導讀
通過建設地下深層隧道來解決城市局部洪澇及合流制溢流污染問題在我國日益受到重視。盡管深層隧道具有靈活、高效、對地表和淺層地下空間擾動小等優勢，但由于其施工周期長、工程量大、投資高、運行管理維護復雜，故在對深層隧道設置方案進行決策時，必須考慮其適用條件。本文對深層隧道適用降雨特點、地質和水文條件進行了研究，通過已建和在建工程案例分析了深層隧道適用的城市類型及地理位置，為不同城市進行隧道設置方案決策提供參考。
張盛楠(1984-)，河北冀州人，碩士，講師，主要從事給排水專業的教學及科研工作。
深層隧道適用降雨特點分析
殷水清等人通過對大量降雨數據的分析，根據雨量集中位置出現在整個降雨歷時過程的時間段，將雨型分為如下四種，即：前期集中型（Ⅰ型，0~40%處），中期集中型（Ⅱ型，40%~60%處），后期集中型（Ⅲ型，60%~100%）和均勻型雨型（Ⅳ型，雨量均勻分布于整個降雨過程）。
由于前期集中型（Ⅰ型）降雨雨量集中，地表徑流峰值較其他雨型更早出現，易引起較大的洪澇災害，對排水系統沖擊較大。此時，諸如低影響開發的分散式小型雨水措施無法在短時間內排除大量超標雨水，而深層隧道技術則可迅速地將大量徑流雨水通過深層地下隧道排放或暫時存儲于蓄水設施中。故深層隧道技術更適于降雨量大且雨量集中的極端暴雨事件多發，峰值明顯的地區內澇防治。
深層隧道適用地質、水文條件分析
隧道選址應在工程水文地質條件實地勘測與資料收集基礎上，對各方面條件進行綜合分析，盡量避免在工程地質條件較差地區采用深隧技術。隧道宜選在沿線地質構造簡單、巖體完整穩定、單斜斷層褶皺較少、水文地質條件有利、地下無有害氣體、施工方便的地區。若經多種技術方案對比分析后仍需在地質條件較差的地區采用深層隧道技術時，可適當對該地區地質工程進行相應改造，并在施工過程中采取提前防護措施，避免工程事故發生。
深層隧道適用城市類型分析
老城區合流制地區
由于老城區或中心城區發展成熟，建筑密集，淺層地下空間的利用已趨于飽和，傳統的淺層改造措施往往難以實施或成本太高，很難在短期內整體提高防洪排澇和合流制溢流控制標準。而深層隧道工程可充分利用城市深層地下空間，對地面和淺層地下空間影響小；避免大量征地和拆遷，且通過一些特殊的施工方法，可降低施工對民生和環境交通的影響；同時，深層隧道還可連接現有的合流管道、調蓄池、污水處理廠等排水設施，較快地解決城市CSO污染問題。
洪澇易發城市
對于易受臺風侵襲，暴雨量大且集中，經濟發達、建筑密集的沿海城市，綠色基礎設施、低影響開發等雨水處理技術無法快速排出超標雨水，排水系統提標改造、河道擴挖等工程影響范圍大，投資成本高。而地下深層深層隧道可在短時間內吸納大量徑流雨水，緩解城區洪澇問題。且深層隧道可以在保持現有排水系統的基礎之上，進行地下雨水系統的建設，工程影響范圍較小，更適合積水片區的雨水系統提升改造工程。
深層隧道適用的地理環境和地形分析
由于不同城市所處的地理環境不同，面臨的雨洪和CSO污染問題也不一樣，因此，在進行深層隧道的規劃和設計過程中，應針對要解決的問題、城市的地形，并結合現有排水設施的位置、規模和作用，因地制宜，確定深層隧道系統的技術方案。
連接溢流口或污水處理廠的深層隧道
為輸送污水，可沿溢流口或者污水處理廠設置深層隧道，典型的如新加坡深層隧道陰溝系統（DTSS）、正在規劃建設的廣州市深層隧道排水系統以及悉尼北部隧道系統。
圖1 污水輸送隧道示意圖
在悉尼，污水管渠破損和雨水管路的不合理連接，使大量雨水滲入污水管渠造成溢流排放，悉尼港遭受嚴重污染。因此，悉尼市沿郊區現有排水系統修建了大型的悉尼北部隧道系統。該隧道將萊茵灣、斯考特溪、唐柯公園、貴格匯海灣、謝利海灘等主要的溢流口和污水處理廠連接起來，當污水管道達到排水容量時，溢流口可以起到“緩解閥門”的作用，將多余的污水和雨水輸送至悉尼北部隧道存儲，而后將污水輸送至北方污水廠處理。
新加坡為了置換市中心原有分散的污水處理廠和泵站用地，建設了深層隧道陰溝系統（DTSS）。該系統利用連接管截流現有污水系統中的污水，并通過兩條交錯的深層隧道，輸送污水至遠離中心區的東、西兩端的兩個大型污水廠集中處理，最后將處理過的水排入遠離新加坡的深海。該項目分兩個階段建設，第一階段包括一條長48km的污水隧道和樟宜污水處理廠，已于2008年完工。第一階段完工后，逐漸淘汰了新加坡東部地區原有的3個污水處理廠和45座泵站，釋放了161公頃的緩沖和設備用地，極大緩解了新加坡用地緊張的狀況。
廣州規劃在珠江河道之下建設長約29.1km的污水輸送隧道，收集沿途污水處理廠中的污水，為將來搬遷污水處理廠，置換污水廠土地奠定基礎。
該類型隧道可有效地將沿途溢流口或者污水處理廠串聯起來，收集和輸送沿途合流制溢流污水或城市污水至集中的污水處理廠處理，適用于溢流口多，溢流水量大，而城市空間有限，無法沿每個溢流口設置分散的調蓄處理設施或者城區污水廠多、位置分散、占地面積大而用地緊張的地區。
垂直于主徑流方向的深層隧道
此類隧道多為雨洪排放隧道，通常沿主徑流垂直方向設置。典型的如香港荔枝角、荃灣、港島西雨水排放隧道系統。
以荔枝角雨水排放隧道為例，香港荔枝角地區鄉郊地勢較高，而市區地勢較為低洼。暴雨時，大量雨水瞬間沿山上已鋪筑地區和斜坡流到市區，造成內澇水浸。為減少山洪和雨水對香港市區排水系統的沖擊，香港政府投巨資在地下約40米處修建了荔枝角雨水排放隧道。該隧道系統在香港西九龍地區大埔道及呈祥道修建了多個進水口、豎井和隧道，將荔枝角、長沙灣和深水埗上游高地的雨水，通過全長約3.7km、直徑4.9m的雨水深層隧道引流繞過鬧市，最終排入維多利亞港，使流入市區排水系統的高地雨水量大大減少，有效降低了下游區域的內澇風險。
圖2 香港雨水截流系統示意圖
該類型隧道通過截流積水區域或上游山洪，降低下游區域洪澇風險，一般建于暴雨量大且集中，水澇頻繁且城市中山地丘陵較多，主城區位于山下，地勢低洼，易被山洪侵襲的地區。
河道下方設置的深層隧道
此類隧道多平行于河道或位于河道正下方，以解決河道排水能力不足或者合流制溢流污水污染問題，典型的如美國奧斯汀沃勒河排洪隧道和英國泰晤士潮汐隧道，我國廣州深層隧道排水系統也規劃將部分隧道建于河道下方。
圖3 奧斯汀沃勒河排洪隧道系統示意圖
為了修復洪泛區，轉移暴雨洪峰流量，美國奧斯汀市于2011年開始修建沃勒河排洪隧道。該隧道沿著沃勒河修建，由長1707米，直徑6.2~8.1米的三段混凝土隧道、入口和出口設施以及溢流側堰截水系統組成，將暴雨流量通過出口設施直接輸送至伯德夫人湖。工程完成后，沃勒河排洪隧道將可控制該流域百年一遇的洪水。
泰晤士潮汐隧道是沿泰晤士河鋪設的。此隧道直接或通過一連串的連接隧道攔截大量合流溢流污水，使其靠重力自流至東部的阿比米爾斯泵站，再通過“李隧道”泵至升級后的貝克頓污水處理廠。該工程在泰晤士河下方施工，降低施工對城市生活的影響。隧道建成后可有效減少泰晤士河的溢流次數，改善泰晤士河的水體環境。
圖4 泰晤士潮汐隧道示意圖
在一些依河而建的老城市，排水口或溢流口、排水泵站和污水處理廠等排水設施均建于河邊。雨季時，河道排洪能力不足，溢流污染嚴重。將深層隧道平行于河道設置或建于河道下方，可有效吸納、存儲、處理或排放超量雨水和合流制溢流污水，減輕城市洪澇災害，緩解合流制溢流污染。
與公路隧道、雨水蓄水池等設施相結合的深層隧道
為實現隧道的高效綜合利用，可通過合理的設計與運行調度，將其與公路、溢流口、雨水調蓄池、現有管道系統、積水區域等進行適當連接，以兼顧洪澇控制、污染控制、舒緩交通、雜用水補充等多種功能。此種設計主要用于有洪澇、CSO污染、交通、水資源短缺等多重問題的城市。
馬來西亞吉隆坡SMART(the StormwaterManagement and Road Tunnel)隧道是世界上第一條兩用隧道，全長9.7km，直徑13.26m(內徑11.83m)，呈3層結構，包括3~4km的雙層高速公路隧道和最底層的永久排水隧道。無雨或小雨時，第一、二層隧道用于通車；當遇到5年一遇的大暴雨時，第二層即變為排水通道；當遇到特大的極端性暴雨時，車道全部封閉，直徑近12m的整個隧道全部變為排洪道，以緩解城市中心區的排澇壓力。該工程在同一條隧道內解決吉隆坡城區的洪水及交通擁堵問題，充分發揮了隧道的多重作用。
圖5 吉隆坡SMART隧道工程運行模式示意圖
此外，美國芝加哥隧道和水庫計劃（TARP）將地下深層隧道與大型蓄水池（水庫）連接，有效地控制了城區內澇風險和CSO污染，顯著改善了河道水質。香港荔枝角雨水排放隧道與地下靜水池結合，將截留的高地雨水暫時存蓄在靜水池，而后將靜水池收集到的部分雨水過濾后供沖廁、綠地灌溉和街道清洗等雜用，實現了雨水資源的充分利用。
結 語
雨水深層隧道適用于短歷時超強降雨天氣多發導致城區洪澇和CSO污染問題突出，發展成熟建筑密集不便于進行地面和淺層地下施工，地質構造簡單、巖體完整穩定、水文地質條件有利且經濟發達的老城區和中心城區。
在進行隧道方案決策時，還需科學分析和借鑒已建成隧道的成功經驗，認真分析當地經濟社會發展狀況、存在的雨洪問題、降雨特點、地質條件、原有排水系統改造可能性以及是否可與現有排水系統相結合，綜合運用方案比選、模型模擬、系統分析、部門協商、公眾咨詢等多種手段，做出更具針對性、因地制宜的決策。
本文發表于《中國給水排水》2017年第2期，作者是張盛楠1，李成江2 , 宗紹利1，孟令超1（1.天津大學仁愛學院； 2.中國市政工程華北設計研究總院有限公司）
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