對(duì)隧道排水設(shè)計(jì)中關(guān)鍵性問(wèn)題的探討

李 媛

（北京市市政工程設(shè)計(jì)研究總院有限公司，北京市 100082）

0 引言

近年來(lái)國(guó)內(nèi)大中型城市的道路建設(shè)形成向空間發(fā)展、向地下發(fā)展的趨勢(shì)，其中隧道工程以其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)得到迅速發(fā)展，但隨之而來(lái)的地下道路的淹澇災(zāi)害也頻繁發(fā)生，對(duì)城市經(jīng)濟(jì)發(fā)展以及公共安全造成較大的負(fù)面影響。

“水少為憂、水臟為患、水多為災(zāi)”，“水問(wèn)題”已成為目前我國(guó)大多數(shù)城市可持續(xù)發(fā)展急待解決的一大難題[1]。尤其是近幾年來(lái)國(guó)內(nèi)諸多大城市內(nèi)澇頻發(fā)：2012 年北京7·21 特大暴雨事件、2021 年鄭州7·20 特大暴雨事件等等均造成隧道、地鐵、下凹橋區(qū)等城市交通系統(tǒng)嚴(yán)重癱瘓，傷亡人數(shù)較多，引發(fā)社會(huì)廣泛關(guān)注，也為地下半地下空間的安全問(wèn)題敲響了警鐘。因此，城市下穿隧道排水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)尤為重要。

筆者以桐鄉(xiāng)市烏鎮(zhèn)大道隧道的排水設(shè)計(jì)為例，系統(tǒng)總結(jié)了隧道排水設(shè)計(jì)的思路、方法和特點(diǎn)，并對(duì)隧道排水工程設(shè)計(jì)中幾個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題進(jìn)行探討，提出相關(guān)建議供設(shè)計(jì)人員參考。

1 工程概況

桐鄉(xiāng)市烏鎮(zhèn)大道是桐鄉(xiāng)市中心城區(qū)南北向的主要通道之一，位于桐鄉(xiāng)市世紀(jì)大道，南起振興東路，北至逾橋東路。擬改造道路全長(zhǎng)約2.58 km，由現(xiàn)況雙向6 車道，拓寬至雙向8 車道。全線設(shè)置隧道2座，其中利民路—康民路隧道全長(zhǎng)545 m；茅盾東路—中山東路—體育路隧道，隧道全長(zhǎng)1145 m。烏鎮(zhèn)大道為桐鄉(xiāng)市第一條采用下穿隧道形式的主干路。

為解決兩條隧道低點(diǎn)處的雨水、廢水的排放，全線共需設(shè)置4 座排水泵站，其中在利民路—康民路隧道設(shè)置1#排水泵站，在茅盾東路—中山東路—體育東路隧道設(shè)置2#、3#、4# 排水泵站，見(jiàn)圖1。

圖1 隧道泵站總體布置圖

2 下穿隧道排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 泵站防淹澇措施

由于我國(guó)開(kāi)發(fā)利用地下空間的時(shí)間較晚，目前的規(guī)范與標(biāo)準(zhǔn)中均未明確規(guī)定地下空間的防洪標(biāo)準(zhǔn)，防洪措施與人員緊急疏散的實(shí)施尚不到位。

因而在設(shè)計(jì)中，應(yīng)將工程與非工程措施有效地結(jié)合起來(lái)，以期做到以防為主，防治結(jié)合，將淹澇災(zāi)害對(duì)地下道路造成的生命財(cái)產(chǎn)損失降到最低。

（1）工程設(shè)計(jì)措施

為防止客水流入隧道，將高水有效截留至地面排水系統(tǒng)，本工程在設(shè)計(jì)過(guò)程中，與道路、隧道及電氣設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)多次配合，采取了如下防淹澇技術(shù)措施：

a. 分別在兩條隧道的南、北洞口處設(shè)置駝峰，形成反坡點(diǎn)，人為的創(chuàng)造條件阻隔來(lái)自駝峰外的路面雨水[2]?？紤]到U 槽縱坡一般較大（本工程縱坡為6%），地面雨水集流時(shí)間短、流速快、流量大，此駝峰需高于周邊附近主、輔路路面高程30 cm 以上，以便更好地達(dá)到阻隔雨水的目的；

b. 地面排水系統(tǒng)中，所有輔路相交路口須增設(shè)雨水口；

c. 洞口兩側(cè)均設(shè)置有高度為81 cm 防撞護(hù)欄（且不設(shè)孔洞）；

d. 南、北洞口處主、輔路隔離帶須采取封閉（不設(shè)開(kāi)口）設(shè)計(jì)，并局部加高洞口處主、輔隔離帶路緣石高度至40 cm；

e. 周邊地塊新設(shè)路口須遠(yuǎn)離南、北兩側(cè)洞口；

f. 隧道排水泵房的配電室須設(shè)置在高處，用以保證水泵房不會(huì)因積水淹沒(méi)斷電而被迫停運(yùn)。

（2）應(yīng)急管理措施

為保障工程的排水安全，還應(yīng)采取監(jiān)測(cè)、管控等非工程管理手段：

a. 隧道洞門擋水墻外、隧道內(nèi)最低點(diǎn)均結(jié)合道路監(jiān)控和標(biāo)尺實(shí)現(xiàn)水位監(jiān)控，為隧道管控手段提供依據(jù)；

b. 當(dāng)預(yù)計(jì)發(fā)生超標(biāo)準(zhǔn)降雨或可能導(dǎo)致隧道進(jìn)水的工況前，需臨時(shí)中斷交通，采取圍堰、臨時(shí)堵截等方式防止客水進(jìn)入地下道路低水系統(tǒng)。

地下道路管理部門應(yīng)設(shè)專人定期對(duì)泵站進(jìn)行巡視維護(hù)，并且安排專人對(duì)泵站進(jìn)行監(jiān)控，保證雨季泵站正常運(yùn)行，水泵及時(shí)啟動(dòng)。同時(shí)還應(yīng)加強(qiáng)雨季防汛工作，確保隧道發(fā)生積水時(shí)能及時(shí)采取有效的處理措施。泵站格柵設(shè)有柵渣儲(chǔ)運(yùn)設(shè)施，每場(chǎng)降雨后，管理人員需及時(shí)對(duì)柵渣進(jìn)行清理外運(yùn)。

2.2 泵站設(shè)計(jì)流量計(jì)算

排水泵房需滿足設(shè)計(jì)要求，泵房要求能夠及時(shí)快速地排除隧道內(nèi)的積水以保證行車安全，這是下穿隧道排水設(shè)計(jì)中最核心的部分[3]。

（1）設(shè)計(jì)參數(shù)[4]

設(shè)計(jì)重現(xiàn)期：P=50 a，以100 a 一遇標(biāo)準(zhǔn)校核。

綜合徑流系數(shù)：ψ=1.0（計(jì)算中考慮到設(shè)計(jì)安全性，避免泵站設(shè)計(jì)流量過(guò)小在特大暴雨時(shí)期不能滿足排水要求，在設(shè)計(jì)過(guò)程中適當(dāng)取高值）。

集聚時(shí)間：t=3 min。

暴雨強(qiáng)度公式：浙江省桐鄉(xiāng)市2020 年暴雨強(qiáng)度公式[5]

（2）設(shè)計(jì)水量

本工程泵站設(shè)置的數(shù)量為4 座，其中利民路—康民路隧道為短隧（僅在隧道最低點(diǎn)處設(shè)置一座排水泵站），茅盾東路—中山東路—體育東路隧道為長(zhǎng)隧（分別在兩側(cè)洞口和隧道最低點(diǎn)處設(shè)置三座排水泵站）。

1# 泵站的建設(shè)目的是為排除利民路～康民路隧道兩側(cè)敞口段的雨水和低點(diǎn)廢水（含沖洗廢水、結(jié)構(gòu)滲入水），設(shè)計(jì)水量根據(jù)利民路～康民路隧道縱斷，南側(cè)流域面積從道路高點(diǎn)K0+360 至南側(cè)閉合框架起點(diǎn)K0+464；北側(cè)流域面積從道路高點(diǎn)K0+990 至北側(cè)閉合框架起點(diǎn)K0+740，兩側(cè)以隧道道路寬度為界（且洞口處雙側(cè)擋墻側(cè)墻面積應(yīng)計(jì)入?yún)R水面積），見(jiàn)圖2。設(shè)計(jì)總流域面積為F=1.11 hm2，計(jì)算水量為861.4 L/S。此泵站設(shè)計(jì)水量定為1120 L/S（考慮1.3倍安全系數(shù)）。

圖2 1# 泵站流域面積劃分圖

2# 泵站的建設(shè)目的是為排除茅盾東路—中山東路—體育東路隧道南側(cè)敞口段的雨水，設(shè)計(jì)水量根據(jù)茅盾東路—體育東路隧道縱斷，南側(cè)流域面積從道路高點(diǎn)K0+990 至南側(cè)閉合框架起點(diǎn)K1+275；兩側(cè)以隧道道路寬度為界（且洞口處雙側(cè)擋墻側(cè)墻面積應(yīng)計(jì)入?yún)R水面積），見(jiàn)圖3。設(shè)計(jì)總流域面積為F=0.885 hm2，計(jì)算水量為690.2 L/s。此泵站設(shè)計(jì)水量定為900 L/s（考慮1.3 倍安全系數(shù)）。

圖3 2# 泵站流域面積劃分圖

3# 泵站的建設(shè)目的是為排除茅盾東路—中山東路～體育東路隧道北側(cè)敞口段未能截住的雨水（按50%的4# 泵站設(shè)計(jì)水量）、隧道南側(cè)敞口段未能截住的雨水（按50%的2# 泵站設(shè)計(jì)水量）以及隧道內(nèi)最低點(diǎn)的消防廢水、沖洗廢水和結(jié)構(gòu)滲漏水。計(jì)算水量為642.3 L/s。此泵站設(shè)計(jì)水量定為835 L/s（考慮1.3 倍安全系數(shù)）。

4# 泵站的建設(shè)目的是為排除茅盾東路—中山東路—體育東路隧道北側(cè)敞口段的雨水，設(shè)計(jì)水量根據(jù)茅盾東路—體育東路隧道縱斷，北側(cè)流域面積從道路高點(diǎn)K2+310 至北側(cè)閉合框架起點(diǎn)K2+145；兩側(cè)以隧道道路寬度為界（且洞口處雙側(cè)擋墻側(cè)墻面積應(yīng)計(jì)入?yún)R水面積），見(jiàn)圖4。設(shè)計(jì)總流域面積為F=0.763 hm2，計(jì)算水量為594.7 L/s。此泵站設(shè)計(jì)水量定為770 L/s（考慮1.3 倍安全系數(shù)）。

圖4 4# 泵站流域面積劃分圖

（3）設(shè)計(jì)規(guī)模

1#排水泵站Q =1.12 m3/s、揚(yáng)程為16.5 m；

2#排水泵站Q =0.90 m3/s、揚(yáng)程為15.5 m；

3#排水泵站Q =0.835 m3/s、揚(yáng)程為20.5 m；

4#排水泵站Q =0.77 m3/s、揚(yáng)程為15 m。

揚(yáng)程為泵站泄壓井地面高程與泵站最低水位之間的高差，含局部和沿程損失。

2.3 泵站收水系統(tǒng)設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)中要保證隧道內(nèi)的排水順暢，不使路面產(chǎn)生積水，收水系統(tǒng)需要著重注意以下兩個(gè)方面：（1）截——橫截溝一般設(shè)置在隧道洞口處及隧道內(nèi)道路縱斷的最低點(diǎn)處，為避免產(chǎn)生集留、涌流，橫截溝（管）的設(shè)計(jì)需滿足最大暴雨時(shí)設(shè)計(jì)要求。（2）排——根據(jù)道路橫斷，在隧道外及隧道內(nèi)道路單側(cè)或雙側(cè)布置的邊溝，其斷面設(shè)計(jì)需與泵站設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)一致，需滿足最大暴雨時(shí)的排水要求。以上兩個(gè)方面的合理設(shè)計(jì)對(duì)隧道積水通過(guò)先截再排的方式可有效排除[3]。

本工程為保證1#～4# 排水泵站有效排除利民路—康民路隧道和茅盾東路—中山東路—體育東路隧道敞口段的雨水及日常沖洗水、結(jié)構(gòu)滲入水等隧道低點(diǎn)處的廢水，其收水系統(tǒng)采用兩種形式，分別為：洞口采用橫截溝+ 排水邊溝；隧道最低點(diǎn)處采用橫向連通管+排水邊溝。此外，收水系統(tǒng)應(yīng)滿足泵站設(shè)計(jì)流量的要求并有不小于2 的安全系數(shù)，并滿足100 a 校核的要求。

本工程擬定在兩條隧道的南、北兩側(cè)隧道洞口處各設(shè)置2 道橫截溝，間距2.0 m，隧道最低點(diǎn)處采用D=800 橫向連通管（該連接管布置在隧道結(jié)構(gòu)底板以內(nèi)）；利民路—康民路隧道U 槽及隧道內(nèi)全線設(shè)置斷面為B×H=500 mm×500 mm 的排水邊溝；茅盾東路—中山東路～體育東路隧道U 槽及隧道內(nèi)排水邊溝在泵站進(jìn)水洞口處采用斷面為B×H=500 mm×500 mm，隧道內(nèi)其余位置采用斷面為B×H=150 mm×175 mm 的弧形排水邊溝。2# 泵站上層平面示意見(jiàn)圖5，1#泵站剖面示意見(jiàn)圖6。

圖5 2# 泵站上層平面示意圖（單位：mm）

圖6 1# 泵站剖面示意圖（單位：mm）

2.4 泵站工藝設(shè)計(jì)要點(diǎn)

（1）確定排水泵站位置及數(shù)量

在隧道排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，需要充分考慮隧道內(nèi)道路系統(tǒng)的分布，根據(jù)道路設(shè)計(jì)盡量減少排水泵站的個(gè)數(shù)，進(jìn)行合理分區(qū)排放。

本工程兩條隧道的排水設(shè)計(jì)，因其長(zhǎng)度的不同，并綜合考慮投資大小和運(yùn)行成本的高低，泵站的總體布置具有較為明顯的代表性。其中，利民路—康民路隧道長(zhǎng)度較短，僅為545 m（即為短隧），在隧道最低點(diǎn)設(shè)置一座排水泵站（用于提升雨水和低點(diǎn)廢水）；茅盾東路—中山東路—體育路隧道全長(zhǎng)1145 m（即為大于1000 m 的長(zhǎng)隧），在兩側(cè)洞口和隧道低點(diǎn)分別設(shè)置一座排水泵站，數(shù)量共計(jì)三座。

隧道洞口處雨水泵站的設(shè)置位置需考慮以下幾點(diǎn)：a.盡可能地接近洞口，以期在最短時(shí)間內(nèi)快速收集并排除敞口段的雨水水量，避免流入隧道內(nèi)造成水災(zāi)；b.泵房?jī)?nèi)上層房間凈高度（軌底—檢修平臺(tái)）在滿足檢修要求的條件下，還需考慮泵房結(jié)構(gòu)外頂有2 m 左右的覆土，以便于各種擬建專業(yè)管線及現(xiàn)況管線的通過(guò)（上水、中水、電信、電力、燃?xì)獾龋?；c.考慮到泵房設(shè)備檢修、隧道內(nèi)照明情況及避免發(fā)生車輛追尾的多種因素，建議泵房設(shè)置在行車方向的右側(cè)，即慢車道方向，并在泵房門口設(shè)置緊急停車帶[6]（若沒(méi)有條件設(shè)置時(shí)，應(yīng)注意在設(shè)備間大門臨近的車道上布置錐桶、警示燈等安全措施，以保障人員的進(jìn)出安全）。

隧道排水泵房的供配電系統(tǒng)不宜與泵房同層設(shè)置（尤其最低點(diǎn)泵房），配電室應(yīng)設(shè)置在高處（至少應(yīng)高于泵房所在位置），用以保證水泵房不會(huì)因積水淹沒(méi)斷電而被迫停運(yùn)。

（2）泵站雨污分流設(shè)計(jì)

在兩條隧道的低點(diǎn)處分別設(shè)置的低點(diǎn)排水泵站1# 和3#泵站，目的是為提升汛期敞口段的雨水和日常廢水。

為保證當(dāng)?shù)赜晡鄯至髦婆欧朋w制的要求，在泵站內(nèi)采用大、小泵搭配運(yùn)行的方式，即小泵（2 臺(tái)，一用一備）可考慮抽排小雨工況、消防廢水、沖洗廢水和結(jié)構(gòu)滲入水，其下游接入附近現(xiàn)況污水井中；大泵（3 臺(tái)，兩用一備）在極端暴雨情況下，可考慮3 臺(tái)全開(kāi)，其下游接入泄壓井中，而后排入河道。大泵、小泵之間的運(yùn)行工況互不影響。1#泵站上層平面示意見(jiàn)圖7。

圖7 1# 泵站上層平面示意圖（單位：mm）

（3）泵站退水管設(shè)計(jì)

根據(jù)《室外排水設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定：“下穿立交道路排水應(yīng)設(shè)置獨(dú)立的排水系統(tǒng)，并防止倒灌。當(dāng)沒(méi)有條件設(shè)置獨(dú)立排水系統(tǒng)時(shí)，受納排水系統(tǒng)應(yīng)能滿足地區(qū)和立交排水設(shè)計(jì)流量要求”[7]。在本次設(shè)計(jì)中由于下穿隧道區(qū)域離河流等天然水體較近，且下穿隧道水量也較大，故1#～4# 隧道排水泵站均設(shè)有獨(dú)立的排水系統(tǒng)，經(jīng)泄壓井后，退水管道直接排至天然水體（現(xiàn)況北港河和體育東路現(xiàn)況河道）。

在泵站重力流退水管路的檢查井中采用加設(shè)沉泥井的方式，用以保證排放河道的水質(zhì)。退水管排入河道處設(shè)置八字出水口擴(kuò)散排放。

3 結(jié)語(yǔ)

桐鄉(xiāng)市烏鎮(zhèn)大道隧道排水工程在整個(gè)項(xiàng)目中雖然所占比重較小，但其作用不可低估，其設(shè)計(jì)是否合理將直接影響到日后隧道的使用安全。本文總結(jié)了烏鎮(zhèn)大道隧道排水工程設(shè)計(jì)的幾個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)：

（1）若設(shè)計(jì)隧道洞口與河道緊鄰，應(yīng)有可靠的防淹澇措施，并應(yīng)明確工程項(xiàng)目附近的雨水排水體制，是否存在內(nèi)河、外河及區(qū)域雨水泵站提升等情況。

（2）隧道洞口處除要求道路專業(yè)設(shè)置明顯的變坡高點(diǎn)以外，還應(yīng)在洞口設(shè)置擋水墻，其高度應(yīng)滿足周邊區(qū)域設(shè)防洪水位，宜再加0.5 m 高度，且洞口處雙側(cè)擋墻側(cè)墻面積應(yīng)計(jì)入?yún)R水面積。

（3）隧道低點(diǎn)排水泵站應(yīng)做到雨污分流設(shè)計(jì)。

（4）隧道退水管道宜設(shè)置獨(dú)立的排水系統(tǒng)，直接排至天然水體。