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
针对目前国内水下隧道排水系统无明确规定的现状，根据海底隧道排水系统的类型和特点，对汕头苏埃湾海底长大隧道排水设计中存在的几个技术难题进行研究，并提出解决方案，合理确定了隧道敞开段雨水排水系统、隧道海中段废水排水系统及隧道排水系统监控方式，并对设计中的某些关键技术参数进行探讨。
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。
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 | 隧道雨水排水系统的研究与探讨
汕头苏埃湾海底长大隧道排水系统
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。
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”。
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。
（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。
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。
2 隧道废水排放系统的研究与探讨
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。
（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。
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 。
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)。
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。
3 隧道排水系统监控方式
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。
4 结语
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。
