给水排水探秘超级工程：汕头苏埃湾海底长大隧道排水系统关键技术

汕头苏埃湾海底长大隧道（下称汕头苏埃通道）是汕头市干线公路网规划纵线国道G324的复线，位于海湾大桥与礐石大桥之间，路线全长6 680 m，隧道封闭段长4 320 m（北岸暗埋段长690 m，盾构段长3 047.5 m，南岸暗埋段长437.5 m），两洞双向6车道，是我国第一条海底长大盾构公路隧道，同时具备城市交通隧道的功能。

图1 汕头苏埃通道平面布置效果

图2 汕头苏埃通道横断面布置效果

水下隧道排水系统设计目前尚无专门的设计规范标准、细则及其他相关技术要求，汕头苏埃通道排水系统设计主要参考现行相关的设计规范标准、细则、专题研究及国内外类似工程的设计经验进行设计。本文主要介绍隧道排水系统设计中的几个关键技术问题，并对这些问题的关键技术参数或方案进行探讨和研究，并在设计中予以落实。

1.1 隧道雨水排水系统概况

汕头市是我国大陆暴雨强度最强，频率最大的城市之一，平均每年遭受6～8场暴雨袭击，实测24 h雨水量高达500～600 mm，汕头苏埃通道作为跨海交通重点工程，雨水排水系统的合理设计，关键技术参数的合理取值，对于避免隧道“水灾”的发生和维护隧道安全运营至关重要。汕头苏埃通道雨水排水系统设计过程中，主动设置防水措施阻挡区域外雨水侵入，对当地多个暴雨强度公式进行了对比分析，对隧道雨水设计流量进行了合理取值，对雨水泵站集水池有效容积以及潜污选型进行了综合研究，同时深入研究了隧道雨水集中排放类型及安全措施。

1.2 隧道敞口外围雨水防排立体设计理念

在隧道接地点设置“驼峰”作为物理防水分割措施，避免隧道敞开段外部区域道路雨水侵入隧道，“驼峰”标高按当地防洪标高（100年一遇洪水位）加0.5 m考虑，为了防止特殊情况的发生，在“驼峰”位置设置一处横截沟，就近排入市政雨水系统，在隧道接地点形成“以防为主,以排为辅，防排结合的立体设计理念”，隧道敞口段左右两侧设置高出地面0.8 m的一体化挡墙，避免暴雨期间雨水从侧向侵入，隧道洞口防排水措施的实施，对于减少隧道敞口段汇水面积和雨水量，减少雨水泵站规模和水泵流量有重要意义，同时有效降低了隧道“水灾”发生的概率。

1.3 隧道敞口区域暴雨强度公式对比分析

暴雨期间，隧道敞口区域雨水排水系统的设计直接关系到隧道的运营安全，隧道是一个封闭的狭长空间，敞口区域雨水的拦截和排放需要及时迅速，雨水量的计算需要采用暴雨强度公式，部分城市因统计方法或颁布部门不同往往有多个暴雨强度公式。根据调研，目前汕头市正在使用的有3个暴雨强度公式，式（1）由当地气象部门提供，以汕头市国家气象观测站连续35年雨量资料为基础，年最大值法取样，采用解析法编制；式（2）由当地总体规划部门提供，广州市市政工程研究所根据当地连续30年雨量资料，年多个样法取样，采用解析法编制；式（3）由《给水排水设计手册》提供，广东省水利部门依据当地20年雨量资料，年最大值法取样，采用图解法编制，汕头苏埃通道的设计采用哪个公式更为合理，需要进一步分析和研究。

式中 q——设计暴雨强度，L/(s·hm2)；

P——设计重现期，年；

t——降雨历时，min。

由图3分析可知：降雨强度随降雨历时增加而减少，3个公式整体趋势基本一致，式（1）、式（2）变化曲线基本重合，式（3）降雨强度在各个降雨历时均为最大值，以降雨历时10 min作为分界点，小于10 min时，式（3）降雨强度显著大于式（1）和式（2），比式（1）和式（2）计算结果高约15%，降雨历时大于10 min后，式（1）、式（2）和式（3）暴雨强度基本一致，汕头苏埃通道属于海底长大隧道，城市交通枢纽，对安全性要求较高，在遭遇极端暴雨灾害时，损坏程度和影响范围均远大于其他普通工程，选择式（3）更为合理，其他普通工程或一般重点工程，为了降低工程造价，选择式（1）或式（2）均可，实际工程中降雨历时通过计算确定。

图3 降雨强度随降雨历时不同变化曲线

由图4分析可知：降雨历时相同时，降雨强度随设计重现期增加而增加，3个公式整体趋势基本一致，式（1）、式（2）变化曲线基本重合，式（3）降雨强度在各个重现期均为最大值，汕头市作为沿海重要城市，《室外排水设计规范》建议下穿隧道暴雨设计重现期取值30～50年，地下工程专业规范《地铁设计规范》要求隧道洞口暴雨设计重现期按50年计算，国内相关研究建议水下隧道敞口段雨水排放系统，暴雨设计重现期宜与主体结构设计使用年限一致，汕头苏埃通道主体结构设计年限为100年，通过图4分析发现，100年设计重现期与50年设计重现期相比，降雨强度增加较为缓慢，3个公式降雨强度增加的幅度值均为10%左右。结合规范、相关研究及数值分析，汕头苏埃通道暴雨强度公式采用式（3），设计重现期采用“按50年取值，用100年进行校核”。

图4 降雨强度随降设计重现期不同变化曲线

1.4 隧道雨水泵站设计流量分析与研究

隧道雨水泵站的计算流量，取决于汇水面积、暴雨强度和径流系数，且与3个参数正相关，见式（4），隧道敞口外围雨水防排设计已经最大程度的减少了汇水面积，限定汇水面积仅为隧道敞口区域；暴雨强度的大小在1.2章节已经进行分析研究，其数值已确定；径流系数参照《室外排水设计规范》，混凝土路面建议取值0.85~0.95，隧道下穿坡度较大，降雨历时较短，几乎全为径流，径流系数取1.0更符合实际工程。

式中 Ψ——径流系数，Ψ=1.0；

F——汇水面积，hm2；

Qj——计算流量，L/s。

式（4）为雨水泵站计算流量，实际工程中应考虑到汇水面积难以绝对限制，行车进入隧道时也会携带部分雨水，另本工程采用100年暴雨设计重现期进行校核，雨水排水系统也应安全可靠，故隧道雨水泵站设计流量应考虑一定的安全系数，汕头苏埃通道安全系数取1.2，隧道雨水泵房设计流量见式（5）：

式中 Qs——设计流量，L/s。

1.5 隧道雨水泵站集水池规模与排水泵数量、选型研究

隧道雨水泵站集水池规模无专门规范具体要求，参考相关规范要求各不相同，《室外排水设计规范》要求“雨水泵站集水池的容积，不应小于最大一台水泵30 s的出水量”；《地铁设计规范》要求“雨水泵站的有效容积，不应小于最大一台水泵5～10 min的出水量”。对上述规范要求进行分析：《室外排水设计规范》要求的不小于最大一台水泵30 s的出水量，考虑了泵站之前市政雨水管网的容积，适用于一般的道路工程雨水提升泵站，不太适用于公路隧道雨水泵站，《地铁设计规范》要求的不应小于最大一台水泵5～10 min的出水量，考虑了隧道洞口暴雨直接汇流进入雨水泵站，泵前无市政雨水管道容积，公路隧道敞开段与地铁工程隧道洞口特点相似，公路隧道因下穿海域形成狭长封闭空间，一但发生“水灾”人员疏散逃生更困难，故取《地铁设计规范》要求的上限不小于10 min较为为合理。

要明确雨水泵站集水池有效容积，需要明确单台雨水泵排水量，《室外排水设计规范》建议雨水泵站水泵数量范围为2～8台，《地铁设计规范》要求隧道洞口雨水泵站雨水泵设置3台，水泵数量较少时安全系数较低，偏多时排水总量折减较大，参考国内类似工程设计经验，汕头苏埃通道雨水量较大时设置4台雨水泵（3用1备），雨水量较小时设置3台雨水泵（2用1备），单台水泵排水能力不小于最大小时设计流量的1/3或1/2，由此可建立雨水泵站集水池有效容积与设计流量的关系式见式(6)和式（7）：

式中 Vr——集水池有效容积，m3；

Qs——设计流量，m3/h；

由式（6）、式（7）分析可知：隧道雨水泵站集水池有效容积，通常可取3～5 min的设计流量。水泵选型关系到雨水泵站的安全和运行效率，参考国内类似雨水泵站，综合考虑节能高效、维护方便及造价合理等因素，汕头苏埃通道雨水泵站采用无堵塞自动搅匀型潜污泵，泵体结构简单、技术成熟、运行可靠、维保方便，在城市交通隧道和地铁工程雨水泵房中被广泛使用。

1.6 隧道雨水泵站集中排水出口分析与研究

隧道雨水泵站集中排水，会对周边排水体系产生影响，排入江河湖泊等自然水体时，排水出口的标高需要满足防洪要求，排入附近市政雨水管道时，因设计重现期不同，雨水泵站集中排水量大，现有市政雨水管道容纳能力不一定满足，当不满足时需要采取特殊措施，排水出口的可靠，是隧道雨水排水系统必须考虑的一个重点（见图5），下面进行分类讨论。

图5 隧道雨水泵站出水口调节水池平面布置

（1）雨水泵站周边有自然水体。隧道雨水泵站周边有自然水体时，集中排水条件较好，可以满足《室外排水设计规范》的要求：“立体交叉地道排水应设独立的排水系统，其出水口必须可靠”。雨水排水系统末端出口水位应大于100年一遇洪水位，为了满足排水标高要求，设计时水位标高采用倒向设计，先计算排出口水位标高，之后计算检查井水位标高，推算出泄压井标高，雨水泵站压力排水管长度根据需要设置，条件较好时敷设路由较短，反之较长，当没有条件设置重力排水管道时，全程设置压力排水管强排至自然水体，排水管末端设置拍门，防止自然水体倒流进入隧道雨水泵站。

（2）雨水泵站周边有市政雨水管道。隧道雨水泵站周边敷设有市政雨水管道时，首先应判断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纳水量，可接纳水量数值到排水管道产权部门查阅，当没有具体资料时，可进行粗略计算，计算方法如下：根据《室外排水设计规范》市政雨水管道最小设计流速为0.75 m/s，考虑到淤积等因素，设计时最小流速通常取1 m/s，市政雨水管道的实际流速按式（8）进行计算，计算得到的数值为最大设计流速V，可接纳水量采用式（9）进行计算，当Qg大于雨水泵站设计流量时，直接排入市政雨水管道，当Qg小于雨水泵站设计流时，需要采取措施后才能排入市政雨水管道，建议在泄压井后设置调节池，调节池计算方法参考《排水工程》(第四版)，平面布置图见图5，雨水泵站设计雨水量为Q1，调节水池的出水量为Q2+Q3，当Q1≤（Q2+Q3）时，雨水全部排入市政雨水管道，调节池水位逐渐下降，直至排空。当Q1>（Q2+Q3）时，调节池容纳多余雨水量，调节池水位升高，随着降雨减弱，雨水泵站出水流量减少。

式中 V——管道流速，m/s；

R——水力半径，m；

I——水力坡降；

n——粗糙系数，取0.013。

式中 Qg——可接纳水量，m3；

A——管道面积，m2。

1.7 汕头苏埃通道雨水排水系统研究成果及应用

汕头苏埃通道共设置5处雨水泵站，分别为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见图6，各个雨水泵站汇水面积、设计流量、集水池容积、水泵设置以及排水路由见表1。

图6 汕头苏埃通道雨水泵站平面布置

表1 汕头苏埃通道雨水泵站研究成果及应用

海底长大隧道排水系统需要解决两个问题，即避免雨水的进入和保证隧道废水的排出，上述研究解决了第一个问题，第二个问题同样影响隧道的安全运营，第2章节对隧道废水排水系统存在的技术难题、关键设计参数进行分析研究。

2.1 隧道废水量来源分析与计算方法

汕头苏埃通道具有长度长、埋深深，海域段跨度大，且隧道海中段“V”字型设计，存在唯一最低点，废水设计遵守“高水高排、低水低排”的原则，隧道两端废水排至盾构井废水泵房，盾构井之间的长大海底隧道各类废水均向最低点汇集，排入海中废水泵房，汕头苏埃通道废水泵房设置见图7。为保障运营安全，隧道废水排水系统的“安全、可靠、经济”至关重要，海中废水泵房的合理设计是整个废水排水系统成败的关键，海底废水泵房的废水量是首先要考虑的因素，海底隧道废水的主要组成有结构渗漏水、消防废水、以及爆管废水，下面对各类废水量进行分析计算。

c图7 汕头苏埃通道废水泵房设置

（1）结构渗漏水量。盾构法施工的海底隧道，防水措施要求严格，渗漏水量一般较少，设计取值0.5 L/（m2·d），海底隧道内表面积约为134 706 m2，经计算结构渗漏水量为67 m3/d，即2.8 m3/h。

（2）消防废水量。隧道设置了消火栓系统、泡沫?水喷雾联用系统，消火栓废水量20 L/s，泡沫?水喷雾联用系统废水量86 L/s，合计106 L/s，即381.6 m3/h。

（3）爆管废水量。水下隧道埋深大、管道长、水压高、接口多，存在发生爆管的概率，实际设计过程应考虑，按最不利情况假设水喷雾水管爆管，爆管点流速取1.5 m/s，爆管点面积按实际管道DN250断面取值，测算出爆管点流量为 49 L/s，即176.6 m3/h。

对上述3种废水量进行分析，（1）作为地下工程结构渗漏水必然产生，（2）和（3）作为灾害和事故属于小概率事件，同时发生的概率更小，工程设计时考虑安全的同时应兼顾经济合理，（2）和（3）取数值较大者即可，故汕头苏埃通道废水量为（1）+（2），即384.4 m3/h。

2.2 隧道海中废水泵房集水池规模研究

水下隧道废水泵房集水池规模无专门规范具体要求，研究国内相关规范标准要求也不尽相同，国内相关规范标准对集水池容积的要求，见表2。

表2 国内规范标准对废水泵房集水池容积的要求

对表2进行理论分析：《建筑给水排水设计标准》和《室外排水设计规范》为工程建设通用要求，所有工程均需满足的最低标准，《地铁设计规范》具有地下工程的特点，和隧道工程类似，但地铁车站出入口较多，排水泵房有问题可以及时发现和维修，长大隧道废水泵房位于水下，检修条件相对比较苛刻，因此水下隧道废水泵站集水池有效不应小于《地铁设计规范》的要求，同时参考挪威等国外水下隧道修建经验，为保障隧道运营安全，一般规定集水池有效容积不小于24 h结构渗漏水量，汕头苏埃通道是水下盾构隧道，结构渗漏水量相对较少，废水泵房有效容积按24 h也可接受，如果是水下矿山法隧道，结构渗漏水量巨大，按24 h设计废水泵房，将导致集水池容积巨大，土建费用超高，方案不太合理，建议根据工程实际情况采取措施，降低废水泵房规模。

根据上述分析，汕头苏埃通道海中废水泵房集水池有效容积，不应低于《地铁设计规范》的要求，同时采用24 h结构渗漏水量进行比对，选其最大数值。海中废水泵房有效容积两种计算方法数值见表3。

由表3可知：两种计算方法废水泵房集水池容积差距较小，取最大数值，故汕头苏埃通道海中废水泵房集水池有效容积不小于67 m3 。

表3 海中废水泵房有效容积

2.3 隧道海中废水泵房水泵、水位与管道系统匹配性研究

隧道海中废水泵房水泵数量、水位设置、排水管数量、以及水泵与管道系统的匹配是废水排水系统设计的核心内容(见图8)。

图8 海中废水泵房排水系统原理示意

根据相关研究排水泵设置数量不宜过多，建议2~3台，如设置过多会产生系列问题：①每台水泵对应一个控制水位，会使控制系统复杂化；②每台水泵都需要一定的安装和检修空间，会增大泵房面积，增加工程造价；③超过3台水泵并联运行时，单台水泵排水流量快速降低，甚至出现水泵增加而排水总量不增加的现象。此外，废水泵房集水池1泵水位的设计至关重要，如设置偏低，水泵停止时，排水管道内废水通过反冲洗管倒流至集水池，水位超过1泵水位时，水泵会再次启动，从而形成排水死循环，根据调研国内有部分水下隧道因1泵水位设置不合理导致水泵频繁启动烧坏。

调研发现水下隧道废水泵房排水管数量设置不同，有的隧道仅设置1根排水管，有的隧道设置2根排水管（1用1备），第一种设计方案安全可靠性较低，管道检修时废水泵房停用，影响隧道运营安全，第二种设计方案安全可靠性较高，管道可随时检修，但也存在一定问题，所有废水泵共用1根排水管管径较大，排水管较短时影响不大，如在海底隧道长距离敷设，将会出现水泵数量与管道系统匹配性的问题：如按水泵同启计算水泵扬程（额定扬程），将导致一台水泵启动时管道流量小，沿程损失变小，实际扬程高于额定扬程，导致单泵流量增大，水泵参数偏离高效区，水下隧道平时均单泵启动，能耗浪费严重；如按一泵启动计算水泵扬程（额定扬程），多泵启动时管道流量大，沿程损失变大，实际扬程低于额定扬程，导致废水排不出形成憋泵现象。

为解决上述问题，汕头苏埃通道对水泵数量、水位设置、排水管数量、以及水泵与管道系统的匹配性进行了深入研究，海中废水泵房排水系统原理见图8 ，废水泵房设置3台水泵（耐海水型双向不锈钢潜污泵），平时工况1用2备，轮流启动，消防工况2用1备，非常事故工况3台水泵同时启动；废水泵房集水池从下至上，分别设置停泵水位（兼低报警水位）H0、管道水位H0′（排水管废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（兼高报警水位）H3，1泵水位和管道水位高差满足：H1-H0′≥200 mm，解决水泵频繁启动的问题；设2根DN200的排水管（平时1用1备，可同时启用），取代设置2根DN300的排水管（1用1备），1根DN200排水管满足1泵流量经济流速的要求，水泵高效段运行，2根DN200排水管满足2泵或3泵总流量经济流速的要求，保证所有水泵高效段运行。水泵工作流程模拟：泵房水位到达1泵水位H1时，1台水泵开启，排水管PSG-A处于工作状态；水位到达2泵水位H2时，2台水泵开启，排水管PSG-B上设置的电动阀门FM-B自动开启（平时关闭），水位到达3泵水位H3时，3台水泵开启，排水管工作状态不变，水位回落至停泵水位H0时，3台水泵停止运行，电动阀门FM-B自动关闭。电动阀门FM-B关系到整个系统的安全运行，可手动、电动、中央控制室远程控制并显示电动阀门FM-B的工作状态。

2.4 汕头苏埃通道废水排水系统研究成果及应用

汕头苏埃通道共设置3处废水泵房，分别为南岸盾构井废水泵房、海中废水泵房、北岸盾构井废水泵房，海中废水泵房的研究成果，同样适用于南、北岸盾构井废水泵房。南、北岸盾构井废水泵房利用回填设置，无工程费用增加，设置条件较好，海中废水泵房因埋深大，水泵扬程高，选型比较困难，一般采用两级提升方案，即海中废水泵房废水排入盾构井废水泵房，之后盾构井废水泵房排出室外接市政污水管网，汕头苏埃通道废水排水系统研究成果及应用见表4。

表4 汕头苏埃通道废水排水系统研究成果及应用

隧道控制中心监视排水泵的工作状态、手/自动状态和水位信号，排水泵设有自动控制、手动控制和远程控制，通过泵房控制箱实现水泵自动控制和手动控制，通过控制中心实现远程控制。雨水泵站自动控制采用超声波液位器，海中废水泵房、盾构井废水泵房因收集消防废水，泡沫水喷雾启动时集水池有大量泡沫，超声波液位器测量误差较大，采用压力式液位传感器。隧道排水泵站依次设置超低报警水位、停泵水位、第一台泵启动水位、第二台泵启动水位、第三台泵启动水位、第四台泵启动水位（部分泵站设置四台水泵），超高报警水位，其控制模式如下：超低报警水位时，应控制回路保证所有排水泵都处于停泵状态；当水位到达停泵水位时，所有排水泵均能停止工作；当水位上升至第一台泵启动水位时，第一台泵开启；当水位上升至第二台泵启动水位时，第二台泵开启；当水位上升至第三台泵启动水位时，第三台泵开启；当水位上升至第四台泵启动水位时，第四台泵开启；当水位上升至超高报警水位时，控制回路应确保所有排水泵都处于运行状态，同时发出报警信号。

为了保障隧道运营安全，特大暴雨期间，隧道雨水泵站集水池到达超高报警危险水位时，控制中心收到报警信号经人工确认后立即启动应急策略，联动控制交通信号灯和信息牌，隧道入口端信号灯为红色，信息牌显示“禁止通行”，隧道内及出口端信号灯为绿色，信息牌显示“请尽快驶离隧道”。隧道排水系统控制方式和逻辑见图9。

图9 隧道排水系统控制方式和逻辑

隧道雨水排水系统：隧道敞口段采取防排结合措施减少汇水面积和雨水量；存在多个暴雨强度公式时应对其分析研究，根据具体工程类型选择采用；海底隧道“水灾”后果严重，雨水设计流量应考虑一定的安全系数；集水池有效容积不小于单泵流量10 min的出水量，通常可取3～5 min的雨水设计流量，水泵数量设置3～4台为宜，类型采用潜污泵；雨水泵站集中排水出口应安全可靠，排入自然水体时应高出百年一遇洪水位，排入市政雨水管道时，可接纳水量满足要求时直接排入，否则应采取措施设置调节池。

隧道废水排水系统：应遵守“高水高排、低水低排”的设计原则，合理计算隧道废水量；集水池有效容积参考相关规范与工程经验确定，对《地铁设计规范》计算法与24 h结构渗漏水计算法进行比较，选取数值较大者作为集水池有效容积；海中废水泵房建议设置2～3台耐海水型双向不锈钢潜污泵，1泵水位应高于管道水位200 mm，避免水泵频繁启动；海中废水泵房设置2根排水总管，通过电动蝶阀的启闭，确保1泵启动、2泵启动和3泵启动时水泵均处于高效段。

隧道排水系统监控方式：监控中心显示水泵工作情况、手/自动状态和水位信号，排水泵设有自动控制、手动控制和远程控制，水位到达超高危险水位时报警，监控中心实现雨水排水系统与交通信号管控策略的联动，确保隧道运营安全。

本文对原文有修改。原文标题：汕头苏埃湾海底长大隧道排水系统关键技术研究；作者：何潇剑、李献航；作者单位：中铁第六勘察设计院集团有限公司。刊登在《给水排水》2022年第1期。