水下長大隧道排水系統設計問題探討

呂青松, 賀維國, 方祖磊, 程士好

(中鐵隧道勘測設計院有限公司， 天津 300133)

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水下長大隧道排水系統設計問題探討

呂青松, 賀維國, 方祖磊, 程士好

(中鐵隧道勘測設計院有限公司， 天津 300133)

為了使水下長大隧道排水系統設計更加合理可靠，以目前國內已建成且最為典型的水下長大隧道青島膠州灣隧道和廈門翔安隧道為例，采用理論分析和數值計算等方法對水下長大隧道排水系統存在的問題進行梳理，并對隧道防水、水泵選型、管道系統設置、水錘防護、集水池容積確定等關鍵排水系統設計提出以下建議： 水下長大隧道應嚴格控制結構滲漏水量，充分考慮盾構法全包防水在后期運營排水上的優勢； 廢水泵宜選擇便于檢修、更換的耐腐蝕下進水式多級潛水泵； 排水系統泵管匹配宜按一拖二模式設置，至多不宜超過一拖三； 除設置水錘消除器外，還應采取廢水泵緩起緩停等水錘防護措施； 廢水泵房集水池的有效容積應根據風險分析確定。

水下長大隧道; 排水系統; 高揚程潛水泵; 水錘防護; 集水池容積; 全包防水

0 引言

隨著我國經濟的發展，人們對交通的需求不斷增加，水下隧道因具有保護環境、節約土地、能夠全天候通行以及施工、運營對航道干擾少等優點[1]，正逐漸成為穿江過海交通工程的趨勢。水下隧道防排水問題作為影響隧道安全的關鍵因素之一，一直是隧道領域的研究熱點。文獻[2-4]研究了隧道結構防排水的施工技術；文獻[5]研究了山嶺隧道施工過程中的注漿止水技術；文獻[6-8]研究了隧道結構防排水體系的系統及其耐久性設計，這些文獻主要針對的是隧道結構自身防排水技術的研究。在隧道運營排水方面的相關研究較少，但根據已建成的青島膠州灣隧道及廈門翔安隧道的運營經驗來看，目前水下長大隧道排水系統設計還有待完善。為了使水下長大隧道排水系統設計更加合理可靠，本文在青島膠州灣隧道設計工程實踐的基礎上，結合青島膠州灣隧道及廈門翔安隧道的實際運營經驗，對目前國內水下長大隧道排水系統設計存在的主要問題進行梳理分析，并提出相關建議，以期為今后水下長大隧道排水系統設計提供參考。

1 概述

目前國內已建成的水下長大隧道以青島膠州灣隧道與廈門翔安隧道最為典型。青島膠州灣隧道采用“分級收集、多級提升”排水系統，系統共設3座廢水泵房，分別收集上游廢水，實行分級收集，最低點廢水泵房將廢水排至兩端的廢水泵房，由兩端廢水泵房接力排出隧道，實現多級提升[9]； 廈門翔安隧道采用“單級收集、一次提升”排水系統，隧道最低點設置廢水泵房，收集整條隧道的廢水，一次提升排出隧道。運營實踐證明，以上隧道排水系統運行穩定，能夠滿足隧道日常排水的需求，但在隧道防水、水泵選型、管道系統設置、水錘防護以及集水池容積確定等方面存在一定的問題。

2 隧道防水

根據已建成工程經驗，盾構法隧道滲漏水量較小，防水效果較好。礦山法隧道結構滲漏水量受地質條件、施工質量等因素影響較大，滲漏水量沿隧道縱向分布不均，大部分滲漏水來自于不良地質條件區域[10]。不良地質條件處的隧道防水效果對隧道排水量大小具有決定性的作用，若該區域堵水措施不力，將導致隧道運營期間產生巨大的排水費用，應引起足夠的重視。 國內典型水下隧道(礦山法)結構滲漏水量見表1，由表1可知： 礦山法隧道受隧道規模、地質條件及施工質量等影響，結構滲漏水量差異較大，且總體規模較大，大大增加了后期運營成本。因此，隧道在設計過程中應對結構滲漏水量設置明確要求，在通過不良地質條件區域時，復核堵水效果，并預留注漿孔等為后期補救留取措施。

表1 國內典型水下隧道(礦山法)結構滲漏水量

Table 1 Water leakage of structure of typical underwater tunnels constructed by mining method in China

隧道全包防水在結構滲漏水控制上具有較大優勢，但目前國內工程經驗表明，采用礦山法全包防水的工程，往往無法達到預期的防水效果，隧道在運營一段時間后，由于沒有有組織的排水系統，水壓上升，較易出現與結構滲漏水有關的病害。國內已建成的盾構法隧道工程，全包防水效果較好，但其效果是否會隨運營時間的推移而發生變化，有待實際工程論證。

隧道多為百年工程，在結構滲漏水上應嚴格控制，滲漏水量越小，后期運營排水產生的費用及風險越小。就排水而言，具有全包防水效果的盾構工法可大大降低后期運營排水產生的費用及風險，但是否采用該工法，還需充分進行理論計算及風險分析，且為避免盾構管片銜接處的止水條老化失效，對于規模較大的水下長大隧道，宜在盾構管片內部預留施作二次襯砌的空間，一方面可發揮盾構隧道全包防水的優勢，有效控制結構滲漏水量，降低后期運營的排水費用及風險；另一方面還可為盾構全包防水效果失效提供補救的技術措施。

3 水泵選型

水下長大隧道由于長度和埋深大，所以其排水泵揚程較高，多數超出普通潛污泵的揚程范圍，致使水泵選型困難。目前青島膠州灣隧道采用的是德國進口雙相不銹鋼海水泵，揚程約為70 m，運營實踐表明，該水泵防腐性能優良，運行穩定，但已接近其單級潛污泵揚程極限。另外，該水泵為進口定制泵，定制周期長，價格昂貴，不利于排水系統的安全穩定。

多級潛水泵揚程能夠滿足排水要求，但其進水口設置在水泵中部，安裝應用不便。目前已有過海隧道排水系統采用多級潛水泵的案例。國內某過海隧道廢水泵房布置見圖1，該工程廢水泵房在集水池底部設置圓形泵坑，將多級潛水泵沉入泵坑，使吸水口低于池底，這種設計能夠滿足多級潛水泵的進水要求。但該種泵房設計也存在一定的問題： 由于多級潛水泵電機下置，如按圖中形式安裝，電機將沉入泵坑，根據翔安隧道的運營經驗，排水系統在運行期間，集水池內會沉積大量淤泥，如電機被淤泥浸沒，將不利于電機散熱，影響水泵壽命，且泵坑較深，清淤不便。

圖1 國內某過海隧道廢水泵房示意圖

Fig. 1 Sketch diagram of waste water pump room of a subsea tunnel in China

廈門翔安隧道后期采用了國產316L不銹鋼下進水式多級海水泵，該海水泵一方面具有較高的揚程范圍； 另一方面能夠實現下進水，吊裝方便，能在不增加泵房規模的前提下較好地滿足排水要求。此外，國產水泵還具有制造周期短、便于檢修和更換等優勢。

4 管道系統設置

由于水下隧道廢水泵房位于隧道最低點，整個水域段無排水出口，排水系統管路需伸至兩端陸域段，通過風井或出入口排出隧道，因此導致排水系統高差大、管路長，管路甚至長達數千米。目前國內水下隧道多采用一拖二、一拖三甚至是一拖多的泵管模式，即1條排水管道承擔兩三臺甚至數臺廢水泵的排水。一拖多的泵管模式存在很大的弊端： 如按照水泵同起，計算水泵揚程，將導致單泵啟動時，管道流速較低，沿程損失較小，實際揚程遠低于水泵揚程，流量增大，水泵參數偏離高效區，水泵長期運行在非高效區間內，水泵實際功率超出額定功率，如電控柜容量不足，將造成電控柜發生超負荷保護性斷路現象； 如按照單泵啟動，計算水泵揚程，將導致多泵啟動時管道流速變大，沿程損失變大，實際揚程遠高于水泵揚程，每臺水泵的流量遠低于額定流量，存在憋泵現象。

水泵揚程主要由排水高差與管道沿程損失2部分組成。沿程損失可按海曾-威廉公式計算，即

h=10.67q1.852l/(C1.852·D4.87)。

式中： l為管段長度，m； D為管徑，m； q為流量，m3/s； C為海曾-威廉公式系數，其值見表2。

表2 海曾-威廉公式系數C[11]

以青島膠州灣隧道排水系統為例，該隧道水下最低點海水泵房實測承擔排水量為190 m3/h，選用3臺進口雙相不銹鋼單級海水泵，排出口與集水池底高差為49 m，排水管長2 000 m，選用DN350襯塑鋼管作為排水管材，按一拖三模式設置，水泵額定參數： 流量 Q=280 m3/h，揚程H=65 m，功率N=95 kW。

根據海曾-威廉公式及雙相不銹鋼海水泵性能曲線(見圖2)，估算不同工況下水泵運行參數，估算結果見表3。水泵在3種工況下均處于高效區，能夠滿足不同工況的排水要求，但三泵啟動僅比雙泵啟動每小時多排水約40 m3，且表中參數為理論估算，與實際存在偏差，其中單泵啟動時估算電機運行功率已達到91 kW，接近95 kW限值，易出現過流跳閘現象。因此,水下長大隧道廢水泵房宜按一拖二模式設置，最多不宜超過一拖三模式。

(a) 揚程

(b) 軸功率

(c) 汽蝕余量

(d) 效率

Fig. 2 Performance curves of duplex stainless steel sea water pump

表3 水泵參數估算表

水下長大隧道排水管道管徑不應單純考慮經濟流速，應根據水泵性能曲線，兼顧單泵啟動、多泵啟動等不同工況計算決定，使各種工況下水泵參數均能落入高效區。其排水管道管徑選擇時，應注意以下幾點：1)原則上要控制沿程損失在合理的區間范圍內，使不同工況下的水泵運行參數均能處于水泵高效區間內； 2)小流速大管徑有利于減小管道沿程損失，降低不同工況下水泵實際揚程差異，但會增加工程造價，流速過小容易造成泥沙淤積，滋生微生物，尤其是海水介質微生物附著管壁容易對排水管材造成點狀腐蝕; 3)大流速小管徑容易對管材造成沖蝕，沿程損失差異巨大，泵管難以有效匹配。

5 水錘防護

由于排水系統揚程大、管路長，其水錘現象嚴重，會對排水管道造成較大的影響。目前既有隧道工程排水系統多采取在水泵出水管上加裝緩閉止回閥、水錘消除器等措施來消除或降低水錘對系統的影響。但個別工程實例效果并不理想，尤其是水泵停泵時，排水管道在水錘作用下，發出巨大聲響，不利于排水系統的安全和穩定。另外，對于采用襯塑或涂塑鋼管作為排水管材的系統，頻繁發生彌合水錘，水錘形成過程中的真空作用加上水錘的撞擊作用，容易造成襯塑或涂塑層發生剝離，影響管材的防腐效果。

水錘按形成原因主要分為啟泵水錘、停泵水錘及關閥水錘等。其中，停泵過程中發生的彌合水錘對排水系統的危害最大，彌合水錘的最大壓力值為幾何揚程的3～5倍[12]。解決彌合水錘問題應從2方面入手： 1)持續供水，避免產生水氣分離的現象，從水錘形成因素上消除或降低水錘作用； 2)水錘形成后，采取措施降低水錘的作用力，減小對管道的危害[13]。

目前可采取的措施主要有： 1)適當增大管徑，降低管道流速； 2)加裝變頻控制裝置，實現排水泵緩啟緩停； 3)在水泵出水管上加裝水泵多功能控制閥、水錘消除器等； 4)實行分級排水，減小水泵揚程； 5)加裝調壓塔。

6 集水池容積確定

目前國內已建成的水下隧道，其廢水泵房集水池有效容積大小不一。廢水泵房有效容積主要與隧道結構滲漏水量、水泵參數以及應急儲備容積有關。挪威是世界上建造水下隧道較多的國家之一，規定水下隧道廢水泵房的容積需滿足24 h結構滲漏水量的要求[14]，目前國內已有工程案例參照該規定執行。國內水下隧道運營經驗表明，合理擴大廢水泵房集水池規模，為特殊情況預留應急儲備容積是十分必要的，但是否按24 h結構滲漏水量來預留集水池容積，仍存在較大的爭議。

對于采用盾構法等施工的全包防水型水下隧道，因其結構滲漏水量較小，按24 h結構滲漏水量，預留集水池容積，規模可以接受； 對于采用礦山法等施工的防排結合型水下隧道，24 h結構滲漏水量小則數千立方米，地質條件較差的隧道甚至可達1萬多立方米，如按24 h考慮廢水泵房有效容積，一方面將大大增加土建成本，另一方面如此規模的廢水泵房將對結構施工造成較大風險，不利于隧道結構的穩定。以廈門翔安隧道及青島膠州灣隧道為例，翔安隧道目前排水量約12 000 m3/d，膠州灣隧道設計之初，結構滲漏水量按全隧約8 000 m3/d進行防水控制，現實際排水量約4 000 m3/d。目前翔安隧道廢水泵房實際容積約3 500 m3，青島膠州灣隧道3座廢水泵房容積之和約1 600 m3，兩者集水池有效容積均未按24 h結構滲漏水量設計。廈門翔安隧道及青島膠州灣隧道均出現過水害險情，但未造成嚴重影響。集水池預留應急儲備容積為上述險情的有效處理爭取了寶貴時間，提供了必要條件。但上述險情均與隧道外部水源進入隧道有關，與隧道自身結構滲漏水量的大小無直接聯系。因此，研究隧道集水池預留應急儲備容積的大小，應建立在外部水源不進入隧道的前提之下，否則隧道集水池應急儲備容積的大小將難以量化。

水下長大隧道集水池有效容積的確定應建立在隧道排水系統的風險分析之上。廢水泵房應為排水系統癱瘓等情況預留應急儲備容積，但不應單純按24 h或48 h結構滲漏水量來確定集水池規模。應結合項目具體情況對隧道排水系統可能存在的風險進行分析，得出導致排水系統癱瘓的最不利情況及其搶修恢復時間，以此為依據，結合隧道實際滲漏水量確定集水池的最終容積。

隧道排水系統癱瘓的風險主要有以下方面： 1)水泵故障； 2)管道破裂； 3)電力故障； 4)隧道突涌水。其中，隧道突涌水風險極低，且為不可預估的災難性事故，單靠預留應急儲備容積無法解決。

水下隧道排水系統水泵應至少按一用兩備考慮，管道應按100%備用，上述設置將有效降低水泵及管道檢修造成排水系統癱瘓的風險。因此，排水系統的癱瘓風險主要來自電力故障。水下隧道主排水泵站均應按2路獨立電源設置，自隧道兩端引入隧道，但該種配置仍存在失電的可能性，一旦失電，整個排水系統將面臨癱瘓，所有排水均靠集水池應急儲備容積解決。因此，在保證外水不進入隧道的前提下，集水池預留應急儲備容積的大小應由隧道電力系統的復通時間或者備用電源的啟動時間決定。

此外，為減少排水系統癱瘓的風險，縮短系統恢復的時間，減小集水池容積，可從機電設備方面采取其他輔助措施，如設置集裝箱式移動蓄能電站、柴油發電機等應急備用電源。

7 結論與建議

本文根據目前已建工程經驗，對水下長大隧道排水系統存在的主要問題進行了梳理和分析，主要問題如下： 1)滲漏水量控制不佳，運營成本較高； 2)高揚程水泵選型不合理，故障率高，可靠性低； 3)泵管匹配不合理，存在過流保護或憋泵現象； 4)水錘現象嚴重，對管路的安全性造成較大隱患； 5)集水池有效容積的確定無統一標準，預留應急儲備容積大小不一。

針對上述問題提出以下相關建議： 1)水下長大隧道在施工過程中要嚴格控制結構滲漏水量，在隧道初期工法的選擇上，如地質條件及計算分析允許的前提下，應充分考慮盾構法全包防水，盾構法全包防水可大幅降低后期運營排水風險及成本； 2)廢水泵宜選擇便于檢修、更換的耐腐蝕下進水式多級潛水泵，該種水泵相對于普通潛污泵揚程更高，相對于多級離心泵進水受液位限制更小； 3)排水系統泵管匹配宜按一拖二模式設置，至多不宜超過一拖三模式，泵管匹配超過一拖三模式，有可能造成水泵在特定工況下偏離高效區； 4)除設置水錘消除器外，還應采取廢水泵緩起緩停等水錘防護措施，降低水錘對整個管道系統的危害； 5)集水池容積不應單純按24 h或48 h結構滲漏水量確定，而應結合隧道風險分析來確定。

水下長大隧道是公路、鐵路及地鐵工程穿江過海的一種重要手段，其V型坡設計決定了排水系統的重要性，因此，研究設計一套經濟高效、安全可靠的排水系統對水下長大隧道安全、經濟運營具有重要意義。此外，隨著新技術、新設備和新材料的應用，自動化、輕維護或免維護、少檢修、高穩定性將是水下長大隧道排水系統未來的發展趨勢。

[1] 張先鋒.礦山法修建水下隧道的設計要點[J].現代隧道技術，2014，51(2): 101-107.(ZHANG Xianfeng.Key points of the design for underwater tunnels using the mined method[J].Modern Tunnelling Technology,2014,51(2): 101-107.(in Chinese))

[2] 王建斌.滬昆客專尖山隧道防排水系統設計與施工[J].現代隧道技術，2016，53(1): 192-195.(WANG Jianbin.Design and construction of the waterproofing and drainage system for the Jianshan Tunnel on the Shanghai-Kunming PDL[J].Modern Tunnelling Technology,2016,53(1): 192-195.(in Chinese))

[3] 樂晟，楊春勃，楊艷玲.嚴寒地區拉法山隧道保溫型防排水系統設計施工技術探討[J].隧道建設，2014，34(3): 269-273.(YUE Sheng,YANG Chunbo,YANG Yanling.Design and construction of heat-keeping water-proofing and drainage system of Lafashan Tunnel in extremely cold region[J].Tunnel Construction,2014,34(3): 269-273.(in Chinese))

[4] 王元清.富水隧道分區減壓防排水技術研究[J].施工技術，2015，44(10): 122-126.(WANG Yuanqing.Research on the subarea relaxed defense-drainage technology of tunnel with abundant underground water[J].Construction Technology,2015,44(10): 122-126.(in Chinese))

[5] 袁海清，傅鶴林，鄭浩,等.山嶺隧道防排水設計原則與設計方法研究[J].公路工程，2015，40(2): 163-168. (YUAN Haiqing,FU Helin,ZHENG Hao,et al.Study of waterproof and drainage design principles and its methods for mountain tunnel[J].Highway Engineering,2015,40(2): 163-168.(in Chinese))

[6] 陳心茹，朱祖熹.隧道與地下工程防排水技術近年來的探索與改進[J].隧道建設，2015，35(4): 292-297.(CHEN Xinru,ZHU Zuxi.Development in water-proofing and drainage technologies for tunnels and underground works[J].Tunnel Construction,2015,35(4): 292-297.(in Chinese))

[7] 朱國偉.寒冷及嚴寒地區鐵路隧道防排水設計探討[J].鐵道工程學報，2013(1): 49-53.(ZHU Guowei.Disccusion on waterproofing and draining design of railway tunnel in severe cold and cold regions[J].Journal of Railway Engineering Society,2013(1): 49-53.(in Chinese))

[8] 葉守杰，嚴金秀.青島膠州灣隧道結構防排水系統研究[J].現代隧道技術，2010，47(3): 18-23.(YE Shoujie,YAN Jinxiu.Study of the waterproofing and drainage system of Qingdao Jiaozhou Bay Undersea Tunnel[J].Modern Tunnelling Technology,2010,47(3): 18-23.(in Chinese))

[9] 周金忠，吳文，劉彬梅.青島膠州灣海下城市道路隧道排水設計思路介紹[J].給水排水，2013，39(1): 49-52.(ZHOU Jinzhong,WU Wen,LIU Binmei.Introduction of Qingdao Jiaozhou Bay urban road subsea tunnel drainage system design[J].Water & Wastewater Engineering,2013,39(1): 49-52.(in Chinese))

[10] 卓越.鉆爆法淺埋水下隧道防排水理論及應用研究[D].北京： 北京交通大學，2013.(ZHUO Yue.Research on theory and application of waterproof and drainage system of shallow tunnels with drilling and blasting method[D].Beijing: Beijing Jiaotong University,2013.(in Chinese))

[11] 建筑給水排水設計規范： GB 50015—2003[S].北京： 中國計劃出版社，2009: 41-42.(Code for design of building water supply and drainage: GB 50015—2003[S].Beijing: China Planning Press,2009: 41-42.(in Chinese))

[12] 楊遠東，鄧志光.停泵水錘計算及其防護措施[J]. 中國給水排水，2000，16(5): 29-32.(YANG Yuandong,DENG Zhiguang.Water hammer calculation and its protective measures when pump stop [J]. China Water and Wastewater,2000,16(5): 29-32.(in Chinese))

[13] 楊玉思，徐艷艷，羨巨智.長距離高揚程多起伏輸水管道水錘防護的研究[J].給水排水，2009，35(4): 108-111.(YANG Yusi,XU Yanyan,XIAN Juzhi.Research on water hammer prevention in high-lift,hilly and long distance water transmission pipeline[J].Water & Wastewater Engineering, 2009, 35(4): 108-111.(in Chinese))

[14] 呂明，Grφv E，Nilsen B,等.挪威海底隧道經驗[J].巖石力學與工程學報，2005，24(23): 4219-4225.(LYU Ming, Grφv E, Nilsen B,et al.Norwegian experience in subsea tunnelling[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2005, 24 (23): 4219-4225.(in Chinese))

Discussion on Design of Drainage System of Long Underwater Tunnels

LYU Qingsong, HE Weiguo, FANG Zulei, CHENG Shihao

(China Railway Tunnel Survey & Design Institute Co., Ltd., Tianjin 300133, China)

The problems of existing long underwater tunnels, i.e. Jiaozhou Bay Tunnel in Qingdao and Xiang’an Tunnel in Xiamen, are studied by theoretical analysis method and numerical calculation method. The designs of keys of drainage system, i.e. tunnel waterproofing, pump selection, pipe system arrangement, water hammer protection and sump volume, are analyzed. Suggestions are given as follows: 1) The water leakage of long underwater tunnel structure should be controlled strictly, and the full waterproofing method should be used. 2) The submersible pump with high corrosion resistance should be used as waste water pump. 3) The “one pipe two pumps” scheme for drainage system is the best; and there should not be more than 3 pumps in one pipe. 4) The water hammer eliminator should be used, and water hammer protection methods should be adopted as well. 5) The effective volume of sump should be decided according to risk analysis.

long underwater tunnel; drainage system; high-lift submersible pump;water hammer protection;sump volume; full waterproofing method

2016-04-19;

2016-07-28

呂青松(1985—)，男，山東青島人，2011年畢業于蘭州交通大學，環境工程專業，碩士，工程師，現從事地下工程給排水消防設計工作。E-mail： aodong0532@126.com。

10.3973/j.issn.1672-741X.2016.11.012

U 453.6

A

1672-741X(2016)11-1361-05