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       1.我國(guó)城市修建深隧工程的必要性

圖1 城市防洪排澇規(guī)劃圖

       3) 造價(jià)和維護(hù)費(fèi)相對(duì)較低。深層隧道建設(shè)與雨污分流淺層排水系統(tǒng)改造相比，深層隧道的投入產(chǎn)出比更合理，并用“性價(jià)比高”來(lái)形容深層隧道。以廣州東濠涌深隧為例，深層隧道與雨污分流比選方案如表1 所示。

表1 深層隧道與雨污分流方案比選

       4) 可緩解城市水危機(jī)。我國(guó)是缺水國(guó)家，每年卻把大量的雨水當(dāng)做災(zāi)害因素排入大海，與此同時(shí)，卻進(jìn)行大規(guī)模的跨流域調(diào)水，將局部的水危機(jī)轉(zhuǎn)嫁給其他流域和地區(qū)，從而導(dǎo)致全面的水危機(jī)。大型的排水深隧可將雨水儲(chǔ)存起來(lái)，緩解城市水資源匱乏的問(wèn)題。北京水務(wù)局統(tǒng)計(jì)資料顯示: 北京屬重度缺水地區(qū)，人均水資源占有量不足300 m3，而北京年均降雨總量為98． 28 億m3。據(jù)了解北京擬建深隧2 條廊道，總長(zhǎng)約100 km，蓄滯能力可達(dá)800 萬(wàn)m3。

       2.國(guó)外深邃建設(shè)成功案例

       由以上分析可以看出，建設(shè)深層排水隧道來(lái)解決城市內(nèi)澇問(wèn)題是很有必要的; 但目前我國(guó)修建深隧的城市較少，在規(guī)劃和施工技術(shù)方面缺乏經(jīng)驗(yàn)，故要對(duì)世界上已建成的深隧工程進(jìn)行分析和研究，借鑒其成熟的經(jīng)驗(yàn)。以下簡(jiǎn)單介紹幾個(gè)典型的案例以作分析。


       2.1 日本首都圈外郭放水路


       1) 建設(shè)概況。日本首都圈外郭放水路屬于洪澇控制隧道，全長(zhǎng)6． 4 km，直徑為10． 6 m，連接?xùn)|京1 萬(wàn)5 700 km的城市下水道，通過(guò)5 個(gè)高65 m、直徑32 m 的豎井，連通附近的江戶川、倉(cāng)松川、中川、古利川等河流，作為分洪入口。單個(gè)豎井容積約為4． 2 萬(wàn)m3，工程總儲(chǔ)水量為67 萬(wàn)m3。蓄水池調(diào)壓水槽長(zhǎng)177 m、寬78 m，由59 根長(zhǎng)7 m、寬2 m、高18 m、質(zhì)量為500 t 的混凝土巨柱撐起，以防止蓄水池在地下水的推力下上浮。4 臺(tái)由航空發(fā)動(dòng)機(jī)改裝而成的燃?xì)廨啓C(jī)驅(qū)動(dòng)的大型水泵，單臺(tái)功率達(dá)1 萬(wàn)4 000 馬力，將水以200 m3 /s 的速度排入江戶川，最終匯入東京灣。


       2) 施工技術(shù)。豎井采用逆筑襯砌和自動(dòng)化沉井法施工，工程采用鋼管插入式接頭管片。鋼管插入式接頭包括插入桿和接收管，接收管的內(nèi)面包裹了一層聚乙烯，插入時(shí)用來(lái)吸收膨脹以避免外面管片混凝土破裂，其拼裝自動(dòng)化程度高，減少了螺栓孔，避免二次襯砌。豎井施工方法見(jiàn)表2。

表2 豎井施工方法

       3) 運(yùn)行情況。截至2013 年11 月1 日，首都圈外郭放水路每年運(yùn)行5—10 次，累計(jì)經(jīng)歷了75 次暴雨。歷史最 大流入量出現(xiàn)在2008 年8 月的暴雨之時(shí)，處理的洪水水量相當(dāng)于約2． 5 萬(wàn)個(gè)25 m 標(biāo)準(zhǔn)泳池。


       4) 建設(shè)意義。2007 年，中川及綾瀨川流域遭水浸的房屋數(shù)量由最嚴(yán)重年份的4 萬(wàn)1 544 間減至245間，浸水面積由2 萬(wàn)7 840 hm2 減至65 hm2，降低了洪水對(duì)城市造成的損失［6］。


       2.2 神田川環(huán)狀7 號(hào)線地下調(diào)節(jié)池


       1) 建設(shè)概況。神田川環(huán)狀7 號(hào)線地下調(diào)節(jié)池，隧道長(zhǎng)4． 5 km，內(nèi)徑為12． 5 m，位于地下50 m 深處。調(diào)節(jié)池的貯水量達(dá)54 萬(wàn)m3。


       2) 施工技術(shù)。隧道采用泥水式盾構(gòu)法。一期工程隧道外徑為13． 7 m，內(nèi)徑為12． 5 m，襯砌采用鋼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。神田川是洪水重災(zāi)區(qū)，于1997 年蓄水池一期工程完成后，就發(fā)揮了強(qiáng)大的調(diào)節(jié)功能。2004 年臺(tái)風(fēng)來(lái)襲時(shí)的降雨量和1993 年的洪水災(zāi)害差不多，但相比當(dāng)時(shí)，周邊超過(guò)3 000 間房屋被淹，僅46間房屋受災(zāi)。


       2.3英國(guó)泰晤士河LEE 溢流污水隧道


       1) 建設(shè)概況。LEE 溢流污水隧道屬于污染控制隧道，位于英國(guó)倫敦地下75 m 深處，長(zhǎng)為6． 9 km，內(nèi)徑為7． 2 m，隧道和豎井的總儲(chǔ)存空間達(dá)到38． 2 萬(wàn)m3，隧道設(shè)有4 個(gè)最 大直徑為38 m 的深豎井，工程價(jià)值達(dá)6． 35 億英鎊。


       2) 施工技術(shù)。隧道采用直徑為8． 85 m 的“BusyLizzie”號(hào)泥水平衡盾構(gòu)掘進(jìn)，使用混凝土管片作為隧道襯砌，隧道掘進(jìn)于2010 年9 月開(kāi)始，2014 年1 月掘進(jìn)完成。工程中使用了全新的二次襯砌技術(shù)。為滿足建設(shè)需求，設(shè)計(jì)創(chuàng)新采用鋼纖維混凝土代替了傳統(tǒng)的混凝土二次襯砌，研發(fā)了全新可泵送的混凝土配比。通過(guò)使用該技術(shù)，在1 周內(nèi)最多可以完成300 m 的襯砌。鋼纖維混凝土襯砌厚度為300 mm，襯砌后隧道的內(nèi)徑由7． 8 m 縮小為7． 2 m。


       2.4 吉隆坡Smart 隧道


       1) 建設(shè)概況。吉隆坡Smart 隧道屬于多功能雨洪隧道，隧道全長(zhǎng)達(dá)9． 7 km，是東南亞最長(zhǎng)以及亞洲第二長(zhǎng)隧道。隧道由洪水隧道與機(jī)動(dòng)車隧道2 部分組成，隧道中間3 km 的隧道段在非暴雨季用做公路隧道，以緩解城市交通擁堵。這段隧道分為3 層，第3 層用于永 久性排水，上2 層用于通車。在遇到5 年一遇的暴雨時(shí)，第2 層隧道變?yōu)榕潘淼? 在遇到20 年一遇的暴雨時(shí)，整個(gè)直徑12 m 的隧道全部用于泄洪［6 － 7］。吉隆坡Smart 隧道如圖2 所示。

圖2 吉隆坡Smart隧道

       2) 建設(shè)目的。隧道主要用途是舒緩市區(qū)交通擁堵以及在發(fā)生閃電水災(zāi)時(shí)排水。


       3.對(duì)于我國(guó)城市排水深隧工程規(guī)劃設(shè)計(jì)的思考


       我國(guó)深受內(nèi)澇災(zāi)害的城市眾多，通過(guò)對(duì)國(guó)外城市的調(diào)研可以看出，深隧工程在應(yīng)對(duì)超常降雨、暴雨消峰、蓄滯雨水等方面發(fā)揮了重要的作用。建排水深隧對(duì)完善我國(guó)城市排水系統(tǒng)，解決內(nèi)澇問(wèn)題來(lái)說(shuō)是很有必要的。排水深隧的規(guī)劃要從長(zhǎng)遠(yuǎn)的角度考慮，結(jié)合國(guó)外已建深隧的成功經(jīng)驗(yàn)、頻率和強(qiáng)度都在增加的極端天氣及可持續(xù)發(fā)展理念提出以下建議。


       3.1 排水深隧規(guī)劃設(shè)計(jì)必須堅(jiān)持雨污分流


       由于雨水污染小，經(jīng)過(guò)分流后，可直接排入城市內(nèi)河，經(jīng)過(guò)自然沉淀，即可作為天然的景觀用水，也可作為供給噴灑道路的城市市政用水，故雨水經(jīng)過(guò)凈化、緩沖流入河流，可以提高地表水的使用效益。同時(shí)，讓污水排入污水管網(wǎng)，并通過(guò)污水處理廠處理，實(shí)現(xiàn)污水再生回用。雨污分流后能加快污水收集率，提高污水處理率，避免污水對(duì)河道、地下水造成污染，明顯改善城市水環(huán)境，還能降低污水處理成本。


       3.2 深隧設(shè)計(jì)防澇標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)設(shè)為百年一遇，可分期修建


       從長(zhǎng)遠(yuǎn)的角度考慮，深隧設(shè)計(jì)防澇標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)設(shè)為百年一遇，有些城市即使過(guò)去沒(méi)有遭遇過(guò)百年一遇的暴雨，并不代表未來(lái)的幾年、十幾年內(nèi)不會(huì)出現(xiàn)百年一遇的極端降雨。根據(jù)國(guó)家氣象局統(tǒng)計(jì)顯示: 暴雨極值天氣出現(xiàn)的概率以每年20%的速率增加，短歷時(shí)暴雨強(qiáng)度、極端降雨日數(shù)也在不斷增加，故深隧設(shè)計(jì)防澇標(biāo)準(zhǔn)設(shè)為百年一遇是合理的。


       3.3 深隧規(guī)劃設(shè)計(jì)的空間布局


       1) 深隧管線布設(shè)，處理好深隧、淺管和河道之間的關(guān)系。深隧管線應(yīng)根據(jù)城市內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估報(bào)告中確定的城市內(nèi)澇積水點(diǎn)，布設(shè)在城市易澇區(qū)。以北京為例，解決北京西山洪水構(gòu)想: 如果2012 年7 月21 日特大暴雨中心( 全市平均降雨量215 mm，暴雨中心達(dá)541 mm)發(fā)生在北京西山地區(qū)，將是北京更大的災(zāi)難性事件。沿西山開(kāi)挖截洪溝，建設(shè)地下排水深隧系統(tǒng)，導(dǎo)入到永定河，避免山區(qū)洪水與城區(qū)內(nèi)澇疊加沖擊城區(qū)。為減輕超標(biāo)準(zhǔn)降雨給城區(qū)“東排”增加的排澇壓力，根據(jù)中心城河流水系特點(diǎn)及近年積水分布情況，提出: 在城市西部建設(shè)以分流消峰為主的排水廊道，在城市東部建設(shè)以蓄滯為主的調(diào)蓄廊道［8］。除此之外，要重視深隧、淺管和河道的有效結(jié)合，深隧工程不是要重建一個(gè)城市排水系統(tǒng)，它應(yīng)該是在原有治水管網(wǎng)基礎(chǔ)上的一個(gè)提升與深化，只有深隧、淺管和河道的管路暢通，深隧的功能才能發(fā)揮正常，否則就可能出現(xiàn)有暴雨時(shí)，下面的深隧“吃不飽”，上面的管網(wǎng)又頂不住的現(xiàn)象。淺層排水管網(wǎng)和深隧工程構(gòu)成城市排澇系統(tǒng)，同時(shí)要連通城市內(nèi)外的天然水系河道，將防洪和排澇進(jìn)行有效鏈接。


       2) 排水深隧建設(shè)層位。城市地下空間層位都有較為明確的規(guī)劃，城市地表以下0 ～ 8 m 是用于市政排水管網(wǎng)及各種通信、電力管線，地表以下8 ～ 30 m 已經(jīng)被地鐵占據(jù)，故深層排水隧道只能建于地下30 m 以下的位置，考慮抽水泵站的揚(yáng)程和抽水成本以及地下更深層位用于其他規(guī)劃，建議深層排水隧道建于地下30 ～ 50 m的位置。城市地下空間開(kāi)發(fā)規(guī)劃見(jiàn)圖3。

圖3 城市地下空間開(kāi)發(fā)規(guī)劃圖（單位：m）

       3) 隧道儲(chǔ)量的確定。模擬海綿城市建成后，以地面雨水調(diào)蓄設(shè)施為參數(shù)，考慮城市歷年來(lái)最 大暴雨強(qiáng)度與歷時(shí)，并預(yù)測(cè)未來(lái)一定年限內(nèi)暴雨發(fā)展趨勢(shì)，建立城市暴雨洪水仿真模型，模擬超常雨情下海綿城市市區(qū)積水情況，確定隧道的儲(chǔ)量。


       4) 區(qū)別儲(chǔ)水豎井分體與合體設(shè)計(jì)。深隧豎井有分體、合體設(shè)計(jì)，針對(duì)城市內(nèi)澇積水區(qū)域的不同，選擇不同的設(shè)計(jì)方案。城市內(nèi)澇積水點(diǎn)集中，可采用合體設(shè)計(jì)，在深隧的末端設(shè)置一座大型的儲(chǔ)水豎井，緩存雨水; 若城市內(nèi)澇積水點(diǎn)分散，可采用分體設(shè)計(jì)，并在深隧布設(shè)沿線嚴(yán)重積水點(diǎn)設(shè)置儲(chǔ)水豎井。日本排水深隧設(shè)計(jì)構(gòu)成圖見(jiàn)圖4。

圖4 日本排水深邃設(shè)計(jì)構(gòu)成圖

       5) 排水深隧的防水設(shè)計(jì)。排水深隧在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注重對(duì)地下水的隔離保護(hù)，防止雨水污染地下水，所以要注重排水深隧的防水設(shè)計(jì)。


       3.4 排水深隧多功能設(shè)計(jì)


       排水深隧的建設(shè)耗資巨大，據(jù)了解我國(guó)首條在建排水深隧———廣州深隧，東濠涌深隧僅1．8 km 就耗資7 億元左右，“一主七副”8 條深層隧道總長(zhǎng)86．42 km需投資250億元左右。為充分發(fā)揮深隧的使用價(jià)值，可將深隧排水與道路運(yùn)輸結(jié)合起來(lái)，在非暴雨時(shí)節(jié)，用做城市快速路，可緩解城市交通擁堵問(wèn)題。


       4.排水深隧施工方法分析

       4.1 豎井施工技術(shù)


       排水深隧豎井施工技術(shù)有3 種: 鉆爆法、反井鉆機(jī)法和下沉式豎井掘進(jìn)機(jī)( VSM) 。


       1) 鉆爆法。適用于各種地質(zhì)條件和地下水條件，具有適合各種斷面形式和變化斷面的高度靈活性，在深隧豎井施工初期階段，對(duì)松軟的土質(zhì)層，利用挖掘機(jī)挖掘; 在更深的巖石層，利用鑿巖臺(tái)車或多臂鉆車與專用炸 藥，鉆孔爆破掘進(jìn)。


       2) 反井鉆機(jī)法。利用反井鉆機(jī)，先自上而下沿豎井設(shè)計(jì)中軸線，鉆出一個(gè)200～350 mm 倒孔，再沿倒孔自下而上擴(kuò)孔鉆進(jìn)，擴(kuò)孔直徑一般為1～5 m，對(duì)于直徑超過(guò)5m的豎井，需要用鉆爆法施工最終成型。


       3) VSM 技術(shù)。主要是利用下沉式豎井掘進(jìn)機(jī)進(jìn)行掘進(jìn)，利用這項(xiàng)技術(shù)可以建造直徑5～16m 的豎井到地面下150m的深處。目前，德國(guó)海瑞克能夠提供下沉式豎井掘進(jìn)設(shè)備。該設(shè)備有2 個(gè)優(yōu)點(diǎn): 一是能夠在地下水環(huán)境中作業(yè)，大幅度降低工程成本; 二是與隧道掘進(jìn)設(shè)備聯(lián)手合作，為深隧工程系統(tǒng)提供成套解決方案。


       4.2 深層隧道施工技術(shù)


       深層隧道施工技術(shù)比較成熟，國(guó)內(nèi)外普遍采用盾構(gòu)法，利用盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)，一次成型。以廣州東濠涌深隧試驗(yàn)段為例。


       1) 工程概況。隧道起點(diǎn)位于越秀橋西南側(cè)綠化用地，線路沿越秀北路向南，沿途下穿地鐵1 號(hào)線和6 號(hào)線，順著越秀中路、越秀南路、東沙角路南下，終點(diǎn)位于江灣大酒店?yáng)|側(cè)的補(bǔ)水泵站。隧道通過(guò)孖魚崗涌豎井和中山三路豎井，玉帶濠豎井與淺層系統(tǒng)連接。線路長(zhǎng)1．77km，內(nèi)徑為5．3m，埋深33m［9］。


       2) 施工方法。隧道采用礦山法+ 盾構(gòu)法施工，自中山三路往東風(fēng)路豎井掘進(jìn)，到東風(fēng)路豎井后盾構(gòu)吊出后回到中山三路豎井往沿江路尾端豎井及泵站掘進(jìn)。盾構(gòu)采用環(huán)寬為1．5m的通用管片襯砌，混凝土強(qiáng)度為C50，抗?jié)B等級(jí)不低于P12。沿江路豎井連接通道段及預(yù)留隧道段、尾端豎井預(yù)留隧道段、玉帶濠豎井聯(lián)絡(luò)通道段采用礦山法施工，采用復(fù)合襯砌。


       東風(fēng)路豎井、中山三路豎井及玉帶濠豎井基坑上部土層采用排樁+ 內(nèi)支撐支護(hù)方式，樁間采用單管旋噴樁止水，基坑下部巖層采用巖石噴錨支護(hù)。尾端豎井與沿江路豎井由于臨近珠江，且地質(zhì)砂層較厚，基坑上部土層采用連續(xù)墻+ 內(nèi)支撐支護(hù)方式，基坑下部巖層采用巖石噴錨支護(hù)。


       5.結(jié)論與建議


       排水深隧在我國(guó)城市排水系統(tǒng)中應(yīng)用不多，但前景廣闊，目前廣州、武漢、北京、上海都在積極地規(guī)劃建設(shè)排水深隧工程。通過(guò)調(diào)研分析總結(jié)出的結(jié)論與建議如下。


       1) 規(guī)劃排水深隧必須堅(jiān)持雨污分流原則，防澇標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)設(shè)為百年一遇。


       2) 從城市地下空間資源綜合開(kāi)發(fā)利用的角度出發(fā)，深隧層位應(yīng)建于地下30 ～ 50 m 的位置，隧道管線應(yīng)布設(shè)在城市易澇區(qū)，并且將修建深隧、改造淺管和清淤河道銜接起來(lái)，形成一套完整的防洪排澇系統(tǒng)，讓深隧的作用得以充分發(fā)揮，才能解決城市內(nèi)澇問(wèn)題。


       3) 在城市內(nèi)澇積水集中的地方，可采用合體設(shè)計(jì)，在深隧的末端設(shè)置一座大型的儲(chǔ)水豎井，緩存雨水。若城市內(nèi)澇積水分散，可采用分體設(shè)計(jì)，在深隧沿線嚴(yán)重積水點(diǎn)設(shè)置儲(chǔ)水豎井，并且排水深隧要注重防水設(shè)計(jì)，防止雨水污染地下水。


       4) 為提高深隧的經(jīng)濟(jì)效益，應(yīng)將深隧與地下快速路的規(guī)劃結(jié)合起來(lái)，實(shí)現(xiàn)功能多樣化。


       5) 排水深隧作為公共基礎(chǔ)設(shè)施，公益性較強(qiáng)，不以盈利為主要目的，并且投資規(guī)模巨大，故采取何種投融資方式是目前針對(duì)排水深隧建設(shè)需要進(jìn)一步研究的方向。