市政隧道排水設計及優化

潘坤龍 孫 語

（1.中鐵第六勘察設計院集團有限公司，天津 300000；2.洛陽市規劃建筑設計研究院有限公司，河南 洛陽 471000）

0 引言

隨著我國城鎮化面積迅速增加，城市看海的情況時有發生，市政隧道作為城市道路中的低點，危險性不言而喻，這對隧道排水設計提出了嚴格的要求，筆者結合鄭州市H隧道工程，介紹隧道排水設計的思路及主要計算過程，并對如何應對極端暴雨天氣，提出相關措施。

1 工程概況

鄭州市H 隧道工程，設計全長1035.5m（含路基段），其中隧道封閉段總長592m，僅限通行非危險化學品等機動車，按照《建筑設計防火規范》（GB50016-2014） （2018 年版）[1]劃分為三類隧道；A 端（小里程端）敞口段長220m，坡度為-3.99%；隧道暗埋段坡度為-0.5%；B 端（大里程）敞口段長164m，坡度為2.4%；隧道整體呈V 字坡，敞口段隧道結構外輪廓寬20m。隧道縱斷示意如圖1 所示。

圖1 隧道縱斷示意

2 排水方案設計

根據高水高排，低水低排的原則，為減少隧道排水系統的設計匯水面積，避免多余的市政道路雨水流入隧道內，在A，B 端路基段均設置駝峰，并在駝峰前設置一道橫截溝，直接接至市政雨水管網中；A 端在敞口段及暗埋段分界處設置2 道橫截溝及1#雨水泵房，主要收集A 端敞口段雨水；該工程B 端敞口段和暗埋段分界處和隧道最低點距離很近，里程數差為40m，考慮僅在隧道最低點設置一處2#雨水泵房（兼廢水泵房），以簡化系統，節約造價。

2.1 雨水量計算

根據《室外排水設計標準》GB50014—2021[2]，雨水設計流量QS如公式（1）所示。

QS=q×ψ×F（1）式中：QS—雨水設計流量（L/s）；q—設計暴雨強度[L/（hm2·s）]；ψ—綜合徑流數；F—匯水面積（hm2）。

2.1.1 暴雨強度計算

暴雨強度公式采用鄭州市2015 年修訂公式，如公式（2）所示。

式中：q—設計暴雨強度[L/（hm2·s）]；P—設計重現期（年）；t—降雨歷時（min）。

2.1.1.1 設計重現期P

根據《室外排水設計標準》GB50014—2021[2]規定，雨水管渠設計重現期：中心城區地下通道和下沉式廣場等超大城市和特大城市30 年～50 年、大城市20 年～30 年、中等城市和小城市10 年～20 年；鑒于近年來各大城市頻繁遭遇強暴雨襲擊，引發城市內澇，為保證隧道的運營安全，該工程設計重現期取50 年。

2.1.1.2 降雨歷時t

根據《室外排水設計標準》GB50014—2021[2]規定。

t=t1+t2（3）式中：t1為地面集水時（min），應根據匯水距離、地形坡度和地面種類通過計算確定，宜采用2min～10min；該工程參照上海市地方標準《道路隧道設計標準》 （DGTJ08-2033-2017）[3]中坡面集水時間t1的計算方法。

式中：Ls為坡面流的長度（m）；m1為地表粗度系數，取0.013；iS為引道段坡度（用小數計）。A 端敞口段坡面長度為240 m，地面坡度為-3.99%，根據公式（4）計算，t1-A為5.21min；B 端敞口段坡面長度為204 m，地面坡度為2.40%，根據公式（4）計算，t1-B為5.44 min。

t2為管渠內雨水流行時間（min），t2越小，則管渠下游對應的雨水流量越大，為保證隧道的運營安全，t2取最小值0；則tA=t1-A；tB=t1-B。

tA、tB和P=50，代入公式（2）求得：qA=594.37[L/（hm2·s）]；qB=588.94[L/（hm2·s）]。

2.1.2 流量計算

2.1.2.1 綜合徑流系數

根據《室外排水設計標準》GB50014—2021[2]規定為0.9～1.0；《道路隧道設計標準》 （DGTJ08-2033-2017）[3]規定為0.90；該工程取值0.90。

2.1.2.2 匯水面積v

該工程A 端匯水面積：FA=220×20=4400m2；B 端匯水面積為FB=164×20=3280m2。

代入式（1）求得：Q雨A=235.4（L/s）；Q雨B=173.9（L/s）。

2.2 消防廢水量

該工程為二類隧道，參照《建筑設計防火規范》（GB50016-2014）（2018 年版[1]設置消火栓系統；隧道內的消火栓用水量按10 L/s，隧道外的消火栓用水量按20 L/s。消防廢水量等同于消防用水量；Q消=10 L/s。

2.3 結構滲漏水

參照《道路隧道設計標準》 （DGTJ08-2033-2017）[3]規定結構滲漏水按照每天0.1 L/m2計；該工程結構外包面面積為106540m2，Q滲=0.1×106540÷（24×3600）=0.12L/s。

2.3 沖洗廢水

參照《道路隧道設計標準》 （DGTJ08-2033-2017）[3]規定隧道內沖洗水量宜按隧道專用沖洗車1～2 車水量計，每天約4m3～8m3；Q沖=8×1000÷（24×3600）≈0.1L/s。

2.4 泵房設計規模

參照《道路隧道設計標準》 （DGTJ08-2033-2017）[3]規定雨水泵房的設計規模應按照設計雨水量的1.2 倍確定。

1#雨水泵房主要收集雨水，Q設A=1.2Q雨A=282.5（L/s）=1017（m3/h）。2#雨水泵房（兼廢水泵房）主要收集B 端敞口段雨水、未被1#雨水泵房截留的雨水、結構滲漏水、消防廢水、沖洗廢水；鑒于隧道敞口段道路縱坡較大（0.5%～5.5%），水流速度快，容易形成較強的地面徑流，雨水不可能被1#雨水泵房處橫截溝完全攔截，同時車輛快行駛時也會加劇該情況，筆者個人認為2#雨水泵房須考慮20%A 端敞口段雨水量，保障安全。

Q設B=max{1.2Q雨B+0.2Q雨A+Q滲，Q消+Q滲，Q沖+Q滲}

=255.9（L/s）=921（m3/h）

參照《室外排水設計標準》GB50014—2021[2]規定：水泵臺數不應小于2 臺，且不宜大于8 臺；雨水泵房可不設備用泵；下穿立交道路的雨水泵房可視泵房重要性設置備用泵。參照《道路隧道設計標準》 （DGTJ08-2033-2017）[3]規定：雨水泵房內應設置備用泵，且水泵總數不宜少于3 臺；考慮到水泵并聯流量折減，1#雨水泵房選用4 臺（Q=450m3/h）潛污泵，3 用1 備；2#雨水泵房，選用4 臺（Q=400m3/h）潛污泵，3 用1 備。

集水池有效容積：《道路隧道設計標準》 （DGTJ08-2033-2017）[3]規定，有效容積不應小于設計選用最大一臺泵5min 的出水量。《室外排水設計標準》GB50014—2021[2]規定，雨水泵房集水池的溶劑，不應小于最大1 臺水泵30s 的出水量。為滿足水泵的冷卻及控制要求，該工程按照有效容積大于最大一臺泵5min 的出水量核算。

3 排水邊溝及橫截溝

3.1 邊溝

沿著隧道兩側設置排水邊溝，用于盡快收集路面的雨水，保障行車安全；邊溝設計參考明渠進行設計，坡度與隧道坡度一致，尺寸應試算確定，并能滿足最大的雨水流量；鑒于隧道路面橫坡較大（一般為1.5%～2%），單側邊溝按照0.5 倍的設計雨水量即可。

A 端敞口段邊溝擬采用寬400mm，深200mm，考慮50mm的蓋板的厚度及安全超高，設計水深為150mm； A 端敞口段邊溝設計見圖2。

圖2 A端敞口段邊溝設計（單位：m）

參照《室外排水設計標準》GB50014—2021[2]規定，

邊溝流量按照公式（5）計算。

Q=Aυ（5）式中：Q—設計流量（m3/s）；A—水流有效斷面面積（m2）；v—流速（m/s）；

邊溝流速按照公式（6）計算。

式中：v—流速（m/s）；R—水力半徑（m）（R=S/A，S為過水斷面積，A為濕周）；I—水力坡降（也及邊溝坡度，該工程A 端敞口段坡度為3.99%）；n—粗糙系數（取0.013）。

根據公式（6）計算得：

滿足設計要求。同理試算：B 端敞口段邊溝尺寸，擬采用寬400mm，深200mm，考慮50mm 的蓋板的厚度及安全超高，設計水深為150mm。

根據公式（6）計算得：

邊溝的流量須滿足

Q＞0.5×Q雨A+Q滲=0.2×235.4+0.12=47.2（L/s）

滿足設計要求。

3.2 橫截溝

橫截溝作為聯絡邊溝和雨水池的紐帶。每處泵房外設置2 道橫截溝，為提高攔截效果，2 道橫截溝應錯篦敷設，另筆者認為每道橫截溝流量按照雨水流量的100%設計，保障安全。橫截溝尺寸，擬采用寬600mm，深600mm，考慮150mm 的蓋板的厚度及安全超高，設計水深為450mm，坡度采0.20%。

根據公式（6）計算得：

4 排出管

《室外排水設計標準》GB50014—2021[2]規定：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。《道路隧道設計標準》 （DGTJ08-2033-2017）[3]：隧道內雨、廢水由泵提升后就近排出隧道，必須經地面壓力窖井后再納入市政排水管道。該工程附近無河流、湖泊等水系，無直接排入的條件，考慮排入市政雨水管道內，隧道所在道路有一根2500mm×1400mm 的市政雨水管渠，并經規劃部分核實流量滿足隧道的需求，可作為隧道排水的安全出口。

1#雨水泵房外設置減壓井，每臺泵設置單根D300mm 的管道接入減壓井后，由一根D800mm 的重力流鋼筋混凝土管接入市政管道中，坡度為0.1% 。

根據公式（6）計算得：

滿足設計要求。

該工程2#雨水泵房排水管設計與1#雨水泵房保持一致。

5 措施

隧道作為市政道路的低點，對城市內澇，依然秉承“以防為主，以排為輔”的設置原則，盡量將外部雨水攔截在隧道外部，同時提到隧道自身的排水能力。1）隧道排水系統設計時，雨水設計重現期取50 年，并按照100 年一遇校核。2）在隧道低點設置傳感監測系統，通過水位傳感器、超聲波傳感器、煙霧傳感器等，實時監測通行內容，并具備自動報警和警示的功能。當隧道水位到達10 cm，啟動一級預案，隧道入口處警示指示燈亮起，廣播語音及LED 信息情報板提示車輛繞行，預警信息推送給相關人員。當積水水位達到27 cm，就會啟動二級預案，隧道入口禁行指示燈亮起，雙向車輛攔截系統啟動，道閘關閉。 3）結合隧道敞口段U 型槽擋墻設置可拆卸防淹擋板。

6 總結

該文結合工程實例對隧道排水設計及計算進行了詳細闡述，并針對極端暴雨天氣提出了相關措施，給廣大市政隧道排水設計者提供參考，給城市防澇提供一點工程實踐經驗。