“海綿城市”型地鐵設計策略探討

劉劍春

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司,西安 710043)

1 概述

在城鎮化大背景下，我國每年有1 000多萬人進城，新建成的建筑相當于世界建筑總量的一半。然而快速城鎮化的同時，與之相伴的則是大面積的硬化地面、路面取代了原來的綠地、農田。然而，快速城鎮化的過程中，由于我國城市建設長期重地上，輕地下，造成城市地下排水管網建設落后，形成雨污混流，很多城市逐漸開始出現所謂的城市病，而城市內澇、地下水位連續下降、地下水污染日益嚴重、城市熱島效應，則是城市病的幾個主要癥狀，因此傳統的城市發展模式已不能適應城市發展的需要，城鎮化的建設必須轉型為以注重質量為主的新發展階段，才能實現可持續發展[1]。黨的十八大報告明確提出“面對資源約束趨緊、環境污染嚴重、生態系統退化的嚴峻形勢，必須樹立尊重自然、順應自然、保護自然的生態文明理念，把生態文明建設放在突出地位”。習近平總書記關于“加強海綿城市建設”的講話指出，建設生態文明，關系人民福祉，關乎民族未來。2013年12月，中央城鎮化工作會議要求“建設自然積存、自然滲透、自然凈化的海綿城市”[2]。

地鐵工程作為一個城市中體現現代出行、現代城市理念的系統性工程，具有占地大、覆蓋面廣、牽涉面多的特點，需要對城市市政設施等進行占用和改造，海綿城市的建設也需要對既有和傳統的城市建設思路與已建成的城市設施進行改造，兩者同作為政府主導的城市基礎工程、民生工程，應當在工程建設過程中充分融為一體，由地鐵工程的建設作為先導，采取相應的措施，以便更好地為城市發展和城市居民服務。

2 “海綿城市”型地鐵組成與功能分析

2.1 海綿城市與其設計原則

海綿城市的國際通用名稱為“低影響開發雨水系統”，其含義為使城市具有海綿一樣的吸水、存水、釋水功能，在雨水處理方面具有較強的適應性，自然降雨時將雨水匯集，經過簡單過濾，使其逐漸滲透到地下補充地下水或者匯集到池塘、水池等設施內。海綿城市最重要的是對雨水的吸納能力，將自然途徑與人工措施相結合，最大限度地實現雨水在降雨區域內的就地收集、滲透和凈化，促進雨水資源的利用和生態環境、地下水資源的保護[3]。海綿城市原理示意如圖1所示。

圖1 海綿城市原理示意

目前，“逢雨必澇”已經成為我國城市重大災害之一。一方面，隨著我國城市化快速發展造成的“熱島效應”和“混濁島效應”增強，城市暴雨現象頻率不斷增加[4]；另一方面，城市存在大量的硬質鋪裝，如瀝青路面、水泥路面，降雨時水滲透性不好；城市中儲水體的減少，無法滯納短期急劇增加的雨水。目前國內許多城市排水管網設計標準普遍較低，有的地方排水設施不健全、不完善，排水系統建設滯后；在城市建設過程中，自然水體破壞嚴重，變為城市建設用地后，水面率普遍降低，給城市排水造成徑流量增加、調蓄能力下降的雙重壓力。這是近年來城市內澇頻繁發生的重要原因。很多城市因設計標準低、排水設施建設滯后導致的因雨致澇的現象比較嚴重，但受制于城區管網線路復雜、改造體量大，資金需求度高而難以短時間內改善情況。我國大部分城市位于季風區，對于很多降水不充沛的地區，降雨多集中在很短的幾個時點，為此進行全城范圍的“外科手術式”的改造費效比不高，難以獲得足夠的支持[5]。

海綿城市本質是，解決城鎮化與資源環境的協調和諧。傳統城市開發方式改變了原有的水生態，海綿城市則保護原有的水生態；傳統城市的建設模式是粗放式、破壞式的，海綿城市對周邊水生態環境則是低影響的；傳統城市建成后，地表雨水徑流量大幅增加，海綿城市建成后地表徑流量能盡量保持不變。

海綿城市作為市政排水的歷史性、戰略性的轉變，主要有以下幾方面的特征。

首先，海綿城市建設視雨水為資源，提倡促進雨水的滲透、就近匯集，而不是傳統的集中排放[6]。其建設的出發點是順應自然環境、尊重自然環境。因此就要求城市的建設應該給雨水的處理創造足夠的空間，保留和新建更多的濕地、綠化帶，以減少城市內澇。

其次，海綿城市建設的目標就是要最大限度地爭取雨水的就地下滲。雨水滲入地下可以減少城市地面沉降現象，緩解地面塌陷現象，強化城市自然水系的循環，解決城市缺水難題[7]。

另外，海綿城市依托海綿體調節給排水，大大減少了新建設排水管道和鋼筋混凝土水池的工程量，減輕排水管網壓力，減少擴建排水管網的投資。能大幅減少水環境污染治理費用，降低城市內澇造成的巨額損失。調蓄設施又往往與城市既有的綠地、園林、景觀水體相結合，能取得較好的社會效益。

最后，由于海綿城市對雨水有足夠的容納能力及良好的就地下滲系統，當城市面臨急劇的降雨時，城市的防洪防澇能力會更強[3]。

2.2 “海綿城市”型地鐵功能的定義與可行性分析

“海綿城市”型地鐵的含義是指，在地鐵的建設過程中、建設范圍內，針對所處環境、針對不同建設階段，分別采取不同的設計方法、技術措施，借助地鐵場地、站點周邊的綠化、地面硬化、排水溝、景觀等設施，有效利用自然雨水，實現地鐵范圍內雨水的自然匯集、自然滲透、自然凈化、自然積存。

地鐵工程與海綿城市工程都是重大城市基礎建設項目，兩者又都體現了綠色環保現代城市理念，兩者的建設都關系著能否解決目前各個城市普遍出現的城市病如擁堵、內澇[8]，能夠減輕城市負擔、促進城市化發展以及改善城市環境等，而城市環境的改善，必將促進城市的進一步發展，反過來也可以促進地鐵的發展。

首先，地鐵工程作為政府主導的項目，在其建設中采取部分措施構建“海綿城市”型地鐵，可以起到較好的示范效益、帶動作用，可以對相應的措施和政策進行試點，為更大范圍的推廣打下基礎。

其次，地鐵建設的過程中，本身就要求考慮避免對周邊綠化的影響、避免對水系或河道的影響，地鐵車輛基地、控制中心等大宗用地內本身也需要進行綠化、道路和景觀建設，在其建設過程中采取海綿城市的技術措施，是合理可行的；地鐵對沉降要求極高[9]，防止地下水的流失有利于控制工程沉降，保證工程的安全性和耐久性。

再次，海綿城市發展理念所要求的部分措施如屋頂綠化、透水材料、下沉式綠地、雨水回收利用、植被排水溝等均為成熟技術或措施，成本低廉、施工工藝簡單、技術成熟[11]，在地鐵工程中大規模應用，不會帶來工程投資和工期的巨大變化，并且也有助于改善地鐵設施周邊的環境。

最后，在地鐵工程的建設過程中，需要對城市路面、綠地進行開挖與破壞，在工程完成后需對其進行恢復，在恢復過程中采取相應的針對性措施和做法即可實現目標，無需增加額外工程量，無需對站點周邊的道路進行二次改造。

結合以上分析，無論從技術可行性、政策的合理性、環境的保護方面，建設“海綿城市”型地鐵是合理的，也是可行的。

2.3 “海綿城市”型地鐵的特征分析

“海綿城市”型地鐵，最主要的含義就是要在城市地鐵工程的設計與施工過程中采用各種技術與工程措施，構建施工與建成后的低影響雨水體系，首先盡量維持建設前后沿線和相關場地的水文特性不變，其次是采用滲透、儲存等措施，促進雨水的就地匯總、下滲、雨水就近儲存，減少匯入城市管網中的雨水量。其主要特征如下。

(1)地鐵代表著綠色環保的現代出行方式，海綿型城市的理念也是本著環保宜居的目的，對于緩解城市病，改善城市生態環境均起到積極作用。

(2)地鐵作為市政基礎建設工程必須要形成網絡，覆蓋整座城市才能形成較高的社會效益，如果海綿城市的理念能貫穿于地鐵建設始終，再搭配以城市綜合管廊的建設，那么地鐵建成之日也就是沿線道路和沿線站點周邊海綿城市社區建成之時。

(3)海綿城市和地鐵均需要考慮綜合利用城市地下空間，將二者結合建設，避免對城市道路的反復開挖與封閉施工占用，有利于城市出行環境的改善。

(4)通過海綿城市的構建，解決因短時間內急劇降雨而引起的城市嚴重內澇給地鐵帶來的防洪壓力。

(5)地鐵工程對沉降控制的要求極高，“海綿城市”型地鐵的建設有利于控制地下水的流失，也有利于控制工程沉降，保證工程的安全性和耐久性。

(6)借助對雨水的充分利用，減少地鐵沿線景觀日常養護的費用。

總之，對“海綿城市”型地鐵而言，其主要特征是應對地鐵建設范圍內雨水的匯、滲、排、儲問題，主要目的就是減少對地鐵建設范圍內的雨水排放，促進雨水的自然滲透，并輔以建設或改善沿線或場段內的自然景觀。

3 “海綿城市”型地鐵建設的設計原則

“海綿城市”型地鐵，最主要的含義就是要在地鐵工程的設計與施工過程中采用各種技術與工程措施，構建施工與建成后的低影響雨水系統，首先盡量維持建設前后的沿線的水文特性不變，其次是采用滲透、儲存等措施，促進雨水的就地匯總、下滲、雨水就近儲存，減少匯入城市管網中的雨水量。其主要要求如下：

(1)在地鐵建設過程中，遇到綠地、河流、濕地、溝渠、湖泊等對象的時候，應當結合周邊條件適當避讓，避免對以上對象采取遷改、破壞、回填等措施，盡量少占用綠地；

(2)在工程建設范圍內采取技術措施，最大程度減少不透水硬化面積，增加雨水滲漏面積，促進雨水的滲透，結合建設區域周邊的景觀，構建雨水的儲存系統，減少直接排入市政管網的水量。

總之，對“海綿城市”型地鐵而言，其核心是應對地鐵建設范圍內雨水的匯、滲、排、儲問題，主要目的就是減少對建設范圍內的雨水排放，促進雨水的自然滲透。

4 “海綿城市”型地鐵的設計策略分析

地鐵覆蓋面大，海綿城市的技術措施也比較多，為研究如何有效構建“海綿城市”型地鐵工程，需根據地鐵工程本身的特點，將其拆分為以下4個部分進行詳細研究分析。

(1)建設規劃、工程可行性研究階段的設計策略分析。

(2)大宗用地的設計策略分析。

(3)地下車站周邊的設計策略分析。

(4)高架段沿線的設計策略分析。

4.1 建設規劃、工程可行性研究階段的設計策略分析

地鐵工程一般分為線網規劃、建設規劃、工程可行性研究、初步設計、施工圖設計5個大的階段，首先，應當依據規劃部門的要求，從建設規劃、工程可行性研究階段就要提出“海綿城市”型地鐵的相關要求，從工程的前期階段就提出相應的要求，并將相應的造價納入地鐵建設費用，其次就是在初步設計、施工圖設計階段將“海綿城市”型地鐵的設計要求和措施逐步納入到具體的設計之中。

4.2 大宗用地的設計策略分析

地鐵的大宗用地主要是指車輛基地與停車場、控制中心、地面變電站四種，規模從數畝到數十公頃不等，本文以占地最多的車輛基地與停車場為例，車輛基地與停車場往往占地數十公頃，面積大、范圍廣、建筑密度低、地下建筑面積小，用地范圍內建筑高度和容積率也不大，但是其對場地的豎向設計要求較高，對海綿城市型地鐵工程構建的成敗至關重要，相應的設計策略，可以歸結到以下幾個方面。

(1)場地內建筑的設計策略

場、段內的建筑主要以多層建筑和單層廠房、倉庫、設備用房為主，在有條件的情況下，應盡量的采用綠化屋頂，同時使用落水管引導屋面雨水排入建筑周邊綠地之內，或者使用構植草排水溝將雨水引入專門的中水回收處理設施。屋頂綠化構造示意見圖2。

圖2 屋頂綠化構造示意

(2)場地內路面的設計策略

首先，場地內道路、人行道鋪裝時應注意采用透水材料鋪裝的路面，人行道可采用透水地磚鋪裝或透水混凝土鋪裝；其次，車行路面高度宜高于周邊的綠化帶，并且道路坡度應坡向路側的綠化帶，未通過路面下滲的雨水可由路面直接流入綠化帶內；最后，場地內停車場的地面應首先選用透水磚或透水混凝土鋪裝，周邊應設置高度低于停車場地面的綠化帶。若場地內道路采用了路緣石與綠化帶進行分割，則綠化帶應同樣低于道路并且路緣石每隔一定距離需要設置開口或其他措施，保證道路上的雨水能流入周邊綠地內。在透水路面的鋪砌方面，應重點參照執行《透水磚路面技術規程》、《透水瀝青路面技術規程》、《透水水泥混凝土路面技術規程》等國家頒布的技術標準。透水地面構造如圖3所示。

圖3 透水地面構造示意

(3)場地內綠化的設計策略

首先，路邊的綠化地或停車場周邊的綠化地應低于周邊鋪裝地面約0.2 m，以保證足夠的匯水深度，其次，綠化帶內的植物首先應選擇生態功能強并適宜立地條件的適生物種，以降低采購與日常維護的費用[11]；再次，在綠地內應設置溢流口和排水溝，防止因雨水量過多而水面高過道路路面，溢流口下方的排水溝需接入場地內的市政排水接駁設施。下沉式綠地構造示意如圖4所示。

圖4 下沉式綠地構造示意

(4)場地內排水溝的設計策略

場地內各建筑、地面停車場周邊若設置有排水溝，其材料應使用透水性材料，頂部避免設置蓋板，應當在排水溝內種植植被，溝內的植被高度宜控制在0.1～0.2 m，以便與周邊環境融合。植被排水溝應當匯入場地內的景觀水體或與場地內的市政排水設施接駁。植被排水溝構造如圖5所示。

(5)場地內景觀水體的設計策略

場地內的景觀水體應注意構建良性的城市水循環體系，而非碎片化的人造池塘，在有條件的情況下，可以設置多處池塘類的景觀水體，在豐富場段內的環境的同時，也可以通過有組織排水將周圍綠地內無法存蓄的雨水首先引入池塘而不是直接排入城市的雨水管道。水岸采用種植綠化植被的方式放緩徑流，通過滲濾提高水質；在水位下鋪設石塊或多孔混凝土砌塊，其松散的多孔結構適于微生物生長，可以促進排入池塘的雨水中所含的污染物降解和吸收；在湖底鋪設防滲透膜以及部分礫石與細砂，以防止在非雨季內池塘過于干枯；通過種植適應各地不同環境的本地水生植物，在氣候允許的地區甚至可以在池塘內放養少量觀賞魚類，以構建池塘內更為完善的生態鏈，達到最大限度的凈化水體的目的；應讓場地內的所有水體盡量互相連通，并應充分利用現有場地內地形的高差或人為制造高差，使場地內的景觀水體系統形成互相連通的活水，提高景觀水系的含氧量[13]。海綿型景觀水體示意如圖6所示。

圖5 植被排水溝構造示意(單位：mm)

圖6 海綿型景觀水體示意

4.3 地下車站周邊的設計策略分析

地下車站數量多，分布范圍廣，施工工期長，對于地下車站而言，“海綿城市”型地鐵設計理念的落實應當分為以下幾個方面。

(1)施工期間的策略

地鐵車站的施工工法，主要分為明挖與暗挖法，暗挖施工的車站，主要是在車站周邊建設少量暗挖豎井，此種工法對既有城市道路或綠化占用和破壞不大，且地下水位過高，對暗挖施工安全產生負面影響，在施工過程中必要時還需要采取如降水、注漿等措施以降低地下水位，因此采用暗挖法施工的車站，不宜采用相應的技術措施[13]。采用明挖法施工的車站，其維護結構主要采用圍護樁或者地下連續墻，從對地下水的影響來看，地下連續墻則無需抽排地下水，因此在條件允許的情況下，建議車站維護結構優先選用此種結構形式。圍護樁的造價低，但是同時需要設置泵站進行抽水作業，抽調的地下水不應直接排入城市施工管網，而是應當在附件修建一處或多處的回灌井，將施工期間抽出的地下水排入回灌井中。

圖7 路面處理示意

(2)地面與綠化恢復的設計策略

車站實施過程中，難免對道路和周邊的綠化帶進行破除占用，在施工完成后的路面或地面恢復階段，不應采用傳統的鋪裝做法，而應該鋪設透水水泥路面或透水瀝青路面，人行道和路邊的機動車停車場則應優先采用透水地磚進行鋪裝；綠化帶的恢復應當將其修建成下沉綠地，其地面低于城市地面約0.2 m；使雨水能充分回灌滲入地下，在條件允許的情況下還應建設部分具有儲水功能的水景設施。路面處理示意見圖7。

(3)出入口、風亭周圍地面的處理

地鐵出入口、風亭周邊地面應當采用透水磚或透水水泥混凝土鋪裝，周邊的綠化也應處理成下沉綠地或生物滯留設施。

4.4 高架段沿線的設計策略分析

地鐵高架段主要是由柱與橋構成，常規做法是在橋下設置綠化保護帶，為了使其具有“海綿城市”型地鐵的功能，首先是綠化保護帶應當低于周邊的城市道路，以便匯集雨水；同時，由于該綠化帶負責匯聚的是來自于城市道路路面的雨水，其中含多種污染物和雜質等，如：燃油燃燒污染物和重金屬、砂礫、泥土和顆粒物、輪胎磨損物、潤滑油、融雪劑、農藥等[5]。為避免來自城市道路的雨水攜帶污染物排入水體或地下，因此應使其具備一定的過濾與滯留功能。另外，高架段往往修建在城市的邊緣，因此在有條件的情況下，在高架段周邊還應結合城市公園或城市景觀，設置一部分的城市景觀水體，將綠化帶內無法容納的雨水排入景觀水體之內，見圖8。

4.5 小結

綜合以上分析，在地鐵工程中針對不同的對象可以采取透水鋪裝、下沉綠地、屋頂綠化、景觀水體、植被排水溝等多種多樣的措施來落實海綿城市的發展理念，取得更好的社會與環境效益。

5 結論

地鐵與“海綿城市”的建設都是周期長、投資大、牽涉面廣的系統性工程，從海綿城市的概念、可采取措施的角度出發，分析研究了如何實現“海綿城市”型地鐵的設計策略，為同類型的項目提供了設計參考。

“海綿城市”型地鐵的設計理念對于廣大設計人員而言是個新課題，仍需廣大設計人員綜合地鐵與海綿城市的功能與技術措施、工程的可實施性、施工的安全性等各方面的因素，以規劃邊界、現狀邊界、工程可實施邊界為出發點，在安全、經濟、便捷的設計原則下進一步研究。

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