山體隧洞式地下再生污水處理廠設計探索

曾仲毅 吳銘芳 張安睿 田 嬌 春軍偉

(貴州省交通規劃勘察設計研究院股份有限公司 貴陽 550081)

隨著經濟發展及生活水平提高，人們對生活環境的要求也越來越高。但由于人口的急劇膨脹，給城市的污水處理帶來了很大壓力，目前我國污水處理大部分還是在地面污水處理廠中進行處理，故地面污水處理廠既是城市污染處理設施，又是城市的二次污染源。隨著高速發展的城市化建設和日益突出的環境問題，地下式污水處理廠憑借著土地集約、資源利用、環境友好這三大特點成為建設首選。地下式污水處理廠不僅能夠最大化釋放地面空間，還能進一步實現污水資源化[1]。

國外地下較大型的污水和排水處理系統發展比較成熟。1932年在芬蘭建設了世界首個地下污水處理廠，服務于芬蘭首都赫爾辛基，該地下污水處理廠在雨季的日處理能力高達60萬m3。

在瑞典首都斯德哥爾摩，1942年運用先進的開挖技術和當地有利的地質條件，建造完成世界第一座巖石地下污水處理廠，服務年限是70年。目前，美國、日本、英國等發達國家都建造了地下污水處理廠，取得了很好的社會效益和可觀的經濟效益[2]。

我國地下式污水處理廠發展起步較晚，同時也存在著港澳臺與內地之間發展不同步、不均衡的現象，香港地區于1991年開始建設亞洲第一座隧道式污水處理廠——赤柱污水廠，臺灣地區從1998年開始建設內湖污水處理廠，2002年正式啟用，設計規模24萬m3/d。

大陸地區地下式污水處理廠起步雖晚，但發展十分迅猛，自2009年至今，北京、廣州、深圳、貴陽等城市已建及在建地下污水處理廠有100多座。但仍然存在建設難度大、建設運行成本高、風險因素高、地面設施單一等問題[3-4]。目前，國內地下污水廠基本上是通過明挖方法修建，這種建設方法存在廠址地表大量構建筑物拆遷、地表生態環境嚴重破壞、施工對周邊環境和交通影響大、工程綜合造價高等弊端。

鑒于地下隧洞具有隱蔽性高、安全性高、恒溫恒濕、生態環境破壞及施工影響小等特性，在因地制宜地利用貴陽當地地形特點及積極踐行地下空間開發利用政策導向的情況下，本文以貴陽市松山污水處理廠為依托，探索山體隧洞式地下再生水廠設計新模式。

1 依托工程概況

松山污水處理廠(再生水廠)是貴陽市18個再生水廠之一，為貴陽市南明河大溝治理中松山大溝治理項目的配套工程建設。污水處理規模為1.0萬t/d，主要處理松山路片區生活污水，設計出水標準COD、氨氮、總磷達到四類水體標準，其他指標達到一級A標，出水水質是城市景觀補水的較高標準。建成后，松山再生水廠能有效處理周邊生活污水，提高市西河水質情況，對改善生態環境、提升城市品位具有重要意義。該污水處理廠(再生水廠)充分利用貴陽市山地地形，將污水處理主要結構建設在山體隧洞內，建成后將是國內首個山體隧洞式地下污水處理廠。

2 設計方案研究

2.1 總體方案設計

松山地下污水處理廠的主要地下結構為山體隧洞，隧道主洞共分為2幅(A幅和B幅)，長度均為250 m，兩幅間凈距為40 m。隧道進口段位于公路邊，端部位于山內部，A幅最大埋深89 m，B幅隧道最大埋深64 m。兩幅隧道中間采用2個聯絡橫洞聯通，聯絡通道長度均為35 m。B幅隧道端部設置一斜井，用于洞內疏散和通風，總長度為145 m，出口位于主隧洞的左側。污水處理隧洞衛星云圖見圖1，隧洞總體平面布置見圖2。

圖1 隧洞衛星云圖

圖2 隧洞總體平面布置圖

隧洞方案的設計，考慮了污水的處理及循環再生，見圖2，隧道主洞共分為2幅(A幅和B幅)，污水從A幅隧道進洞經過處理之后，流經聯絡通道，再由B幅輸出標準水，實現污水再生。A幅隧道和B幅隧道相當于污水過濾器，能實現污水到標準水的綠色再生循環。

2.2 污水處理隧洞設計

國內地下污水廠基本上是通過明挖方法修建，首先在廠址范圍按照設計標高開挖出基坑，然后從下向上修建污水處理廠。貴陽松山山體隧洞式污水處理廠將污水處理設施建于地下隧洞內，所有處理設備均處于地下，辦公室、職工活動場所、部分車間和能量轉換設施建于地面，避免了諸如廠址地表大量構建筑物拆遷、地表生態環境嚴重破壞、施工對周邊環境和交通影響較大、工程綜合造價高等明挖法施工地下污水處理廠的弊端，做到對污水進行處理再生的同時不破壞生態環境。同時，隧道巖體有良好的隔熱和阻溫性，隧道空間具有穩定的溫度場，能使污水處理廠綠色高效節能，節省污水設施所用電量。隧洞內采用混凝土隔板將隧道主洞分成上下2層，下層為污水處理的缺氧池，上層為設備區、人員車輛通道和檢修區；電力橋架、暖通風管、除臭風管區域；起重設備、照明區域。

山體隧洞式污水處理廠在國內還沒有工程案例，本設計是該種新型污水處理廠的首次探索。隧洞斷面布置圖見圖3，該方案隧道凈空寬度為22.00 m、高度為19.10 m，內輪廓凈空斷面為355.9 m2，最大開挖面積468 m2。其中上層空間寬度為22.00 m、高度為10.43 m，凈空斷面為187.194 m2。下層空間寬度為21.80 m、高度為7.86 m，凈空斷面為2×72.20 m2。

圖3 隧洞斷面布置圖

隧道主洞砌結構設計圖見圖4。

圖4 隧道主洞砌結構設計圖(直徑單位：mm)

隧道超前支護采用6 m長、直徑60 mm超前注漿小導管(環×縱間距為40 cm×250 cm)；初期支護采用36 cm厚C20噴射混凝土、I28b型鋼拱架(間距50 cm)、5 m長、直徑25 mm中空注漿錨桿、直徑8 mm鋼筋網(雙層)20 cm×20 cm；防水層采用無紡土工布、1.5 mm厚EVA平板式防水板；二次襯砌采用100 cm厚C35防水鋼筋混凝土。

2.3 隧洞聯絡通道及斜井設計

利用隧洞聯絡通道實現污水到標準水綠色再生循環的做法在已有地下污水廠工程中鮮見報道，為貴陽松山污水處理廠充分利用貴陽山地地形的首次探索，本文給出設計參數以供后續研究參考。

隧道斜井及聯絡通道隧洞凈空寬度為7.40 m、高度為7.80 m，內輪廓凈空斷面為51.74 m2，斷面圖見圖5。隧道超前支護采用2.5 m長、直徑20 mm藥卷錨桿(環×縱間距為60 cm×120 cm，梅花形布置)；初期支護采用20 cm厚C25噴射混凝土、I14型鋼拱架(間距60 cm)、2.5 m長、直徑20 mm藥卷錨桿、直徑6.5 mm鋼筋網20 cm×20 cm；防水層采用無紡土工布、1.5 mm厚EVA平板式防水板；二次襯砌采用40 cm厚C35防水鋼筋混凝土。

圖5 隧道聯絡通道及斜井斷面圖(直徑單位：mm)

2.4 山體隧洞式污水處理廠節能環保設計

在節能環保方面，主要結合以下三方面綜合考慮，以達到節能環保的理想效果。

1) 采用節地型生化處理工藝。生化處理工藝是污水處理廠主要占地的單元，松山污水處理廠采用MBR及國際領先的MBBR工藝強化生物處理，出水水質良好，可直接回用，污泥質量濃度高(8～10 g/L)，反應高效，能夠避免二沉池的建設，大幅節省占地75%以上，實現污水生物處理的高效節地目標。

2) 利用山體隧洞固有優勢節能。污水處理設施建于地下隧洞內，洞室頂部采用混凝土噴錨防護，巖石與襯砌之間設排水層。所有處理設備均處于地下，水池等設施利用原有的巖石，混凝土只在需要的地方才采用。辦公室、職工活動場所、部分車間和能量轉換設施建于地面。主要設施處于地下，可以有效地防止異味及噪聲對周圍居民生活的影響，使得周圍居民的生活環境保持很好。利用產生的沼氣來發電和供熱，可供本廠使用。此外，隧道巖體有良好的隔熱和阻溫性，隧道空間具有穩定的溫度場，能使污水處理廠實現綠色高效節能，節省污水設施所用電量。山體隧洞式污水處理廠實施效果見圖6。

圖6 隧洞式污水處理廠設計效果圖

3) 探索生態綜合體實踐設計。秉承生態文明理念，將污水處理與提供生態景觀、休閑娛樂、科普教育、科技研發、濕地綠化等公共服務有機融合，地上、地下統籌規劃，改善周邊環境質量。將城鄉生態綜合體建設與地下污水廠相結合，進一步推動“負資產”向“正資產”的轉變，推動生態文明建設。在城市更新進程中，該地下污水處理廠在補齊城市基礎設施和公共服務設施的短板方面將起到一定主導作用。

3 結語

貴陽松山污水處理廠(再生水廠)為國內首座山體隧洞式污水處理廠，做到了對土地資源的高效集約化利用及生態環境影響“正資產”化。該再生水廠的主要創新點如下。

1) 松山污水處理廠(再生水廠)是國內山體隧洞式地下污水處理廠的首次探索，致力于打造隱蔽、安全、環保的地下污水處理廠，將污水處理設施置于山體隧洞內，并將城鄉生態綜合體建設與地下污水廠相結合，能實現對土地資源的高效集約化利用，達到環保節能的效果。

2) 處理廠的主要處理設備均處于地下隧洞內，有效地防止了噪聲和異味對周圍居民生活的影響，且洞內設施基本上不受外部因素的影響，更有利于處理流程的選擇及處理效果的穩定，使污水處理更為高效。利用隧洞及聯絡通道的布置形式實現了污水的處理及循環再生，利用山體隧洞固有的優勢實現了更高效的綜合節能。

3) 項目的實施，是污水處理行業踐行生態綜合體這一生態文明理念的一次社會實踐，可作為城市基礎設施的重要抓手來推動促進城市更新，為快速城鎮化導致城市公共服務體系缺失的補齊提供了良好的契機，為我國污水處理行業未來的發展鋪路。

4) 項目的實施，創新了我國山體式地下污水處理廠的建設形式，探討了地下污水處理廠與社會經濟發展充分融合的新模式，可供其他類似工程參考借鑒。