摘要：城市輸水工程建設已成為解決水資源供需矛盾、完善水資源配置的重要舉措，但受供水、供電、燃氣、通信等地下管線及地表市政交通、房屋等多因素制約，為釋放地表及淺層地下空間資源，越來越多的城市輸水工程采用深埋布置方式。以深圳市正在規劃建設的城市深埋輸水隧洞工程為依托，詳細分析了勘察設計過程中面臨的困難，并介紹了如何系統解決城區復雜勘察環境下選線選址、建筑物選型、超深超大基坑結構穩定、深埋隧洞檢修與運維、綠色與智慧建造等技術難題，有效推動了城市密集區深埋輸水隧洞勘察設計技術的發展。

關 鍵 詞：城市深埋輸水隧洞；勘察設計；選線選址；運維檢修；安全建造

中圖法分類號：TV672.1

文獻標志碼：ADOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2024.12.022

0 引 言

已建成運行的城市輸水工程，由于受前期規劃設計、施工技術水平、經濟實力等因素制約，多采用明渠輸水或淺埋管道輸水方式供水^［1-4］。明渠輸水工程存在占用大量地表空間資源、征地協調難度大、水質安全管控難度大等缺點。早期的淺埋管道輸水工程建設與城市規劃建設同步，但隨著城市化進程的持續推進，新建城市淺埋輸水管道工程不可避免地與既有供水、供電、燃氣、通信等地下管線及市政交通、地表建筑等存在空間沖突，協調難度極大；同時，工程施工將影響周邊環境、建筑安全，且可能存在頻繁的爆管風險，淺埋輸水管道還會占用寶貴的地表及淺層地下空間^［5-9］。因此，城市深埋輸水隧洞工程已成為現代都市供水骨干網絡的新趨勢。

目前，深圳市為實現“雙水源、雙安全，應急保障90天”的供水目標，正在規劃建設“三縱四橫”供水水網^［10-11］，新建的羅田水庫—鐵崗水庫輸水隧洞工程（以下簡稱羅鐵工程）、公明水庫—清林徑水庫連通工程（以下簡稱公清工程）分別為其中的“一縱”“一橫”，兩個項目均為珠江三角洲水資源配置工程在深圳境內的配套項目，相對關系見圖1。本文以深圳市“一縱”“一橫”工程為依托，詳細分析和研究勘察設計過程中面臨的關鍵技術問題，以系統解決城區復雜勘察環境下選線選址及建筑物選型、超深超大基坑穩定、城區長距離深埋隧洞檢修與運維、綠色與智慧建造等技術難題，以有效推進城市密集區深埋輸水隧洞設計技術的發展。

1 城區復雜環境勘察技術

1.1 密集建成區地質勘察面臨的困難

與傳統水利水電工程的地質勘察不同，城市密集建成區勘察作業實施受多重因素的制約：

（1）地下管線密集，勘察作業風險高。城區環境內，輸水工程線路選擇多沿市政道路、公共綠地布置，而市政道路兩側分布有大量的地下管線（水、電、油、氣），若勘察作業實施方案、管控措施不力，極有可能破壞既有地下管線。城區環境內勘察作業鉆孔導致燃氣管道泄漏、地鐵停用、供水管道破裂的突發事件屢見不鮮。因此，城區環境地質勘察的重點是如何保證勘察作業安全。

（2）城區環境保護要求嚴。城區勘探作業鉆孔不可避免布置于交通道路、居民區、工廠區等人流密集處。鉆孔施工占用城市道路，引發局部的交通不便；鉆探使用的循環泥漿處置不當容易對城區環境造成污染；鉆探過程中噪聲過大容易擾民等。因此，避免城區勘探作業對環境的污染是勘察工作的難點。

（3）城區聲、磁、電干擾強。城市建成區既有建筑物密集，輸電線路、地下管線縱橫交錯，這些結構產生的振動、電磁、地電等干擾，對聲法、電法、磁法的傳統物探技術影響較大，使得傳統物探方法在城區使用受限。因此，在傳統物探技術使用受限的條件下，如何選擇適用于城區的物探技術是物探工作重點。

1.2 勘察作業安全控制措施

1.2.1 地下管線安全保護措施

（1）總體原則。地下管線的保護和避讓總體遵循“查、訪、探、挖、護”五字方針原則。① 查：結合孔位布置，詳細排查管線走向及高程、特征、權屬單位等；② 訪：依據排查的管線資料，走訪權屬單位，重要管線現場確認；③ 探：采用管線探測儀探明管線的準確位置；④ 挖：采取挖探方法查明淺部管線的位置；⑤ 護：將鉆孔2 m范圍內管線進行標識，并采用防護措施。

（2）專項方案。勘察工作開展前，編制《地下管線勘探專項施工方案》《地下管線事故應急預案》等專項方案，并按照批準的專項方案開展勘察工作。

（3）過程控制。嚴格落實“地下管線探測流程”和“鉆孔作業開孔流程”的相關規程要求，并對操作人員進行安全技術交底。鉆孔定位后，需查清鉆孔周邊4 m范圍內管線分布情況，勘察過程中出現異常情況應立即停止鉆進，待查明原因后再行鉆進（圖2）。

1.2.2 城區勘探文明作業及環保措施

（1）城區鉆孔作業區設置圍擋及警示標志，對涉及占用交通道路的安排專人疏導。

（2）鉆孔施工過程中水泥漿循環使用，減少排放。定期對鉆孔器具維護，減少設備滴、漏油污染環境，鉆孔完成后，及時恢復到作業前場地環境。

（3）鉆孔器具盡量選用低噪音設備，鄰居民區設隔音棚，以減少噪聲對居民的影響。

1.3 勘察新技術應用

1.3.1 微動探測

微動探測方法不采用人工振源，而是利用地球表層時刻存在著的天然微弱振動（如行駛車輛、機器運轉）進行數據采集工作。微動勘察方法最開始應用于煤礦采區勘探，該方法對陷落柱異常區反應敏感。在深圳地鐵隧洞勘探中，利用二維微動剖面技術獲得2條微動視S波速度剖面，結合鉆探結果標定，對視S波速度剖面進行了巖性解釋，圈出二處“孤石”，視S波速度剖面上清晰顯示各巖性層的起伏形態。該技術在羅鐵工程區玉律斷裂帶附近也進行了應用，有效查明了隱伏斷裂、風化深槽的分布特征，微動探測成果圖如圖3所示。

1.3.2 大頂角斜孔鉆探方法

輸水隧洞穿越眾多地表水體，常規垂直鉆孔實施難度大，為查明穿越地表水體洞段工程地質條件以及重要地質界線和斷層帶性狀，采用了大頂角斜孔鉆探方法。勘探結果不但為隧洞圍巖分類和涌水量預測取得了詳實可靠的一手資料，還節約了大量的勘探成本和時間。

1.3.3 無人機三維傾斜攝影

城市地形測量時，由于建筑物遮擋，通視困難；同時，在高樓密集區測繪存在易失信號、初始化時間過長等缺陷，從而影響地形圖測繪質量和精度。因此，采用無人機三維傾斜攝影測繪技術，快速營造輸水線路區的三維環境，全面準確獲取輸水線路區地形地物的平面信息、高程信息以及實景狀態，為后續的BIM設計和智慧水務建設搭建了可靠的三維地理信息框架。

1.3.4 高保真取芯技術

地質勘察鉆孔取芯過程中，巖芯從原位環境中取出后初始的壓力釋放，巖芯接觸外界空氣后部分成分被氧化，且溫度和濕度均與原位環境中不同，巖芯的完整性和力學性能難以準確反映出真實原位環境下的力學特征。為了保證取出的巖芯能夠在試驗過程中再現其在原位環境下的特性，采用了高保真取芯技術，即通過四重管保真取芯鉆具有效保證了巖芯的完整和外部環境的影響，斷層帶取芯率由傳統的65%提高至95%。

2 城市深埋隧洞工程選線選址及分水設施選型

2.1 工程選線選址的敏感因素

城市密集區輸水隧洞工程選線選址與山嶺地區有較大差異^［11-13］，主要體現在以下5個方面：

2.1.1 對城市功能的影響

工程線位走向、縱剖面高程應首先符合地下空間綜合利用規劃要求，同時與既有、規劃交叉建筑物預留足夠的安全距離，確保安全穿越。工程建設期的施工出渣通道應避讓居民區、生態環境敏感區，將對周邊環境、出行公眾的影響降到最低。

2.1.2 報批報建協調

工程選線選址階段，應充分考慮報批報建對工程可實施性及建設進度的影響，主要表現為：

（1）用地協調。地表臨時用地、永久用地選址應盡量避讓生態環境敏感區及林地，減少審批流程；同時，方案確定后應及時與國土部門、所屬街道等權屬單位對接，復核土地屬性，對涉及私人用地、難以協調的地塊，應及時進行調整、避讓。

（2）交通疏解。當工程臨時用地占用市政道路時，需進行交通疏解，并提前開展占道申請，該項工作除增加工程投資外，尚需較多的行政審批手續，對工程進度影響較大；同時，在工程概算階段應留足交通疏解費用。

（3）管線遷改。用地范圍初步選定后，應及時開展地下管線排查，查明各類地下管線屬性、權屬，提前開展管線遷改報批工作；同時，在工程概算階段，應留足管線遷改費用。

2.1.3 工程安全

工程安全主要表現為施工期安全和運行期安全，施工期安全又包括工程本身的安全以及工程施工時對交叉建筑物安全的影響，應在工程選線選址階段充分考慮。

2.1.4 工期保證度

工程選線選址階段，應充分重視地質條件、用地協調辦理、管線遷改及占道審批等因素對工期的影響。

2.1.5 綜合效益

工程選線選址除應考慮工程投資因素外，工程運行期成本亦為很重要的評價指標。

2.2 工程選線選址

依據2.1節所述選線選址的敏感因素，提出線路平面布置、縱剖面布置相關原則，并據此確定了羅鐵、公清項目線路布置方案。限于篇幅，本文僅以羅鐵項目為例闡述。

2.2.1 平面線位走向

基于工程布置對環境影響最小（避開環境敏感區、建筑物群、用地有效期內可批）、用地協調性好（避讓規劃紅線、用地無產權糾紛）、報批報建程序少（管線遷改、交通疏解、占道審批）、交叉建筑物安全穿越（滿足安全距離和管理范圍要求）、滿足供水目標（分水支線投資綜合最優）等原則，初步選定了輸水線路平面布置方案，并發函征求了36個相關權屬單位意見，依據意見進行必要調整后，確定的輸水線路平面線位布置見圖4。輸水干線總長21.68 km，從羅田水庫進水口起，穿越廣深港客運專線、龍大高速后，與南光高速伴行6.2 km，至南光高速與樓崗大道交叉口處，沿根玉路布置，穿五指耙森林公園后，近南北向接至鐵崗水庫出水口。

2.2.2 隧洞標高

依據相關城市發展規劃，通常認為地下埋深0～10 m為淺層、10～30 m為次淺層、30～50 m為次深層，埋深大于50 m的為深層地下空間。為預留地表及淺層地下空間資源，羅鐵工程輸水隧洞埋深一般大于50 m，且該埋深處地質結構相對均一，利于TBM施工掘進。同時，洞頂高程與交叉建筑物留有足夠安全距離，有利于交叉建筑結構安全^［14］。

隧洞標高尚需考慮排水檢修需要，隧洞縱剖面應設置縱坡，以便水流排出。最終確定輸水隧洞縱剖面如圖5所示。

此外，城區輸水隧洞工程選線選址還須考慮施工工法等因素。傳統爆破施工過程中，難以有效控制爆破公害對周邊的影響，加之城區人口密集，建筑結構以及市政設施較多，為了降低隧洞施工對人居環境的影響，應優先考慮采用機械（TBM）掘進^［14-16］。而TBM設備組裝、始發以及接收等對空間以及線路布置等都有所要求，應結合工期，對輸水線路進行合理的布置和分段，并結合地質條件選擇不同的設備型式。

2.3 輸水隧洞結構設計

2.3.1 隧洞襯砌結構

城區輸水隧洞在設計過程中應充分考慮水文地質環境，防止地下水持續引排破壞環境、引起地表沉降；此外還應避免隧洞輸水過程中內外水交換，造成水源污染。鑒于此，在襯砌結構設計中提出了“封堵控排”的理念，并采用“管片+鋼內襯”組合式襯砌結構得以實現，同時，通過三維數值模型（圖6）對結構受力特性進行了系統研究，結果表明該結構可充分發揮管片和鋼內襯承載能力，確保輸水隧洞的長期安全。

2.3.2 豎井結構

為了滿足TBM分段施工掘進、輸水隧洞分水和分段檢修等，輸水隧洞沿線布置了若干豎井。同時，為滿足檢修和分水設施布置，豎井規模一般較大，屬于超深、超大豎井。豎井周邊環境復雜，地下管廊和地表建

圖4 羅鐵項目輸水線路平面線位示意

Fig.4 Plane diagram of water conveyance line of Luotie project

筑較多、地質條件復雜、地下水位高，豎井安全問題突出。豎井設計過程中，經經濟技術比選，采用了受力條件較好的圓形斷面，并采用了“帷幕灌漿+固結灌漿+錨筋樁”三重抗浮以及“高壓旋噴樁+地連墻工字鋼接頭+內襯墻接縫銅止水+接縫灌漿”四重防水設計，同時，基于精細有限元模型（圖7）對豎井施工全工況進行了力學模擬，分析接縫對豎井剛度弱化效應，確保了結構安全。

2.4 分水設施選型

城市深埋輸水隧洞工程多具有向沿線水廠供水的任務，且利用TBM施工所需的工作井布置分水設施，可實現永臨結合、節約投資。但城市超深豎井存在基坑穩定、影響周邊建筑物安全、占用地表用地等問題。

羅鐵工程設計過程中，對羅田水廠分水設施、長流陂水廠分水設施型式開展了深入對比研究，最終提出利用地下閥室替代超深豎井的設計方案，既節約了工程投資、規避了工程施工風險，又釋放了地表用地。公清項目設計過程中，提出了地下泵站替代豎井式泵站的設計方案，同樣達到了上述目的。羅鐵項目地下閥室（圖8）布置于地下約50 m的隧洞中，隧洞整體采用鋼筋混凝土襯砌結構，閥室內布置有蝶閥、分水岔管、檢修啟閉設施等。公清項目地下泵站（圖9）同樣布置于地下約50 m的隧洞中，內部布置水泵機組和檢修啟閉設施。相比超深豎井，地下閥室和地下泵站全部布置于地下，不占用城市地表資源，可有效釋放土地資源，避免與地面建（構）筑物以及淺層城市市政管線的交叉和干擾，極大降低了報批報建和管線遷改的難度。經統計，羅鐵工程、公清工程采用上述方案后節約地表資源超100 000 m²，經濟社會效益巨大。

3 城市深埋隧洞工程檢修與運維設計

3.1 工程檢修、運維存在的難題

羅鐵工程、公清工程均具有輸水線路長、隧洞埋深大、干線豎井深、運行期洞內總水量大的特點。以羅鐵項目為例，隧洞一般埋深為50 m、最大埋深達120 m，輸水干線豎井最深80 m、隧洞總水量約500 000 m³。檢修、運維存在的主要難題包括：

（1）若采用全段一次檢修方案，隧洞排空耗時長、影響沿線用戶供水、原水浪費嚴重；

（2）若采用同類工程的垂直檢修方案，即檢修時通過豎井內電梯到達隧洞，因豎井較深，存在檢修交通耗時長、檢修物資轉運難度大等問題。

3.2 解決方案

（1）總體檢修方案。工程檢修主要包括：日常巡檢、應急檢修兩種工況。其中，日常巡檢包括動水檢查、靜水檢查，均為不放空檢修。因工程正常運行時，洞內最大流速為1.45 m/s，具備機器人水下作業巡檢條件，故日常巡檢以水下機器人檢查為主。 應急檢修為放空檢修，并將依據安全監測成果、水下機器人巡檢資料，綜合確定應急檢修區間、檢修時間。

（2）檢修排水設計。結合沿線水廠位置、水廠供水水源因素，以最大程度提高水廠供水保證率為原則，開展了檢修排水設計。具體方案為：工程全線分3段檢修、3段排水，即進水口至五指耙水廠分水井為第一段、五指耙水廠分水井至長流陂閥室為第二段、長流陂閥室至出水口為第三段。第一段放空檢修時，通過鐵崗水庫反向供水至五指耙水廠、長流陂水廠；第二段放空檢修時，通過羅田水庫供水至五指耙水廠，鐵崗水庫反向供水至長流陂水廠；第三段檢修時，通過羅田水庫正向供水至羅田水廠、五指耙水廠、長流陂水廠。檢修分段見圖10。

（3）檢修交通設計。以羅鐵項目為例，輸水線路總長約21.68 km，人工步行檢查和維護效率低，難以在較短的檢修停水期內完成巡檢和維護工作，為此采用機動車輛作為交通工具，在輸水干線隧洞底部回填2.5 m寬平臺作為行車通道。

結合沿線檢修分段情況，全線設3條檢修平洞、1條垂直交通系統，即各檢修分段分別設置1條檢修平洞，保證檢修車輛快速通行（圖11）。

4 城市深埋隧洞工程的綠色與安全建造

4.1 綠色建造設計

羅鐵、公清項目設計階段，主要遵循《深圳市綠色建筑促進辦法》相關要求開展綠色建造設計工作，并以“全壽命周期內安全耐久、四節一保、運維高效、和諧共生”作為目標。提出涉及安全耐久、節地、節能、節水、節材、施工管理、運維管理、技術創新、環境保護等9大類30項綠色建造措施，具體見表1。

4.2 安全建造設計

城市深埋輸水隧洞工程位于城市密集建成區，工程安全生產至關重要。據國際勞工組織統計，約60%的工程事故與未開展安全設計有關。為保證工程安全，分類/具體措施安全耐久/結構安全：避開或處置風險體，鄰接物評估或審批；采用自密實混凝土，開挖洞徑減小，安全耐久；城市內澇：復核暴雨工況建筑物安全，提高設計標準節地/控制泵站及工作井建筑規模、永臨結合；優化建筑物型式：豎井改為地下閥室+平洞；壓縮永久用地：控制建筑規模，節約用地；永臨結合節能/節能檢修：智能檢修、分段檢修；抬高洞底高程自排；盾構或TBM管片模塊化，提高施工效率；建筑節能：維護結構節能；優選空調系統；綠化覆蓋節水/結構防漏禁排：鋼襯防內水外滲、城區禁止永久排水；雨水生態利用：就地消納利用，生態海綿水利工程；施工用水再利用：施工用水收集、處理，回收利用節材/用材降耗：高標號混凝土、高強鋼筋，降低材料用量；設備二次利用：減少專用，兼顧通用，如TBM選型；渣料利用：砂石料源、填海造地、建筑砌塊施工管理/智慧工地：物聯網+BIM，進度、投資、質量智能管控；技術支持：綠色建造專項施工組織設計；專項交底和會審；用材控耗：加強預拌混凝土損耗、鋼筋加工損耗的控制運維管理/智慧運維：聯合調度、結構設備在線監測、環境與能耗監控；規范管理：制定完善的節能、節水、節材、綠色操作規程；進水塔采用分層取水方式，避免取庫底低溫水；合理設置檢修排水點，減少每段檢修排水時長、水量技術創新/智慧工程：基于BIM的全階段智慧設計、建造和運維；智能檢修：應用水下智能檢測、水下機器人檢修技術；建筑型式：研究采用裝配式結構；生物防腐：附著機理、防附著及污損措施環境保護/鄰近水源建筑防腐涂層滿足飲用水要求;施工期地下水監控，及時堵水、補水;結合工程任務，合理設置生態景觀，水產城融合;禁裸設計：棄渣利用、管線地埋、綠色邊坡該項目設計方面主要采用的安全建造措施包括：① 對臨近交叉建筑物全方位安全監測；② TBM施工段采取不少于2種超前地質預報措施；③ 結合現場實施進度，分年度制定度汛技術要求；④ 結合工程特點、地質條件，制定安全生產風險清單與應急管理預案；⑤ 針對不良地質體，制定完備的超前處理措施。

5 結 論

本文以深圳市正在規劃建設的城市深埋輸水隧洞工程為例，詳細分析了勘察設計過程中面臨的關鍵技術問題，系統解決了城區復雜勘察環境下選線選址及建筑物選型、超深超大基坑穩定、城區長距離深埋隧洞檢修與運維、綠色與智慧建造等技術難題，有效推動和促進了城市密集區深埋輸水隧洞設計技術的發展。

（1）城區復雜環境地質勘察工作要高度重視對地下管線的探查與保護工作。羅鐵項目遵循“查、訪、探、挖、護”五字方針，并依據制定的專項施工方案，累計完成鉆孔進尺27 000 m，未發生一例安全生產事故，其思路和方法可供類似工程借鑒。

（2）城區輸水隧洞工程選線選址應充分征求相關權屬單位意見，隧洞埋深的確定應遵從當地地下空間開發利用規劃要求；主要建筑物選型應結合地形地質條件，深入研究采用全地下方案的可行性，以釋放更多的地表及淺層地下空間資源。

（3）城市供水隧洞工程因線路長、埋設大、排水體量大，宜采用分段排水、分段檢修方案；同時因需向沿線水廠供水，工程檢修分段應充分考慮各段檢修對水廠供水的影響，提高水廠用水保證率；檢修排水應盡可能排至臨近部位的水庫、河道，實現水資源再利用。

（4）城市供水工程應開展必要的綠色建造設計，以實現全壽命周期內“安全耐久、四節一保、運維高效、和諧共生”的目標。同時，應結合工程特點、環境特點，開展安全建造設計工作。

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（編輯：胡旭東）

Key technologies of survey and design of deep-buried water conveyance

tunnels in urban areas

YANG Qigui¹，WANG Hanhui¹，ZHANG Cunhui²

（1.CISPDR Corporation，Wuhan 430010，China； 2.Changjiang Survey，Plan，Design amp; Research Co.，Ltd.，Wuhan 430010，China）

Abstract： The construction of urban water conveyance projects has become an important measure to solve contradictions between supply and demand of water resources and improve the allocation of water resources.However，due to the constraints of underground pipelines such as water supply，power supply，gas，communication，surface municipal transportation，housing and other factors，in order to release the surface and shallow underground space resources，more and more urban water conveyance projects adopt deep buried forms.Based on the urban deep-buried water conveyance tunnel engineering under planning and construction in Shenzhen City，this paper analyzed the difficulties faced in the survey and design process in detail，and introduced how to systematically solve the technical problems such as line and site selection，building selection，structural stability of super-deep and super-large foundation pits，maintenance and operation of deep-buried tunnels，green and intelligent construction in the complex survey environment of urban areas，which effectively promotes the development of survey and design technologies of deep-buried water conveyance tunnels in high-density urban area.The relevant results can provide reference for the design and construction of similar projects.

Key words： deep-buried water conveyance tunnel engineering in urban area；survey and design；line and site selection；maintenance and operation；safety construction