设计案例 | 苏州河深隧调蓄工程综合设施的集约化布置方案
苏州河深隧工程全称苏州河段深层排水调蓄管道系统工程，该工程服务范围主要涉及苏州河中心城区段南北两侧的25个排水系统，总服务面积约为57.92 km2，服务人口约为135万人。建设内容主要包括：一级调蓄管道约为14.7 km，内径为10 m，沿线拟设置8座综合设施；二、三级管道总长度约为37.5 km，管径Φ=3 000～6 000 mm。苏州河深邃调蓄工程总体布置如图1所示。
图1 苏州河深隧调蓄工程总体布置图
雨天通过二、三级管道将入流点汇集的水流收集进入一级调蓄隧道进行储存，旱天通过提升泵站将调蓄的初雨或超标雨水提升后，利用现状合流一期总管的空余能力，输送至末端竹园污水厂进行处理，最终实现系统提标、内涝防治、初雨治理3大目标。
为了对超深土建施工风险进行管控，目前先行实施试验段工程，即系统西部苗圃-云岭西2井1区间段的主隧和综合设施土建工程。
为实现初雨污染控制和排水防涝安全，同时考虑与中心城区周边环境的友好性，苏州河深隧工程的综合设施主要功能有以下方面：漂浮物拦截、入流控制、入流消能、系统排气、旱天放空、沉砂控制、通风除臭等。
苏州河深隧工程系统功能复杂，需要实现系统提标、初雨污染控制、内涝防治等多重目标，对于构筑物的功能需求较多。但是，相较于国外的深隧工程，其综合设施的用地更为紧张和局促，例如苗圃和云岭西两座综合设施的用地仅为国外深隧工程综合设施用地的50%以下(表1)。因此，必须因地制宜地进行系统和功能的整体研究，并对集约化布置技术进行深入的探索和挖掘，从而满足工程需求。
注：括号内为地下占地面积
经研究，苏州河深隧工程综合设施采用地下集约化布置，具有以下优势。
(1)占地面积小，拆迁难度低
对综合设施进行集约化布置，可充分利用深层的地下空间，将大部分建筑和设施布置于地下，通过集约化紧凑布局和地下区域的纵向空间利用将占地面积大幅度降低。同时，平面占地变小，规划落地更为容易，征地拆迁难度明显变小。
(2)位于地下，对外噪声影响小
深隧综合设施采用地下布置为主的集约化布置方式，将预处理设备、通风设备、除臭设备等均布置在地下空间中，可以使噪音得到有效控制，避免对周边环境产生明显的噪音污染。
(3)总体景观效果好、与周边环境协调
深隧综合设施采用地下集约化布置后，大部分设施设备均位于地下，地上仅布置变电所、管理用房、设备间、起吊孔、出入口等必要建筑物、构筑物。地面更多是以绿地、树木、水景等景观绿化为主，不仅可提升场地的空气环境和景观环境，更可以提高与中心城区周边环境的兼容性，有利于获得公众认可。
(4)提高地区总体开发价值
受益于良好的绿化景观效果，深隧综合设施除了初雨污染控制和排水防涝效益外，其综合功能也可显著体现，可以提升周边区域的土地价值、环境价值、公共空间价值以及外延城市综合体价值等，实现环境效益、安全效益与社会效益的最大化。
综合设施采用地下集约化布置也存在部分劣势，具体如下。
(1)设计施工难度增大
苏州河深隧工程位于上海市中心城区，受限于用地条件，施工场地较为狭小，周边环境非常复杂，周边构筑物和各类管线保护要求较高。与此同时，工程超长的设计使用年限(100年)，调蓄混合雨污水的较强腐蚀性，瞬时大流量、高落差跌水对结构的冲刷和振动，软土地基超深基坑的建设风险等特征，对综合设施的设计和施工均提出了较高的要求，整体难度非常大。
(2)工程投资和运行成本较高
综合设施的集约化布置，提高了工程难度和技术要求，大幅增加了地下工程土建投资。同时，由于设备设施长期位于地下封闭空间，对于设备设施的防腐及耐久性标准均有更高的要求。后期主要的运行维护需要在地下完成，对综合设施通风除臭等也提出了较高要求。因此，整体投资及运维成本会相应的增加。
(3)土建二次扩建难度大，需综合考虑远期预留
深隧综合设施(含入流竖井)需要利用地下超深空间，在建设过程中采用地下连续墙维护工艺，因此，建成后较难进行土建改造及扩建。综合设施的规划、设计和建设需要从长远考虑，需充分考虑到各类所需的功能和设施设备，土建规模宜一次性实施到位，从而为远期功能拓展和完善预留充足的空间。
(4)各类不确定性和风险因素增加
由于综合设施主体位于密闭地下空间，各种不可预知、不确定性因素及风险因素与地面常规设施的情况截然不同，必须结合综合设施的具体功能定位、设施布局，充分考虑各类风险因素，包括但不限于防水淹、消防安全、设施设备的运行与维护、自动监测系统的管控、智能管理等方面。
(5)运行难度增加
综合设施的集约化布置使得整体空间布局紧凑，增加了实际运行的难度。目前，国内尚缺少深层调蓄隧道系统运营维护的经验，深隧综合设施布局的理论研究和工程案例也较少。因此，需基于深隧工程的建设、运营、维护等全寿命周期，综合考虑深层调蓄隧道系统的工程安全、建设风险、运营保障等因素，以综合设施为重要和主要着力点，与现状浅层管网紧密衔接，确定深隧工程合理运维模式及应对不同工况的具体方案。
经过综合分析，深隧综合设施地下集约化布置的风险主要集中在水淹、火灾以及有毒有害气体等3个方面。
3.1.1 水淹
综合设施淹水事故可能在以下情景下发生。
(1)降雨的不确定性导致入流量突然增大，如服务范围内发生特大暴雨等情况导致入流水量超过深隧综合设施设计水量，可能导致综合设施溢水淹没设备操作层，并导致安全事故。
(2)运行控制过程中水位控制失误，如进深隧的闸门关闭，但浅层入流闸门未能及时关闭、深隧进水未有效控制导致满溢等。此外，建成后部分管道接口渗漏等也可能造成局部淹水。
(3)地面雨水未及时有效收集，导致倒灌至综合设施地下空间内，引发安全事故。
3.1.2 火灾
可燃物起火是综合设施火灾风险的主要来源。例如，缆起火可能会造成财产损失及人员伤害。由于深隧综合设施内可燃物较少，火灾发生的可能性相对偏低，通常不会发生火灾快速蔓延并引发大规模灾害事故的情形，且可以通过设置防火分区控制火灾蔓延范围。但需要注意的是，综合设施地下区域总体空间有限，应着重考虑排烟防烟及人员的疏散。
3.1.3 有毒有害气体
由于深隧综合设施入流时涉及复杂的气水震荡，且入流的水为混合雨污水，有毒有害气体短时间的大量释放，再加上地下区域的密闭环境，有毒有害气体可能扩散进入综合设施区域，导致险情的发生。另外，如果深隧无法及时排空，内部储存的雨污水也可能产生硫化氢等有毒有害气体，其通过综合设施通道排出，造成潜在危害。
3.2.1 防水淹措施
当深隧服务范围的局部区域出现短历时高强度暴雨时，若发生严重操作失误或设备故障，可能造成综合设施操作层的淹没。厂区雨水倒灌主要在暴雨来临时，地面雨水排水不畅，通过综合设施的出入口、吊装口和疏散口等倒灌至地下空间内部，造成水淹事故。地表雨水倒灌的安全风险经研究，可采取以下措施降低发生水淹的风险。
(1)浅层管网的运行水位应适当降低并可控
当极端暴雨来临时，现状浅层管道和新建二、三级管道的空间可起到较好的调蓄作用，从而减轻综合设施的瞬时进水压力，将入流流速控制在设计范围内，避免综合设施内水面上涨淹没操作层。
(2)提高综合设施操作层标高
在保证综合设施相关功能布局的前提下，应适当提高操作层标高，从而降低水淹风险。
(3)设置进水速闭闸门
深隧综合设施应在进水端设置速闭措施，以保证在突发意外水位较高或综合设施内设备设施运行出现异常时，迅速切断进水。
(4)设置应急排水设施
建议综合设施设计时充分考虑应急排水的功能，设置存水泵排除渗漏水，在极端暴雨、深隧达到设计水位或者事故工况下，将进水临时排放至附近河道中，从而保证综合设施的运行安全。
(5)加强与浅层入流控制设施的联动
加强与浅层入流控制设施的联动，必要时前端二、三级管道可通过接入点流量控制设施，停止入流。
(6)防地表雨水倒灌
暴雨来临时，地面雨水排水不畅，积水通过综合设施的出入口、吊装口和疏散口等倒灌至地下空间内部，可能造成水淹事故。设施应避免选址于低洼地，同时综合设施设计地坪应适当抬高，并在出入口和起吊孔等位置设置防倒灌措施。
(7)制定应急预案
运行过程中应当健全和完善智能控制设施，制定应急预案，并定期进行应急演练。
3.2.2 消防安全措施
目前，国内尚未出台针对排水地下设施的专门防火规范，综合设施的消防设计主要参考《建筑设计防火规范》(2018年版)(GB 50016—2014)中的相关要求。结合国外相关工程经验，深隧综合设施消防安全方面建议如下。
合理划定防火分区，并确定合理的最远疏散距离；设置一定数量的安全防火门、安全疏散通道以及紧急避难走道及紧急疏散口等；根据需要计算是否需设置消防水泵房及自动喷淋系统，配备足量的室内消火栓及灭火器等；配置火灾报警系统；制定应急疏散预案及经常进行演练，确保紧急情况下的人员疏散。
3.2.3 有毒有害气体防范控制措施
综合设施存在有毒有害气体的聚集风险，为保证操作人员的人身安全，必须采取有效措施对有毒有害气体进行防范和控制。对有毒有害气体风险的控制可以从以下方面着手：减少有毒有害气体的产生、加强有毒有害气体的收集及疏导、建立完善相关预警预报系统。
(1)减少有毒有害气体的产生
深隧入流及运行过程中产生的臭气与污水厂接近，主要包括H2S、甲烷、氨气、甲硫醇、甲硫醚、三甲胺等。减少入流过程中有毒有害气体的产生主要应该从优化入流结构、控制入流流态及掺气比着手，具体可结合数学模型及物理模型进行优化设计。减少深隧调蓄过程有毒有害气体的产生，主要可从保持适度通风、避免产生厌氧环境出发。此外，需对综合设施的预处理设施进行有效控制，避免栅渣的长期堆放，并通过加罩及气体收集处理，避免有毒有害气体的产生和散逸。
(2)加强有毒有害气体的收集处理和扩散稀释
有毒有害气体的有效收集是后续处理的基础和前提。收集过程中应保证各产生臭气的单元保持微负压状态，以防止臭气外逸。臭气风量的确定通常需考虑收集要求和集气方式，设计风量过大易造成投资的浪费，设计风量过小则无法保证臭气的控制效果。在有毒有害气体的处理方面，目前成熟的除臭工艺较多。考虑到臭气风量产生的间歇性、不确定性以及较大的波动性，初步建议采用“两级化学洗涤+活性炭吸附”的除臭工艺。
注：①入流竖井臭气收集；②预处理层臭气收集；
③缓冲层臭气收集
图2 深隧综合设施分层臭气收集示意图
在通风和排风方面，根据研究，不同标高层臭气收集在安全高程以下宜独立设置，安全高程后方可交汇，防止臭气收集管道成为雨水的联通道(图2)。
(3)建立相关预警预报系统
建立和完善有毒有害气体的预警预报系统，同时依托苏州河深隧工程智能管理调度平台，加强自动化和智能化管理调度水平，降低人员进出综合设施的时间和频率，降低安全风险。
综合设施集约化布置研究旨在解决苏州河深隧工程功能复杂、构筑物需求多、用地紧张等问题。对综合设施进行地下集约化布置具有占地面积小、拆迁难度低、机械设备隔音效果好、总体景观效果好、与周边环境协调、可提高地区总体开发价值等优点。同时，也存在设计施工难度偏大、工程投资和运行成本较高、土建二次扩建难度大、各类不确定性和风险因素增加、运行模式复杂等缺点。为应对可能存在的安全风险，综合设施地下空间的竖向开发需考虑防淹、防火、防毒等措施。本研究可为苏州河深隧工程综合设施的设计和运行提供技术支持。