市政隧道排水设计及优化

潘坤龙 孙 语

（1.中铁第六勘察设计院集团有限公司，天津 300000；2.洛阳市规划建筑设计研究院有限公司，河南 洛阳 471000）

0 引言

随着我国城镇化面积迅速增加，城市看海的情况时有发生，市政隧道作为城市道路中的低点，危险性不言而喻，这对隧道排水设计提出了严格的要求，笔者结合郑州市H隧道工程，介绍隧道排水设计的思路及主要计算过程，并对如何应对极端暴雨天气，提出相关措施。

1 工程概况

郑州市H 隧道工程，设计全长1035.5m（含路基段），其中隧道封闭段总长592m，仅限通行非危险化学品等机动车，按照《建筑设计防火规范》（GB50016-2014） （2018 年版）[1]划分为三类隧道；A 端（小里程端）敞口段长220m，坡度为-3.99%；隧道暗埋段坡度为-0.5%；B 端（大里程）敞口段长164m，坡度为2.4%；隧道整体呈V 字坡，敞口段隧道结构外轮廓宽20m。隧道纵断示意如图1 所示。

图1 隧道纵断示意

2 排水方案设计

根据高水高排，低水低排的原则，为减少隧道排水系统的设计汇水面积，避免多余的市政道路雨水流入隧道内，在A，B 端路基段均设置驼峰，并在驼峰前设置一道横截沟，直接接至市政雨水管网中；A 端在敞口段及暗埋段分界处设置2 道横截沟及1#雨水泵房，主要收集A 端敞口段雨水；该工程B 端敞口段和暗埋段分界处和隧道最低点距离很近，里程数差为40m，考虑仅在隧道最低点设置一处2#雨水泵房（兼废水泵房），以简化系统，节约造价。

2.1 雨水量计算

根据《室外排水设计标准》GB50014—2021[2]，雨水设计流量QS如公式（1）所示。

QS=q×ψ×F（1）式中：QS—雨水设计流量（L/s）；q—设计暴雨强度[L/（hm2·s）]；ψ—综合径流数；F—汇水面积（hm2）。

2.1.1 暴雨强度计算

暴雨强度公式采用郑州市2015 年修订公式，如公式（2）所示。

式中：q—设计暴雨强度[L/（hm2·s）]；P—设计重现期（年）；t—降雨历时（min）。

2.1.1.1 设计重现期P

根据《室外排水设计标准》GB50014—2021[2]规定，雨水管渠设计重现期：中心城区地下通道和下沉式广场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；鉴于近年来各大城市频繁遭遇强暴雨袭击，引发城市内涝，为保证隧道的运营安全，该工程设计重现期取50 年。

2.1.1.2 降雨历时t

根据《室外排水设计标准》GB50014—2021[2]规定。

t=t1+t2（3）式中：t1为地面集水时（min），应根据汇水距离、地形坡度和地面种类通过计算确定，宜采用2min～10min；该工程参照上海市地方标准《道路隧道设计标准》 （DGTJ08-2033-2017）[3]中坡面集水时间t1的计算方法。

式中：Ls为坡面流的长度（m）；m1为地表粗度系数，取0.013；iS为引道段坡度（用小数计）。A 端敞口段坡面长度为240 m，地面坡度为-3.99%，根据公式（4）计算，t1-A为5.21min；B 端敞口段坡面长度为204 m，地面坡度为2.40%，根据公式（4）计算，t1-B为5.44 min。

t2为管渠内雨水流行时间（min），t2越小，则管渠下游对应的雨水流量越大，为保证隧道的运营安全，t2取最小值0；则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 流量计算

2.1.2.1 综合径流系数

根据《室外排水设计标准》GB50014—2021[2]规定为0.9～1.0；《道路隧道设计标准》 （DGTJ08-2033-2017）[3]规定为0.90；该工程取值0.90。

2.1.2.2 汇水面积v

该工程A 端汇水面积：FA=220×20=4400m2；B 端汇水面积为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 消防废水量

该工程为二类隧道，参照《建筑设计防火规范》（GB50016-2014）（2018 年版[1]设置消火栓系统；隧道内的消火栓用水量按10 L/s，隧道外的消火栓用水量按20 L/s。消防废水量等同于消防用水量；Q消=10 L/s。

2.3 结构渗漏水

参照《道路隧道设计标准》 （DGTJ08-2033-2017）[3]规定结构渗漏水按照每天0.1 L/m2计；该工程结构外包面面积为106540m2，Q渗=0.1×106540÷（24×3600）=0.12L/s。

2.3 冲洗废水

参照《道路隧道设计标准》 （DGTJ08-2033-2017）[3]规定隧道内冲洗水量宜按隧道专用冲洗车1～2 车水量计，每天约4m3～8m3；Q冲=8×1000÷（24×3600）≈0.1L/s。

2.4 泵房设计规模

参照《道路隧道设计标准》 （DGTJ08-2033-2017）[3]规定雨水泵房的设计规模应按照设计雨水量的1.2 倍确定。

1#雨水泵房主要收集雨水，Q设A=1.2Q雨A=282.5（L/s）=1017（m3/h）。2#雨水泵房（兼废水泵房）主要收集B 端敞口段雨水、未被1#雨水泵房截留的雨水、结构渗漏水、消防废水、冲洗废水；鉴于隧道敞口段道路纵坡较大（0.5%～5.5%），水流速度快，容易形成较强的地面径流，雨水不可能被1#雨水泵房处横截沟完全拦截，同时车辆快行驶时也会加剧该情况，笔者个人认为2#雨水泵房须考虑20%A 端敞口段雨水量，保障安全。

Q设B=max{1.2Q雨B+0.2Q雨A+Q渗，Q消+Q渗，Q冲+Q渗}

=255.9（L/s）=921（m3/h）

参照《室外排水设计标准》GB50014—2021[2]规定：水泵台数不应小于2 台，且不宜大于8 台；雨水泵房可不设备用泵；下穿立交道路的雨水泵房可视泵房重要性设置备用泵。参照《道路隧道设计标准》 （DGTJ08-2033-2017）[3]规定：雨水泵房内应设置备用泵，且水泵总数不宜少于3 台；考虑到水泵并联流量折减，1#雨水泵房选用4 台（Q=450m3/h）潜污泵，3 用1 备；2#雨水泵房，选用4 台（Q=400m3/h）潜污泵，3 用1 备。

集水池有效容积：《道路隧道设计标准》 （DGTJ08-2033-2017）[3]规定，有效容积不应小于设计选用最大一台泵5min 的出水量。《室外排水设计标准》GB50014—2021[2]规定，雨水泵房集水池的溶剂，不应小于最大1 台水泵30s 的出水量。为满足水泵的冷却及控制要求，该工程按照有效容积大于最大一台泵5min 的出水量核算。

3 排水边沟及横截沟

3.1 边沟

沿着隧道两侧设置排水边沟，用于尽快收集路面的雨水，保障行车安全；边沟设计参考明渠进行设计，坡度与隧道坡度一致，尺寸应试算确定，并能满足最大的雨水流量；鉴于隧道路面横坡较大（一般为1.5%～2%），单侧边沟按照0.5 倍的设计雨水量即可。

A 端敞口段边沟拟采用宽400mm，深200mm，考虑50mm的盖板的厚度及安全超高，设计水深为150mm； A 端敞口段边沟设计见图2。

图2 A端敞口段边沟设计（单位：m）

参照《室外排水设计标准》GB50014—2021[2]规定，

边沟流量按照公式（5）计算。

Q=Aυ（5）式中：Q—设计流量（m3/s）；A—水流有效断面面积（m2）；v—流速（m/s）；

边沟流速按照公式（6）计算。

式中：v—流速（m/s）；R—水力半径（m）（R=S/A，S为过水断面积，A为湿周）；I—水力坡降（也及边沟坡度，该工程A 端敞口段坡度为3.99%）；n—粗糙系数（取0.013）。

根据公式（6）计算得：

满足设计要求。同理试算：B 端敞口段边沟尺寸，拟采用宽400mm，深200mm，考虑50mm 的盖板的厚度及安全超高，设计水深为150mm。

根据公式（6）计算得：

边沟的流量须满足

Q＞0.5×Q雨A+Q渗=0.2×235.4+0.12=47.2（L/s）

满足设计要求。

3.2 横截沟

横截沟作为联络边沟和雨水池的纽带。每处泵房外设置2 道横截沟，为提高拦截效果，2 道横截沟应错篦敷设，另笔者认为每道横截沟流量按照雨水流量的100%设计，保障安全。横截沟尺寸，拟采用宽600mm，深600mm，考虑150mm 的盖板的厚度及安全超高，设计水深为450mm，坡度采0.20%。

根据公式（6）计算得：

4 排出管

《室外排水设计标准》GB50014—2021[2]规定：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。《道路隧道设计标准》 （DGTJ08-2033-2017）[3]：隧道内雨、废水由泵提升后就近排出隧道，必须经地面压力窖井后再纳入市政排水管道。该工程附近无河流、湖泊等水系，无直接排入的条件，考虑排入市政雨水管道内，隧道所在道路有一根2500mm×1400mm 的市政雨水管渠，并经规划部分核实流量满足隧道的需求，可作为隧道排水的安全出口。

1#雨水泵房外设置减压井，每台泵设置单根D300mm 的管道接入减压井后，由一根D800mm 的重力流钢筋混凝土管接入市政管道中，坡度为0.1% 。

根据公式（6）计算得：

满足设计要求。

该工程2#雨水泵房排水管设计与1#雨水泵房保持一致。

5 措施

隧道作为市政道路的低点，对城市内涝，依然秉承“以防为主，以排为辅”的设置原则，尽量将外部雨水拦截在隧道外部，同时提到隧道自身的排水能力。1）隧道排水系统设计时，雨水设计重现期取50 年，并按照100 年一遇校核。2）在隧道低点设置传感监测系统，通过水位传感器、超声波传感器、烟雾传感器等，实时监测通行内容，并具备自动报警和警示的功能。当隧道水位到达10 cm，启动一级预案，隧道入口处警示指示灯亮起，广播语音及LED 信息情报板提示车辆绕行，预警信息推送给相关人员。当积水水位达到27 cm，就会启动二级预案，隧道入口禁行指示灯亮起，双向车辆拦截系统启动，道闸关闭。 3）结合隧道敞口段U 型槽挡墙设置可拆卸防淹挡板。

6 总结

该文结合工程实例对隧道排水设计及计算进行了详细阐述，并针对极端暴雨天气提出了相关措施，给广大市政隧道排水设计者提供参考，给城市防涝提供一点工程实践经验。