0 引言
随着近年来极端天气的频发 ,极端降雨发生的概率大大增加 ,洪涝灾害导致城市内涝事件不断 ,城市地下空间及城市隧道发生淹水事故情况时有发生[1-3] 。 截至 2021 年末 ,全国 661 个城市中有 82 个城市建设了城市隧道 ,合计 406 座 [4] ,城市隧道规模的不断增加 ,为城市隧道防淹工作带来巨大挑战。现有地下空间防淹排涝相关研究主要有 3 个方面 :
1)建立区域雨洪大模型 ,用于城市水文分析、排水管网优化等研究 ,例如 Huber 等[5] 基于 SWMM 模型 ,适当引 入城市低影响开发措施变量 ,开展了对城市内涝问题的研究;Delfs 等[6] 通过克兰西部 Poltva 流域的数据 ,验证 了一种地表-地下径流联合分析的方法。2)对洪水侵入地下空间的过程进行研究 ,例如Dutta 等[7] 通过 java 建 立了日本福冈地区地下空间 2D 洪水扩散模型 ,模拟计算了地下空间进水规律; Takayama 等[8]分别通过对城市小型地下空间洪水扩散情况进行模拟 ,分析了蓄水池模型和 VOF 模型的适用性。3)对洪涝灾害下地下空间中人员疏散问题进行研究 ,例如 Liu 等[9] 以逃生人员行 为为基础 ,模拟其在洪涝灾害下的逃生规律; Ishigaki 等[10]研究了逃生过程中人员行为选择特征 ,并基于此对逃生的安全路线进行评估。
综上所述 ,现有关于洪涝灾害的研究以偏理论层面的成果为主 ,且关于城市隧道领域的防淹问题研究较少 。本文根据城市隧道的特点 ,结合区域内涝风险分级提出隧道防淹分级方法 ,建立城市隧道的防淹体系 ,给出不同情况下城市隧道的防淹措施 。相关成果在既有隧道防淹改造中进行了应用 ,以期为城市隧道的防淹设计和改造工作提供参考。
1 城市隧道淹水调研
1. 1 城市隧道分类
城市隧道包括地下道路、人行地道及下穿立交通道 ,如图 1 所示 。地下道路指地表以下供机动车或兼有非机动车、行人通行的城市道路 ; 人行地道指位于地表以下、专供行人或兼顾非机动车横穿道路的构筑物 ; 下穿立交通道指穿越道路或铁路线的构筑物 。本文研究的城市隧道主要为地下道路 ,人行地道及下穿立交通道的隧址环境、结构形式、工程规模等存在一定差异 ,其防淹技术可参考本文相关结论并根据自身特点进行适当调整。
(a) 地下道路 (b) 人行地道
(c) 下穿立交通道(下穿道路) (d) 下穿立交通道(下穿铁路)
图 1 城市隧道类型
Fig. 1 Types of urban tunnels
1. 2 城市隧道淹水原因
城市隧道位于地表以下 ,一般为隧道所在城市片区的最低点 ,因此在极端降雨或其他原因导致片区积水时 ,容易发生水流向隧道内汇集的情况 ,导致隧道发生淹水。
城市隧道淹水问题根据发生原因可分为外因和内因 2 种 : 外因指隧道外强降雨及其次生灾害倒灌 ; 内因指隧道外管道漏水倒灌或隧道管道漏水 。部分城市隧道淹水事故统计见表 1,城市隧道淹水现场照片见图2。
(a) 郑州京广北路隧道 (b) 韩国五松地下隧道
(c) 佛山大沥奇槎铁路下穿隧道 (d) 南京江东门隧道
图 2 城市隧道淹水现场照片
Fig. 2 Photographs of flooding at urban tunnel sites
从统计数据看 ,国内外均有隧道发生淹水的案例。 美国林肯隧道淹水是隧道爆管造成的 ,是人为内因; 韩国五松地下隧道则是外部强降雨的自然外因导致的 ,而且还发生了二次决堤导致次生灾害。国内虽然有 2021 年郑州“7 ·20”淹水事故的教训 ,但在 2023 年仍发生了诸多隧道淹水事故 ,造成人员伤亡和财产重大损失 ,反映出当前我国城市隧道防淹维护管理技术方面的不足 , 需要进行系统的分析和总结。
1. 3 现有城市内涝防治经验
城市隧道淹水与隧址区内涝情况息息相关 ,因此 , 做好区域性的内涝防治是城市隧道防淹的前提 。国外已有成功经验可为我国城市内涝防治提供参考。
1) 日本 : 构建地下调节池(见图 3)。截至 2021 年 末 , 日本东京在 12 条河流的 27 处建成投入使用约264 万 m3 的地下调节池[11] ; 在 5 条河流 8 处设置地下 调节池并修建了总长约 12 km 的分水渠。到 2025 年末 ,以环状 7 号线地下调节池为代表的 9 个设施 ,包括 8 个调节池(约 110 万 m3 )和 1 分水渠将投入使用 ,东京全境的调节池容量将增加约 1.4 倍(与 2021 年末相比)。
图 3 东京地下调节池和分水渠
Fig. 3 Tokyo underground rainwater storage tank and diverting channel
2)马来西亚 : 建设交通、泄洪两用通道 。马来西亚吉隆坡 SMART 隧道工程(见图 4) [12] 包括 1 条长 9.7 km ( 中间3 km兼作泄洪与交通 )、内径11.8 m的大断面隧道 , 在不泄洪情况下可作为1条双向 4 车道的公路隧道以缓解市区交通拥堵。 该工程是多功能集约化隧道工程的典范 。2020 年9月11日 ,马来西亚吉隆坡发生极端暴雨 ,引发了吉隆坡市中心 1. 5 m× 105 m 区域出现了严重内涝 ,局部地段地面积水接近 3m。吉隆坡将 SMART 隧道从公路隧道的 1 号模式转为“ 特大暴雨调蓄 ”的 4 号模式 ,公路隧道关闭交通 ,启动隧道全断面泄洪 ,在短时间内排出了超过 300 万 m3 洪水。
(a)
(b)
图 4 马来西亚 SMART 隧道
Fig. 4 SMART tunnel in Malaysia
通过总结日本、马来西亚城市建设经验以及我国已有城市内涝防治建设工作 ,现有城市内涝防治经验主要如下 :
1)增强城市防洪排涝综合能力 。借鉴日本、新加坡成功经验 ,建设“ 因地制宜、以排为主、以防为辅、防排结合”的适应我国城市的防洪排涝工程。
2)合理规划布局城市蓄滞洪区 。充分挖掘现有公园、广场和运动场地等空地资源 ,作为汛期的临时蓄水空间 ,减轻城市的排水压力[13] 。
3)落实海绵城市规划理念及工程措施 。在城市 规划、建设过程中 ,贯彻落实海绵城市理念 ,实现雨水的自然积存、自然渗透 ,避免积水和洪灾的发生[14] 。
4)加强社会的防洪科普 ,提高公众的防洪意识。 普及如何应对洪水、如何避免涉险行为 ,鼓励公众参与到防洪工作中 ,共同维护城市安全。
2 城市隧道防淹标准
2. 1 城市防淹政策
为减少极端暴雨下可能发生的大规模水灾情况 , 国家及各级地方政府对城市防淹的问题非常重视 ,多次发文部署相关工作 。国家和地方部分防淹相关政策与要求见表 2。
结合表 2 可知 , 目前关于城市防淹政策方面 ,国家和地方均出台了相关意见、通知或者办法 ,但针对城市隧道防淹方面尚未有专门的政策指引。
2. 2 城市防洪标准
在出台城市防淹政策的同时 ,全国也陆续出台了城市防洪、室外排水、防洪防涝和内涝防治等方面的国家和地方标准,对城市防洪提出了相应要求 ,见表 3。
通过归纳已出台的城市防洪、排水等相关规范标准可知 ,现有城市防洪、排水等规范标准中 ,关于城市隧道方面的要求是零散、不成体系的 ,导致现有城市隧道在防淹方面的设计标准、方式也不尽相同。
2. 3 城市隧道养护标准及防淹要求
为解决城市隧道建设的标准化问题 ,全国各地在城市防洪政策、标准的基础上 ,颁布了城市隧道建设、
运行与维护方面的标准和指南 ,以规范城市隧道建管养过程中需执行和注意的内容 ,其中关于隧道防淹的内容见表 4。
3 城市隧道防淹措施研究
3. 1 城市隧道排水特点
城市隧道排水采取“高水高排 ,低水低排”的原则设置独立排水系统。一方面 ,通过敞开段侧墙挡水 ,接地点外侧截水沟截水 ,将高处路面(桥面)范围内雨水拦截后排入市政雨水管道(高水) ;另一方面 ,通过城市隧道内两侧边沟、截水沟 ,将敞开段范围内雨水收集汇入集水池 ,并通过地下泵房内的水泵提升至周边河道或市政雨水管道(低水)。城市隧道防淹总体示意如图 5 所示。
本文结合城市隧道排水的特点 ,拟从城市隧道挡水、截水、排水、控制、预警、应急 6 大系统出发 ,分析不同系统对于城市隧道防淹措施的要求。
图 5 城市隧道防淹总体示意图
Fig. 5 Overall sketch of urban tunnel flood prevention
3. 2 城市隧道防淹挡水系统
城市隧道由敞开段和暗埋段组成 。根据已有城市隧道淹水情况可知 ,淹水主要是敞开段外侧客水漫入导致 ,因此如何阻挡客水 ,是城市隧道防淹的第 1 道措施 。城市隧道挡水系统主要分为 2 部分 :
1) 敞开段侧墙高程控制 。建议城市隧道敞开段侧墙高出隧址区防洪(排涝)水位和隧道敞开段外侧地面 1 m 以上 。敞开段侧墙应与隧道主体结构同步浇筑(无镂空等设置) ,并满足防撞要求。
2)接地点高程控制 。建议城市隧道接地点高出隧址区防洪(排涝)水位和周边 0.5 m 以上 ,且应于现场储备临时挡水设施 ,挡水设施顶部高程与侧墙一致。
通过对敞开段侧墙和接地点高程控制 ,形成高出隧址区防洪(排涝)水位的合围区 ,拦截周边客水进入城市隧道 。城市隧道敞开段合围区如图 6 所示。
图 6 城市隧道敞开段合围区
Fig. 6 Enclosed area of open section of urban tunnel
3. 3 城市隧道防淹截水系统
在挡水系统基础上 ,完善的截水系统可有效降低 城市隧道在极端天气条件下的排水压力[17] 。综合一 般情况下的城市隧道周边条件 ,截水系统可分为 3 类 :
1)城市隧道外侧截水 。城市隧道接地点附近应设置驼峰(见图 7) ; 不具备条件时 ,应于接地点附近设置不少于 2 道截水沟(见图 8) ,确保拦截客水并排入市政雨水管道 。通过隧道口设置驼峰或接地点截水沟 ,减少周边客水进入城市隧道。
图 7 驼峰设置平纵示意图
Fig. 7 Hump layout plan and profile schematic
图 8 截水沟设置示意图
Fig. 8 Schematic of drainage channel layout
2)城市隧道外侧道路排水。统筹考虑区域排水系统 ,适当提高隧道周边市政排水管网设计标准。区域内取 3 年暴雨重现期的 ,城市隧道周边可提升至 5 年; 区域 取 5 年暴雨重现期的 ,城市隧道周边可提升至 10 年。
通过提高城市隧道周边市政雨水管排水能力 ,降低隧道周边发生淹水的概率 ,间接实现城市隧道的截水。 周边市政雨水管与城市隧道平面位置关系如图 9 所示。
图 9 周边市政雨水管与城市隧道平面位置关系
Fig. 9 Spatial relationship between surrounding municipal stormwater pipes and urban tunnel in plan view
3)特殊条件下的截水。城市隧道范围内设置市政 给水、有压污水、中水、热力等有压管线时 ,应考虑管线 爆管情况下对城市隧道防淹的影响。在隧道接地点外 侧 100 m 范围内 ,于市政给水、有压污水、中水、热力等 管线进水方向上宜设置不少于 1 处阀门。阀门设置应由相关产权单位完成 ,并设置控制系统 ,信号分别接入相关产权单位及隧道管养单位 ,发生险情后 15 min 内 , 由隧道管养单位与产权单位协调 ,可由产权单位授权隧道管养单位或产权单位自行派遣相关人员关闭阀门。 外侧有压管线与城市隧道平面位置关系如图 10 所示。
图 10 外侧有压管线与城市隧道平面位置关系
Fig. 10 Spatial relationship between external pressurized pipelines and urban tunnel in plan view
3. 4 城市隧道防淹排水系统
挡水系统和截水系统为城市隧道防淹针对外部客 水的应对措施 ,进入城市隧道内部的雨水 ,则需要隧道 内部排水系统解决 。考虑到现有城市隧道设计标准不一 ,需要对设计采用的标准进行核对 。主要从2方面核对 : 1)理论计算方面 ,确保城市隧道排水计算取值为最新标准 ; 2)实际布置方面 ,确保排水设施、设备参数与计算一致。
3. 4. 1 理论计算取值
城市隧道设计采用的暴雨强度公式、暴雨强度重现期取值、汇水面积及周边汇水区域发生变化后 ,应对城市隧道内排水设施的排水能力进行核对 ,不满足变化后的排水要求时 ,应进行整改 。城市隧道雨水排水 示意如图11所示。
图 11 城市隧道雨水排水示意图
Fig. 11 Schematic of stormwater drainage for urban tunnel
城市隧道暴雨重现期宜按 50 年取值 ,条件困难时 ,应满足现行 GB 50014—2021《室外排水设计标准的取值要求。
3. 4. 2 实际布置核对
城市隧道应在横坡低点沿纵向设置排水边沟 ; 隧道雨水泵房处应设置不少于 2 道截水沟 。边沟与截水沟断面应通过计算确定 。横截沟处排水平面示意如图12所示。
为确保截水的有效性 ,雨水泵房处宜预埋 2 倍横截沟数量的排水管 ; 排水管断面不应小于横截沟断面 ,且排水管直径不宜小于 DN500。
图 12 横截沟处排水平面示意图
Fig. 12 Schematic of drainage level at cross-sectional channel
雨水泵房水泵配置在满足计算要求的基础上 ,增设 1 台备用泵 ,且雨水泵房出水管道宜结合区域环境直接排入周边河道 。附近无河道时 ,可排入市政雨水管网 ,并应对市政雨水管排水能力进行校核 ,其应同时 满足城市隧道排水和市政排水的需求。
泵房出水排水母管应配置止回阀防止回流 ,并设置消能井 ,降低压力流雨水对下游排水系统的冲刷破坏 。城市隧道泵房布置及止回阀设置如图13 所示。
图 13 城市隧道泵房布置及止回阀设置
Fig. 13 Layout of urban tunnel pump room and check valve installation
3. 5 城市隧道防淹控制系统
在排水系统的基础上 ,需要对排水系统的控制系 统做好相应的保障措施 ,确保排水系统的正常工作。 控制系统主要包括如下 3 类。
3. 5. 1 排水系统的供电
水泵应采用双电源供电方式 ,无法满足时双电源 应增加柴油发电机作为备用电源 ,见图14。为防止极 端情况双回路电源同时断电 ,对第 1 台水泵预留应急接线接口 ,方便接入应急发电机启动水泵排水。
图 14 水泵双电源接线图及 10 kV 电源与发电机接线示意图
Fig. 14 Wiring diagram for dual power supply of water pump and schematic of 10 kV power supply and generator connections
3. 5. 2 水泵配电柜防淹措施
为避免隧道内发生淹水时配电柜被淹导致排水系 统整体断电 ,泵房配电柜和控制柜宜选择地面安装。 不具备条件时 ,安装于泵房内的配电柜柜体底座应高于泵房地面 1 m 以上;或将配电柜移动至变电所 ,且于变电所设置防淹门。
3. 5. 3 水泵联动控制系统
1)为避免排水控制器故障情况下水泵无法启动 , 提高排水系统的可靠性 ,城市隧道排水泵应具备本地启停和远程启停 2 种功能 ,且可通过液位计直接启动第 1 台水泵。
2)为方便城市隧道开展人工巡检工作 ,泵房和城市隧道监控中心应同时配置集水池水位显示系统 ,且 能显示最低水位、启动水位、停泵水位、警戒水位等关 键信息。
3. 6 城市隧道防淹预警系统
在考虑雨水的挡、截、排以及控制等系统可靠性以外 ,有效的预警防范是避免在极端天气条件下发生重 大人身伤亡或财产损失事故的重要措施 。城市隧道防淹预警系统可以从以下 2 个方面考虑。
3. 6. 1 城市隧道内路面积水监测与预警
隧道内最低点配置路面积水监测设备 ,积水深度 超过 15 cm 时启动本地报警装置 ,同步上传至控制中 心 ,同时对城市隧道实施封闭管控。
通过预警城市隧道内积水情况 ,对可能发生淹水情况的隧道进行提前管控 ,避免发生人身安全事故。
3. 6. 2 道路监控与人工巡检
1)道路监控 。城市隧道接地点设置高杆球机 ,并与隧道内路面积水监测与预警系统联动 ,城市隧道内路面积水时同步上传隧道接地点视频信号至控制中心 ,通过道路监控系统 ,及时判断城市隧道外积水变化情况 ,便于开展进一步措施。
2)人工巡检 。发生暴雨蓝色预警及以上时 ,可在城市隧道接地点附近前设置人员值守 ,通过现场值班人员确保暴雨期间城市隧道管控措施第一时间落实 到位。
3. 7 城市隧道防淹应急系统
应急系统是城市隧道防淹措施的最后一道屏障 , 可确保在极端条件下 ,最大限度地减少损失[18] 。应急管理可从以下 3 个方向考虑。
3. 7. 1 防淹应急管理
1)城市隧道管养单位编制城市隧道防淹应急预案 ,并每年定期修编 。防淹预案做到“一隧一案”,明确各单位、部门职责。
2)城市隧道管养单位按照应急预案建立应急队伍 ,且定期开展应急培训。
3)城市隧道管养中心配备必要的防汛沙袋、固定式防汛挡板、移动式防汛挡板、机动泵、应急控制柜等 应急物资设备 ,有条件的地区应配备“龙吸水”大流量排水抢险车 。每座城市隧道现场宜设不少于 1 处应急物资储备间用于存放防淹应急物资 ,当暗埋段长度超过 1km 时 ,宜两端各设置 1 处 ; 无设置条件时 ,在不影响交通的情况 ,结合城市隧道接地点处绿化带、导流岛等空间进行设置。
4)城市隧道管养单位加强与气象、防汛排涝、公安交警、应急救援等部门的联动 ,防灾过程中及时汇报险情或请求协助。
5)雨季来临前 ,城市隧道管养单位可通过媒体、 微信公众号、官方网站等渠道 ,向市民宣传防涝应急知识 ,提高市民的防洪意识。
3. 7. 2 城市隧道发生险情后的交通疏解
1)制定隧道淹水封闭情况的车辆疏散措施 ,确保滞留隧道内的车辆及时疏散。
2)城市隧道封闭的同时 ,在进城市隧道前一个路口设置提示标牌 ,提醒车辆绕行。
3)联合媒体、微信公众号、地图软件等网络、广播平台及时推送隧道封闭通知。
3. 7. 3 设置应急逃生通道
城市隧道有条件时可设置直通室外的防淹逃生通道 ,间距不大于 500 m,若设置有防淹门则逃生口可设置于防淹门以外。
4 城市隧道防淹分级
根据城市隧道养护等级和隧址区城市内涝安全风险等级 ,通过风险矩阵综合确定城市隧道防淹等级可分为 1 级、2 级和 3 级 ,见表 5。
其中 ,隧道养护等级分类为 : 1) Ⅰ等隧道 ,长度超 过 1 km,道路等级为主干路及以上 ,位于商业区、风景 区等交通量大的场所 。2) Ⅱ等隧道 ,除一类以外的其 他隧道 。内涝安全风险等级判定见表 6。水淹可能性 及水淹后果判定见表 7 和表 8。
新建和已建隧道防淹等级均可参照表 5 进行分级 。当评价为 1 级、2 级隧道时 ,可结合本文防淹措施对 6 大系统进行逐一核查 ,其中 ,1 级隧道在必要时可开展防淹专项研究 ,确保城市隧道在极端天气条件下的防涝安全。
5 城市隧道防淹改造应用
5. 1 水泵控制柜防淹改造应用
水泵控制柜是控制水泵启停的核心设备 ,为保障水泵控制柜在水淹灾害期间正常工作 ,将控制柜抬高、 移至变电所或地面 。南京集庆门隧道(见图15) 出入口毗邻秦淮河 ,将控制柜调整至地面 ;清凉门隧道(见图16)将控制柜由泵房移动至变电所 ;玄武湖隧道将控制柜移动至泵房高处。
(a) 改造前 (b) 改造后
图 15 改造前后的南京集庆门隧道控制柜
Fig. 15 Nanjing Jiqingmen tunnel before and after renovation of control cabinet
(a) 改造前 (b) 改造后
图 16 改造前后的南京清凉门隧道控制柜
Fig. 16 Nanjing Qingliangmen tunnel before and after renovation of control cabinet
5. 2 控制系统防淹改造应用
水淹灾害发生时 ,实时监控现场情况 ,及时采取应对措施能将灾害后果降低到最小 。南京清凉门隧道开展了一系列控制系统改造工作如下。
1)在隧道入口安装高杆球机(见图17) ,将现场高 清视频上传至隧道管理平台。
(a) 改造前 (b) 改造后
图 17 城市隧道入口高杆球机及监控管理平台
Fig. 17 High-pole pan-tilt-zoom cameras at urban tunnel entrances and monitoring management platform
2)变电所( 见图18 ) 智能监控化监控改造,实时监控设备运行情况 。安装的轨道式机器人监控巡检系统能够移动监控巡视整个变电所 ,实现远程( 控制中心)控制 。实际工作中应重点加强变压器供电情况及用电量变化情况 ,及时发现供电设施及用电设备故障。
(a) 改造前 (b) 改造后
图 18 变电所内景及监控大屏(变电所机器人)
Fig. 18 Interior view of substation and monitoring screen (substation robot)
5. 3 变电所防淹改造应用
变电所是城市隧道机电设备的动力核心 ,因场地条件限制 ,部分变电所设置在地下 。为保障淹水灾害时变电所正常工作 ,降低灾害后果 ,将变电所普通门 (无防淹功能 ,一般为甲级防火门)改造为防淹门(见图19) ,一般有 2 种形式 : 1)将普通门改造为立转式防淹门 ; 2)将卷帘门改造为平开式防淹门。
(a) 改造前 (b) 改造后
图 19 改造前后的平开式防淹门(卷帘门)
Fig. 19 Swing-type floodgate (rolling shutter door) before and after renovation
6 结论与讨论
本文通过系统地对现有城市隧道淹水进行调研及对相关政策标准收集解读 ,提出了城市隧道防淹措施 , 主要结论如下 :
1)城市隧道淹水原因主要分为内因和外因 2 种 , 内因包括养护不及时导致的城市隧道附近( 内外)有压管线爆管引起的隧道淹水 ;外因主要为极端天气条 件导致的隧道淹水。
2)现行防淹政策及标准均未对城市隧道防淹做 出系统性的规定和提出具体的对策措施 ,需要进 一步出台更有针对性的城市隧道防淹政策及标准性文件。
3)本文从城市隧道防淹的根本出发 ,将城市隧道防淹归纳为挡水、截水、排水、控制、预警和应急 6 大系统 ,全方位梳理了提高城市隧道防淹能力的有效措施。
4)通过制定城市隧道的防淹分级标准 ,对不同标准下的城市隧道防淹提出不同要求 ,以期为已有城市隧道的改建、拟建城市隧道的设计提供更经济和更有针对性的参考。
5) 已有城市隧道发生极端事故的大部分原因为 外部洪水的进入 ,因此从城市隧道自身出发的防淹措施仅能预防一定程度下内涝导致的隧道淹水事件 ,而更大程度上的内涝防治 ,则是城市建设者、管理者所面临的挑战。
6)随着城市隧道建设工作的不断深入 ,作为城市出行的动脉组成 ,如何防范水灾也将越来越重要 , 本文更多从措施角度研究城市隧道防淹 ,进一步的理论研究、模拟分析等还需要更多的城市隧道从业者的探索。