唐 健， 周金忠， 范太興， 張忠品， 杜金海， 陳長(zhǎng)江

(中鐵隧道勘測(cè)設(shè)計(jì)院有限公司， 天津 300133)

0 引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，人們出行對(duì)水域通行的要求越來(lái)越高，水下隧道以其特有的方式成為過(guò)江的首選。盾構(gòu)法施工的過(guò)江交通隧道(簡(jiǎn)稱過(guò)江隧道)，其廢水包括隧道結(jié)構(gòu)滲漏水、日常運(yùn)營(yíng)清洗廢水、消防廢水及消防水管爆管產(chǎn)生廢水(簡(jiǎn)稱消防管爆管廢水)等。由于過(guò)江隧道的廢水無(wú)法通過(guò)自流方式排出隧道[1-3]，如果不及時(shí)排除就會(huì)影響隧道正常運(yùn)營(yíng)[4-5]。過(guò)江隧道廢水排水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，主要體現(xiàn)在排水能力[6]、水泵選型[7]、提升方案[8]等方面，因此，廢水排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)的第一目標(biāo)為： 合理設(shè)計(jì)廢水泵站的排水能力，及時(shí)排除各種廢水。

文獻(xiàn)[2]介紹了青島膠州灣海底隧道廢水排水方案的設(shè)計(jì)情況； 文獻(xiàn)[3]介紹了南京地鐵3號(hào)線地鐵過(guò)江隧道廢水排水方案的設(shè)計(jì)情況； 文獻(xiàn)[8]主要介紹了海河隧道的雨水排水設(shè)計(jì)系統(tǒng)； 文獻(xiàn)[9-14]主要對(duì)城市隧道排水系統(tǒng)、消防給水系統(tǒng)和自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)如何合理設(shè)計(jì)進(jìn)行了分析和探討。以上文章均針對(duì)單座隧道的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行探討，對(duì)同類隧道的廢水排水系統(tǒng)無(wú)橫向比較。本次南京調(diào)研的4條水下交通隧道，根據(jù)功能分為2條地鐵過(guò)江隧道和2條公路過(guò)江隧道，隧道所處的地質(zhì)條件基本相同，外部影響因素相近，如過(guò)江段單次掘進(jìn)線路長(zhǎng)度均較長(zhǎng)、地質(zhì)條件均較復(fù)雜、沿線水頭壓力均較高、覆土厚度變化均較大等。但在隧道內(nèi)的設(shè)備布置，尤其是廢水排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面有許多不同點(diǎn)，因此具有一定的可比性。

1 地鐵過(guò)江隧道廢水排水系統(tǒng)概述

1.1 工程概況

南京地鐵3號(hào)線下穿長(zhǎng)江段為浦珠路站—濱江路站區(qū)間(簡(jiǎn)稱南京3號(hào)線過(guò)江隧道)，該隧道線路全長(zhǎng)3 353.945 m，過(guò)江段約2 159 m，最大縱坡為28‰，埋深為8～40 m，300年一遇沖刷條件下，隧道頂部覆土厚度約為5 m，深槽段穿越地層主要為粉細(xì)砂和含礫中粗砂層，土層滲透系數(shù)較大，透水性好。南京3號(hào)線過(guò)江隧道平面和縱剖面如圖1(a)和圖1(c)所示。

南京地鐵10號(hào)線下穿長(zhǎng)江段區(qū)間(簡(jiǎn)稱南京10號(hào)線過(guò)江隧道)起點(diǎn)位于長(zhǎng)江北岸的中間風(fēng)井，線路出中間風(fēng)井后，在緯七路過(guò)江隧道南側(cè)向東依次穿越長(zhǎng)江北岸大堤、城南河、潛洲、長(zhǎng)江主航道、梅子洲江防大堤，到達(dá)南岸的江心洲站，隧道線路全長(zhǎng)3 600 m，過(guò)江段約2 627 m，最大縱坡度為28‰，埋深為9.4～37 m，在300年一遇洪水沖刷下，隧道頂部覆土厚度約為5.3 m，地質(zhì)與3號(hào)線穿越土層相似，透水性好，壓縮性低。南京10號(hào)線過(guò)江隧道平面和縱剖面如圖1(b)和圖1(d)所示。

(a) 南京3號(hào)線過(guò)江隧道平面圖 (b) 南京10號(hào)線過(guò)江隧道平面圖

(d) 南京10號(hào)線過(guò)江隧道縱剖面圖

1.2 廢水的來(lái)源與組成

地鐵過(guò)江隧道結(jié)構(gòu)滲漏水量比較少，現(xiàn)場(chǎng)考察南京地鐵3、10號(hào)線過(guò)江隧道時(shí)，發(fā)現(xiàn)隧道側(cè)溝很干燥；隧道內(nèi)的沖洗廢水，一般僅在沖洗隧道時(shí)才產(chǎn)生，而地鐵過(guò)江隧道沖洗頻率很低且沖洗水量也很??；消防廢水量相對(duì)比較大，但僅在發(fā)生隧道火災(zāi)時(shí)才產(chǎn)生。因此，地鐵過(guò)江隧道廢水量主要是消防廢水量。

由于地鐵過(guò)江隧道火災(zāi)當(dāng)量值較小，故目前國(guó)內(nèi)地鐵過(guò)江隧道僅設(shè)置消火栓給水系統(tǒng)，消防水由車站消防水源提供。當(dāng)發(fā)生嚴(yán)重火災(zāi)，而室內(nèi)消防用水量不滿足滅火要求時(shí)，室外消防用水通過(guò)“消防車+水泵接合器”供應(yīng)到隧道內(nèi)，用于消防滅火。因此，消防廢水量應(yīng)為室內(nèi)、外消火栓系統(tǒng)的消防水量之和，即廢水流量為72 m3/h，廢水泵站的排水能力應(yīng)按消防廢水量確定，即72 m3/h。但考慮到地鐵隧道內(nèi)一旦發(fā)生火災(zāi)，一般就不再往著火區(qū)間發(fā)車，并且適量的消防廢水積水也不影響列車運(yùn)行。所以，在困難情況下，廢水泵站的排水能力也可以按室內(nèi)消火栓系統(tǒng)的消防廢水量確定，不考慮室外，即也可按36 m3/h考慮。

設(shè)計(jì)南京地鐵3、10號(hào)線過(guò)江隧道時(shí)，執(zhí)行的規(guī)范為GB 50157—2003《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》(簡(jiǎn)稱舊版《地鐵規(guī)范》)。舊版《地鐵規(guī)范》第13.3.5條第1款規(guī)定：“區(qū)間排水泵站、輔助排水泵站及車站排水泵房應(yīng)設(shè)2臺(tái)排水泵，平時(shí)1臺(tái)工作；當(dāng)排除消防廢水時(shí)，2臺(tái)泵同時(shí)工作；排水泵的總排水能力，按消防時(shí)的排水量和結(jié)構(gòu)滲水量之和確定。位于水域下的區(qū)間及車站排水泵站，應(yīng)增設(shè)1臺(tái)排水泵，每臺(tái)排水泵的排水能力應(yīng)大于最大小時(shí)排水量的1/2?！备鶕?jù)上述要求，考慮其他不可預(yù)見(jiàn)的情況，廢水泵站的排水能力按36～72 m3/h考慮，單臺(tái)廢水泵設(shè)計(jì)流量取值應(yīng)為18～36 m3/h。

1.3 廢水泵流量的確定

現(xiàn)將南京3、10號(hào)線過(guò)江隧道的廢水排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)情況羅列如下，見(jiàn)表1。

表1南京3、10號(hào)線過(guò)江隧道廢水排水系統(tǒng)比較

Table 1 Comparison of wastewater drainage system between river-crossing tunnels on Line No. 3 and No. 10 of Nanjing Metro

廢水排水系統(tǒng)廢水泵房座數(shù)廢水泵臺(tái)數(shù)每臺(tái)廢水泵流量/(m3/h)3號(hào)線隧道1共3臺(tái)3510號(hào)線隧道3每座3臺(tái),共9臺(tái)25

由表1可知，南京3號(hào)線過(guò)江隧道消防廢水排水能力按室內(nèi)外消防用水量之和考慮，而南京10號(hào)線過(guò)江隧道消防廢水排水能力只按室內(nèi)消防用水量考慮。所以，南京3號(hào)線過(guò)江隧道對(duì)廢水泵房的排水能力考慮得相對(duì)合理。

新版GB 50157—2013《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》(簡(jiǎn)稱新版《地鐵規(guī)范》)第14.3.5條第1款中取消了“位于水域下的區(qū)間及車站排水泵站，應(yīng)增設(shè)1臺(tái)排水泵”的要求。上述修改對(duì)盾構(gòu)過(guò)江隧道特別有意義，一是盾構(gòu)過(guò)江隧道結(jié)構(gòu)滲漏水量很小，水泵運(yùn)營(yíng)時(shí)間很短，維修時(shí)間很多，不必增設(shè)備用排水泵；二是盾構(gòu)過(guò)江隧道內(nèi)部布置緊湊，布置水泵空間緊張。從修改中也可以看出： 在盾構(gòu)過(guò)江隧道中，廢水泵房的排水能力只要滿足排除消防廢水即可，不必備用排水泵。

2 地鐵過(guò)江隧道廢水排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 廢水提升方案

南京3、10號(hào)線過(guò)江隧道均于2009年開(kāi)始初步設(shè)計(jì)，2010年開(kāi)始施工圖設(shè)計(jì)，當(dāng)時(shí)執(zhí)行的規(guī)范為舊版《地鐵規(guī)范》。舊版《地鐵規(guī)范》第12.3.4條第1款規(guī)定：“區(qū)間隧道主排水泵站應(yīng)設(shè)置在線路實(shí)際坡度最低點(diǎn)，每座泵站所擔(dān)負(fù)的區(qū)間長(zhǎng)度，單線不應(yīng)大于3 km，雙線不應(yīng)大于1.5 km”。

南京3號(hào)線過(guò)江隧道總長(zhǎng)度約為3 353 m，南京10號(hào)線過(guò)江隧道總長(zhǎng)度約為3 600 m。根據(jù)上述規(guī)范中雙線隧道排水泵房服務(wù)長(zhǎng)度不應(yīng)大于1.5 km的要求，其排水系統(tǒng)提升方案均應(yīng)設(shè)計(jì)為2級(jí)提升方案，這就說(shuō)明除了在江底設(shè)廢水泵房外，還需另外設(shè)置2座輔助廢水泵房，即一共設(shè)計(jì)3座廢水泵房，每座廢水泵房?jī)?nèi)需要設(shè)置3臺(tái)廢水泵，以滿足規(guī)范要求及隧道實(shí)際排水需要。

南京10號(hào)線過(guò)江隧道設(shè)計(jì)人員按舊版《地鐵規(guī)范》要求，將廢水排水系統(tǒng)提升方案定為2級(jí)提升方案(針對(duì)盾構(gòu)隧道段)，即分別在里程為DK12+090.000、DK13+056.500、DK14+090.000處各設(shè)置1座廢水泵房，每座泵房均設(shè)置3臺(tái)廢水泵，平時(shí)互為備用，消防時(shí)兩用一備，事故時(shí)同時(shí)使用。廢水2級(jí)提升方案見(jiàn)圖2。

圖2 南京10號(hào)線過(guò)江隧道廢水2級(jí)提升方案 (單位： m)

Fig. 2 Relay lifting scheme for wastewater in river-crossing tunnel on Line No. 10 of Nanjing Metro (unit: m)

1#廢水泵房出水管通過(guò)區(qū)間接至江心洲站廢水泵房廢水池，經(jīng)車站廢水泵房接力后排至室外壓力窨井，再就近接入市政污水管道； 2#廢水泵房出水管通過(guò)區(qū)間接至3#廢水泵房的廢水池； 3#廢水泵房出水管通過(guò)區(qū)間接至中間風(fēng)井廢水泵房廢水池，經(jīng)中間風(fēng)井廢水泵房接力后排至室外壓力窨井，再就近接入市政污水管道。泵房布置情況見(jiàn)表2。

表2南京10號(hào)線過(guò)江隧道廢水泵房布置

Table 2 Arrangement of wastewater pump rooms for river-crossing tunnel on Line No. 10 of Nanjing Metro

廢水泵房廢水泵臺(tái)數(shù)廢水泵參數(shù)泵房中心里程1#3Q=25m3/h、H=58m、P=22kWDK12+090.0002#3Q=25m3/h、H=40m、P=15kWDK13+056.5003#3Q=25m3/h、H=48m、P=22kWDK14+090.000

注：Q為流量；H為揚(yáng)程；P為功率。

設(shè)計(jì)南京3號(hào)線過(guò)江隧道時(shí)，認(rèn)為舊版《地鐵規(guī)范》第13.3.4條的要求有一定的合理性，但在特殊情況下應(yīng)該可以做適當(dāng)?shù)耐黄?。例如，在青島海下道路隧道廢水排水設(shè)計(jì)中，廢水泵站的服務(wù)長(zhǎng)度達(dá)到4 km，遠(yuǎn)大于1.5 km，并且運(yùn)行很成功。為此，也咨詢了國(guó)內(nèi)隧道界的一些相關(guān)專家，專家也認(rèn)同這種設(shè)計(jì)思路。因此，將南京3號(hào)線過(guò)江隧道的系統(tǒng)提升方案設(shè)計(jì)為1級(jí)提升方案(針對(duì)盾構(gòu)隧道段)，即將隧道最低點(diǎn)的廢水先提升至車站廢水泵房，再由車站廢水泵提升至室外排水管網(wǎng)，廢水1級(jí)提升方案見(jiàn)圖3。在隧道最低點(diǎn)設(shè)置1座廢水泵房，泵房設(shè)置3臺(tái)廢水泵，平時(shí)互為備用，消防時(shí)兩用一備，事故時(shí)同時(shí)使用，廢水泵參數(shù)為Q=35 m3/h、H=50 m、P=11 kW。

圖3 南京3號(hào)線過(guò)江隧道廢水一級(jí)提升方案 (單位： m)

Fig. 3 Once lifting scheme for wastewater in river-crossing tunnel on Line No. 3 of Nanjing Metro (unit: m)

新版《地鐵規(guī)范》對(duì)于此條予以修正(第14.3.4條第1款)，提出“區(qū)間隧道主排水泵站應(yīng)設(shè)置在線路實(shí)際坡度最低點(diǎn)”，僅對(duì)區(qū)間主排水泵站的設(shè)置位置作出要求，對(duì)主排水泵站的服務(wù)長(zhǎng)度不再有相關(guān)距離限制。這也從另一方面證實(shí)，南京地鐵3號(hào)線過(guò)江隧道的廢水排水系統(tǒng)提升方案是完全合理的。

2.2 提升方案比較

從泵房投資、運(yùn)營(yíng)費(fèi)用、管理難度等角度對(duì)南京3、10號(hào)線過(guò)江隧道系統(tǒng)提升方案進(jìn)行比較，具體內(nèi)容見(jiàn)表3。前期投資主要包括泵房的土建費(fèi)用、設(shè)備費(fèi)用及相關(guān)的配套費(fèi)用，其中因廢水泵房而增加的土建費(fèi)用基本可以忽略；設(shè)備投資主要包括水泵、管材、電纜等。后期費(fèi)用主要為設(shè)備管理運(yùn)營(yíng)費(fèi)用，如電費(fèi)、檢修維護(hù)費(fèi)等，因?yàn)槠綍r(shí)廢水量很小，廢水泵運(yùn)營(yíng)時(shí)間很少，使得后期費(fèi)用較低。由表3可知，不管是前期投資還是后期管理運(yùn)行，1級(jí)提升方案均優(yōu)于2級(jí)提升方案；由于不設(shè)置中間廢水泵，有利于利用隧道下部空間，如鋪設(shè)過(guò)江電纜。

表3 南京3、10號(hào)線過(guò)江隧道排水系統(tǒng)提升方案比較

2.3 隧道斷面布置

南京3、10號(hào)線過(guò)江隧道段均采用內(nèi)徑10.2 m的單洞雙線越江方案。根據(jù)功能需要，將隧道斷面分為3個(gè)部分： 上部為縱向排煙道，用于消防或緊急情況下的排煙；中間部分為上下行地鐵車行道；下部為廊道(主要滿足廢水排水系統(tǒng)功能)。中隔墻兩側(cè)設(shè)置縱向疏散平臺(tái)，供隧道維修和防災(zāi)疏散使用。隧道橫斷面布局如圖4所示。

2.4 廢水泵房布置

南京3號(hào)線過(guò)江隧道設(shè)計(jì)廢水泵房時(shí)，因?yàn)槭芩淼罃嗝嬗绊?，只能布置在道床與疏散平臺(tái)下方的位置。由于無(wú)法預(yù)埋廢水泵吊鉤，也無(wú)法設(shè)置起吊裝置，因此只能在列車停止運(yùn)營(yíng)后，采用人工手段將水泵提升至道床面進(jìn)行檢修，容易造成廢水泵檢修與列車運(yùn)行之間的沖突。為此，提出了局部動(dòng)態(tài)干式廢水泵房的設(shè)計(jì)理念(已申請(qǐng)發(fā)明與實(shí)用新型專利，專利號(hào)： ZL 2016 2 0375444.8)，具體做法是將廢水池設(shè)置成3格，底部設(shè)置連通管與閘閥；每格內(nèi)設(shè)置1臺(tái)廢水泵，當(dāng)某一臺(tái)廢水泵需要檢修時(shí)，關(guān)閉對(duì)應(yīng)連通管上的閘板，使需要檢修的廢水泵所在的格完全獨(dú)立，并用臨時(shí)小泵將水抽至其余格內(nèi)，由于其余2格水池及廢水泵可正常工作，因此某臺(tái)廢水泵檢修不影響整個(gè)廢水泵房的正常運(yùn)行。由于廢水泵在廢水池的某一格內(nèi)檢修，不必將水泵提升至道床面進(jìn)行檢修，所以廢水泵檢修與列車運(yùn)行之間不會(huì)相互影響。局部動(dòng)態(tài)干式廢水泵房布置平面圖及剖面圖見(jiàn)圖5和圖6[5]。

圖4 單洞雙線盾構(gòu)隧道橫斷面圖(單位： mm)

Fig. 4 Cross-section of single-tube double-track shield tunnel (unit: mm)

圖5 局部動(dòng)態(tài)干式廢水泵房布置平面圖

圖6 局部動(dòng)態(tài)干式廢水泵房縱剖面圖

設(shè)計(jì)思路如下，將廢水泵房設(shè)計(jì)為3格，底部用管道和進(jìn)水廊道相連，并在連接管設(shè)置閘板，每格水池分別設(shè)置水泵吊裝孔及檢修人孔。水泵的維修流程為：當(dāng)1#廢水池內(nèi)的水泵出現(xiàn)故障時(shí)，首先啟動(dòng)2#、3#廢水泵，將整個(gè)水池的水抽至最低水位，然后關(guān)閉閘板a，用備用的小型移動(dòng)泵將1#廢水池的余水抽至2#廢水池，當(dāng)水位降至小型移動(dòng)泵的停泵水位時(shí)，檢修人員通過(guò)檢修人孔進(jìn)入池內(nèi)對(duì)水泵進(jìn)行檢修； 同理，當(dāng)2#(或3#)廢水泵出現(xiàn)故障時(shí)，打開(kāi)其余2臺(tái)水泵，將水抽至最低水位，然后關(guān)閉閘板b(或c)，并用移動(dòng)檢修水泵將余水抽至其余2格廢水池，工作人員通過(guò)檢修人孔進(jìn)入池內(nèi)對(duì)設(shè)備進(jìn)行檢測(cè)或維修。也就是說(shuō)，廢水泵初次安裝時(shí)，通過(guò)吊裝孔吊入安裝；廢水泵日常維修時(shí)，工作人員通過(guò)檢修人孔進(jìn)入廢水池檢修廢水泵，檢修不影響地鐵運(yùn)營(yíng)；廢水泵損耗嚴(yán)重需要更換時(shí)，等到晚間地鐵停運(yùn)后，通過(guò)吊裝孔吊出運(yùn)走。這種廢水泵房形式的優(yōu)點(diǎn)為： 廢水泵房占用空間小，廢水泵維修方便，維修不影響地鐵正常運(yùn)營(yíng)；單臺(tái)設(shè)備檢修不影響整座泵房的正常進(jìn)水、排水。

南京10號(hào)線過(guò)江隧道的廢水泵房按常規(guī)設(shè)計(jì)，即廢水池為單格水池，如果廢水泵在廢水池內(nèi)檢修，需要將整個(gè)廢水池的水全部抽干，隧道的排水系統(tǒng)會(huì)暫時(shí)無(wú)法工作；如果將廢水泵人工提升到軌面上維修，廢水泵維修會(huì)影響列車運(yùn)營(yíng)。其方便性、安全性遠(yuǎn)不如采用局部動(dòng)態(tài)干式廢水泵房，特別是3#廢水泵房除自身排水外，還要排除2#廢水泵房轉(zhuǎn)輸來(lái)的廢水，一旦3#廢水泵房?jī)?nèi)廢水泵需要檢修時(shí)，將會(huì)影響2#廢水泵房的正常運(yùn)營(yíng)。因此，南京10號(hào)過(guò)江隧道線采用的傳統(tǒng)廢水池做法存在一定的安全隱患，相比之下，南京3號(hào)線過(guò)江隧道采用的創(chuàng)新性廢水泵房布置形式，其方便性、安全性均得到較大提高。

3 道路過(guò)江隧道廢水排水系統(tǒng)概述

3.1 工程概況

南京緯七路過(guò)江隧道工程位于南京長(zhǎng)江大橋與三橋之間，為連接南京市主城區(qū)與江北浦口區(qū)的城市道路交通越江通道，通道總長(zhǎng)約6 165 m，道路等級(jí)為城市快速路，按6車道規(guī)模建設(shè)，設(shè)計(jì)車速為80 km/h，采用“左汊盾構(gòu)隧道+右汊橋梁”方案。左汊隧道是采用盾構(gòu)法修建的越江隧道，從江北浦口區(qū)黃家村下地，穿過(guò)長(zhǎng)江主航道到江心洲；右汊橋梁全長(zhǎng)近640 m，采用獨(dú)柱塔自錨式懸索橋，主橋一跨過(guò)江與河西相接。主體工程包括江北接線道路、江北收費(fèi)廣場(chǎng)、過(guò)江隧道、江心洲地面道路、江心洲至江南跨夾江大橋等，其中過(guò)江隧道由左右線盾構(gòu)隧道組成，建筑長(zhǎng)度約3 790 m，其中盾構(gòu)段長(zhǎng)度為3 020 m，該過(guò)江隧道采用盾構(gòu)法施工，盾構(gòu)直徑為14.89 m。隧道平面布置圖見(jiàn)圖7(a)。

南京緯三路過(guò)江隧道工程位于南京長(zhǎng)江大橋與南京緯七路過(guò)江隧道之間，是快速聯(lián)系南京江北新區(qū)、河西新城及南京主城的過(guò)江通道。緯三路過(guò)江通道北起浦口區(qū)頂山街道頂山轉(zhuǎn)盤(pán)西側(cè)，跨越沙子河路、江北濱江大道，以隧道形式穿越長(zhǎng)江、江南的濱江大道后，南管隧道與定淮門大街順接，北管隧道與揚(yáng)子江大道順接，共分南北(N/S)2條線，跨越長(zhǎng)江后，止于江南的濱江大道及定淮門大街。道路標(biāo)準(zhǔn)為城市快速路，設(shè)計(jì)時(shí)速80 km，采用雙管雙層雙向8車道的布置形式，每條隧道分上下2層，每層2車道，同層同向行駛，上下層對(duì)向行車，即上層為江北至江南方向，下層為江南至江北方向。其中，N線全長(zhǎng)7 014 m，隧道盾構(gòu)段長(zhǎng)3 557 m； S線南線全長(zhǎng)7 363 m，隧道盾構(gòu)段長(zhǎng)4 135 m。隧道平面圖如圖7(b)所示。

(a) 南京緯七路過(guò)江隧道

(b) 南京緯三路過(guò)江隧道

Fig. 7 Plan of river-crossing tunnels on municipal road in Nanjing

3.2 廢水的來(lái)源與組成

確定道路過(guò)江隧道消防廢水量時(shí)，不但要考慮室內(nèi)消火栓系統(tǒng)的消防水量，還要考慮室外消火栓系統(tǒng)的消防水量，因?yàn)榘l(fā)生大火時(shí)，室外消防用水也通過(guò)水泵接合器供應(yīng)到隧道內(nèi)，用于消防滅火；同時(shí)，還要考慮自動(dòng)滅火系統(tǒng)的消防廢水量。不同的道路過(guò)江隧道設(shè)計(jì)(或預(yù)留)的自動(dòng)滅火系統(tǒng)往往有所不同，而不同的自動(dòng)滅火系統(tǒng)產(chǎn)生的消防廢水量也不同，消防廢水量應(yīng)根據(jù)具體情況確定。

道路過(guò)江隧道廢水主要是消防廢水，所以廢水泵站的排水能力主要考慮消防廢水量。但當(dāng)預(yù)留自動(dòng)滅火系統(tǒng)時(shí)，還應(yīng)該考慮該部分的消防廢水量，因?yàn)閺U水排水系統(tǒng)一旦設(shè)計(jì)安裝完畢，再要增加其排水能力困難比較大，有時(shí)還很難實(shí)現(xiàn)；其次，廢水泵站的排水能力只要滿足排除消防廢水即可，不必備用排水泵，因?yàn)槎軜?gòu)過(guò)江隧道內(nèi)常流水少，同時(shí)布置水泵的空間緊張。

3.3 廢水泵流量的確定

南京緯七路過(guò)江隧道設(shè)計(jì)消火栓系統(tǒng)、水噴霧系統(tǒng)時(shí)，其排水能力為消火栓系統(tǒng)廢水量與水噴霧系統(tǒng)廢水量之和。其中，消火栓系統(tǒng)用水量為20 L/s，水噴霧系統(tǒng)用水量為90 L/s，即消火栓系統(tǒng)和水噴霧系統(tǒng)同時(shí)使用時(shí)，最大廢水量為110 L/s。廢水泵房?jī)?nèi)均設(shè)3臺(tái)排水泵，平時(shí)1臺(tái)工作，火災(zāi)時(shí)3臺(tái)泵同時(shí)工作，即排水泵的總排水能力按消防時(shí)的廢水量確定。因此，排水泵站的排水能力至少為396 m3/h，單臺(tái)水泵設(shè)計(jì)流量至少為132 m3/h。

南京緯三路過(guò)江隧道設(shè)計(jì)時(shí)考慮預(yù)留泡沫/水噴霧系統(tǒng)，故江中廢水排水系統(tǒng)排水量按預(yù)留泡沫/水噴霧消防廢水流量考慮，其排水能力為消火栓系統(tǒng)廢水量與水噴霧系統(tǒng)廢水量之和。其中，消火栓系統(tǒng)用水量為20 L/s，泡沫/水噴霧噴頭近程噴頭的流量為120 L/min，遠(yuǎn)程噴頭的流量為273 L/min，發(fā)生火災(zāi)時(shí)相鄰2組噴頭同時(shí)發(fā)生作用，共10組噴頭噴水，故總流量為72 L/s，即消火栓系統(tǒng)和泡沫/水噴霧系統(tǒng)同時(shí)使用時(shí)，最大廢水量為92 L/s。廢水泵房?jī)?nèi)均設(shè)4臺(tái)排水泵，平時(shí)1臺(tái)工作，火災(zāi)時(shí)三用一備，即3臺(tái)排水泵的排水能力按消防時(shí)的廢水量確定。因此，排水泵站的排水能力至少為330 m3/h，單臺(tái)水泵設(shè)計(jì)流量至少為110 m3/h?，F(xiàn)將廢水排水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)情況羅列如下，見(jiàn)表4。

南京緯三、七路過(guò)江隧道消防廢水量均只按室內(nèi)消防用水量考慮，沒(méi)有考慮室外消防用水量，這是不合理的。當(dāng)火災(zāi)情況嚴(yán)重時(shí)，室外消防用水也通過(guò)水泵接合器供應(yīng)到隧道內(nèi)，用于消防滅火，如果不將這部分廢水及時(shí)排掉，會(huì)影響車輛安全疏散。消防廢水排水能力之所以要考慮得如此保守，主要和盾構(gòu)隧道特點(diǎn)有關(guān)，一旦隧道內(nèi)發(fā)生火災(zāi)，由于沒(méi)有中間連通道以供車輛掉頭，很多車輛只能繼續(xù)往隧道最低點(diǎn)方向前進(jìn)；同時(shí)也和道路隧道交通工具有關(guān)，如果隧道最低處的消防廢水積水到一定高度，會(huì)導(dǎo)致行駛至此的汽車熄火，影響后續(xù)車輛疏散。所以，廢水排水能力必須考慮所有消防廢水，包括室內(nèi)、外消防廢水，自動(dòng)滅火系統(tǒng)消防廢水，預(yù)留消防系統(tǒng)的消防廢水。

如果考慮室外消防廢水量，南京緯七、三路過(guò)江隧道排水能力至少為504 m3/h 和440 m3/h，單臺(tái)水泵設(shè)計(jì)流量至少為168 m3/h和146 m3/h，所以實(shí)際排水能力嚴(yán)重不足。同時(shí)，考慮到盾構(gòu)過(guò)江隧道結(jié)構(gòu)滲漏水量很小、盾構(gòu)過(guò)江隧道內(nèi)布置水泵的空間緊張，南京緯三路無(wú)需設(shè)置備用排水泵。

表4 南京緯七、三路過(guò)江隧道廢水排水系統(tǒng)比較

4 道路過(guò)江隧道廢水排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)

4.1 廢水提升方案

緯七路過(guò)江隧道縱斷面呈“V”字型，最大坡度為4.5%，其中浦口引道段長(zhǎng)219.5 m，浦口暗埋段及工作井長(zhǎng)198 m，盾構(gòu)段長(zhǎng)3 020 m；江心洲暗埋段及工作井長(zhǎng)250 m，引道段長(zhǎng)217.5 m；隧道全長(zhǎng)3 468 m，含敞開(kāi)段建筑全長(zhǎng)3 905 m。廢水排水系統(tǒng)工作原理為： 在隧道最低點(diǎn)處和工作井底部均設(shè)有廢水泵房，分段收集隧道內(nèi)廢水，再分級(jí)提升排出隧道。排水泵房布置及排水去向如圖8所示。

圖8 南京緯七路過(guò)江隧道排水示意圖

Fig. 8 Sketch of drainage diagram of river-crossing tunnel on Weiqilu municipal road

盾構(gòu)隧道段設(shè)江中廢水泵房，廢水排水系統(tǒng)采用1級(jí)提升方案，將廢水提升到盾構(gòu)工作井內(nèi)的廢水泵房廢水池內(nèi)。根據(jù)盾構(gòu)段隧道縱斷面情況，在左、右線過(guò)江隧道設(shè)廢水泵房，每個(gè)廢水泵房集水池內(nèi)均設(shè)3臺(tái)廢水排水泵。廢水排水泵出水匯集到一根DN300的揚(yáng)水總管內(nèi)，沿隧道車道板下部地溝內(nèi)縱向敷設(shè)，將廢水送到江心洲工作井內(nèi)的廢水泵房集水池內(nèi)。盾構(gòu)隧道段廢水泵房布置情況見(jiàn)表5。

表5南京緯七路過(guò)江隧道泵房布置

Table 5 Pump room arrangement of river-crossing tunnel on Weiqilu municipal road

廢水泵房廢水泵臺(tái)數(shù)廢水泵參數(shù)排水去向左線江中泵房3 Q=150m3/h、H=56m、P=55kW江心洲廢水池右線江中泵房3 Q=150m3/h、H=56m、P=55kW江心洲廢水池

南京緯三路過(guò)江隧道為雙管雙層盾構(gòu)隧道，根據(jù)地理位置分為南北兩線(南線簡(jiǎn)稱S線，北線簡(jiǎn)稱N線)，N、S線隧道盾構(gòu)縱斷面均呈“W”型。在盾構(gòu)隧道段，即N、S線隧道線路最低點(diǎn)分別設(shè)置2座，共4座江中廢水泵房，每個(gè)廢水泵房集水池內(nèi)均設(shè)4臺(tái)潛水排污泵。廢水排水系統(tǒng)采用2級(jí)提升方案，將廢水提升到盾構(gòu)工作井廢水泵房的廢水池內(nèi)，即4處江中廢水泵房分別出水至江北工作井、N線江南工作井和S線江南工作井，再由工作井廢水泵房排至市政污水管網(wǎng)，隧道排水泵房布置及排水去向如圖9所示，其中N線1#、2#泵房、S線1#、2#泵房均設(shè)置輔助排水泵。但對(duì)整個(gè)盾構(gòu)段隧道而言，廢水排水系統(tǒng)還是1級(jí)提升方案。廢水泵房布置情況見(jiàn)表6。

圖9 南京緯三路過(guò)江隧道排水示意圖

Fig. 9 Sketch of drainage diagram of river-crossing tunnel on Weisanlu municipal road

表6南京緯三路過(guò)江隧道泵房布置

Table 6 Pump room arrangement of river-crossing tunnel on Weisanlu municipal road

廢水泵房廢水泵臺(tái)數(shù)廢水泵參數(shù)排水去向N線1#泵房4Q=120m3/h、H=90m、P=55kW江北工作井N線2#泵房4Q=120m3/h、H=60m、P=55kW N線江南工作井S線1#泵房4Q=120m3/h、H=90m、P=55kW江北工作井S線2#泵房4Q=120m3/h、H=45m、P=60kW S線江南工作井

4.2 提升方案比較

對(duì)南京緯七、三路過(guò)江隧道系統(tǒng)提升方案進(jìn)行比較，具體內(nèi)容見(jiàn)表7。

表7 南京緯七、三路過(guò)江隧道系統(tǒng)提升方案比較

由表7可知，兩個(gè)過(guò)江隧道系統(tǒng)提升方案思路基本一樣，只是在不同隧道縱斷面情況下有所變通，其共同點(diǎn)如下： 1)盾構(gòu)段過(guò)江隧道部分采用1級(jí)提升方案，其優(yōu)點(diǎn)為避免在盾構(gòu)段隧道內(nèi)設(shè)置中間接力泵房，以方便排水設(shè)備布置、安全疏散設(shè)計(jì)等，同時(shí)降低投資造價(jià)，方便設(shè)備管理； 2)整條隧道采用2級(jí)提升方案，其優(yōu)點(diǎn)為可以利用工作井空間設(shè)置中間接力廢水泵房，從而大大減小廢水泵揚(yáng)程，有利于廢水泵選型和廢水泵布局。

4.3 隧道斷面及廢水泵房布置

南京緯七路過(guò)江隧道盾構(gòu)段為圓形結(jié)構(gòu)，由車道板分為上下2大部分，上部為行車道層，下部為服務(wù)層。行車道層為單向三車道，服務(wù)層由結(jié)構(gòu)劃分為3部分，左側(cè)空間作為疏散滑道設(shè)置空間，同時(shí)利用疏散滑道的間隔設(shè)置隧道變壓器及江中泵房； 右側(cè)空間作為隧道強(qiáng)、弱電纜通道； 中部空間分為疏散通道和檢修救援專用通道。隧道建筑限界及設(shè)備布置斷面如圖10(a)所示。

左、右線隧道江中廢水泵房集水池設(shè)于隧道車道板下安全通道左側(cè)，平時(shí)收集隧道沖洗水、少量雨水和結(jié)構(gòu)滲漏水，發(fā)生火災(zāi)時(shí)收集消防廢水。廢水泵房集水池安裝了3臺(tái)潛水排污泵(Q=150 m3/h、H=56 m、P=55 kW)。隧道底部集水溝只收集隧道下層的結(jié)構(gòu)滲漏水和沖洗水，廢水量很小，集水溝內(nèi)安裝了4臺(tái)小型潛水泵(Q=10 m3/h、H=4.5 m、P=1 kW)。

南京緯三路過(guò)江隧道根據(jù)圓隧道斷面的特點(diǎn)，采用雙層車道方案，上下層分別布置2條，共4條行駛車道，采用上下層互為疏散救援通道的方式。隧道建筑限界及設(shè)備布置斷面如圖10(b)所示。

從隧道盾構(gòu)斷面的結(jié)構(gòu)形式可以看出，盾構(gòu)段的集水通道沿盾構(gòu)段全程貫通，且集水通道位于行車道下方。其中左側(cè)壁上層空間為逃生通道，下層空間為逃生通道樓梯間，右側(cè)壁上層空間為排煙道，下層空間為管廊空間，逃生通道、逃生通道樓梯間、排煙道均為防災(zāi)救援需用的消防設(shè)施空間，給排水設(shè)施可布置的空間非常有限，唯一可以放置水泵的空間為排煙道下側(cè)的管廊空間以及集水通道內(nèi)。集水通道的最深處深度約為0.878 m，隧道地面的消防廢水、沖洗水等通過(guò)地面排水溝匯至集水通道，集水通道的水通過(guò)漫流自流匯至最低點(diǎn)，形成集水池，其容量為50 m3。

(a) 南京緯七路過(guò)江隧道

(b) 南京緯三路過(guò)江隧道

江中廢水泵房布置方案為： 選擇無(wú)堵塞的自吸式排污泵，水泵泵體設(shè)置于排煙道下方的管廊空間內(nèi)，吸水管沿隧道側(cè)壁伸入集水池中。每座泵房?jī)?nèi)均設(shè)置4臺(tái)廢水泵并聯(lián)運(yùn)行，型號(hào)相同，平時(shí)一用三備，消防時(shí)三用一備，單臺(tái)自吸泵選型參數(shù)見(jiàn)表6。由于其運(yùn)營(yíng)效果不佳，后改為在每座泵房的集水池中分別設(shè)置4臺(tái)流量為20 m3/h，揚(yáng)程為12 m的小型潛污泵，其出水管分別與4根自吸泵吸水管相接，通過(guò)設(shè)置自動(dòng)控制方式，使?jié)撐郾门c自吸泵同時(shí)啟動(dòng)同時(shí)停泵，形成2組水泵接力運(yùn)行的模式，運(yùn)行效果良好。

4.4 廢水泵房布置比較

南京緯七路過(guò)江隧道為單層隧道，行車道板下設(shè)有逃生通道，有足夠的空間設(shè)置廢水池及廢水泵房，因此廢水排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)為常規(guī)的潛污泵，水泵濕式安裝，操作閥門及排水管橫向布置在隧道底部；緯三路過(guò)江隧道為雙層隧道，底部集水槽空間不足1 m，不足以安裝大型潛污泵，因此只能安裝干式自吸水泵，但由于環(huán)境條件限制，自吸泵的啟動(dòng)跟設(shè)計(jì)初衷反差較大，因此設(shè)置輔助排水泵。

5 過(guò)江隧道消防管爆管的控制

無(wú)論是南京3、10號(hào)線過(guò)江隧道，還是南京緯七、三路過(guò)江隧道，均設(shè)有消火栓管，緯七路隧道還設(shè)有自動(dòng)滅火系統(tǒng)管道。這類過(guò)江隧道均有發(fā)生消防管道爆裂的可能性，因此在設(shè)計(jì)廢水排水系統(tǒng)時(shí)應(yīng)考慮消防管爆管廢水，而如何處理該廢水目前沒(méi)有統(tǒng)一的定論，本文提出消防管爆管控制理念和技術(shù)如下。

5.1 過(guò)江隧道消防管爆管控制理念

首先，盾構(gòu)過(guò)江隧道(特別是道路過(guò)江隧道)一旦發(fā)生嚴(yán)重的消防管爆管，產(chǎn)生的積水會(huì)嚴(yán)重影響交通運(yùn)行，后果比較嚴(yán)重，因此有必要解決爆管廢水問(wèn)題；其次，盾構(gòu)過(guò)江隧道內(nèi)不具備設(shè)計(jì)大廢水池或大幅度提高廢水泵排水能力的條件，必須通過(guò)給水排水以外的技術(shù)來(lái)解決爆管廢水問(wèn)題； 最后，從研究消防管爆管廢水的特點(diǎn)出發(fā)來(lái)研究解決這個(gè)問(wèn)題。消防管爆管廢水有3個(gè)特點(diǎn)： 1)消防管爆管是小概率事件，消防管爆管廢水出現(xiàn)的可能性很??； 2)不同材質(zhì)的消防管爆管、不同水壓的消防管爆管以及不同管理?xiàng)l件下的消防管爆管，其產(chǎn)生的消防管爆管廢水量差別很大，消防管爆管廢水量很難量化； 3)一旦發(fā)生消防管爆管，運(yùn)營(yíng)管理部門必須及時(shí)對(duì)爆管進(jìn)行處理，所以爆管廢水不應(yīng)持續(xù)長(zhǎng)流。針對(duì)以上特點(diǎn)，設(shè)計(jì)思路為：火災(zāi)和消防管爆管同屬于小概率事件，幾乎不可能同時(shí)發(fā)生，如果能從技術(shù)上將消防管爆管廢水量控制到小于消防廢水量，那么隧道廢水排水能力就可以只考慮消防廢水量，而不必考慮消防管爆管廢水量。因此，設(shè)計(jì)理念為通過(guò)相應(yīng)的控制措施，將消防管爆管廢水量控制在某個(gè)范圍，即小于消防廢水量，從而解決供水管爆管廢水問(wèn)題。

5.2 過(guò)江隧道內(nèi)消防管爆管控制技術(shù)

對(duì)過(guò)江隧道消防管道安裝消防管爆管預(yù)警裝置，該裝置包含：預(yù)警控制中心、消防穩(wěn)壓泵啟泵頻率監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、廢水排水信息監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。1)預(yù)警控制中心包含顯示器、電腦主機(jī)、報(bào)警裝置、打印機(jī)，其中顯示器與電腦主機(jī)連接，電腦主機(jī)通過(guò)電纜分別與報(bào)警裝置、打印機(jī)連接； 2)消防穩(wěn)壓泵啟泵頻率監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要指穩(wěn)壓泵啟泵頻率計(jì)數(shù)器，它集成于穩(wěn)壓泵控制柜內(nèi)，消防穩(wěn)壓泵通過(guò)電纜與控制柜連接，控制柜及穩(wěn)壓泵啟泵頻率計(jì)數(shù)器通過(guò)電纜與電腦主機(jī)連接； 3)廢水排水信息監(jiān)測(cè)系統(tǒng)包括廢水泵啟泵頻率計(jì)數(shù)器、累計(jì)流量檢測(cè)設(shè)備，其中累計(jì)流量檢測(cè)設(shè)備設(shè)置在廢水泵房出水總管上，廢水泵啟泵頻率計(jì)數(shù)器的一端通過(guò)電纜與廢水泵連接，另一端和累計(jì)流量檢測(cè)設(shè)備均通過(guò)電纜與電腦主機(jī)連接。該裝置工作原理為： 消防穩(wěn)壓泵啟泵頻率監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、廢水排水信息監(jiān)測(cè)系統(tǒng)均通過(guò)電纜與預(yù)警控制中心連接，通過(guò)對(duì)隧道內(nèi)消防給水系統(tǒng)穩(wěn)壓泵啟泵頻率、廢水泵啟泵頻率及單位排水周期內(nèi)累計(jì)廢水排水量的監(jiān)測(cè)，再經(jīng)過(guò)智能信息處理系統(tǒng)的分析，判斷消防管道是否存在嚴(yán)重滲漏問(wèn)題。如果消防管道存在嚴(yán)重滲漏，系統(tǒng)就會(huì)及時(shí)報(bào)警并打印檢修工單，同時(shí)將事故信息以短信形式通知運(yùn)行管理人員。其中，穩(wěn)壓泵啟泵頻率監(jiān)測(cè)系統(tǒng)與廢水排水信息監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，二者既可以單獨(dú)工作，又可以實(shí)現(xiàn)互補(bǔ)，確保消防管爆管預(yù)警技術(shù)的安全性。該技術(shù)目前已申請(qǐng)國(guó)家專利(專利號(hào)： ZL201620900673.7)。

6 結(jié)論與建議

通過(guò)對(duì)南京4條盾構(gòu)過(guò)江隧道廢水量、排水能力、提升方案、泵房布置及爆管控制措施等多方面綜合對(duì)比和分析后，形成如下結(jié)論。

1)應(yīng)充分考慮隧道內(nèi)可能產(chǎn)生的各種廢水量。過(guò)江隧道消防廢水量不但要考慮室內(nèi)消火栓系統(tǒng)的消防廢水量，而且還要考慮室外消火栓系統(tǒng)的消防廢水量和自動(dòng)滅火系統(tǒng)的消防水量。

2)應(yīng)合理確定隧道廢水泵房的排水能力。廢水泵房的排水能力主要考慮排除消防廢水，但預(yù)留自動(dòng)滅火系統(tǒng)時(shí)，還應(yīng)該考慮該部分的消防廢水量；另外，不必考慮設(shè)置備用廢水泵。特殊情況下，地鐵過(guò)江隧道可以不考慮室外消火栓系統(tǒng)的消防廢水量。

3)應(yīng)結(jié)合隧道長(zhǎng)度、埋深等因素，合理確定隧道的廢水提升方案。地鐵過(guò)江隧道系統(tǒng)提升方案盡量采用1級(jí)提升方案，不僅是為了節(jié)省投資和便于管理，還是為了方便隧道下部空間的利用。道路過(guò)江隧道提升方案：盾構(gòu)段過(guò)江隧道部分采用1級(jí)提升方案，整條隧道建議采用2級(jí)提升方案。

受盾構(gòu)斷面尺寸影響，盾構(gòu)法過(guò)江隧道存在廢水集水池及泵房布置空間有限、設(shè)備檢修不便等困難，對(duì)廢水排水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)建議如下。

1)建議結(jié)合隧道斷面尺寸合理布置廢水泵房。過(guò)江隧道斷面布置緊湊，車道布置形式變化多端，布置泵房時(shí)應(yīng)根據(jù)具體情況設(shè)計(jì)，如南京3號(hào)線過(guò)江隧道就創(chuàng)新地運(yùn)用了“局部動(dòng)態(tài)干式廢水泵房”理念布置廢水泵房，解決了列車運(yùn)行與水泵檢修直接沖突的問(wèn)題，取得了良好的效果。

2)建議過(guò)江隧道內(nèi)的消防水管等有壓管道采取爆管預(yù)警技術(shù)，以合理控制爆管現(xiàn)象的發(fā)生，降低事故廢水量，確保過(guò)江隧道廢水排水系統(tǒng)安全可靠。

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