“海绵城市”型地铁设计策略探讨

刘剑春

(中铁第一勘察设计院集团有限公司,西安 710043)

1 概述

在城镇化大背景下，我国每年有1 000多万人进城，新建成的建筑相当于世界建筑总量的一半。然而快速城镇化的同时，与之相伴的则是大面积的硬化地面、路面取代了原来的绿地、农田。然而，快速城镇化的过程中，由于我国城市建设长期重地上，轻地下，造成城市地下排水管网建设落后，形成雨污混流，很多城市逐渐开始出现所谓的城市病，而城市内涝、地下水位连续下降、地下水污染日益严重、城市热岛效应，则是城市病的几个主要症状，因此传统的城市发展模式已不能适应城市发展的需要，城镇化的建设必须转型为以注重质量为主的新发展阶段，才能实现可持续发展[1]。党的十八大报告明确提出“面对资源约束趋紧、环境污染严重、生态系统退化的严峻形势，必须树立尊重自然、顺应自然、保护自然的生态文明理念，把生态文明建设放在突出地位”。习近平总书记关于“加强海绵城市建设”的讲话指出，建设生态文明，关系人民福祉，关乎民族未来。2013年12月，中央城镇化工作会议要求“建设自然积存、自然渗透、自然净化的海绵城市”[2]。

地铁工程作为一个城市中体现现代出行、现代城市理念的系统性工程，具有占地大、覆盖面广、牵涉面多的特点，需要对城市市政设施等进行占用和改造，海绵城市的建设也需要对既有和传统的城市建设思路与已建成的城市设施进行改造，两者同作为政府主导的城市基础工程、民生工程，应当在工程建设过程中充分融为一体，由地铁工程的建设作为先导，采取相应的措施，以便更好地为城市发展和城市居民服务。

2 “海绵城市”型地铁组成与功能分析

2.1 海绵城市与其设计原则

海绵城市的国际通用名称为“低影响开发雨水系统”，其含义为使城市具有海绵一样的吸水、存水、释水功能，在雨水处理方面具有较强的适应性，自然降雨时将雨水汇集，经过简单过滤，使其逐渐渗透到地下补充地下水或者汇集到池塘、水池等设施内。海绵城市最重要的是对雨水的吸纳能力，将自然途径与人工措施相结合，最大限度地实现雨水在降雨区域内的就地收集、渗透和净化，促进雨水资源的利用和生态环境、地下水资源的保护[3]。海绵城市原理示意如图1所示。

图1 海绵城市原理示意

目前，“逢雨必涝”已经成为我国城市重大灾害之一。一方面，随着我国城市化快速发展造成的“热岛效应”和“混浊岛效应”增强，城市暴雨现象频率不断增加[4]；另一方面，城市存在大量的硬质铺装，如沥青路面、水泥路面，降雨时水渗透性不好；城市中储水体的减少，无法滞纳短期急剧增加的雨水。目前国内许多城市排水管网设计标准普遍较低，有的地方排水设施不健全、不完善，排水系统建设滞后；在城市建设过程中，自然水体破坏严重，变为城市建设用地后，水面率普遍降低，给城市排水造成径流量增加、调蓄能力下降的双重压力。这是近年来城市内涝频繁发生的重要原因。很多城市因设计标准低、排水设施建设滞后导致的因雨致涝的现象比较严重，但受制于城区管网线路复杂、改造体量大，资金需求度高而难以短时间内改善情况。我国大部分城市位于季风区，对于很多降水不充沛的地区，降雨多集中在很短的几个时点，为此进行全城范围的“外科手术式”的改造费效比不高，难以获得足够的支持[5]。

海绵城市本质是，解决城镇化与资源环境的协调和谐。传统城市开发方式改变了原有的水生态，海绵城市则保护原有的水生态；传统城市的建设模式是粗放式、破坏式的，海绵城市对周边水生态环境则是低影响的；传统城市建成后，地表雨水径流量大幅增加，海绵城市建成后地表径流量能尽量保持不变。

海绵城市作为市政排水的历史性、战略性的转变，主要有以下几方面的特征。

首先，海绵城市建设视雨水为资源，提倡促进雨水的渗透、就近汇集，而不是传统的集中排放[6]。其建设的出发点是顺应自然环境、尊重自然环境。因此就要求城市的建设应该给雨水的处理创造足够的空间，保留和新建更多的湿地、绿化带，以减少城市内涝。

其次，海绵城市建设的目标就是要最大限度地争取雨水的就地下渗。雨水渗入地下可以减少城市地面沉降现象，缓解地面塌陷现象，强化城市自然水系的循环，解决城市缺水难题[7]。

另外，海绵城市依托海绵体调节给排水，大大减少了新建设排水管道和钢筋混凝土水池的工程量，减轻排水管网压力，减少扩建排水管网的投资。能大幅减少水环境污染治理费用，降低城市内涝造成的巨额损失。调蓄设施又往往与城市既有的绿地、园林、景观水体相结合，能取得较好的社会效益。

最后，由于海绵城市对雨水有足够的容纳能力及良好的就地下渗系统，当城市面临急剧的降雨时，城市的防洪防涝能力会更强[3]。

2.2 “海绵城市”型地铁功能的定义与可行性分析

“海绵城市”型地铁的含义是指，在地铁的建设过程中、建设范围内，针对所处环境、针对不同建设阶段，分别采取不同的设计方法、技术措施，借助地铁场地、站点周边的绿化、地面硬化、排水沟、景观等设施，有效利用自然雨水，实现地铁范围内雨水的自然汇集、自然渗透、自然净化、自然积存。

地铁工程与海绵城市工程都是重大城市基础建设项目，两者又都体现了绿色环保现代城市理念，两者的建设都关系着能否解决目前各个城市普遍出现的城市病如拥堵、内涝[8]，能够减轻城市负担、促进城市化发展以及改善城市环境等，而城市环境的改善，必将促进城市的进一步发展，反过来也可以促进地铁的发展。

首先，地铁工程作为政府主导的项目，在其建设中采取部分措施构建“海绵城市”型地铁，可以起到较好的示范效益、带动作用，可以对相应的措施和政策进行试点，为更大范围的推广打下基础。

其次，地铁建设的过程中，本身就要求考虑避免对周边绿化的影响、避免对水系或河道的影响，地铁车辆基地、控制中心等大宗用地内本身也需要进行绿化、道路和景观建设，在其建设过程中采取海绵城市的技术措施，是合理可行的；地铁对沉降要求极高[9]，防止地下水的流失有利于控制工程沉降，保证工程的安全性和耐久性。

再次，海绵城市发展理念所要求的部分措施如屋顶绿化、透水材料、下沉式绿地、雨水回收利用、植被排水沟等均为成熟技术或措施，成本低廉、施工工艺简单、技术成熟[11]，在地铁工程中大规模应用，不会带来工程投资和工期的巨大变化，并且也有助于改善地铁设施周边的环境。

最后，在地铁工程的建设过程中，需要对城市路面、绿地进行开挖与破坏，在工程完成后需对其进行恢复，在恢复过程中采取相应的针对性措施和做法即可实现目标，无需增加额外工程量，无需对站点周边的道路进行二次改造。

结合以上分析，无论从技术可行性、政策的合理性、环境的保护方面，建设“海绵城市”型地铁是合理的，也是可行的。

2.3 “海绵城市”型地铁的特征分析

“海绵城市”型地铁，最主要的含义就是要在城市地铁工程的设计与施工过程中采用各种技术与工程措施，构建施工与建成后的低影响雨水体系，首先尽量维持建设前后沿线和相关场地的水文特性不变，其次是采用渗透、储存等措施，促进雨水的就地汇总、下渗、雨水就近储存，减少汇入城市管网中的雨水量。其主要特征如下。

(1)地铁代表着绿色环保的现代出行方式，海绵型城市的理念也是本着环保宜居的目的，对于缓解城市病，改善城市生态环境均起到积极作用。

(2)地铁作为市政基础建设工程必须要形成网络，覆盖整座城市才能形成较高的社会效益，如果海绵城市的理念能贯穿于地铁建设始终，再搭配以城市综合管廊的建设，那么地铁建成之日也就是沿线道路和沿线站点周边海绵城市社区建成之时。

(3)海绵城市和地铁均需要考虑综合利用城市地下空间，将二者结合建设，避免对城市道路的反复开挖与封闭施工占用，有利于城市出行环境的改善。

(4)通过海绵城市的构建，解决因短时间内急剧降雨而引起的城市严重内涝给地铁带来的防洪压力。

(5)地铁工程对沉降控制的要求极高，“海绵城市”型地铁的建设有利于控制地下水的流失，也有利于控制工程沉降，保证工程的安全性和耐久性。

(6)借助对雨水的充分利用，减少地铁沿线景观日常养护的费用。

总之，对“海绵城市”型地铁而言，其主要特征是应对地铁建设范围内雨水的汇、渗、排、储问题，主要目的就是减少对地铁建设范围内的雨水排放，促进雨水的自然渗透，并辅以建设或改善沿线或场段内的自然景观。

3 “海绵城市”型地铁建设的设计原则

“海绵城市”型地铁，最主要的含义就是要在地铁工程的设计与施工过程中采用各种技术与工程措施，构建施工与建成后的低影响雨水系统，首先尽量维持建设前后的沿线的水文特性不变，其次是采用渗透、储存等措施，促进雨水的就地汇总、下渗、雨水就近储存，减少汇入城市管网中的雨水量。其主要要求如下：

(1)在地铁建设过程中，遇到绿地、河流、湿地、沟渠、湖泊等对象的时候，应当结合周边条件适当避让，避免对以上对象采取迁改、破坏、回填等措施，尽量少占用绿地；

(2)在工程建设范围内采取技术措施，最大程度减少不透水硬化面积，增加雨水渗漏面积，促进雨水的渗透，结合建设区域周边的景观，构建雨水的储存系统，减少直接排入市政管网的水量。

总之，对“海绵城市”型地铁而言，其核心是应对地铁建设范围内雨水的汇、渗、排、储问题，主要目的就是减少对建设范围内的雨水排放，促进雨水的自然渗透。

4 “海绵城市”型地铁的设计策略分析

地铁覆盖面大，海绵城市的技术措施也比较多，为研究如何有效构建“海绵城市”型地铁工程，需根据地铁工程本身的特点，将其拆分为以下4个部分进行详细研究分析。

(1)建设规划、工程可行性研究阶段的设计策略分析。

(2)大宗用地的设计策略分析。

(3)地下车站周边的设计策略分析。

(4)高架段沿线的设计策略分析。

4.1 建设规划、工程可行性研究阶段的设计策略分析

地铁工程一般分为线网规划、建设规划、工程可行性研究、初步设计、施工图设计5个大的阶段，首先，应当依据规划部门的要求，从建设规划、工程可行性研究阶段就要提出“海绵城市”型地铁的相关要求，从工程的前期阶段就提出相应的要求，并将相应的造价纳入地铁建设费用，其次就是在初步设计、施工图设计阶段将“海绵城市”型地铁的设计要求和措施逐步纳入到具体的设计之中。

4.2 大宗用地的设计策略分析

地铁的大宗用地主要是指车辆基地与停车场、控制中心、地面变电站四种，规模从数亩到数十公顷不等，本文以占地最多的车辆基地与停车场为例，车辆基地与停车场往往占地数十公顷，面积大、范围广、建筑密度低、地下建筑面积小，用地范围内建筑高度和容积率也不大，但是其对场地的竖向设计要求较高，对海绵城市型地铁工程构建的成败至关重要，相应的设计策略，可以归结到以下几个方面。

(1)场地内建筑的设计策略

场、段内的建筑主要以多层建筑和单层厂房、仓库、设备用房为主，在有条件的情况下，应尽量的采用绿化屋顶，同时使用落水管引导屋面雨水排入建筑周边绿地之内，或者使用构植草排水沟将雨水引入专门的中水回收处理设施。屋顶绿化构造示意见图2。

图2 屋顶绿化构造示意

(2)场地内路面的设计策略

首先，场地内道路、人行道铺装时应注意采用透水材料铺装的路面，人行道可采用透水地砖铺装或透水混凝土铺装；其次，车行路面高度宜高于周边的绿化带，并且道路坡度应坡向路侧的绿化带，未通过路面下渗的雨水可由路面直接流入绿化带内；最后，场地内停车场的地面应首先选用透水砖或透水混凝土铺装，周边应设置高度低于停车场地面的绿化带。若场地内道路采用了路缘石与绿化带进行分割，则绿化带应同样低于道路并且路缘石每隔一定距离需要设置开口或其他措施，保证道路上的雨水能流入周边绿地内。在透水路面的铺砌方面，应重点参照执行《透水砖路面技术规程》、《透水沥青路面技术规程》、《透水水泥混凝土路面技术规程》等国家颁布的技术标准。透水地面构造如图3所示。

图3 透水地面构造示意

(3)场地内绿化的设计策略

首先，路边的绿化地或停车场周边的绿化地应低于周边铺装地面约0.2 m，以保证足够的汇水深度，其次，绿化带内的植物首先应选择生态功能强并适宜立地条件的适生物种，以降低采购与日常维护的费用[11]；再次，在绿地内应设置溢流口和排水沟，防止因雨水量过多而水面高过道路路面，溢流口下方的排水沟需接入场地内的市政排水接驳设施。下沉式绿地构造示意如图4所示。

图4 下沉式绿地构造示意

(4)场地内排水沟的设计策略

场地内各建筑、地面停车场周边若设置有排水沟，其材料应使用透水性材料，顶部避免设置盖板，应当在排水沟内种植植被，沟内的植被高度宜控制在0.1～0.2 m，以便与周边环境融合。植被排水沟应当汇入场地内的景观水体或与场地内的市政排水设施接驳。植被排水沟构造如图5所示。

(5)场地内景观水体的设计策略

场地内的景观水体应注意构建良性的城市水循环体系，而非碎片化的人造池塘，在有条件的情况下，可以设置多处池塘类的景观水体，在丰富场段内的环境的同时，也可以通过有组织排水将周围绿地内无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。水岸采用种植绿化植被的方式放缓径流，通过渗滤提高水质；在水位下铺设石块或多孔混凝土砌块，其松散的多孔结构适于微生物生长，可以促进排入池塘的雨水中所含的污染物降解和吸收；在湖底铺设防渗透膜以及部分砾石与细砂，以防止在非雨季内池塘过于干枯；通过种植适应各地不同环境的本地水生植物，在气候允许的地区甚至可以在池塘内放养少量观赏鱼类，以构建池塘内更为完善的生态链，达到最大限度的净化水体的目的；应让场地内的所有水体尽量互相连通，并应充分利用现有场地内地形的高差或人为制造高差，使场地内的景观水体系统形成互相连通的活水，提高景观水系的含氧量[13]。海绵型景观水体示意如图6所示。

图5 植被排水沟构造示意(单位：mm)

图6 海绵型景观水体示意

4.3 地下车站周边的设计策略分析

地下车站数量多，分布范围广，施工工期长，对于地下车站而言，“海绵城市”型地铁设计理念的落实应当分为以下几个方面。

(1)施工期间的策略

地铁车站的施工工法，主要分为明挖与暗挖法，暗挖施工的车站，主要是在车站周边建设少量暗挖竖井，此种工法对既有城市道路或绿化占用和破坏不大，且地下水位过高，对暗挖施工安全产生负面影响，在施工过程中必要时还需要采取如降水、注浆等措施以降低地下水位，因此采用暗挖法施工的车站，不宜采用相应的技术措施[13]。采用明挖法施工的车站，其维护结构主要采用围护桩或者地下连续墙，从对地下水的影响来看，地下连续墙则无需抽排地下水，因此在条件允许的情况下，建议车站维护结构优先选用此种结构形式。围护桩的造价低，但是同时需要设置泵站进行抽水作业，抽调的地下水不应直接排入城市施工管网，而是应当在附件修建一处或多处的回灌井，将施工期间抽出的地下水排入回灌井中。

图7 路面处理示意

(2)地面与绿化恢复的设计策略

车站实施过程中，难免对道路和周边的绿化带进行破除占用，在施工完成后的路面或地面恢复阶段，不应采用传统的铺装做法，而应该铺设透水水泥路面或透水沥青路面，人行道和路边的机动车停车场则应优先采用透水地砖进行铺装；绿化带的恢复应当将其修建成下沉绿地，其地面低于城市地面约0.2 m；使雨水能充分回灌渗入地下，在条件允许的情况下还应建设部分具有储水功能的水景设施。路面处理示意见图7。

(3)出入口、风亭周围地面的处理

地铁出入口、风亭周边地面应当采用透水砖或透水水泥混凝土铺装，周边的绿化也应处理成下沉绿地或生物滞留设施。

4.4 高架段沿线的设计策略分析

地铁高架段主要是由柱与桥构成，常规做法是在桥下设置绿化保护带，为了使其具有“海绵城市”型地铁的功能，首先是绿化保护带应当低于周边的城市道路，以便汇集雨水；同时，由于该绿化带负责汇聚的是来自于城市道路路面的雨水，其中含多种污染物和杂质等，如：燃油燃烧污染物和重金属、砂砾、泥土和颗粒物、轮胎磨损物、润滑油、融雪剂、农药等[5]。为避免来自城市道路的雨水携带污染物排入水体或地下，因此应使其具备一定的过滤与滞留功能。另外，高架段往往修建在城市的边缘，因此在有条件的情况下，在高架段周边还应结合城市公园或城市景观，设置一部分的城市景观水体，将绿化带内无法容纳的雨水排入景观水体之内，见图8。

4.5 小结

综合以上分析，在地铁工程中针对不同的对象可以采取透水铺装、下沉绿地、屋顶绿化、景观水体、植被排水沟等多种多样的措施来落实海绵城市的发展理念，取得更好的社会与环境效益。

5 结论

地铁与“海绵城市”的建设都是周期长、投资大、牵涉面广的系统性工程，从海绵城市的概念、可采取措施的角度出发，分析研究了如何实现“海绵城市”型地铁的设计策略，为同类型的项目提供了设计参考。

“海绵城市”型地铁的设计理念对于广大设计人员而言是个新课题，仍需广大设计人员综合地铁与海绵城市的功能与技术措施、工程的可实施性、施工的安全性等各方面的因素，以规划边界、现状边界、工程可实施边界为出发点，在安全、经济、便捷的设计原则下进一步研究。

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