隧道排水系统设计探讨

近年来，国内大中型城市致力于城市道路交通功能的完善。城市道路的建设形成向空间发展、向地下发展的趋势，其中，隧道工程以其独特的优势得到迅速发展。我国已成为世界上隧道最多、发展最快的国家，许多特长、特密集隧道群也应运而生。深圳市东部过境高速公路，以莲塘口岸和爱国立交为起点，终点与深汕、惠盐高速公路相接。该高速公路采用双向六车道设计，全长约３１ｋｍ，是一条以香港为起点、向粤东地区以及华南东部沿海地区发散的重要交通通道。本工程全线设置隧道４座，分别为莲塘隧道、仙湖隧道、林果场隧道和北公坳隧道，设计车速６０ｋｍ／ｈ，为目前国内跨境（即宽度）最大的地下互通隧道，也是目前国内第一座真正意义上的地下互通立交。隧道排水系统是隧道总体设计必不可少的组成部分，其设计是否合理，将对隧道安全及正常运营产生重大影响。笔者以莲塘隧道为例，系统总结了排水设计的方法和特点，并对隧道排水工程设计中几个关键问题进行了探讨，提出相关建议供参考。排水系统的组成与特点莲塘隧道排水系统采用分流制，共分为三个组成部分：雨水系统和废水、清水（即隧道内清污分流）系统，分别通过潜水泵提升经室外压力窨井排出。本文仅对隧道内废水、清水系统进行详述。废水系统隧道内废水流量包括：消防水量和冲洗水量。（１）消防水量。莲塘隧道的消防系统包括消火栓系统、固定式水成膜泡沫消火栓系统和手提式灭火器相结合的设计方案，其用水量分别为：消火栓系统一次灭火用水量为２０Ｌ／ｓ，水成膜泡沫灭火系统为１Ｌ／ｓ，一次火灾的总用水量为２１Ｌ／ｓ。（２）冲洗水量。考虑隧道需要定期清洗，采用的冲洗用水量为２Ｌ／（ｍ２•次）。废水系统流量计算取两者中的最大值进行设计，即按消防废水量作为废水系统的设计流量。其排水收集措施采用盖板涵边沟（即采用带泄水孔的盖板沟或缝隙式边沟）和雨水口布置型式。盖板涵排水沟自隧道进口至出口处，沿道路两侧布置，随道路纵向坡度接入道路低点的排水泵站。为了迅速、及时地排除废水，减少废水的径流长度，采取在道路低点增加雨水口数量的做法，设置多箅雨水口。双侧排水沟间的排水通过在道路低点设置的钢筋混凝土管连通，将废水接入排水泵站污水集水池，由泵提升后排入隧道外地面污水管道系统。清水系统本工程采用隧道内清污分流制排放。隧道内结构渗漏水量即隧道围岩裂隙水为较为清洁的水，通过沿道路路中下敷设的圆形中心排水沟单独收集处理，在道路低点处引入排水泵房清水集水池，由泵提升后排入隧道外地面雨水管道系统。由于隧道结构渗漏水量与施工工法、地质条件、施工质量等因素息息相关，在具体的工程设计中，由隧道专业提供给给排水专业，且提供的渗漏水量为最高日流量。莲塘隧道结构渗漏水量由隧道专业依据地质详勘提供，最大值为３０２２ｍ３／ｄ。排水系统设计常见问题横截沟的设置横截沟作为一种收水设施，可以有效地拦截隧道引路段地表径流的雨水及隧道内道路低点的废水。但目前国内使用的横截沟都有一个通病，即其整体的稳定性不够，路面平整性超标，车辆行驶至横截沟后带来的问题是噪声大、有跳车现象发生，并易造成横截沟边缘的结构层发生裂缝，局部结构破碎，以致影响路面的行车安全。虽然可以在横截沟产品选择、施工工艺等方面改进，但由于车速快、车辆行驶频繁，噪声污染和跳车难以根除，且横截沟一般为通长布置，受横截沟宽度限制，有时需设置多条，在养护检修时影响道路通行范围较广。基于以上问题，并考虑到本项目为高速公路工程，车速快、车流量大、超重货车多以及夜间行车安全等因素，本工程没有采用横截沟形式的收水设施，在设计过程中，与本工程道路及隧道设计团队多次配合，采取了如下技术措施。（１）加大排水边沟断面：隧道洞口外采用矩形排水边沟，其断面为Ｗ×Ｈ＝６０ｃｍ×１２０ｃｍ；隧道内采用双侧排水边沟，其断面为Ｗ×Ｈ＝４０ｃｍ×５０ｃｍ。（２）道路低点设置多箅雨水口：其雨水口排水能力按１．５～３．０系数计算。（３）洞口外道路路缘石采用平缘石，以加速道路低点的雨水排放。排水泵房的位置及数量隧道排水泵房的设计主要体现在“集”与“排”，就是将无法重力流排出的雨（废）水集中到集水池，通过水泵抽排到隧道外的排水系统，其位置的选择及数量的确定直接关系到排水工程的投资大小和运行成本高低，是排水方案的关键。排水泵房位置与隧道的平、纵断面有关，一般雨水泵房设在隧道的进口及出口处，但也可能仅在隧道的进口或出口设置，具体根据工程的实际情况确定；废水泵站的位置应尽量靠近隧道内道路路面高程的最低点，以减少最低点至泵房集水池管道的水头损失。考虑到泵房设备检修、隧道内照明情况及避免发生车辆追尾的多种因素，建议泵房设置在行车方向的右侧，即慢车道方向，并在泵房门口设置紧急停车带。在隧道排水系统设计中，充分考虑了隧道内道路系统的分布，根据道路设计尽量减少排水泵站的个数，进行合理分区排放。本工程仅考虑在隧道的道路纵坡最低点设置排水泵房，全线共设置４座。每座排水泵房用于排除隧道内两个相邻道路纵坡高点间的消防废水、冲洗废水和结构渗漏水，经泵提升后排入地面市政排水系统。根据现场的实际情况，设计的抽升排放系统由设备间、配电间、污水集水池、清水集水池、出水管廊组成。水泵选型水泵选型，考虑节能、维护方便及造价合理等因素，设计采用潜水泵，潜水泵具有设备结构简单、技术成熟、运行可靠、维护方便，使用成本较低等优点。根据前述的废水和清水系统的流量计算，污水集水池和清水集水池中分别安装了２台水泵（１用１备）即可满足排水需求。水泵采用就地自动及手动控制、控制中心远程控制方式。考虑到消防时水量大而平时排水量较小，以及结构渗漏水量不确定因素的特点，为满足不同流量的抽升要求，本工程分别采用１台变频泵，此外也保留极端情况下２台水泵同时启动的条件。水泵扬程根据集水池最低水位与隧道外压力窨井处的地面高程之差值，加上管道沿程损失和局部损失之和计算得到。集水池的容积本工程隧道内采用清污分流制，故排水泵房集水池共分为两格，分别为污水集水池和清水集水池。由于目前尚无专门的条款指导隧道排水设计，本工程参照现行的《室外排水设计规范》（ＧＢ５００１４－２００６，２０１４年版）５．３．１条规定：“集水池的容积，应根据设计流量、水泵能力和水泵工作情况等因素确定，污水泵站集水池的容积，不应小于最大一台水泵５ｍｉｎ的出水量，如水泵机组为自动控制时，每小时开动水泵不得超过６次”和《上海市工程建设规范道路隧道设计规范》（ＤＧ／ＴＪ０８－２０３３－２００８）１１．３．３条规定：“隧道最低点废水泵房集水池应满足水泵的安装、检修、运行要求，其有效容积不应小于设计选用最大１台泵５ｍｉｎ的出水量，水泵扬程宜按直接接入市政管网的压力计，确有困难时，可采用逐级提升，接力排出的方式，纳入市政排水管网”，故莲塘隧道最低点排水泵房集水池的有效容积按照不小于最大１台水泵５ｍｉｎ的出水量进行设计。由于本工程排水泵房的位置距离地面市政排水系统较远，污水泵和清水泵的压力出水管长度均超过１ｋｍ，因此需考虑两条压力出水管检修时管内水量的排放问题，两格集水池的总容积均需适当加大，以满足检修时两条出水管内水量的排放容积。目前进行地铁项目设计时，参照《地铁设计规范》（ＧＢ５０１５７－２０１３）１４．３．６条规定：其他各类排水泵站（房）的集水池有效容积，不应小于最大１台排水泵１５～２０ｍｉｎ的出水量。综上相关规范和标准，从水泵工作安全性和压力出水管检修因素的考虑，笔者认为集水池的有效容积建议取最大１台水泵１５～２０ｍｉｎ的出水量计算。集水池有效容积可参照式（１）计算。集水池设计见图３．排放出路隧道消防废水属于低概率紧急事故排水，仅在火灾发生时由水消防系统作用汇集在隧道内，持续时间不长，考虑隧道的经济性，故不单独建设消防废水泵房。因此消防废水和隧道冲洗废水均排入地面污水管道系统。隧道结构渗漏水一直存在且水质较好，根据监测数据表明，隧道的渗水与天气因素有关，渗漏水量与降雨量呈正比，在降雨量大的时候其渗漏水量也增大。莲塘隧道位于广东深圳，考虑到南方雨季时间长、雨量大的特点，本工程可将清水池收集的水量进行回用，如：补给洞口外的消防水池、绿化、灌溉等，而后溢流至地面雨水管道系统。但结构渗漏水量亦存在许多不确定性因素，可根据工程的实际情况具体确定。客水的防护为防止地面雨水流入隧道，莲塘隧道进出洞口内的路面均设置有明显的道路变坡点，即道路“驼峰”设计，并且变坡点的高程高于隧道洞口外道路低点０．６ｍ左右，有效防止了地面雨水流入隧道。莲塘隧道排水工程在整个高速公路工程设计中虽然所占比重较小，但其作用不可低估，其设计是否合理，将直接影响到日后隧道的使用安全。随着城市隧道应用日益广泛，隧道排水已经逐步成为一项专门的工程技术，但是适用性的设计规范尚未形成。更多关于建筑行业独家信息，敬请实时关注鲁班乐标微信号。关注手机鲁班乐标（m./），实时了解建筑行业最新动态。