合肥市天鵝湖隧道排水方案分析

劉 猛 徐國慶

（安徽省交通規(guī)劃設(shè)計研究總院股份有限公司，安徽 合肥 230088）

1 工程概況

合肥市天鵝湖隧道全長約1 km，其中隧道全長685 m，封閉段447 m（水下段約280 m）、敞開段238 m，圍堰明挖法施工。項目封閉段采用單箱兩孔閉合框架結(jié)構(gòu)，敞口段采用U槽結(jié)構(gòu)，雙向六車道城市主干道，設(shè)計速度60 km/h。

2018年10月下旬完成初步設(shè)計，2018年12月下旬完成施工圖設(shè)計。2019年3月項目開工建設(shè)，2020年5月天鵝湖隧道正式通車。天鵝湖隧道的貫通可大幅度緩解翡翠路、潛山路的交通壓力，充分發(fā)揮路網(wǎng)整體功能。天鵝湖隧道獲得2022年度中國市政工程最高質(zhì)量水平評價。

天鵝湖隧道是合肥市首個在城市環(huán)境敏感區(qū)域的水下隧道工程，項目位于政務(wù)中心核心區(qū)域，隧道景觀需要實(shí)現(xiàn)“融入不搶鏡、增色不亂景”。

天鵝湖隧道“V”形線路如圖1所示。

圖1 天鵝湖隧道“V”形線路

針對天鵝湖隧道排水方案涉及景觀、造價、施工難易程度、后期維護(hù)等因素，隧道排水方案設(shè)計人員經(jīng)歷多次討論、比選，可采用3種排水技術(shù)方案，方案分別為常規(guī)方案、湖中方案和湖岸方案。

2 排水規(guī)模

根據(jù)合肥市暴雨強(qiáng)度公式：

式中：P——設(shè)計重現(xiàn)期；t——設(shè)計降雨歷時。

根據(jù)《室外排水設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50014—2021）位于中心城區(qū)的重要地方，立體交叉道路排水系統(tǒng)設(shè)計重現(xiàn)期20～30年[1]，綜合考慮本項目所處地理位置、道路等級及設(shè)計時速等，本次設(shè)計重現(xiàn)期取值為50年。

根據(jù)《道路隧道設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》（DG/TJ 08-2033—2017）[2]計算：

式中：t1——坡面集水時間（min）；n——地面粗糙系數(shù)，取0.013；L——坡面流長度（m）；i——引道段坡度。

北側(cè)引道段坡度為4.5%，坡長為420 m，北側(cè)集水時間為6.6 min；南側(cè)引道段坡度為4.95%，坡長為320 m，南側(cè)集水時間為5.67 min；綜合考慮，方案階段設(shè)計降雨歷時取值為5 min。

式中：Q——雨水設(shè)計流量（L/s）；ψ——徑流系數(shù)，取0.9；F——匯水面積（hm2）。

匯水面積為1.5 hm2，經(jīng)過計算，雨水設(shè)計流量為922 L/s；隧道雨水泵房設(shè)計規(guī)模按雨水設(shè)計流量1.2倍確定，故天鵝湖隧道排水泵站規(guī)模為1.11 m3/s。

3 排水方案介紹

3.1 常規(guī)方案

目前，常規(guī)湖底、河底隧道一般共設(shè)兩座雨水泵站和一座廢水泵站，兩端洞門附近分別設(shè)雨水泵站，最低點(diǎn)設(shè)一座廢水泵站。例如安徽省內(nèi)方興湖隧道、少荃湖隧道、渦河隧道、南緯六路隧道，根據(jù)高水高排、低水低排的原則，在隧道引道兩端起點(diǎn)設(shè)置駝峰，攔截地面段雨水，排放到路面雨水系統(tǒng)，盡量減少流入隧道雨水泵站的水量，降低泵站造價。在隧道洞口內(nèi)側(cè)設(shè)置雨水泵站，收集隧道引道段雨水。在雨水泵站處的車道上設(shè)置兩道橫截溝，攔截雨水進(jìn)入雨水泵站集水池，經(jīng)潛污泵提升至隧道外消能井后，再排入天鵝湖。

最低點(diǎn)設(shè)一道橫截溝，攔截隧道內(nèi)沖洗廢水、消防廢水、結(jié)構(gòu)滲漏水等，通過橫截溝流入最低點(diǎn)廢水泵站廢水池，經(jīng)過潛污泵提升后，沿著結(jié)構(gòu)側(cè)墻裝飾層敷設(shè)壓力管，在洞口附近就近接入市政污水管網(wǎng)。常規(guī)方案泵站布置如圖2所示。

圖2 常規(guī)方案泵站布置

3.2 湖中方案

湖中方案是指僅在天鵝湖隧道線路最低點(diǎn)附近設(shè)置一座排水泵站，取消了所有的橫截溝。天鵝湖隧道是城市主干道，行車速度快，排水泵站規(guī)模偏小，且兩側(cè)引道縱坡分別為4.50%和4.95%，縱坡大，整體路線呈“V”形，橫截溝截水效果差。隧道兩側(cè)排水邊溝正常設(shè)置，在隧道最低點(diǎn)設(shè)置排水暗涵，最低點(diǎn)排水邊溝溝底設(shè)置井筒連通排水暗涵，排水暗涵接入集水池。為了保障路面積水快速排除，應(yīng)盡量加寬最低點(diǎn)附近排水邊溝，排水暗涵需要砂漿二次找坡，且尺寸應(yīng)滿足施工及排水要求，湖中方案排水泵站與隧道結(jié)構(gòu)共墻設(shè)置。

湖中方案路面積水經(jīng)過排水邊溝收集，經(jīng)排水暗涵接入外掛排水泵站集水池，經(jīng)集水池潛污泵壓力提升后，從隧道側(cè)墻預(yù)留壓力管位敷設(shè)，敷設(shè)至洞門附近再出室外，最終接至天鵝湖。

3.3 湖岸方案

湖岸方案是指將天鵝湖隧道線路最低點(diǎn)湖底排水泵站設(shè)置在湖岸附近。隧道內(nèi)設(shè)置維持湖中方案不變，外掛泵站改為外掛一個頂管接收井，湖岸排水泵站采用沉井施工，利用泵站主體結(jié)構(gòu)兼做頂管工作井，從岸邊向著湖中機(jī)械頂進(jìn)，頂管管材采用加強(qiáng)型Ⅲ級F型鋼承口管，管道施工前應(yīng)向廠家提供管頂覆土厚度、水壓等參數(shù)，以便廠家提供滿足工程需要的管材，管材應(yīng)符合《頂進(jìn)施工法用鋼筋混凝土排水管》（JC/T 640—2011）[3]的規(guī)定；在DN1 500 mm頂管施工完成以后，再在頂管內(nèi)安裝PE100級DN1 200 mm給水管，采用SDR41系列，公稱壓力0.4 MPa，管道采用電熔承插連接，施工做法參見《大口徑聚乙烯（PE）給水管道工程技術(shù)規(guī)程》（DB13/T 2162—2014）[4]。在DN1 200 mm管道和DN1 500 mm管道之間采用中粗砂或注漿填實(shí)，管端頭采用C20素混凝土封堵。隧道內(nèi)排水暗涵雨廢水接入外掛頂管接收井，再通過DN1 200 mm水管進(jìn)入岸邊泵站。湖岸方案頂管如圖3所示。

圖3 湖岸方案頂管

湖岸方案為了將泵站融入天鵝湖周圍優(yōu)美環(huán)境中，排水泵站采用全地下設(shè)置，泵站四周不設(shè)置圍墻，采用綠植隔離[5]；泵站配電房與附近地鐵3號線冷卻塔結(jié)合，全部下沉設(shè)置，并用綠化遮蔽，達(dá)到藏于無形的目的，保護(hù)天鵝湖景觀空間。

為了保護(hù)天鵝湖水質(zhì)不被破壞，天鵝湖隧道初期雨水、隧道沖洗廢水含有較多含油廢水，不適合直接抽排至湖內(nèi)，設(shè)計人員對方案三排水泵站進(jìn)行改進(jìn)，一個泵站分為兩部分，一部分為雨水集水池，另外一部分為廢水集水池，初期雨水或隧道沖洗廢水等小流量進(jìn)入泵站廢水集水池，通過廢水集水池潛污泵壓力提升，進(jìn)入市政污水管網(wǎng)；降雨持續(xù)，雨量增大，關(guān)閉廢水集水池進(jìn)水閘門，雨水進(jìn)入雨水集水池，按預(yù)先設(shè)定的水位依次開啟雨水集水池潛污泵，壓力提升進(jìn)入天鵝湖。

4 方案比選

4.1 運(yùn)營安全分析

常規(guī)方案共設(shè)置五道橫截溝，根據(jù)養(yǎng)護(hù)部門經(jīng)驗，類似隧道雖然升級改造橫截溝，將原來的鍍鋅格柵改造為一體化插入式橫截溝。一體化插入式橫截溝蓋板由移動式和固定式組成，在行車區(qū)域采用固定式，在行車區(qū)域之外和端部采用移動式，為后期養(yǎng)護(hù)沖洗創(chuàng)造條件，保障行車安全和舒適性[6]。但該路段為城市主干道，且為下坡路段，行車速度快，在行車沖擊下，噪聲問題頻頻發(fā)生。項目處于政務(wù)區(qū)核心位置，辦公服務(wù)大廳、奧體中心、高檔小區(qū)分布在項目周圍，同時天鵝湖也是合肥市民重要的休閑、鍛煉場所，故天鵝湖隧道應(yīng)盡量不設(shè)橫截溝。施工水平存在差異，造成插入式橫截溝也存在各種質(zhì)量問題，隨著運(yùn)營時間延長，跳車現(xiàn)象時有發(fā)生，威脅行車安全。兩側(cè)引道縱坡大，存在路面雨水越過橫截溝進(jìn)入隧道內(nèi)的情況。

湖中方案和湖岸方案取消橫截溝，從根本上解決了行車安全威脅和噪聲隱患。

4.2 管理維護(hù)分析

常規(guī)方案泵站數(shù)量眾多，布置分散，不利于管養(yǎng)單位統(tǒng)一管理和維護(hù)。常規(guī)方案和湖中方案檢修養(yǎng)護(hù)困難，增加了管養(yǎng)部門的工作量，不便于后期養(yǎng)護(hù)。隧道未設(shè)置檢修道，為了不影響交通，檢修養(yǎng)護(hù)安排在夜間進(jìn)行，需要臨時占用一個車道作為檢修通道。排水泵站尺寸較大，設(shè)備運(yùn)輸要依靠人力搬運(yùn)，增加檢修工人勞動量，不便于開展機(jī)械化養(yǎng)護(hù)。排水泵站電氣設(shè)備都在湖底，電氣設(shè)備安全高度得不到保障，內(nèi)部通風(fēng)換氣都依靠隧道進(jìn)行，內(nèi)部潮濕且空氣渾濁，不利于電氣設(shè)置長期運(yùn)行和工作人員身體健康。

湖岸方案可以采用汽車吊在地面檢修，不需要人工體力搬運(yùn)，檢修人員工作環(huán)境得到改善，人身安全可以得到充分保障。

4.3 調(diào)蓄能力分析

常規(guī)方案和湖中方案調(diào)蓄容積僅依靠泵站集水池的有效容積，但由于土建投資限制，泵站集水池調(diào)蓄容積偏小。

湖岸方案調(diào)蓄容積分為兩部分，一部分是泵站集水池有效容積，另一部分是DN1 200 mm重力流進(jìn)水管，調(diào)蓄容積大幅度提高。

4.4 施工難易程度分析

常規(guī)方案僅在湖中設(shè)置一座廢水泵站，平面尺寸為5 m×9 m，占地面積小，施工難度偏小。

根據(jù)《室外排水設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50014—2021）相關(guān)要求，湖中方案隧道排水泵站既要滿足潛污泵安裝要求，又要滿足集水池有效容積要求，同時要設(shè)置格柵、閘門等附件，綜合計算，排水泵站平面尺寸為11 m×14 m，平面占地尺寸大，在天鵝湖中間明挖筑堰法施工，增加了施工難度。

湖岸方案泵站采用沉井施工，施工速度快，難度小，周圍施工工作面大，此工法在市政工程中普遍采用。

4.5 施工工期分析

常規(guī)方案和湖中方案泵站都是與隧道主體合建，需要與隧道主體同步建設(shè)，比正常隧道施工工期增加約20 d。湖岸方案泵站采用沉井施工，可以與隧道主體建設(shè)同步進(jìn)行，可以縮短工期。

4.6 投資分析

常規(guī)方案中，泵站均與隧道合建，且最低點(diǎn)廢水泵站尺寸小，整體造價偏低。

湖中隧道泵站位于湖中，泵站平面尺寸大，圍護(hù)費(fèi)用增大，且需要考慮壓力出水管從隧道結(jié)構(gòu)內(nèi)側(cè)敷設(shè)空間，局部路段需要加大隧道主體橫斷面尺寸，整體造價偏高。

湖岸方案泵站采用沉井施工，基坑圍護(hù)工作量少，泵站費(fèi)用較低，僅增加了頂管費(fèi)用，經(jīng)過綜合各種費(fèi)用，湖岸方案整體費(fèi)用適中。

5 結(jié)語

根據(jù)隧道排水方案涉及的排水規(guī)模、線型、周圍環(huán)境因素，從運(yùn)營安全、管理維護(hù)、調(diào)蓄能力、施工難易程度、工期及投資角度進(jìn)行分析。常規(guī)方案工期長，且橫截溝存在安全隱患，泵站數(shù)量多，后期管養(yǎng)、協(xié)調(diào)工作難度大；湖中方案工期長，整體造價高，后期管養(yǎng)難度大，工作環(huán)境差，不能體現(xiàn)以人為本的設(shè)計理念；湖岸方案整體造價適中，可以縮短工期，利于后期管養(yǎng)。通過綜合比選，本工程最終選定湖岸方案，為后期管養(yǎng)服務(wù)。