劉宗洲 張正軍

（1.中鐵二院華東勘察設(shè)計(jì)有限責(zé)任公司，浙江 杭州 310009；2.杭州聚川環(huán)?？萍脊煞萦邢薰荆憬?杭州 310009）

0 引言

軌道交通地下區(qū)間廢水泵房一般結(jié)合聯(lián)絡(luò)通道設(shè)置在區(qū)間的最低點(diǎn)，主要是為了排除區(qū)間結(jié)構(gòu)滲漏水、消防廢水等。目前，為減少隧道內(nèi)開挖土方量，降低施工風(fēng)險(xiǎn)和縮短建設(shè)工期，天津、寧波、杭州、廣州等城市的地鐵項(xiàng)目中取消了聯(lián)絡(luò)通道下的集水坑，將廢水泵房改設(shè)于盾構(gòu)區(qū)間的軌道下方，左右線隧道設(shè)立獨(dú)立道床排水泵房。但這些泵房內(nèi)的排水泵均安裝在集水坑內(nèi)，控制柜一般就近安裝，當(dāng)出現(xiàn)水泵堵塞、泵體故障、失電或控制箱故障時(shí)，運(yùn)營時(shí)段內(nèi)的人員無法進(jìn)入隧道進(jìn)行故障排查，集水坑內(nèi)的積水會(huì)逐漸漫延進(jìn)入隧道甚至越過軌面。按照《城市軌道交通行車組織管理辦法》第三十二條之三，“線路積水超過軌面時(shí)，列車不得通過?！痹撐囊阅骋卉囌竞蛥^(qū)間作為實(shí)例，在車站端部設(shè)置汽水混合真空排水泵房，在區(qū)間最低點(diǎn)集水坑內(nèi)設(shè)置真空提升器，通過真空排水管路將區(qū)間廢水吸至車站端頭，再壓力排至室外。如技術(shù)可行，則可避免上述問題，即使在運(yùn)營期間設(shè)備發(fā)生故障，維修人員也能在車站端頭檢修排除故障，操作排水設(shè)備排水，避免發(fā)生停運(yùn)事故。

1 系統(tǒng)設(shè)置

所選區(qū)間隧道左線長1300m，右線長1316m，區(qū)間采用盾構(gòu)法施工。區(qū)間廢水泵房離車站端頭的距離為左線長650m，右線長658m。將區(qū)間廢水泵房處軌面標(biāo)高設(shè)為±0.00m，聯(lián)絡(luò)通道下集水坑底相對(duì)標(biāo)高為-2.5m，車站廢水泵房中心里程處站臺(tái)板相對(duì)標(biāo)高為+5.5m。真空排水泵房的設(shè)計(jì)思路是，在區(qū)間最低點(diǎn)集水坑內(nèi)設(shè)置真空提升器，真空提升器由真空隔膜閥、機(jī)械控制器、感應(yīng)管等組成。隨著液位不斷上升，感應(yīng)管內(nèi)的空氣壓力也隨之增加，當(dāng)空氣壓力達(dá)到足以觸發(fā)機(jī)械控制器的設(shè)定值后，控制器啟動(dòng)，開啟真空隔膜閥，污廢水進(jìn)入負(fù)壓管道。當(dāng)感應(yīng)管內(nèi)壓力下降，機(jī)械控制器內(nèi)預(yù)先設(shè)定時(shí)間允許閥開啟一段時(shí)間，并保持進(jìn)氣。到達(dá)預(yù)定時(shí)間，機(jī)械控制器中斷負(fù)壓供應(yīng)，閥關(guān)閉完成一次排污。真空提升器完全由液位變化的機(jī)械力驅(qū)動(dòng)，不需要電力，不會(huì)受到失電的影響。

從集水坑至車站端頭真空泵組之間的真空排水管網(wǎng)采用分段波浪形敷設(shè)，每段的上升段由2個(gè)45°彎頭和1根直短管組成。水平管的安裝位置由限界專業(yè)確定，一般為沿行車方向右側(cè)敷設(shè)，安裝高度為軌面標(biāo)高+0.2m，支線段管道坡度同區(qū)間隧道坡度。車站端頭的真空泵組由真空罐、真空泵、排水泵等主要設(shè)備組成。真空泵、排水泵運(yùn)行的可靠性是決定整個(gè)系統(tǒng)正常運(yùn)行的關(guān)鍵。真空排水系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，由真空泵提供和維持真空管道及真空罐內(nèi)保持真空，區(qū)間廢水在管內(nèi)通過負(fù)壓差的作用被輸送到真空罐內(nèi)，當(dāng)真空罐內(nèi)水位達(dá)到預(yù)定水位時(shí)，排水泵啟動(dòng)，排出罐內(nèi)污水。真空排水系統(tǒng)的布置如圖1所示。

圖1 真空排水系統(tǒng)示意圖

2 區(qū)間排水量計(jì)算

區(qū)間隧道內(nèi)的廢水主要為結(jié)構(gòu)滲漏水、隧道和道床沖洗水和消防廢水。同時(shí)作用的最不利工況為結(jié)構(gòu)滲漏水和區(qū)間消防廢水。按地下區(qū)間防水標(biāo)準(zhǔn)的要求，區(qū)間隧道及連接通道等附屬的隧道結(jié)構(gòu)防水等級(jí)應(yīng)為二級(jí)，隧道工程中漏水的平均滲漏量不應(yīng)大于0.05L/（㎡·d），任意100㎡防水面積滲漏量不大于0.15L/（㎡·d）。但從實(shí)際情況看，隧道的施工技術(shù)水平、盾構(gòu)管片自身的質(zhì)量和抗?jié)B能力等因素往往會(huì)導(dǎo)致滲漏水量偏離設(shè)計(jì)值，因此需要考慮一定的安全系數(shù)，盾構(gòu)區(qū)間結(jié)構(gòu)滲漏水量按0.05L/（㎡·d）計(jì)算，盾構(gòu)內(nèi)徑按5.5m計(jì)算，雙線區(qū)間結(jié)構(gòu)滲漏水量為（1300+131）×3.14×5.5×0.05/24/1000=0.09m3/h。

消防排水量按10L/s計(jì)算，即為36m3/h。

區(qū)間計(jì)算排水量為=36+0.09=36.09m3/h。

區(qū)間集水坑最低點(diǎn)距污水泵房真空機(jī)組真空主管高度按5.5m，長度按658m計(jì)算。

3 真空管材的選取和流態(tài)分析

真空管路選用的管材和管件材質(zhì)應(yīng)耐腐蝕耐磨損，摩擦阻力小，公稱壓力不應(yīng)低于1.0MPa。真空管道的連接方式應(yīng)可靠，不得出現(xiàn)跑、冒、漏、滴等現(xiàn)象。地下區(qū)間一般選擇鍍鋅鋼管、鋼塑管或不銹鋼管，卡箍連接或法蘭連接。管道中氣液兩相的流動(dòng)型態(tài)大致分為7種。如果管道中液體的流量不變，而氣體的流量由小到大，則其發(fā)生的順序是：泡狀流、團(tuán)狀流、層狀流、波狀流、沖擊流（又稱段塞流）、環(huán)狀流、霧狀流。真空排水運(yùn)行狀態(tài)下根據(jù)氣液比和負(fù)壓度的不同一般處于層狀流、沖擊流、環(huán)狀流和霧狀流的一種或多種，可以根據(jù)計(jì)算雷諾數(shù)進(jìn)行判定。

4 水力計(jì)算

4.1 流動(dòng)阻力計(jì)算

真空管路中為氣液兩相流，其水力計(jì)算與單相液體或氣體的計(jì)算方法有較大的區(qū)別。根據(jù)洛克哈特-馬蒂內(nèi)利計(jì)算方法，如果氣液兩相間無相互作用，則氣液兩相流動(dòng)的壓差可以按照單相液體或單相氣體單獨(dú)流過該相在兩相流中所占的過流斷面時(shí)的壓差計(jì)算，水力光滑管氣液兩相沿程壓降公式可為公式（1）。

式中：Δp為氣液兩相流在整個(gè)管路中流動(dòng)的壓差，Δp為假設(shè)只有單相液體在整個(gè)管路中流動(dòng)的壓差，Δp為假設(shè)只有單相氣體在整個(gè)管路中流動(dòng)的壓差，為氣液兩相，其處于液相層流-氣相層流時(shí)，取值20；處于液相層流-氣相紊流時(shí)，取值12；處于液相紊流-氣相層流時(shí)，取值10；處于液相紊流-氣相紊流時(shí)，取值5。根據(jù)柯列勃洛可（C.F.Colebrook）公式，單相流體的計(jì)算如公式（2）～公式（6）所示。

式中：為單位長度管道沿程水頭損失（MPa/m）；為管道的內(nèi)徑（m）；為管道內(nèi)水的平均流速（m/s）；為流體密度（kg/m3）；為沿程損失阻力系數(shù)；為當(dāng)量粗糙度（m）；為雷諾系數(shù)，無量綱；為水的動(dòng)力黏滯系數(shù)（Pa/s）；為水的運(yùn)動(dòng)黏滯系數(shù)（㎡/s）；為水的溫度，宜取10℃。

公式（3）適用范圍較廣，但計(jì)算難度大，需借助計(jì)算機(jī)輔助求解，也可以利用excel進(jìn)行單變量求解。計(jì)算出阻力系數(shù)后，再根據(jù)公式（2）計(jì)算單位長度沿程損失。首先，計(jì)算單相液體的沿程損失，取水量=36.09m/h，取真空主管DN150，管材采用鍍鋅鋼管，計(jì)算結(jié)果見表1。其次，計(jì)算單相氣體的沿程損失，氣水比取3，則輸送氣體量為108.27m/h，取真空主管DN150，管材采用鍍鋅鋼管，計(jì)算結(jié)果見表2。

表1 液相流水力計(jì)算表

表2 氣相流水力計(jì)算表

代入公式（1），根據(jù)計(jì)算的Re值，可知?dú)庖簝上嗵幱谝合辔闪?氣相紊流，取5，帶入公式（1）計(jì)算出沿程阻力：Δp=1.875+5×0.21+0.023=2.95m。

4.2 重力壓降計(jì)算

對(duì)氣液混合流，重力壓降按照公式（7）計(jì)算。

計(jì)算可得重力壓降為Δp=9.5×0.25×1000×9.8/10000=2.32m。

4.3 總壓降計(jì)算

總壓降按照公式（8）計(jì)算。

計(jì)算可得總壓降為Δp=2.95+2.32=5.27m。

真空機(jī)組工作真空度一般為-0.04MPa～-0.07MPa，即4m～7m的吸程，5.27m總壓降計(jì)算滿足真空機(jī)組工作真空度要求。

當(dāng)計(jì)算的重力壓降超過4m～7m的范圍時(shí)，可以考慮放大真空管徑到DN200；或者設(shè)置兩根DN150的真空管，從上下行兩個(gè)區(qū)間各敷設(shè)1根到車站端頭的廢水泵房。

5 設(shè)備選型

真空泵組的真空罐、真空泵、排水泵均應(yīng)由計(jì)算選定?？蓞⒖糃ECS 316-2012《室外真空排水系統(tǒng)工程技術(shù)規(guī)程》對(duì)真空泵組進(jìn)行計(jì)算并選型。

5.1 空氣量計(jì)算

真空泵組空氣量按公式（9）計(jì)算。

式中：q為最大小時(shí)空氣量（在標(biāo)準(zhǔn)狀況下20℃1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下）（m3/h）；

q為最大小時(shí)污水流量（m3/h）；

為平均氣水比。

計(jì)算可得真空量為q=36.09×3=108.27 m/h。

5.2 真空泵組最大小時(shí)吸入氣體量計(jì)算

真空泵組最大小時(shí)吸入氣體總體積按公式（10）計(jì)算。

式中：q為真空泵組最大小時(shí)吸人氣體總體積（m3/h）；為環(huán)境氣壓（kPa），取100kPa；為真空罐內(nèi)最大的絕對(duì)壓力（kPa），為真空泵啟泵壓力，應(yīng)根據(jù)樣本選擇，本次計(jì)算取60kPa；為真空罐內(nèi)最小的絕對(duì)壓力（kPa），為真空泵停泵壓力，應(yīng)根據(jù)樣本選擇，本次計(jì)算取30kPa；為安全系數(shù)，取1.2～1.5。

計(jì)算可得真空泵組最大小時(shí)吸入氣體總體積為q=108.27×1.25×100/[（60+30）/2]=305.75m/h。

5.3 真空泵數(shù)量計(jì)算

真空泵數(shù)量按公式（11）計(jì)算。

式中：n為真空泵的數(shù)量；q為單臺(tái)真空泵最大小時(shí)吸入氣體體積（m3/h）。

應(yīng)根據(jù)真空泵樣本選擇，當(dāng)參考樣本選擇單臺(tái)q=160m3/h的真空泵時(shí)，計(jì)算可得真空泵數(shù)量為n≥300.75/160+1=2.88臺(tái)，取3臺(tái)。

5.4 真空罐的容積計(jì)算

真空罐中最小氣體體積應(yīng)按公式（12）計(jì)算。

式中：V為真空罐最小氣體體積（m3）；為排水泵在1h內(nèi)的最大開啟次數(shù)，不大于12次/h。

計(jì)算可得真空罐中最小氣體體積V=0.25×160×1/2×（30+60）/[（30+60）×（3-1）×12]=0.83m3。

真空罐中最小儲(chǔ)水體積按公式（13）計(jì)算。

式中：V為真空罐最小儲(chǔ)水體積（m3）；q為單臺(tái)排水泵的排水量（m3/h）。

排水泵將真空罐中收集的廢水排至室外，選擇2臺(tái)排水泵，一用一備，必要時(shí)同時(shí)工作。兩臺(tái)泵同時(shí)工作時(shí)排水量不應(yīng)小于36.09m3/h，選擇兩臺(tái)q=25m3/h排水泵。

計(jì)算可得真空罐最小儲(chǔ)水體積V=0.25×25/12=0.52m3。

空罐總?cè)莘e應(yīng)按公式（14）計(jì)算，且不應(yīng)小于真空罐最小儲(chǔ)水體積的3倍。

式中：為真空罐總?cè)莘e（m）。

計(jì)算可得=0.83+0.52=1.35m3，真空罐最小儲(chǔ)水體積的3倍為0.52×3=1.56m3。二者比較取大值，因此取=1.56m3。經(jīng)過計(jì)算，選擇1臺(tái)不小于1.56m3的真空罐。

6 優(yōu)缺點(diǎn)分析

分析如下。1） 安全性更高。傳統(tǒng)廢水泵房將排水設(shè)備和控制設(shè)備設(shè)置在末端，當(dāng)末端出現(xiàn)設(shè)備故障、失電時(shí)，運(yùn)營期間維修人員無法進(jìn)入?yún)^(qū)間隧道進(jìn)行排查。采用真空泵房時(shí)，末端真空提升器不需要電動(dòng)力，靠液位驅(qū)動(dòng)；動(dòng)力設(shè)備（真空泵和提升泵）設(shè)在車站站臺(tái)，出現(xiàn)設(shè)備故障或失電時(shí)，車站維修人員可快速抵達(dá)，不影響列車運(yùn)營。2） 流速更快，沖淤能力更強(qiáng)。排水量為36.09m3/h，選用DN150管道時(shí)，流速為=0.59m/s，小于《室外排水設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》要求的最小設(shè)計(jì)流速0.7m/s。當(dāng)采用真空泵房時(shí)，氣水比取3，流速達(dá)到=2.36m/s，有利于管道沖淤。3） 末端設(shè)備應(yīng)用場所更廣。泵站末端真空提升器的吸水高度最小為50mm，遠(yuǎn)小于潛污泵的最小停泵液位，因此集水坑內(nèi)積水更低。此外，當(dāng)集水坑無法設(shè)置，需要結(jié)合道床設(shè)置道床泵站時(shí)，采用真空提升器更能滿足排水要求。4） 設(shè)備投資較高。和傳統(tǒng)泵房相比，真空排水泵站在末端設(shè)了真空提升器，真空泵組內(nèi)多了真空泵和真空罐，設(shè)備造價(jià)比傳統(tǒng)泵房要高。5） 規(guī)范有不利影響?！兜罔F設(shè)計(jì)規(guī)范》GB 50157-2013第14.3.5～9要求，“與區(qū)間聯(lián)絡(luò)通道合建的區(qū)間泵站應(yīng)采用潛污泵”。真空排水泵站所選用的泵組型式為真空泵組，與規(guī)范要求不一致。規(guī)范主要針對(duì)按常規(guī)采用的泵站型式，隨著技術(shù)的發(fā)展，特別是鄭州地鐵5號(hào)線水災(zāi)事故發(fā)生后，運(yùn)營單位對(duì)區(qū)間排水的安全性要求更高，采用真空泵站更能滿足區(qū)間排水安全性要求。

7 結(jié)論

真空排水泵房能滿足將區(qū)間廢水的排水要求，設(shè)計(jì)方案可行。該文選取的真空提升高度為8m、排水管徑為DN150、排水長度為658m，并進(jìn)行了選型計(jì)算，當(dāng)提升高度和排水長度發(fā)生變化時(shí)，排水管徑可以在DN100～DN200進(jìn)行選擇計(jì)算。真空排水泵房不僅能應(yīng)用于傳統(tǒng)區(qū)間廢水泵房，也能應(yīng)用于設(shè)置于道床上的道床排水泵房，應(yīng)用范圍廣，前景更佳。當(dāng)受規(guī)范影響時(shí)，可以將真空泵站作為區(qū)間排水的補(bǔ)充措施或應(yīng)急措施，或?qū)ε潘芫W(wǎng)進(jìn)行適當(dāng)改造，例如在排水管網(wǎng)增加止回閥，還可以利用該設(shè)備的高流速對(duì)淤積的排水管進(jìn)行沖洗清淤。因此，地下區(qū)間真空排水泵站安全可靠，檢修維護(hù)方便，提高運(yùn)營安全，可以作為一種地下區(qū)間隧道的排水選擇方案。