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超级泵站:深隧工程

作者:泵友圈


01   引言


2019年9月11日,在深隧泵房的基坑内,40多名工人正在开始封底作业。这座由中国一冶建设的北湖污水处理厂泵房,深48.3米,直径43米,是国内一次成型的最大深隧泵房。



   

深隧调蓄工程技术的发源于美国,世界上第一个大型深隧调蓄工程便是美国芝加哥市的深隧水库工程(Tunnel and Reservoir Plan,TARP)。


当然,我们可能更为熟悉的是日本东京深隧工程——东京“地下神殿”,该工程由荏原公司承办建造。工程按照“五至十年一遇”(以国内标准可达百年一遇)的排水标准建设,总投资2400亿日元(约合人民币200亿元),于1992年开始施工,历时15年,于2007年建成。


在国内,为了提高城市防洪排涝能力和减少初期雨水污染,多个城市排水主管部门提出了采用深层排水调蓄管道系统,也有称深层隧道排水系统(以下简称“深隧”)作为城市排水的重要工程技术方案,其中上海、广州、武汉等城市的深隧排水工程方案已经得到当地市政府批准,先后开始试验段工程施工建设。



02 概念


1. 深隧究竟是怎样的一个“物种”?


其主要构造如下:
主隧道:用于对合流污水、 初雨和暴雨的调蓄、输送。
竖井:合流污水或暴雨径流通过浅层管网管进入深隧的进水点。
排水泵站:转输、放空或 排洪。
通风设施:隧道在充水过程中排气。

排泥设施:隧道的尾端,清除积泥。


示意图


优势:


节约土地资源
提高排水管网系统截流倍数

实现初期雨水处理、控制面源污染,减少地面施工对周边环境的影响,灵活调度污水处理厂运行


缺点:


初期工程费用投资较大。适用于建筑密度较大,拆迁困难地区。   
运行成本高。因位于深层地下空间,运行时的提升泵站电耗较大。   

清理维护成本较高。每次使用过后,需要进行清理维护。


2. 深隧技术分类


(1)雨洪排放隧道

是指为避免城市洪涝灾害而建设的排洪通道,隧道尾端设有大型排洪泵站,最终出路是大江大河水体。典型代表是日本东京的“江户川深隧工程”。

江户川深隧工程(荏原公司提供)


(2)污水输送隧道

是指为主要为收集输送城市污水的地下隧道。典型代表是新加坡的“深隧道污水系统”包括输送、处理、排放三部分。



(3)合流调蓄隧道:

控制合流制的溢流污染(CSO),对合流污水、初期雨水的收集、调蓄和输送,最终送到污水处理厂处理。典型代表是芝加哥市隧道排水系统。特点:隧道有调蓄、截流与输送合流污水的功能。可称为“在线式调蓄隧道”。




3. 排水泵站


江户川深隧系统排水泵站三维图(荏原公司提供)


水泵叶轮(荏原公司提供)


据《广州市深层隧道排水系统东濠涌试验段工程排水泵站排涝泵》招标采购文件显示,设备要求:单台流量6.0m3/s时,扬程11.5~18.5m,静扬程10.5~17.5m。设备数量:8台,业绩要求:须提供从2014年1月1日至今具有任一独立完成(单泵流量≥4m3/S,扬程≥11.5 m)的供货业绩。

而中标公示文件显示,第一中标人为荏原机械(中国)有限公司,金额1560万元人民币。



03 国际市场


1. 日本部分城市深隧工程


目前,日本已建成4条深隧系统,分别为首都圈外围排水深隧(江户川)、东京都环状七号地下深隧(和田弥生干线)、寝室川南部地下深隧以及今井川地下深隧,其长度共计约23.9千米,调蓄量达2180万立方米。


其中江户川排水深隧工程始建于1992年,总投资约200亿人民币,由地下隧道、5座竖井、调压水槽、排水泵房和中控室组成,最大排洪流量可达200立方米/秒。


除此之外还有规划及正在施工中的3条深隧,分别为矢上川地下深隧调节池、鹤见川地下深隧以及东京都古川地下深隧调节池,总长度为11.26千米,调蓄量约640万立方米。


日本东京深层隧道排水系统


   江户川深层排水隧道工程:
• 工程于1992年开始兴建,总投资约200亿人民币。

• 由地下隧道、5座竖井、调压水槽、排水泵房和中控室组成, 最大排洪流量可达200立方米每秒。



结构图


竖井大到什么程度,形象的说,每个的竖井容积可以放得下一座美国的自由女神像,或是一艘航天飞机。


巨大的竖井


江户川深隧系统排水泵站鸟瞰图(荏原公司提供)


江户川深隧系统排水泵机组


江户川深隧系统排水泵站控制室(荏原公司提供)


2. 芝加哥深隧工程


美国第三大城市芝加哥位于湿润性大陆季风气候区,年平均降水量约965毫米,主要集中在夏季。由于雨季内涝频繁发生,溢流污染严重,对其饮用水源地——密歇根湖造成严重污染。


原有的截污管线截留倍数低,大暴雨时仍有污水进入河道, 溢流污染发生的概率大约为每年100次,对河道造成严重污染。因此,芝加哥投资建设了一套长176千米、直径2.5~10.0米、埋深45~106米的深隧系统,旨在减少因污水溢流对水体造成的污染,同时为雨洪提供出水口以减少城市内涝。芝加哥深隧工程设置竖井264个,直径1.2~7.6米; 排水泵站3座,最大的泵站流量3780万立方米/天,提升扬程107米; 地面连接设施超过600个。通过竖井及深隧收集,减少溢流点405处。


收集的雨水通过3座调蓄水库被输送到一个4500万吨/天的超大规模污水处理厂,处理达标后的雨水最终排入自然河流。工程实施后,有效减轻了芝加哥的城市内涝和水体污染,对保护密歇根湖发挥了重要作用。美国芝加哥市是世界上最早、最成功地采用地下深隧技术的城市,芝加哥的成功经验也在美国的其他城市得到推广和应用。

芝加哥隧道水库项目


深隧泵房


提升流量:378万m3/d
提升扬程:107m
服务范围:197个竖井的水输送至本泵房


3. 伦敦深隧工程


伦敦跨泰晤士河下游两岸,面积1605平方千米,属温带海洋性气候,年降水量约594毫米,人口密度为5285人/平方千米。伦敦的下水道系统始建于150多年前,但由于城市人口和面积的增加,原有的排水系统已不足以支持城市发展需要,甚至导致泰晤士河污染问题严重,溢流频发,2007年伦敦政府确定了伦敦泰晤士深层隧道工程方案。




该工程投资36亿英镑,计划2023年建成。深层隧道长度22 千米,两端高度差20米,隧道直径7.22米,调蓄容量850万立方千米,隧道埋深35~75米。


工程建成后泰晤士河的溢流次数将由目前每年60次减少到4次,大幅提高污水收集能力,有效地改善泰晤士河水体环境。


4. 巴黎深隧工程


法国巴黎市从1833年开始着手规划市内下水道系统网络,其地下排水系统建于1856年,总长度2347 千米。


城区下水道均建于地面以下50米处,纵横交错;管道设计采用多功能设计理念,中间是排水道,两旁是供检修人员通行的通道。城区内6000多个地下蓄水池均统一编号,由专业人员负责维护。


巴黎下水道建设创造性地使用了1.5~6.0米的大尺寸管道断面设计,因此目前仍能满足排水的需要,旱季污水和雨季洪水均能顺利排放。此外,其还在管道上方预留了安装电力、供水等其他管道的空间,大大提高了地下空间的利用率。


5. 新加坡深隧工程


新加坡地处热带,多年平均降水量2355毫米,降水充沛, 其地势低洼且四面环海,因此经常遭受水淹困扰。


存在的问题主要包括:①污水处理厂小而分散;②污水处理设施距离居民区较近,容易产生臭味污染;③城市用地紧张,限制了污水处理设施的扩建等。




针对现有问题,新加坡政府采取措施拟建设一条长48千米、直径6米、埋深20~55米的污水隧道,以及50千米长的污水连接管,将所有污水收集输送到一座800万立方米/天的污水厂处理。工程建成后有助于置换原有分散的污水厂和泵站用地,从而用于城市建设,同步提升周围物业的土地价值。目前新加坡深隧工程已完成一期工程建设,二期工程在2014年签订了建设合同,正在施工之中。


典型深隧工程案例一览


04 国内市场



1. 广州


2014年11月17日广州东濠涌深层隧道终于获批,将修建“一主七副”8条深层隧道,共约90公里,预计花费约250亿元。据方案,深隧系统主线从大坦沙岛到黄埔区,将现有的大坦沙、猎德、大沙地3座污水处理厂有效连接。6条深隧支线分别埋设在珠江北岸6条河涌——东濠涌、猎德涌、沙河涌、石井河、驷马涌、车陂涌周边或下面。


广州市中心城区深隧总体思路


试点工程


东濠涌深工程方案


包括一条长1.77公里、内径5.3米的排水隧道,东风路、中山三路、玉带濠、 沿江路4个入流井及相应的 预处理设施,直径3米的新 河浦涌支管,1座泵站(补水、排空、排洪),运行调度控制系统等。东濠涌深隧的设计使用 年限为100年。



项目将在地下40米深处,建设外径6米的深层隧道。最大排水量达到48立方米/秒。工程的最核心部分——水泵,同样是由荏原机械(中国)有限公司承建,单台水泵流量达到6立方米/秒。


2. 上海


上海苏州河段深层排水调蓄管道系统工程(苏州河深隧工程)规划于2016年3月获上海市政府批复,日前上海市发改委批复试验段工程可行性报告,项目已进入初步设计及开工准备阶段。


工程西起虹桥临空地区,东至苏州河福建北路,管道直径10米,全长15.3公里,配套管网35.4公里。综合设施8座(包括竖井、通风设施、变配电间等)提升泵站1座,规模15m3/s(设于梦清园),二三级管道37.5km,管径3m~6m。初期雨水处理厂1座(拟设于竹园污水处理厂西北角预留用地,另行单独立项建设),本工程服务范围包括苏州河沿岸25个排水系统,总面积约58平方公里,服务人口135万人。



由于工程面临特深竖井、超深覆土盾构施工等超高难度挑战,为积累土建施工风险控制经验,决定先行实施试验段土建工程,并于2017年6月28日正式开工建设。
试验段包括新建一级调蓄管道和苗圃、云岭西2座综合设施,管道内径10米、地下深度为60米。



试验段位于整体主隧工程西端,包含2井1区间,西起苗圃综合设施,东至云岭西综合设施,全长1670米,总投资约为22亿元。

3. 武汉


大东湖深隧工程是全国首条深层污水传输隧道,让污水处理走地下,建成后满足污水处理厂自身升级改造及环保要求,近期日均传输经过预处理的污水80万吨。




大东湖深隧工程起于武汉二郎庙污水处理厂,沿沙湖大道和欢乐大道敷设至三环线,转至武鄂高速公路,经严西湖和北湖公园内敷设至北湖污水处理厂,跨越武昌、洪山、东湖风景区、青山等4个行政区,建设内容主要包括主隧、支隧等污水深隧系统,以及沙湖污水提升泵站,二郎庙、落步嘴、武东三大预处理站等地表完善系统,于2018年5月全面开工。





该工程主隧全长约17.5公里,是目前国内传输流量最大、输送距离最长、首次在主城区采用全地下式污水预处理站的深层排污隧道,直径为3~3.4米,主隧工程共要开挖9个竖井,深度均超过32米,最大深度51.5米,竖井完成后盾构机进入井底,从而进行区间隧道的掘进,施工难度极大。


北湖污水处理厂设计日处理污水80万吨,远期达150万吨,体量之大在国内基建领域少见。



项目建成后,沿线200平方公里的所有污水将通过一条长17多公里的深隧传输至污水处理厂内,将污水处理高于国家一级A标准后排放,从根本上解决大东湖地区的污水处理等水环境难题。


该工程近期将服务包括武昌沙湖、二郎庙、落步嘴及白玉山污水收集系统,总的服务面积为130平方公里,远期将增加武钢和龙王嘴污水收集系统,总的服务面积约为200平方公里。


武汉北湖污水处理厂是武汉治理城市污水的核心枢纽,而深隧泵房是连接武汉北湖污水处理厂和武汉深隧的重要节点工程。深隧泵房深度48米、直径43米。深基坑在国内少见,在水处理项目上更是首例。

深隧泵房


深隧泵房主体是一个巨大圆柱体,基坑面积约2000平方米,普挖深度46.35米,坑中坑深度48.3米,局部电梯井深度47.9米,基坑周长约210米,东西长约73米,南北宽约46米,将穿越地下的土沙层、岩土层。


4. 深圳


深圳南山排水深隧系统工程是流域雨水进入前海片区水系的最后一道屏障,通过对上游近期旱季漏排污水和初小雨的拦截,最大限度削减进入前海水系的污染负荷,以改善前海和大铲湾湾区水环境,同时解决上游南山片区多年内涝问题。




建设时间:初步设计阶段
功能: 防治合流制溢流污染、初雨调蓄、行洪通道
长度:4.1公里
直径: 4~7米

埋深: 35m~40m米


05   趋势


美国国家环保局(USEPA)曾经全面推崇深隧调蓄作为城市雨洪管理基础设施。然而,深隧工程设施造价高、工期长、影响面广、运行维护费用高等问题已经成为其在美国推广应用和技术发展的障碍,促使人们不断提高可持续发展理念,采用人与自然和谐的新技术和新方法。近年来,美国各地在深隧工程技术的基础上,开发自然生态的绿色雨洪管理设施,已经形成了新型的城市雨洪可持续管理体系,并不断得到完善和推广应用,进而取代深隧工程技术方案。


美国芝加哥市的深隧水库工程(Tunneland Reservoir Plan,TARP)是世界上第一个大型深隧调蓄工程,施工期规划为1975~1985年。在建设过程中,先后遇到过建设资金不足,环境影响质疑和其他技术问题,TARP的施工建设多次延期,一期工程先后耗时30余年,到2006年才全部完工,工期为原计划工期的3倍,工程建设总投资也从初期预算的19亿美元增至23.38亿美元。二期工程原定工期为1983~2003年,工程造价约9亿美元,由于一些不可预见的因素,也使其工期一再拖延,目前预定2029年全部完工。关于TARP的工程造价,上述造价数据只包括了TARP工程建设费用本身。根据美国土木工程师协会(USACE)提供的数据,截至2014年,TARP工程与其所有配套附属设施的全部建设投资金额高达84.902 4亿美元。可以看出,排水深隧的附属设施建设投资可能远大于深隧设施建设投资本身。


在20世纪末的30年间,USEPA认为排水深隧是解决城市雨污溢流的首选技术方案,美国许多大中城市先后规划或准备修建排水深隧调蓄工程。然而,随着USEPA对雨污排放管理范围的扩大,美国许多地方政府出现了建设投资负担加重,财政紧张等问题,污水超标排放的地区和城市数量不断增加,给美国各级政府带来巨大压力。因此,2007年USEPA通过调查研究,首次提出雨洪管理绿色基础设施理念,开始改变了对深隧设施的依赖。下面是几个典型实例。


辛辛那提市于2002年提出计划,至2018年底将雨污溢流总量减少85%,制定了雨洪管理工程规划,其中包括修建长度为25.5 km、容积为757万m3   的深隧调蓄设施。2010年,该市提出采用雨洪管理绿色基础设施规划,决定放弃修建深隧,改为林克闰溪河道治理,恢复河道自然状态,修建湿地公园和调蓄绿地等绿色设施。与排水深隧调蓄方案比较,工程造价减少了1.5亿美元,节约了大量土地资源。


纽约市于2005年计划修建2条造价分别为13亿和8亿美元的排水深隧调蓄设施。近年来,该市积极探索绿色发展道路,将2个大型深隧项目推迟实施,首先兴建一系列绿色雨洪调节设施,并改建和新建一批雨水管网,吸纳蓄滞10%不透水地面的25 mm初雨,每年将雨污溢流总量减少568万m3 。纽约市政府期望这些新型绿色雨洪调节设施能够完全替代原计划的深隧调蓄项目。绿色雨洪调节设施建设费用与原计划的深隧调蓄方案相比将节省投资14亿美元。


首都华盛顿特区于2005年制定计划,在2005~2025年间投资26亿美元,修建3条总长达21 km的排水深隧以及其他设施,将雨污溢流降低96%。2013年初,特区提出将原计划中的一条蓄水容积为3.6万m3 的深隧取消,将另一条深隧容积从22万m3 减至11万m3 。取而代之的是在部分区域实施雨污分流改造和建设绿色雨洪管理设施。


费城于2009年制定计划,修建3条排水深隧,总长为45 km,直径为4.5~10.5 m。随后,该市开始绿色雨洪基础设施的研究和探索,将计划中的深隧工程改为工程造价为16.7亿美元的绿色雨洪管理基础设施,包括河道治理、绿色屋顶、生态花坛、透水路面、城市公园及开放空间绿地,可在今后的25年间,将城市中1/3的不透水地表变为透水铺面或绿地,能够吸纳储存25 mm的降雨量。


此外,许多已经修建了深隧的城市,如密尔沃基、印第波利斯、克利夫兰、奥马哈、芝加哥等,也在积极探索和实施绿色城市排水系统建设的新型技术方法。

致谢:本文在撰写过程中,得到了荏原公司市场部吴丹华女士的热心帮助,提供了新闻线索及相关材料,在此感谢!


【引用材料】

1.给水排水:《关于深层调蓄管道在排水系统中应用的若干思考》同济大学环境科学与工程学院刘遂庆

2.武汉广电掌上武汉:《国内最大深隧泵房冲刺“封底”》

3.《深层隧道排水系统规划研究》,作者不详

4.《深层隧道排水系统工程简介》,作者不详

5.《深层隧道排水技术介绍》,深圳市市政设计研究院有限公司杨曦

6.中国防汛抗旱:《世界上著名的深隧系统听说过吗?来了解一下》

7.凤凰网:广州拟花250亿元建设90公里深隧治理排污

8.北京日通在线:《东京神秘的“地下神庙”》

9.隧道网:《上海苏州河段深层排水调蓄管道系统工程试验段工可报告获批》

10.楚天都市报:《记者探秘大东湖深隧工程:建成后,半个武昌城的污水将乘“专列”进处理厂》

11.中国中冶:《蓝色畅想丨地下48米!揭秘国内首个水处理深隧泵房建设难题 》



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