探秘：汕頭蘇埃灣海底長大隧道排水系統關鍵技術
針對目前國內水下隧道排水系統無明確規定的現狀，根據海底隧道排水系統的類型和特點，對汕頭蘇埃灣海底長大隧道排水設計中存在的幾個技術難題進行研究，并提出解決方案，合理確定了隧道敞開段雨水排水系統、隧道海中段廢水排水系統及隧道排水系統監控方式，并對設計中的某些關鍵技術參數進行探討。
汕頭蘇埃灣海底長大隧道（下稱汕頭蘇埃通道）是汕頭市干線公路網規劃縱線國道G324的復線，位于海灣大橋與礐石大橋之間，路線全長6 680 m，隧道封閉段長4 320 m（北岸暗埋段長690 m，盾構段長3 047.5 m，南岸暗埋段長437.5 m），兩洞雙向6車道，是我國第一條海底長大盾構公路隧道，同時具備城市交通隧道的功能。
水下隧道排水系統設計目前尚無專門的設計規范標準、細則及其他相關技術要求，汕頭蘇埃通道排水系統設計主要參考現行相關的設計規范標準、細則、專題研究及國內外類似工程的設計經驗進行設計。本文主要介紹隧道排水系統設計中的幾個關鍵技術問題，并對這些問題的關鍵技術參數或方案進行探討和研究，并在設計中予以落實。
1 | 隧道雨水排水系統的研究與探討
汕頭蘇埃灣海底長大隧道排水系統
1.1 隧道雨水排水系統概況
汕頭市是我國大陸暴雨強度最強，頻率最大的城市之一，平均每年遭受6～8場暴雨襲擊，實測24 h雨水量高達500～600 mm，汕頭蘇埃通道作為跨海交通重點工程，雨水排水系統的合理設計，關鍵技術參數的合理取值，對于避免隧道“水災”的發生和維護隧道安全運營至關重要。汕頭蘇埃通道雨水排水系統設計過程中，主動設置防水措施阻擋區域外雨水侵入，對當地多個暴雨強度公式進行了對比分析，對隧道雨水設計流量進行了合理取值，對雨水泵站集水池有效容積以及潛污選型進行了綜合研究，同時深入研究了隧道雨水集中排放類型及安全措施。
1.2 隧道敞口外圍雨水防排立體設計理念
在隧道接地點設置“駝峰”作為物理防水分割措施，避免隧道敞開段外部區域道路雨水侵入隧道，“駝峰”標高按當地防洪標高（100年一遇洪水位）加0.5 m考慮，為了防止特殊情況的發生，在“駝峰”位置設置一處橫截溝，就近排入市政雨水系統，在隧道接地點形成“以防為主,以排為輔，防排結合的立體設計理念”，隧道敞口段左右兩側設置高出地面0.8 m的一體化擋墻，避免暴雨期間雨水從側向侵入，隧道洞口防排水措施的實施，對于減少隧道敞口段匯水面積和雨水量，減少雨水泵站規模和水泵流量有重要意義，同時有效降低了隧道“水災”發生的概率。
1.3 隧道敞口區域暴雨強度公式對比分析
暴雨期間，隧道敞口區域雨水排水系統的設計直接關系到隧道的運營安全，隧道是一個封閉的狹長空間，敞口區域雨水的攔截和排放需要及時迅速，雨水量的計算需要采用暴雨強度公式，部分城市因統計方法或頒布部門不同往往有多個暴雨強度公式。根據調研，目前汕頭市正在使用的有3個暴雨強度公式，式（1）由當地氣象部門提供，以汕頭市國家氣象觀測站連續35年雨量資料為基礎，年最大值法取樣，采用解析法編制；式（2）由當地總體規劃部門提供，廣州市市政工程研究所根據當地連續30年雨量資料，年多個樣法取樣，采用解析法編制；式（3）由《給水排水設計手冊》提供，廣東省水利部門依據當地20年雨量資料，年最大值法取樣，采用圖解法編制，汕頭蘇埃通道的設計采用哪個公式更為合理，需要進一步分析和研究。
式中 q——設計暴雨強度，L/(s·hm2)；
P——設計重現期，年；
t——降雨歷時，min。
由圖3分析可知：降雨強度隨降雨歷時增加而減少，3個公式整體趨勢基本一致，式（1）、式（2）變化曲線基本重合，式（3）降雨強度在各個降雨歷時均為最大值，以降雨歷時10 min作為分界點，小于10 min時，式（3）降雨強度顯著大于式（1）和式（2），比式（1）和式（2）計算結果高約15%，降雨歷時大于10 min后，式（1）、式（2）和式（3）暴雨強度基本一致，汕頭蘇埃通道屬于海底長大隧道，城市交通樞紐，對安全性要求較高，在遭遇極端暴雨災害時，損壞程度和影響范圍均遠大于其他普通工程，選擇式（3）更為合理，其他普通工程或一般重點工程，為了降低工程造價，選擇式（1）或式（2）均可，實際工程中降雨歷時通過計算確定。
由圖4分析可知：降雨歷時相同時，降雨強度隨設計重現期增加而增加，3個公式整體趨勢基本一致，式（1）、式（2）變化曲線基本重合，式（3）降雨強度在各個重現期均為最大值，汕頭市作為沿海重要城市，《室外排水設計規范》建議下穿隧道暴雨設計重現期取值30～50年，地下工程專業規范《地鐵設計規范》要求隧道洞口暴雨設計重現期按50年計算，國內相關研究建議水下隧道敞口段雨水排放系統，暴雨設計重現期宜與主體結構設計使用年限一致，汕頭蘇埃通道主體結構設計年限為100年，通過圖4分析發現，100年設計重現期與50年設計重現期相比，降雨強度增加較為緩慢，3個公式降雨強度增加的幅度值均為10%左右。結合規范、相關研究及數值分析，汕頭蘇埃通道暴雨強度公式采用式（3），設計重現期采用“按50年取值，用100年進行校核”。
1.4 隧道雨水泵站設計流量分析與研究
隧道雨水泵站的計算流量，取決于匯水面積、暴雨強度和徑流系數，且與3個參數正相關，見式（4），隧道敞口外圍雨水防排設計已經最大程度的減少了匯水面積，限定匯水面積僅為隧道敞口區域；暴雨強度的大小在1.2章節已經進行分析研究，其數值已確定；徑流系數參照《室外排水設計規范》，混凝土路面建議取值0.85~0.95，隧道下穿坡度較大，降雨歷時較短，幾乎全為徑流，徑流系數取1.0更符合實際工程。
式中 Ψ——徑流系數，Ψ=1.0；
F——匯水面積，hm2；
Qj——計算流量，L/s。
式（4）為雨水泵站計算流量，實際工程中應考慮到匯水面積難以絕對限制，行車進入隧道時也會攜帶部分雨水，另本工程采用100年暴雨設計重現期進行校核，雨水排水系統也應安全可靠，故隧道雨水泵站設計流量應考慮一定的安全系數，汕頭蘇埃通道安全系數取1.2，隧道雨水泵房設計流量見式（5）：
式中 Qs——設計流量，L/s。
1.5 隧道雨水泵站集水池規模與排水泵數量、選型研究
隧道雨水泵站集水池規模無專門規范具體要求，參考相關規范要求各不相同，《室外排水設計規范》要求“雨水泵站集水池的容積，不應小于最大一臺水泵30 s的出水量”；《地鐵設計規范》要求“雨水泵站的有效容積，不應小于最大一臺水泵5～10 min的出水量”。對上述規范要求進行分析：《室外排水設計規范》要求的不小于最大一臺水泵30 s的出水量，考慮了泵站之前市政雨水管網的容積，適用于一般的道路工程雨水提升泵站，不太適用于公路隧道雨水泵站，《地鐵設計規范》要求的不應小于最大一臺水泵5～10 min的出水量，考慮了隧道洞口暴雨直接匯流進入雨水泵站，泵前無市政雨水管道容積，公路隧道敞開段與地鐵工程隧道洞口特點相似，公路隧道因下穿海域形成狹長封閉空間，一但發生“水災”人員疏散逃生更困難，故取《地鐵設計規范》要求的上限不小于10 min較為為合理。
要明確雨水泵站集水池有效容積，需要明確單臺雨水泵排水量，《室外排水設計規范》建議雨水泵站水泵數量范圍為2～8臺，《地鐵設計規范》要求隧道洞口雨水泵站雨水泵設置3臺，水泵數量較少時安全系數較低，偏多時排水總量折減較大，參考國內類似工程設計經驗，汕頭蘇埃通道雨水量較大時設置4臺雨水泵（3用1備），雨水量較小時設置3臺雨水泵（2用1備），單臺水泵排水能力不小于最大小時設計流量的1/3或1/2，由此可建立雨水泵站集水池有效容積與設計流量的關系式見式(6)和式（7）：
式中 Vr——集水池有效容積，m3；
Qs——設計流量，m3/h；
由式（6）、式（7）分析可知：隧道雨水泵站集水池有效容積，通?？扇?～5 min的設計流量。水泵選型關系到雨水泵站的安全和運行效率，參考國內類似雨水泵站，綜合考慮節能高效、維護方便及造價合理等因素，汕頭蘇埃通道雨水泵站采用無堵塞自動攪勻型潛污泵，泵體結構簡單、技術成熟、運行可靠、維保方便，在城市交通隧道和地鐵工程雨水泵房中被廣泛使用。
1.6 隧道雨水泵站集中排水出口分析與研究
隧道雨水泵站集中排水，會對周邊排水體系產生影響，排入江河湖泊等自然水體時，排水出口的標高需要滿足防洪要求，排入附近市政雨水管道時，因設計重現期不同，雨水泵站集中排水量大，現有市政雨水管道容納能力不一定滿足，當不滿足時需要采取特殊措施，排水出口的可靠，是隧道雨水排水系統必須考慮的一個重點（見圖5），下面進行分類討論。
（1）雨水泵站周邊有自然水體。隧道雨水泵站周邊有自然水體時，集中排水條件較好，可以滿足《室外排水設計規范》的要求：“立體交叉地道排水應設獨立的排水系統，其出水口必須可靠”。雨水排水系統末端出口水位應大于100年一遇洪水位，為了滿足排水標高要求，設計時水位標高采用倒向設計，先計算排出口水位標高，之后計算檢查井水位標高，推算出泄壓井標高，雨水泵站壓力排水管長度根據需要設置，條件較好時敷設路由較短，反之較長，當沒有條件設置重力排水管道時，全程設置壓力排水管強排至自然水體，排水管末端設置拍門，防止自然水體倒流進入隧道雨水泵站。
（2）雨水泵站周邊有市政雨水管道。隧道雨水泵站周邊敷設有市政雨水管道時，首先應判斷雨水泵站的集中出水是否可以直排市政雨水管道，需要知道市政雨水管道可接納水量，可接納水量數值到排水管道產權部門查閱，當沒有具體資料時，可進行粗略計算，計算方法如下：根據《室外排水設計規范》市政雨水管道最小設計流速為0.75 m/s，考慮到淤積等因素，設計時最小流速通常取1 m/s，市政雨水管道的實際流速按式（8）進行計算，計算得到的數值為最大設計流速V，可接納水量采用式（9）進行計算，當Qg大于雨水泵站設計流量時，直接排入市政雨水管道，當Qg小于雨水泵站設計流時，需要采取措施后才能排入市政雨水管道，建議在泄壓井后設置調節池，調節池計算方法參考《排水工程》(第四版)，平面布置圖見圖5，雨水泵站設計雨水量為Q1，調節水池的出水量為Q2+Q3，當Q1≤（Q2+Q3）時，雨水全部排入市政雨水管道，調節池水位逐漸下降，直至排空。當Q1>（Q2+Q3）時，調節池容納多余雨水量，調節池水位升高，隨著降雨減弱，雨水泵站出水流量減少。
1.7 汕頭蘇埃通道雨水排水系統研究成果及應用
汕頭蘇埃通道共設置5處雨水泵站，分別為A匝道1#雨水泵房、B匝道2#雨水泵房、隧道北岸3#、4#雨水泵房及南岸5#雨水泵站，隧道雨水泵站平面布置見圖6，各個雨水泵站匯水面積、設計流量、集水池容積、水泵設置以及排水路由見表1。
2? 隧道廢水排放系統的研究與探討
海底長大隧道排水系統需要解決兩個問題，即避免雨水的進入和保證隧道廢水的排出，上述研究解決了第一個問題，第二個問題同樣影響隧道的安全運營，第2章節對隧道廢水排水系統存在的技術難題、關鍵設計參數進行分析研究。
2.1 隧道廢水量來源分析與計算方法
汕頭蘇埃通道具有長度長、埋深深，海域段跨度大，且隧道海中段“V”字型設計，存在唯一最低點，廢水設計遵守“高水高排、低水低排”的原則，隧道兩端廢水排至盾構井廢水泵房，盾構井之間的長大海底隧道各類廢水均向最低點匯集，排入海中廢水泵房，汕頭蘇埃通道廢水泵房設置見圖7。為保障運營安全，隧道廢水排水系統的“安全、可靠、經濟”至關重要，海中廢水泵房的合理設計是整個廢水排水系統成敗的關鍵，海底廢水泵房的廢水量是首先要考慮的因素，海底隧道廢水的主要組成有結構滲漏水、消防廢水、以及爆管廢水，下面對各類廢水量進行分析計算。
（1）結構滲漏水量。盾構法施工的海底隧道，防水措施要求嚴格，滲漏水量一般較少，設計取值0.5 L/（m2·d），海底隧道內表面積約為134 706 m2，經計算結構滲漏水量為67 m3/d，即2.8 m3/h。
（2）消防廢水量。隧道設置了消火栓系統、泡沫水噴霧聯用系統，消火栓廢水量20 L/s，泡沫水噴霧聯用系統廢水量86 L/s，合計106 L/s，即381.6 m3/h。
（3）爆管廢水量。水下隧道埋深大、管道長、水壓高、接口多，存在發生爆管的概率，實際設計過程應考慮，按最不利情況假設水噴霧水管爆管，爆管點流速取1.5 m/s，爆管點面積按實際管道DN250斷面取值，測算出爆管點流量為 49 L/s，即176.6 m3/h。
對上述3種廢水量進行分析，（1）作為地下工程結構滲漏水必然產生，（2）和（3）作為災害和事故屬于小概率事件，同時發生的概率更小，工程設計時考慮安全的同時應兼顧經濟合理，（2）和（3）取數值較大者即可，故汕頭蘇埃通道廢水量為（1）+（2），即384.4 m3/h。
2.2 隧道海中廢水泵房集水池規模研究
水下隧道廢水泵房集水池規模無專門規范具體要求，研究國內相關規范標準要求也不盡相同，國內相關規范標準對集水池容積的要求，見表2。
對表2進行理論分析：《建筑給水排水設計標準》和《室外排水設計規范》為工程建設通用要求，所有工程均需滿足的最低標準，《地鐵設計規范》具有地下工程的特點，和隧道工程類似，但地鐵車站出入口較多，排水泵房有問題可以及時發現和維修，長大隧道廢水泵房位于水下，檢修條件相對比較苛刻，因此水下隧道廢水泵站集水池有效不應小于《地鐵設計規范》的要求，同時參考挪威等國外水下隧道修建經驗，為保障隧道運營安全，一般規定集水池有效容積不小于24 h結構滲漏水量，汕頭蘇埃通道是水下盾構隧道，結構滲漏水量相對較少，廢水泵房有效容積按24 h也可接受，如果是水下礦山法隧道，結構滲漏水量巨大，按24 h設計廢水泵房，將導致集水池容積巨大，土建費用超高，方案不太合理，建議根據工程實際情況采取措施，降低廢水泵房規模。
根據上述分析，汕頭蘇埃通道海中廢水泵房集水池有效容積，不應低于《地鐵設計規范》的要求，同時采用24 h結構滲漏水量進行比對，選其最大數值。海中廢水泵房有效容積兩種計算方法數值見表3。
由表3可知：兩種計算方法廢水泵房集水池容積差距較小，取最大數值，故汕頭蘇埃通道海中廢水泵房集水池有效容積不小于67 m3 。
2.3 隧道海中廢水泵房水泵、水位與管道系統匹配性研究
隧道海中廢水泵房水泵數量、水位設置、排水管數量、以及水泵與管道系統的匹配是廢水排水系統設計的核心內容(見圖8)。
根據相關研究排水泵設置數量不宜過多，建議2~3臺，如設置過多會產生系列問題：①每臺水泵對應一個控制水位，會使控制系統復雜化；②每臺水泵都需要一定的安裝和檢修空間，會增大泵房面積，增加工程造價；③超過3臺水泵并聯運行時，單臺水泵排水流量快速降低，甚至出現水泵增加而排水總量不增加的現象。此外，廢水泵房集水池1泵水位的設計至關重要，如設置偏低，水泵停止時，排水管道內廢水通過反沖洗管倒流至集水池，水位超過1泵水位時，水泵會再次啟動，從而形成排水死循環，根據調研國內有部分水下隧道因1泵水位設置不合理導致水泵頻繁啟動燒壞。
調研發現水下隧道廢水泵房排水管數量設置不同，有的隧道僅設置1根排水管，有的隧道設置2根排水管（1用1備），第一種設計方案安全可靠性較低，管道檢修時廢水泵房停用，影響隧道運營安全，第二種設計方案安全可靠性較高，管道可隨時檢修，但也存在一定問題，所有廢水泵共用1根排水管管徑較大，排水管較短時影響不大，如在海底隧道長距離敷設，將會出現水泵數量與管道系統匹配性的問題：如按水泵同啟計算水泵揚程（額定揚程），將導致一臺水泵啟動時管道流量小，沿程損失變小，實際揚程高于額定揚程，導致單泵流量增大，水泵參數偏離高效區，水下隧道平時均單泵啟動，能耗浪費嚴重；如按一泵啟動計算水泵揚程（額定揚程），多泵啟動時管道流量大，沿程損失變大，實際揚程低于額定揚程，導致廢水排不出形成憋泵現象。
為解決上述問題，汕頭蘇埃通道對水泵數量、水位設置、排水管數量、以及水泵與管道系統的匹配性進行了深入研究，海中廢水泵房排水系統原理見圖8 ，廢水泵房設置3臺水泵（耐海水型雙向不銹鋼潛污泵），平時工況1用2備，輪流啟動，消防工況2用1備，非常事故工況3臺水泵同時啟動；廢水泵房集水池從下至上，分別設置停泵水位（兼低報警水位）H0、管道水位H0′（排水管廢水回流至集水池形成的水位）、1泵水位H1、2泵水位H2、3泵水位（兼高報警水位）H3，1泵水位和管道水位高差滿足：H1-H0′≥200 mm，解決水泵頻繁啟動的問題；設2根DN200的排水管（平時1用1備，可同時啟用），取代設置2根DN300的排水管（1用1備），1根DN200排水管滿足1泵流量經濟流速的要求，水泵高效段運行，2根DN200排水管滿足2泵或3泵總流量經濟流速的要求，保證所有水泵高效段運行。水泵工作流程模擬：泵房水位到達1泵水位H1時，1臺水泵開啟，排水管PSG-A處于工作狀態；水位到達2泵水位H2時，2臺水泵開啟，排水管PSG-B上設置的電動閥門FM-B自動開啟（平時關閉），水位到達3泵水位H3時，3臺水泵開啟，排水管工作狀態不變，水位回落至停泵水位H0時，3臺水泵停止運行，電動閥門FM-B自動關閉。電動閥門FM-B關系到整個系統的安全運行，可手動、電動、中央控制室遠程控制并顯示電動閥門FM-B的工作狀態。
2.4 汕頭蘇埃通道廢水排水系統研究成果及應用
汕頭蘇埃通道共設置3處廢水泵房，分別為南岸盾構井廢水泵房、海中廢水泵房、北岸盾構井廢水泵房，海中廢水泵房的研究成果，同樣適用于南、北岸盾構井廢水泵房。南、北岸盾構井廢水泵房利用回填設置，無工程費用增加，設置條件較好，海中廢水泵房因埋深大，水泵揚程高，選型比較困難，一般采用兩級提升方案，即海中廢水泵房廢水排入盾構井廢水泵房，之后盾構井廢水泵房排出室外接市政污水管網，汕頭蘇埃通道廢水排水系統研究成果及應用見表4。
3 隧道排水系統監控方式
隧道控制中心監視排水泵的工作狀態、手/自動狀態和水位信號，排水泵設有自動控制、手動控制和遠程控制，通過泵房控制箱實現水泵自動控制和手動控制，通過控制中心實現遠程控制。雨水泵站自動控制采用超聲波液位器，海中廢水泵房、盾構井廢水泵房因收集消防廢水，泡沫水噴霧啟動時集水池有大量泡沫，超聲波液位器測量誤差較大，采用壓力式液位傳感器。隧道排水泵站依次設置超低報警水位、停泵水位、第一臺泵啟動水位、第二臺泵啟動水位、第三臺泵啟動水位、第四臺泵啟動水位（部分泵站設置四臺水泵），超高報警水位，其控制模式如下：超低報警水位時，應控制回路保證所有排水泵都處于停泵狀態；當水位到達停泵水位時，所有排水泵均能停止工作；當水位上升至第一臺泵啟動水位時，第一臺泵開啟；當水位上升至第二臺泵啟動水位時，第二臺泵開啟；當水位上升至第三臺泵啟動水位時，第三臺泵開啟；當水位上升至第四臺泵啟動水位時，第四臺泵開啟；當水位上升至超高報警水位時，控制回路應確保所有排水泵都處于運行狀態，同時發出報警信號。
為了保障隧道運營安全，特大暴雨期間，隧道雨水泵站集水池到達超高報警危險水位時，控制中心收到報警信號經人工確認后立即啟動應急策略，聯動控制交通信號燈和信息牌，隧道入口端信號燈為紅色，信息牌顯示“禁止通行”，隧道內及出口端信號燈為綠色，信息牌顯示“請盡快駛離隧道”。隧道排水系統控制方式和邏輯見圖9。
4 結語
隧道雨水排水系統：隧道敞口段采取防排結合措施減少匯水面積和雨水量；存在多個暴雨強度公式時應對其分析研究，根據具體工程類型選擇采用；海底隧道“水災”后果嚴重，雨水設計流量應考慮一定的安全系數；集水池有效容積不小于單泵流量10 min的出水量，通?？扇?～5 min的雨水設計流量，水泵數量設置3～4臺為宜，類型采用潛污泵；雨水泵站集中排水出口應安全可靠，排入自然水體時應高出百年一遇洪水位，排入市政雨水管道時，可接納水量滿足要求時直接排入，否則應采取措施設置調節池。
隧道廢水排水系統：應遵守“高水高排、低水低排”的設計原則，合理計算隧道廢水量；集水池有效容積參考相關規范與工程經驗確定，對《地鐵設計規范》計算法與24 h結構滲漏水計算法進行比較，選取數值較大者作為集水池有效容積；海中廢水泵房建議設置2～3臺耐海水型雙向不銹鋼潛污泵，1泵水位應高于管道水位200 mm，避免水泵頻繁啟動；海中廢水泵房設置2根排水總管，通過電動蝶閥的啟閉，確保1泵啟動、2泵啟動和3泵啟動時水泵均處于高效段。
隧道排水系統監控方式：監控中心顯示水泵工作情況、手/自動狀態和水位信號，排水泵設有自動控制、手動控制和遠程控制，水位到達超高危險水位時報警，監控中心實現雨水排水系統與交通信號管控策略的聯動，確保隧道運營安全。
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