略的角度展開分析，認為在隧道的水害防治工作中，容易出現(xiàn)以下問題。

隧道施工單位與運營管理單位往往不是同一家單位，如果只考慮各自單位的利益，總想著撇清自己的責任，就會割裂施工期的水害防治與服役期的水害防治，這不利于水害的整體防治。

過去，一些隧道在進行防排水設計時，并沒有想到現(xiàn)今全球氣候變化竟然如此異常，有些防排水設施可能無法滿足極端天氣的要求，而對這些防排水設施進行改造也困難重重。

有些隧道不習慣將“海綿城市”與“韌性城市”的發(fā)展理念應用到水害防治工作中；只注重洞內水害的防治，而不關心洞外環(huán)境的治理，這樣就容易忽略水害的根源；治理水害時不能全面考慮其他類型災害對水害的影響。

有些隧道本著“能拖就拖”的思想，不愿意應用信息化手段更新水害防治技術，不肯在信息化改造中投入經(jīng)費，這就容易導致有限的人力物力用不對地方或用不對時機，從而導致治水低效甚至無效。

2 隧道水害防治的策略

針對上述問題，通過深入調研近些年來發(fā)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，可供實際工程參考利用。

2.1 統(tǒng)籌防治施工期水害與服役期水害

隧道水害是一個貫穿施工期與服役期的長期性問題，宜適當加大施工期的水害防治力度，盡量不把水害隱患留到服役期，這能明顯減輕服役期的水害防治壓力。隧道水害具有明顯的時間效應，有些水害在施工期間孕育但并沒有暴露，隨著時間推移，在服役期間才會逐漸擴展、顯現(xiàn)直至造成嚴重危害。一般情況下，施工期治理水害比服役期治理水害具備更便利的工作條件，付出的代價也相對較低，因為施工期是先治理好水害后，再施作襯砌，這樣就不用破壞襯砌；而服役期要想徹底治理水害，很多情況下要破壞掉襯砌。例如，某隧道位于巖溶地區(qū)，施工期間恰巧干旱少雨，隧道開挖后滲水量較小，在這種表面現(xiàn)象的影響下，施工期間對不良巖溶地質的處理力度不夠，這樣做在施工期間并沒有發(fā)生突涌水事故；但隧道僅僅在服役半年后，強降雨影響疊加上原有不良巖溶的影響，導致隧道洞內出現(xiàn)嚴重的突涌水，花費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時間效應更為顯著，因為一方面水下隧道的來水源源不斷，另一方面城市污染致使來水往往含有酸、堿、鹽等各種侵蝕性物質，隧道的防水注漿體、防水混凝土、防水卷材在長期被水浸泡與侵蝕下會逐漸失效，導致隧道的某些區(qū)段雖然在施工期間并沒有漏水，在服役期間卻漏水嚴重，而且堵了又漏。因此，宜適當加大施工期的水害防治力度，在施作上述各種防水設施時應確保施工質量，盡可能提高其耐久性，盡量不把水害隱患留到服役期，否則在服役期治理水害會非常麻煩。

隧道的運營管理單位應與施工單位加強合作，有效銜接施工期與服役期的水害防治工作。例如，隧道運營管理單位可以利用建筑信息模型(BIM)，主導建立從施工期延續(xù)到服役期的水害防治信息系統(tǒng)；雖然受當時技術水平與經(jīng)費限制，有些情況下施工單位并沒有完全根除水害隱患，但最起碼可以把水害的地質資料、孕育部位、表現(xiàn)形式、滲漏原因、監(jiān)測數(shù)據(jù)、已做的處理工作以及施工細節(jié)等寶貴信息輸入模型中，方便隧道運營管理單位日后查看，以確定隧道維修養(yǎng)護的重點與難點，在水害暴露時不破壞襯砌結構就能快速找到出水的根源，從而對癥下藥，對水害進行有效治理。

2.2 統(tǒng)籌防治常規(guī)天氣水害與極端天氣水害

極端降雨未來可能會越來越頻繁地發(fā)生，隧道管理部門應在防治常規(guī)天氣水害的基礎上，提前制定好應對極端降雨水害的系統(tǒng)性防治措施。2021年7月20日，鄭州市降下極端暴雨，京廣快速路北隧道附近的降雨量曾一度達到隧道排水泵站設計標準的 3 倍，周圍大量澇水快速涌入地勢較低的隧道，隧道內積水無法及時排走而迅速增長漫延；隧道也沒有及時封閉，沒有及時阻止人車進入隧道，隧道內人員也未能及時逃出，造成 6 人死亡[6]。這一事故提醒有關部門應該提前制定好城市水下隧道的極端降雨水害防治措施，因為城市水下隧道不僅要防止洞外雨水涌入隧道，還要防止隧道上方的江河水涌入隧道。隧道內要配備足夠的水災救援設備，例如救生衣、救生船、潛水裝備等，并放在專用空間由專人妥善保管。在常規(guī)天氣時，應適時在隧道內進行極端降雨情況下的逃生及救援模擬演練，達到屆時能夠不慌不亂應對極端降雨引發(fā)水災的目的。在城市水下隧道服役期間，因為隧道始終處于江河之下，即便是常規(guī)天氣，隧道也極有可能發(fā)生滲漏水，在長時間抽排這類滲漏水后，既有排水設施性能會隨著時間推移而劣化?？紤]到這一點，再預估當年發(fā)生極端降雨的強度，重新驗算隧道的排水管尺寸、排水池容積、排水泵性能等是否能應對極端降雨；如果不能，應在極端降雨來臨前對排水設施進行維修或更換；如果排水設施難以改造，就要提前確定關閉隧道的合適時機。

對于城市水下隧道而言，確定極端降雨情況下關閉隧道的合適時機并不是一件容易的事情。因為城市水下隧道縱向一般為“下凹型”設計，在洞口看不見隧道內部是否積水，等到人車進入隧道較長距離后才發(fā)現(xiàn)隧道積水快速漫延，此時逃生將困難重重，因此，關閉隧道不能太晚；但城市水下隧道往往又是穿越江河的交通要道甚至是必經(jīng)之路，如果關閉隧道太早，并不利于整個城市的內澇救援，例如，醫(yī)院救護車改道而行會浪費大量時間。隧道管理部門可主導建立統(tǒng)籌防治常規(guī)天氣水害與極端天氣水害的一體化信息系統(tǒng)，信息系統(tǒng)內可及時輸入確定關閉隧道時機所需的各種參數(shù)，例如天氣變化情況、江河水位上漲速度、隧道內漏水積水擴展速度、排水設施如排水泵的運行狀況等；土木工程、交通工程、水利工程、氣象工程、控制工程等多個領域的專家雖然分散在各地，但可以基于信息系統(tǒng)提供的信息及時在線會診，從而快速確定關閉隧道的合適時機，并且能夠通過信息系統(tǒng)及時對公眾發(fā)布信息，盡早阻止市民進入積水隧道。

2.3 統(tǒng)籌規(guī)劃隧道水害防治與城市環(huán)境治理

2.3.1 統(tǒng)籌規(guī)劃隧道水害防治與周圍污染治理

城市水下隧道的水環(huán)境如圖1所示。盡管城市水下隧道設計有多道防水措施，但因為在城市中，水下隧道往往被居民區(qū)或工業(yè)區(qū)包圍，其水環(huán)境易受污染。滲過圍巖到達隧道防水結構背后的江河水與地下水經(jīng)常會攜帶酸、堿、鹽等腐蝕性物質，在這些腐蝕性物質的長時間侵蝕下，防水結構會逐漸失效而導致隧道漏水?？梢姡私y(tǒng)籌規(guī)劃水下隧道本身的水害防治與隧道周圍的水污染治理。

圖1 城市水下隧道的水環(huán)境

2.3.2 將隧道水害防治納入城市整體發(fā)展中統(tǒng)籌規(guī)劃

例如，瀏陽河公路隧道位于長沙市內的湘江與瀏陽河的交匯處附近，隧道下穿著名的瀏陽河，隧道上方風景優(yōu)美，隧道周圍還有很多重要的建筑物；對于源自江河水與地下水的隧道漏水，如果采取“以排為主”的方式治理，時間一長，容易使隧道周圍水土流失或地面沉陷，這顯然會破壞周圍的風景，不利于城市整體發(fā)展；除了極端降雨等特殊情況，一般應采取“以防為主”的方式治理隧道漏水，隧道的防水板要全環(huán)封閉，二次襯砌也要全環(huán)封閉，并在二次襯砌背后預留注漿管，以便隧道發(fā)生漏水時可以隨時注漿堵水，也可以在襯砌表面安裝止水鋼板，盡量減少水土流失。

2.3.3 采用“海綿城市”的理念對水下隧道的周圍環(huán)境進行建設與維護

建議采用“海綿城市”的理念對水下隧道的周圍環(huán)境進行建設與維護，可以減輕水下隧道的水害防治壓力。例如，可在隧道周圍施作滲透塘、植被緩沖帶等“海綿設施”，這些“海綿設施”在雨天可以減緩地表徑流速度或削減峰值流量，與洞口的雨水泵房共同作用把雨水攔截在洞外，從而減輕洞內排水設備的負擔(極端暴雨會另行考慮)；周圍的“海綿設施”也可以有效利用隧道滲水，例如，可以利用處理后的隧道滲水澆灌地面的花草樹木。洞內洞外協(xié)同治水，才能徹底治理隧道水害。

2.3.4建議采用“韌性城市”的理念選擇水下隧道的水害防治措施

目前，人們居住的城市越來越繁華，但城市中的災害誘發(fā)因素也逐漸增多，包括城市水下隧道在內的整個城市系統(tǒng)應具有適應環(huán)境變化、承受災害沖擊、災后快速修復的能力。在城市水下隧道的漫長服役期內，隧道水害可能與襯砌開裂掉塊、車輛猛烈撞擊、爆炸、火災、地震等多種災害耦合作用，這種情況下單純治理水害并不能徹底根治水害，需要多種災害協(xié)同治理，選擇的水害防治措施應具有足夠的“韌性”，例如，可在襯砌背后預留可維護的注漿管。城市水下隧道的周圍環(huán)境變化會影響隧道的水害防治效果，甚至會引發(fā)災害。例如，隧道上方的江河過度采砂而破壞圍巖，再遇上洞內車輛不慎撞擊襯砌結構等狀況，若干種風險耦合有可能導致江河水突涌進入洞內進一步倒灌淹沒周圍城區(qū)。宜建立城市水下隧道環(huán)境變化信息系統(tǒng)，通過信息系統(tǒng)實時監(jiān)測并反饋河床沖刷及淤積情況，隧道周圍地下空間的開發(fā)情況，隧道周圍環(huán)境的水生態(tài)、水污染、水資源、水災害的發(fā)展變化及對隧道的影響狀況等信息，從而為適時更新隧道水害防治措施提供重要參考。

2.4 在水害防治中充分利用先進的信息化手段

(1)在水害防治規(guī)劃中，應充分引入先進的信息化理念，建立并應用合適的信息模型。例如，上述提到的從施工期延續(xù)到服役期的水害防治信息系統(tǒng)、統(tǒng)籌防治常規(guī)天氣水害與極端天氣水害的一體化信息系統(tǒng)、城市水下隧道環(huán)境變化信息系統(tǒng)都是值得嘗試的信息模型。

(2)在確定水害防治措施時，應充分利用先進的信息化技術。例如，某隧道下穿水庫時，右洞發(fā)生坍塌透水，大量泥水由右洞通過橫通道涌入左洞，導致在左洞作業(yè)的多人未能及時撤離而溺亡。引起事故的原因有多個，筆者認為其中一個事故原因是水害防治技術的信息化程度不夠，在通訊信號不佳的情況下，右洞發(fā)生坍塌透水時，發(fā)現(xiàn)險情的工作人員不能及時將險情信息傳遞給左洞的工人[7]。對于城市水下隧道，無論是在施工期還是在服役期，都存在發(fā)生類似突涌水事故的風險，建議在洞內設置足夠數(shù)量的自動報警設備，不留信息聯(lián)通的盲區(qū)；在洞內合適位置宜設置可以遠程自動控制關閉的防淹門；將先進的自動化技術與智能化技術融入先進的信息化技術中。

3 結語

針對城市水下隧道，結合氣候變化愈加異常、“海綿城市”與“韌性城市”的發(fā)展理念逐步推廣、信息技術更新速度加快等新時代特征，主要從宏觀角度分析在隧道服役期水害防治中存在的問題，研究得出了一系列有效的水害防治策略：建議統(tǒng)籌防治施工期水害與服役期水害,統(tǒng)籌防治常規(guī)天氣水害與極端天氣水害,統(tǒng)籌規(guī)劃隧道水害防治與城市環(huán)境治理；建議在水害防治中充分利用先進的信息化手段，建立并應用合適的信息模型，以確保水害防治工作的及時性、高效性以及精確性。應用這些策略可以提高城市水下隧道的水害防治效果，對其他類型隧道也有較好的參考價值。