劉 健

(中鐵第四勘察設計院集團有限公司， 湖北 武漢 430063)

武漢三陽路公鐵合建越江隧道地鐵層排水系統(tǒng)設計

劉 健

(中鐵第四勘察設計院集團有限公司， 湖北 武漢 430063)

公鐵合建越江隧道廢水泵房的設置形式直接影響工程的投資和運營安全，是設計的重點和難點。以武漢三陽路公鐵合建越江隧道為依托，根據(jù)工程特點，將公路層和地鐵層的廢水泵房分開設置，提出設置體外泵房、選用潛水泵的體內(nèi)泵房和選用凸輪泵的體內(nèi)泵房3種地鐵層廢水泵房設置方案，并從土建影響、水泵選型、檢修維護及安全性等方面進行綜合比選，最終確定選用凸輪泵的體內(nèi)泵房方案。該方案利用軌道中間及兩側空間做成3個連通的小集水池，采用凸輪泵代替潛水泵作為一級泵，安裝在軌道旁的一級泵房內(nèi)，不僅能減少下沉集水坑的落深，降低對盾構管片的影響，提高安全性，而且便于水泵的日常檢修維護。

公鐵合建隧道； 越江隧道； 排水系統(tǒng)設計； 廢水泵房； 凸輪泵； 潛水泵

0 引言

相比其他穿江過海的交通方式，水下隧道具有不侵占航道凈空、能避免噪聲塵土對周邊環(huán)境的影響、占地少、不破壞環(huán)境、能夠全天候通行等優(yōu)點，近年來在一些沿海(江)城市得到了迅速發(fā)展[1-2]。水下隧道的排水系統(tǒng)直接影響隧道的正常使用和安全運營，是設計的重點和難點。

在隧道排水系統(tǒng)設計方面，地鐵區(qū)間廢水泵房設置在區(qū)間線路實際坡度的最低點，通常與中間風井、聯(lián)絡通道等合建[3-5]。越江區(qū)間合建泵房由于埋深大，長期承受高水壓，常規(guī)設計難以滿足要求，設計和施工難度大[6]。目前國內(nèi)新建地鐵工程過江段已盡量避免在水域下方設置聯(lián)絡通道(兼排水泵站)[7]。南京地鐵3號線和10號線越江區(qū)間均為單洞雙線隧道，采用大直徑盾構施工，利用內(nèi)部空間在隧道最低點設置廢水泵房，廢水一次提升至車站后排出[8]。已有研究主要針對地鐵隧道排水系統(tǒng)，而在公(路)鐵(路)合建隧道排水系統(tǒng)設計方面的研究較少。文獻[9]介紹了高速公路和地鐵合建的上海長江隧道排水系統(tǒng)設計，該隧道地鐵層廢水泵房分解為4個450 mm深的相互連通的小泵坑，每個泵坑內(nèi)設置1臺定制的小體積潛水泵。該隧道雖為公鐵合建越江隧道，但僅預留了軌道交通的土建空間，未考慮機電系統(tǒng)，到目前為止軌道交通建設尚未實施[10]。本文以武漢三陽路公鐵合建越江隧道為依托，重點介紹地鐵層排水系統(tǒng)設計，以期為今后類似工程提供參考。

1 工程概況

武漢三陽路公鐵合建越江隧道為國內(nèi)在建的最大直徑盾構隧道[11]，是公路和軌道交通合建的雙管單向隧道，長度為4 320 m。漢口和武昌江邊各設1座工作井，2座工作井之間采用盾構法施工，越江區(qū)間長度約2 590 m，隧道外徑15.2 m，內(nèi)徑13.9 m，管片厚度 0.65 m。隧道上層為3條行車道和公路排煙道，下層為軌道交通7號線區(qū)間隧道、管廊、疏散通道和地鐵排煙道。軌道交通7號線穿越漢口和武昌中心區(qū)，沿城市南北向客運走廊布設，在長江兩岸設三陽路車站和徐家棚車站，區(qū)間長度3 210 m。越江段軌道交通隧道與公路隧道合建，采用大盾構施工，區(qū)間內(nèi)無橫通道；工作井至車站區(qū)間段與公路隧道分建，采用小盾構施工。線路縱、橫斷面如圖1和圖2所示。

圖1 線路縱斷面(單位： m)

圖2 公鐵合建隧道橫斷面

Fig. 2 Cross-section showing highway and Metro integrated tunnel

2 廢水泵房方案比選

由于該工程公路隧道和軌道交通分屬不同運營單位，因此將公路隧道層和地鐵層廢水泵房分開設置。地鐵層廢水泵房正常運行時可排除結構滲漏水和沖洗水等，消防時可排除消防廢水[12]。地鐵層采用中心溝排水，尺寸為700 mm(寬)×177 mm(高)。考慮到2座工作井到相鄰車站距離較短，因此僅在每條線路越江區(qū)間設置1處廢水泵房。越江段最大埋深約57 m，廢水泵房設置在每條隧道的江中最低點。

本工程防水等級為二級，根據(jù)GB 50108—2008《地下工程防水技術規(guī)范》，其結構滲水量按每天0.05 L/(m2·d)計算；根據(jù)GB 50974—2014《消防給水及消火栓系統(tǒng)技術規(guī)范》，軌道交通區(qū)間排水量取10 L/s。區(qū)間的排水量計算結果見表1，可知本工程最大排水量(含消防排水)為36.3 m3/h。

表1 區(qū)間排水量計算

結合區(qū)間最大排水量、廢水泵房的布置形式及排水泵的選用，設計3種排水方案，并從土建影響、水泵選型、檢修維護及安全性等方面進行比選。

2.1 方案1： 設置體外泵房

在2條隧道最低點處下方隧道體外各設置1座廢水泵房，泵站內(nèi)設置3臺排水泵，2用1備。正常時1臺運行，輪換使用；消防時可2臺同時運行排水；必要時3臺同時啟動。單臺排水泵流量為30 m3/h，揚程80 m，功率37 kW。集水池有效容積按20 m3考慮，集水池尺寸為2 500 mm(長)×4 100 mm(寬)×2 500 mm(高)。方案1廢水泵房布置見圖3。

圖3 方案1廢水泵房布置(單位： mm)

2.2 方案2： 選用潛水泵的體內(nèi)泵房

利用管片的主肋、背板及橫隔板形成集水池，各鑄鐵管片之間用管道在底部相互連通，同時在集水池上方的軌道層局部設凹槽，凹槽尺寸為6 000 mm(長)×4 900 mm(寬)，上邊緣到底部最深1 130 mm，保證鑄鐵管片隔腔有效容積不小于10 m3。為了減小潛水泵的體積，在江中無排煙道段設置二級泵房，利用一級泵的自吸能力將最低點集水池中的廢水集中排至二級泵房內(nèi)，再由二級排水泵提升，通過武昌工作井排出。

定制3臺體積較小的潛水泵，將其安裝在集水池內(nèi)，該方案將廢水泵房設置在隧道體內(nèi)，作為一級泵房，并利用管廊外側空間設置二級泵房和水池，水池有效容積不小于20 m3，水池內(nèi)設3臺二級排水泵，單臺水泵流量30 m3/h，揚程70 m，功率22 kW。正常運行時1臺水泵工作；消防時2臺同時啟動，另外1臺作為備用水泵；必要時3臺水泵同時工作。方案2廢水泵房布置見圖4。

圖4 方案2廢水泵房布置(單位： mm)

2.3 方案3： 選用凸輪泵的體內(nèi)泵房

利用地鐵側部空間設置一級水泵房，并以凸輪泵代替潛水泵作為一級泵，將一級水泵與水池分開設置。

為了進一步減小體內(nèi)泵房占用管片的空間，方案3利用軌道中間及兩側空間做成3個小集水池，3個集水池相互連通，每塊管片至少連通2處，總有效容積不小于10 m3。在中心溝上設置3個下沉集水坑，尺寸為700 mm(長)×700 mm(寬)×250 mm(高)，3臺一級凸輪泵吸入管通過管道分別與3個下沉集水坑相連。為了進一步減小對管片的影響，相鄰的下沉集水坑相隔一塊管片。該方案集水坑落深僅為250 mm，對管片影響較小。單臺水泵流量30 m3/h，揚程10 m，功率4 kW，自帶塵沙斗。方案3廢水泵房布置見圖5。

圖5 方案3廢水泵房布置(單位： mm)

2.4 方案比選

地鐵為系統(tǒng)工程，涉及專業(yè)較多[13-14]，本工程廢水泵房主要與土建、動力照明及外水等相關專業(yè)有接口，但對動力照明及外水影響不大； 因此，從土建影響、水泵選型、檢修維護及安全性等方面對3種方案進行綜合比選，結果見表2。

表2 3種方案比選

由表2可以看出，方案3對土建影響最小。所采用的凸輪泵是一種能夠自吸的容積式正排泵，其工作原理是： 采用2個同步運動的轉子，轉子由1對外置式同步齒輪箱進行傳動，轉子在傳動軸的帶動下進行同步反方向旋轉，旋轉過程中在進口處產(chǎn)生吸力，從而形成較高的真空度和排放壓力[15]。與潛水泵相比，凸輪泵具有以下特點： 1)具有良好的自吸能力，排空時間不大于10 s，吸入高度為8 m，無須安裝在泵坑內(nèi)，可減少占用管片的空間，而且便于日常檢修維護； 2)水泵吸入管通過管道與集水池相連，在自吸情況下，宜保持泵內(nèi)有介質(zhì)，且吸入管管徑不宜過大、長度不宜太長，以免進口端空氣過多，增加泵的干運行時間。雖然一級凸輪泵相比潛水泵啟動延遲，但是排空時間不大于10 s，影響較??；而且由于將一級水泵與水池分開設置，設備檢修維護簡單，安全性好；因此，推薦采用方案3。

3 地鐵層排水系統(tǒng)設計

3.1 設計參數(shù)

廢水泵房正常運行時主要排除結構滲漏水，消防時排除消防廢水，前者注重效率，后者側重安全，所以選擇廢水泵時應兼顧兩者關系。二級泵站選泵應考慮離心泵并聯(lián)工況時出口流量降低對接力排水的不利影響，在設計選型時，需加大水泵揚程。根據(jù)表1的計算結果，本工程水泵選型見表3。

表3 水泵參數(shù)

根據(jù)GB 50157—2013《地鐵設計規(guī)范》，集水池的有效容積應不小于1臺排水泵15～20 min的出水量，因此，集水池的總有效容積不小于10 m3。廢水經(jīng)排水溝匯集到一級集水池內(nèi)，先由一級廢水泵提升至二級泵房水池，再通過二級廢水泵排到隧道外。正常運行時1臺水泵工作； 消防時2臺同時啟動，另1臺備用； 必要時3臺同時工作。水泵的啟動可以根據(jù)水位實現(xiàn)自動控制。

3.2 平面布置

在泵房兩側中心溝上設置2個排水溝沉沙坑，尺寸為600 mm(長)×740 mm(寬)×340mm(高)，上設鑄鐵篦子。利用軌道中間及兩側空間做成3個小集水池， 3個集水池相互連通，每塊管片至少連通2處，總有效容積不小于10 m3。在中心溝上設置3個下沉集水坑，尺寸為700 mm(長)×700 mm(寬)×250 mm(高)，一級凸輪泵吸入管通過管道與下沉集水坑相連。為了進一步減小對管片的影響，相鄰的下沉集水坑相隔一塊管片。

利用地鐵側部空間設置一級水泵房，泵房內(nèi)共設置3臺一級凸輪泵，水泵吸入管通過管道與下沉集水坑相連，利用凸輪泵上方的空間設置二級泵房和水池，水池有效容積不小于20 m3，水池內(nèi)設3臺二級排水泵。系統(tǒng)工作時，利用一級凸輪泵的自吸能力將最低點集水池中的廢水集中排至二級泵房內(nèi)，經(jīng)二級排水泵提升后通過武昌工作井排出。

排水管采用2條DN150不銹鋼管，在地鐵隧道側邊沿隧道往武昌方向敷設，從武昌工作井出地面。2條排水管可互為備用，以提高系統(tǒng)的安全性和可靠性。排水系統(tǒng)具體布置見圖6。

圖6 排水系統(tǒng)布置圖

3.3 水泵控制方式

各級廢水泵均具有液位自動控制、現(xiàn)場手動控制和就近車站車控室遠程監(jiān)控3種方式。廢水池內(nèi)設4檔水位，分別是停泵水位、一泵啟動水位、二泵啟動水位和三泵啟動水位(警戒水位)。液位計自動控制啟停，根據(jù)不同液位確定開啟泵的數(shù)量。其控制要求如下： 1)當水位達到停泵水位時，3臺泵均能停止工作； 2)當水位繼續(xù)上升達到一泵水位時，第1臺泵開啟； 3)當水位繼續(xù)上升達到二泵水位時，第2臺泵開啟； 4)當水位繼續(xù)上升達到三泵啟動水位(警戒水位)時，控制回路保證3臺泵都處于運行狀態(tài)，同時發(fā)出報警信號。

4 結論與建議

本文以武漢三陽路公鐵合建越江隧道為依托，提出3種地鐵層排水系統(tǒng)設計方案，并從土建影響、水泵選型、檢修維護及安全性等方面進行綜合比選，確定了最優(yōu)方案。該方案將地鐵層江中廢水泵房設置在隧道內(nèi)，利用軌道中間及兩側空間做成3個連通的小集水池，在中心溝上設置3個下沉集水坑，利用凸輪泵作為一級泵，安裝在軌道旁的一級泵房內(nèi)，使得一級泵和集水池分開設置。該方案不僅能減小對盾構管片剛度的影響，降低工程施工風險，而且便于水泵日常檢修維護，解決了公鐵合建隧道越江區(qū)段地鐵層江中廢水泵房設置的難題。

地鐵工程是一項系統(tǒng)性工程，涉及專業(yè)多。對于區(qū)間排水設計，尤其是越江區(qū)間，廢水泵房的布置形式受到多種因素的制約，并不是由某一專業(yè)單獨確定的，在設計時應根據(jù)項目特點，各相關專業(yè)在前期做好協(xié)調(diào)溝通工作，以便確定合理的排水系統(tǒng)布置形式。

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Design of Drainage System of Metro Floor of Yangtze River-crossing Highway-Metro Integrated Tunnel on Sanyang Road in Wuhan

LIU Jian

(ChinaRailwaySiyuanSurveyandDesignGroupCo.,Ltd.,Wuhan430063,Hubei,China)

The layout of wastewater pump room of river-crossing highway and Metro integrated tunnel directly affects the engineering investment and operation safety. The wastewater pump room of highway tunnel and that of Metro tunnel of Yangtze River-crossing highway and Metro integrated tunnel are set separately. The layout schemes of wastewater pump room, i.e. pump room outside tunnel, pump room with submersible pump inside tunnel and pump room with lobe pump inside tunnel, are proposed and comprehensively compared in terms of civil engineering influence, pump type selection, inspection and maintenance and safety. The layout scheme of pump room with lobe pump inside tunnel is selected. The 3 collecting basins are set on side of and in the middle of railway; and the lobe pump is taken as Grade 1 pump on Grade 1 pump room. The adopted scheme can reduce the drop depth of sinking collecting basin and the influence on segment, improve the safety and make the daily inspection and maintenance of pump more convenient.

highway and Metro integrated tunnel; Yangtze River-crossing tunnel; drainage system design; wastewater pump room; lobe pump; submersible pump

2016-07-26;

2016-11-10

劉健(1987—)，男，廣東廣州人，2013年畢業(yè)于湖南大學，暖通專業(yè)，碩士，工程師，現(xiàn)主要從事地鐵和市政隧道通風系統(tǒng)與給排水的設計與研究工作。E-mail： hugo654@hotmail.com。

10.3973/j.issn.1672-741X.2017.01.013

U 453.6

A

1672-741X(2017)01-0081-05