深层隧道方案解决城市地道桥汛期积水问题的研究

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摘 要：该文以兴工街雨水深层隧道工程设计方案为例，提出解决铁路沿线地道桥积水问题的有效方法是修建深层隧道工程，并进一步提出深层隧道重现期按50年设计。支线管道与深层隧道重力流连接取消了地道桥的泵站，节省了相关配套和维护费用。同时，将泵站改造成清扫维护站，解决了管道长期无法养护维护的难题。新建终端泵站不要求重新征地，解决了规划泵站选址难的问题。该工程的建设为解决其他区域的地道桥积水问题起到示范和指导作用。

关键词：深隧设计方案 地道桥积水 海绵城市

中图分类号：TU99 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2017）04（c）-0075-05

沈阳是一个降雨分布时间极为不均衡的北方城市。降雨相对集中，主要分布在夏季的七、八月份，且多为短历时高强度暴雨，全年降水量平均为721.9 mm。近年来，沈阳市加大了排水设施的建设力度，城市水环境质量有了较大的改善，但由于气候变化导致极端天气增多，多次出现了较为严重的内涝现象。积水严重时，最大积水深度近3 m，交通瘫痪10 h以上。为了切实解决城市内涝、改善市民居住环境、保障城市安全运行，沈阳市全面审视既有排水系统存在的问题，以科学发展观为指导，运用先进的理念，对排水系统进行科学规划设计。该文以兴工街雨水深隧工程设计方案为例，阐述大城市地道桥等低洼地区积水的解决方案，为解决沈阳市其他区域，尤其是地道桥积水问题将起到指导作用。

1 提出兴工街雨水深隧工程的项目背景

沈阳是典型的平原城市地势特征，东部地区起伏较大，西部地区较平坦，整体地势东北高，西南低，大部分地区高程在海拔35～50 m，地表坡度在0.6‰～0.7‰，排水系统对泵站依赖程度极大。城市主城区内多条铁路线构成了排水区域的分界线，造成了地道桥较多，汛期积水严重影响城市交通，如：沈山线（皇姑-铁西）、沈山联络线（铁西-于洪）、京哈线（皇姑-大东）、沈大线（和平-铁西）、沈吉线（沈河-大东）及裕虎线（沈北-皇姑）（图1）。

兴工街―凌空二街―城东湖街位于沈阳市和平区、铁西区与于洪区三区交界处，东侧和南侧紧邻沈大铁路线和沈山铁路联络线，沿线由北至南分布着北二地道桥、南五地道桥、南八地道桥、砂阳地道桥、腾飞二街地道桥和凌空二街地道桥6座铁路地道桥。由于当年排水设施设计标准较低，加之沿线客水流量大，造成地道桥低洼处大雨积深水，小雨积浅水。特别是，2016年7月25日，沈阳市降下了40年一遇的大雨，6座地道桥全部积水1.5～2.5 m（图2）。由于这6座地道桥是中心城区的重要交通节点，因此，解决城市地道桥积水问题已经成为政府当务之急。

2 问题分析

沈阳市的现状是排水系统建设较早，受当时经济条件的限制，设计重现期为0.33年一遇，近期建设的排水管道设计重现期接近0.5年一遇，新区的设计重现期多为1年一遇。目前的排水管网中，约78%的管网仅能抵御15 mm/h（重现期0.33年）以下的降雨，且管线存在老化、淤堵等问题。同时，在沿浑河的泵站中，仅工农泵站具有较强的排水能力，目前已出现雨季泵站雨水受浑河顶托而排水不畅的问题，当浑河汛期出现高水位时，增加内涝风险。

项目组根据要求组织专业团队对6座地道桥沿线进行了详细勘察，由于该区域地处市中心地带，地铁1号线横穿兴工街而过，周边道路路面以下5 m地下空间内密布各种管线，在5 m地下空间范围内选择排水管线线位难度较大。根据我们对沈阳市排水系统的长期调查，排水系统面临的主要问题是水体污染和城市内涝，也是我国许多大城市在发展过程中面临的共性问题，同时也是国外许多大城市曾经遇到过的问题。我们进行经验总结提出如下思路（图3）。

项目组针对该区域积水问题初步提出三套概念性设计方案。方案一是在6座地道桥附近分别设置雨水调蓄池，通过汛期对雨水峰值进行调蓄来解决地道桥积水问题；方案二是将6座地道桥作为一个整体系统来研究，通过建设一条深隧排水管线，将6座地道桥的积水一次性解决；方案三与方案二基本相同，但比方案二所涉及的汇水区域更大。目前，国内其他城市，如：上海、北京、广州、武汉等城市已开始建设深层雨水调蓄隧道或调蓄池，并在汛期发挥了重大作用。

3 设计方案的讨论

通过项目组进一步研究，对提出的三套设计方案论证如下。

3.1 方案一

根《铁路保护条例》第十条：铁路线路两侧应当设立铁路线路安全保护区，铁路沿线两侧50 m内为铁路用地。

在地道桥附近建设调蓄池需要征得铁路部门同意后方能实施，协调难度较大。

调蓄池：在每个地道桥泵站设置1座调蓄池，共计6座。经理论计算，单个调蓄池的容积为5 000 m3。

根据现场踏勘，地道桥周围无建设矩形调蓄池的场地，因此，设计成圆管式调蓄池，DN3 500管道，长度520 m。

工程投资估算：采用顶管法或盾构法施工，每个调蓄池的投资3 000万元，项目总投资估算为18 000万元。

3.2 方案二

3.2.1 城市内涝防治标准

国外发达国家已建立完善的内涝防治标准体系，而我国尚无此类标准。为支撑城市发展，确保新一轮城市总体规划制定把沈阳市建设成国家中心城市、生态宜居之都等发展目标的实现，研究制定适合沈阳市的内涝防治标准体系迫在眉睫。在面对出现一定规模的重大重现期暴雨的时候，应以保证车辆可以通行，城市可以基本运行，不产生重大损失为根本。借鉴国外各城市的经验，并根据沈阳市实际条件，规划制定了有效应对50年一遇降雨为沈阳市的内涝防治标准，并保证在发生此类降雨时，道路积水深度不超过0.3 m，积水时间不超过2 h。

3.2.2 深隧设计方案设计依据

采用最新规范：《室外排水设计规范》GB 50014-2006（2016年版）要求，特大城市中心城区的重要地区设计重现期5～10年，中心城区地下通道30～50年，人口密集、内涝易发且经济条件较好的城镇，宜采用规范的上限。

采用最新的暴雨强度公式：

采用排水管网模拟软件SWMM模型对降雨过程进行模拟计算。

3.2.3 深隧设计方案

该方案的主要设计理念：雨水深层调蓄隧道、初期雨水截污、终端排涝泵站、智能化监控系统、水力与机械相结合的管道清扫维护方式等。

汇水区域：如图4所示，汇水面积约6 km2，管道计算流量30 m3/s，采用内径3.5 m管道，坡度1‰～2‰，长度约6 200 m，管道末端接入新建的凌空泵站二期（图4）。

支线：联络管（d2.6m顶管），地道桥雨水不经过泵站，直接接入主线管道。取消泵站功能，保留泵站场地。

清扫：雨季采用水力冲刷；旱季采用车辆器具下井清淤的方式，将原有的地道桥泵站改建为清扫维护站，d2.6m联络管作为清淤通道，与主线管道连接。

工法：管道以盾构施工为主，约6 100 m，顶管施工为辅，约100 m。

深隧管道线位：线路北起北二路南侧，沿兴工街-凌空二街向南，在凌空二街框构桥的下方依次穿越揽军路高架桥、沈山铁路框构桥后，沿城东湖街至阳光路以北、凌空污水厂以东的泵站选址处。线路全长约6 200 m，管道起点覆土约9 m，终点覆土约18 m。

主要障碍节点（图6）：①北三路上跨地铁1号线区间，②下穿揽军路高架，③下穿沈山铁路框构桥，④侧穿城东湖街桥。

线路控制点：凌空二街沈山铁路框构桥，即节点③。采用盾构法施工穿越该控制点。

泵站：新建凌空泵站二期工程，选址位于凌空泵站一期的东南角，初步选定的泵站占地面积约3 800 m2。

泵站设计流量30 m3/s，扬程大于25 m。泵站按照调蓄功能设计，高水位运行，同时具有强排功能（浑河300年一遇水位41.33 m）和初期雨水截污功能（初期雨水通过排空泵提升至凌空污水厂）。泵站设计为半地下泵站，用电设备总装机容量约12 000 kW，用电负荷为一级负荷，采用两路独立10kV高压电源专线供电，电源引自附近66/10 kV变电站。

工程投资估算：采用深隧管道盾构法施工，同时扩建一座提升规模为30 m3/s的泵站投资为9 000万元，对6座地道桥泵站进行改造合计2 400万元，项目总投资估算为49 880万元。

3.3 方案三

汇水区域：如图5所示，汇水面积约9 km2，管道计算流量50 m3/s，上游采用内径3.5 m管道，下游（滑翔路以南）采用内径5.4 m管道，坡度1‰～2‰，长度约6 200 m，管道末端接入新建的凌空泵站二期（图5）。

支线和清扫：与方案二相同。

工法：管道以盾构施工为主，约5 700 m，暗挖施工为辅，约500 m。

深隧管道线位：线路北起北二路南侧，沿兴工街-凌空二街向南，在凌空二街框构桥的下方依次穿越揽军路高架桥、沈山铁路框构桥后，沿城东湖街至阳光路以北、凌空污水厂以东的泵站选址处。线路全长约6 200 m，管道起点覆土约9 m，终点覆土约18 m。

主要障碍节点（图7）：①北三路上跨地铁1号线区间，②下穿揽军路高架，③下穿沈山铁路框构桥，④侧穿城东湖街桥。

线路控制点：凌空二街沈山铁路框构桥，即节点③。采用暗挖法施工穿越该控制点。

泵站：新建凌空泵站（二期）工程，选址位于凌空泵站（一期）的东南角，初步选定的泵站占地面积约3 800 m2。

泵站设计流量50 m3/s，扬程大于25 m。泵站按照调蓄功能设计，高水位运行，同时具有强排功能（浑河300年一遇水位41.33 m）和初期雨水截污功能（初期雨水通过排空泵提升至凌空污水厂）。

泵站设计为半地下泵站，用设备总装机容量约20 000 kW，用电负荷为一级负荷，配套建设独立用户变电站（位于凌空泵站一期院内）。

工程投资估算：采用深隧管道盾构法施工，同时扩建一座提升规模为50 m3/s的泵站投资为15 000万元，对6座地道桥泵站进行改造合计2 400万元，项目总投资估算为63 320万元。

4 三套方案的比选

通过三套方案的论证我们可以看出：方案一设计方案比较简单、投资少、比较经济。缺点是在地道桥附近建设调蓄池需要征得铁路部门同意，协调难度较大。另外，由于大量客水的涌入，每座地道桥实际所需的调蓄容积远远大于5 000 m3，因此，无法解决降雨强度较大时地道桥积水问题。同时，局部建设调蓄池的方案与彻底解决铁西区排水问题背道而驰，对雨污分流改造无任何贡献。方案二与方案三比较，工程规模较小、投资略少；管径较小、施工难度较小。缺点是由于汇水面积小，仅包括兴工地区，工程所产生的社会效益有限。方案三汇水面积大，涵盖区域较大，工程的实际效果更显著。同时解决了兴工、滑翔和于洪新城的积水问题，为未来这些地区解决雨污分流问题奠定了基础，对老系统的改造较为彻底。缺点是工程规模较大、投资较大；管径较大、施工难度较大，尤其是下穿沈山铁路时，施工工法技术上可行，但需要报请铁路局审批。

5 施工组织方案

主线管道施工以盾构法为主。由于线路较长，为提高效率，分多个标段进行盾构掘进，每段掘进距离1.6～2.3 km不等。凌空二街过铁路处采用暗挖法施工。

支线管道采用顶管法施工，线位多位于绿化带、人行道或辅道内。

盾构始发井开挖采用旋喷桩+内支撑的支护形式，每一个始发井也兼做上一段盾构的接收井。支线井等其他井室采用先盾后井的施工工序。

1～4#井均位于兴工街-凌空二街道路上，需要封半幅道路施工，同时进行交通疏导。5#井位于城东湖街上，整体封路，往来车辆需要绕行。6#井位于绿地内（图8）。

6 结语

通过对上述设计方案的讨论，我们认为从沈阳市未来发展考虑，应采用方案三比较适合。该方案的实施提高了兴工街及揽军路沿线公铁桥的排水设计标准（达到50年一遇），彻底解决了地道桥的积水问题，同时也解决了南二环（铁西段）下方的路面积水问题。因此，保障了铁西、和平和于洪三区之间的重要交通枢纽，在极端暴雨天气下的畅通。为铁西区增加了一处可靠的排水出口，极大降低了铁西区的内涝风险。随着兴工街雨水干线的建设，从全局上改变了铁西区拥堵的排水现状，为雨污分流改造奠定了基础。

参考文献

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