礦山法海底隧道廢水排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)踐

周金忠， 唐 健， 賀維國(guó)， 范太興， 張忠品， 杜金海

(中鐵第六勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司， 天津 300308)

0 引言

依托水下地質(zhì)勘探技術(shù)和隧道施工技術(shù)的快速發(fā)展，我國(guó)已建成多條水下交通隧道。2011年6月，國(guó)內(nèi)最長(zhǎng)的海底隧道——青島膠州灣海底隧道正式建成通車。為保證通航要求，海底隧道斷面一般呈“V”型或“W”型，隧道內(nèi)的廢水無法通過自流方式排放[1-3]，故必須設(shè)置專門的廢水排水系統(tǒng)。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]介紹了廈門地鐵3號(hào)線地鐵過海隧道廢水排水方案的設(shè)計(jì)情況；文獻(xiàn)[4-5]介紹了國(guó)外海底隧道的防排水措施；文獻(xiàn)[6]對(duì)長(zhǎng)距離水下隧道的防水、管道系統(tǒng)設(shè)置、水錘防護(hù)及集水池容積確定等方面進(jìn)行了相關(guān)分析；文獻(xiàn)[7-11]介紹了某具體工程的隧道廢水排水方案。以上文獻(xiàn)對(duì)隧道的排水方案進(jìn)行介紹，但對(duì)影響排水方案的各類關(guān)鍵技術(shù)未明確展開分析。本文以青島膠州灣海底隧道工程為依托，通過對(duì)廢水系統(tǒng)排水能力的確定、廢水提升方案的選擇及廢水泵房?jī)?yōu)化設(shè)計(jì)等方面深入分析，探討海底隧道廢水排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)問題。

1 青島膠州灣海底隧道簡(jiǎn)介

青島膠州灣海底隧道位于膠州灣灣口，北起青島市區(qū)的團(tuán)島，南接黃島區(qū)的薛家島，線路全長(zhǎng)9.85 km，海底隧道段長(zhǎng)約7.8 km。隧道設(shè)雙向6車道，隧道縱剖面為V型坡。隧道還設(shè)有服務(wù)隧道，服務(wù)隧道內(nèi)設(shè)有電力電信管道、高壓電纜、消防管道及直徑為600 mm的市政供水管道。該隧道是國(guó)內(nèi)第2條采用礦山法施工的大型海底交通隧道，同時(shí)也是當(dāng)時(shí)我國(guó)最長(zhǎng)、世界第3長(zhǎng)的海底隧道，僅次于日本青函海底隧道和歐洲的英吉利海峽隧道。青島膠州灣海底隧道平面如圖1所示。

圖1 青島膠州灣海底隧道平面圖

青島膠州灣海底隧道廢水排水系統(tǒng)采用分段收集分級(jí)提升方案，即： 以隧道兩端中間風(fēng)井為節(jié)點(diǎn)將隧道分為3段，在隧道最低點(diǎn)的橫通道內(nèi)設(shè)置海底廢水泵房1座，以排除2個(gè)風(fēng)井之間的廢水；同時(shí)，在隧道2號(hào)風(fēng)井(青島端風(fēng)井)和3號(hào)風(fēng)井(黃島端風(fēng)井)附近的橫通道內(nèi)分別設(shè)置風(fēng)井廢水泵房各1座，以排除隧道進(jìn)出口到中間風(fēng)井間的廢水。海底廢水泵房的揚(yáng)水管沿服務(wù)隧道敷設(shè)，將廢水提升到3號(hào)風(fēng)井廢水泵房集水池內(nèi)，再由3號(hào)風(fēng)井廢水泵提升到地面；2號(hào)風(fēng)井和3號(hào)風(fēng)井廢水泵房的排水揚(yáng)水管沿風(fēng)井壁敷設(shè)，將廢水提升到地面。青島膠州灣海底隧道縱剖面如圖2所示。

圖2 青島膠州灣海底隧道縱剖面圖

2 廢水系統(tǒng)排水能力確定

2.1 廢水的來源及組成

海底隧道的廢水一般包括結(jié)構(gòu)滲漏水、消防廢水及沖洗廢水，其中消防廢水及沖洗廢水可以通過計(jì)算定量化，而結(jié)構(gòu)滲漏水量很難定量化，故設(shè)計(jì)過程中準(zhǔn)確地確定隧道結(jié)構(gòu)滲漏水量是合理確定隧道排水系統(tǒng)排水能力的關(guān)鍵。在設(shè)計(jì)過程中精確定量結(jié)構(gòu)滲漏水量難度比較大，主要有如下原因。

1)礦山法施工對(duì)地質(zhì)基巖擾動(dòng)較大，導(dǎo)致隧道結(jié)構(gòu)滲漏水發(fā)育；同時(shí)，海底隧道結(jié)構(gòu)滲漏水承壓水頭大，且補(bǔ)給復(fù)雜。

2)海底隧道結(jié)構(gòu)滲漏水量受海底地質(zhì)條件、隧道埋深、二次襯砌施工情況、防排水技術(shù)以及施工質(zhì)量等多種因素影響，不同的海底隧道其結(jié)構(gòu)滲漏水量反差很大。

3)長(zhǎng)大型海底交通隧道長(zhǎng)度大、橫斷面面積大且埋深大，就更加強(qiáng)化了隧道結(jié)構(gòu)滲漏水流量大及不同隧道之間滲漏水差異也很大的特點(diǎn)。青島膠州灣海底隧道常年結(jié)構(gòu)滲漏水量為3 780 m3/d，廈門某海底隧道常年結(jié)構(gòu)滲漏水排水量為14 000 m3/d，這兩座海底隧道基本上是同期實(shí)施的的礦山法施工隧道，其隧道長(zhǎng)度和斷面情況都相差不大，但其結(jié)構(gòu)滲漏水量相差非常大。在確定廢水排水系統(tǒng)能力時(shí)，此類海底隧道結(jié)構(gòu)滲漏水量不能簡(jiǎn)單地根據(jù)規(guī)范資料的數(shù)據(jù)來計(jì)算，也不能參考類似的海底隧道工程來確定。為此，提出了“結(jié)構(gòu)滲漏水量精確定量技術(shù)”，并成功應(yīng)用到青島膠州灣海底隧道工程中。

2.2 結(jié)構(gòu)滲漏水量精確定量技術(shù)

2.2.1 精確測(cè)定步驟

結(jié)構(gòu)滲漏水量精確定量技術(shù)主要針對(duì)大型水下交通隧道的廢水量確定，設(shè)計(jì)要點(diǎn)如下。

1)突破常規(guī)設(shè)計(jì)思路，因地制宜地研究廢水量確定方法。常規(guī)的設(shè)計(jì)思路是先設(shè)計(jì)后施工，但本技術(shù)要求突破常規(guī)程序，先施工一部分隧道，根據(jù)施工中測(cè)量的隧道結(jié)構(gòu)滲漏水量為基礎(chǔ)，來確定需要排除的隧道結(jié)構(gòu)滲漏水量。

2)考慮到廢水泵房設(shè)計(jì)、廢水泵招標(biāo)、采購(gòu)等工作需要一定的時(shí)間，為了不影響隧道施工進(jìn)度，采用實(shí)測(cè)和預(yù)測(cè)相結(jié)合的方法，相對(duì)準(zhǔn)確地確定隧道結(jié)構(gòu)滲漏水量。

3)分3次測(cè)量隧道結(jié)構(gòu)滲漏水量： ①第1次為隧道出入口至中間風(fēng)井貫通時(shí)，測(cè)量點(diǎn)為風(fēng)井處及隧道開挖面，這時(shí)基本能測(cè)定需要每個(gè)風(fēng)井排放的結(jié)構(gòu)滲漏水量，同時(shí)可根據(jù)隧道開挖面測(cè)量的結(jié)果粗略預(yù)測(cè)需要海底廢水泵房排放的的結(jié)構(gòu)滲漏水量。②第2次為隧道開挖至海底廢水泵房前一定距離時(shí)，測(cè)量點(diǎn)為中間風(fēng)井至隧道新的開挖面，根據(jù)中間風(fēng)井新測(cè)量數(shù)據(jù)核定需要每個(gè)風(fēng)井排放的結(jié)構(gòu)滲漏水量；同時(shí)，根據(jù)隧道新開挖面測(cè)量數(shù)據(jù)修正需要海底廢水泵房排放的的結(jié)構(gòu)滲漏水量，以這些數(shù)據(jù)作為設(shè)計(jì)廢水泵房的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。③第3次為隧道貫通時(shí)，測(cè)量點(diǎn)為海底廢水泵房處，測(cè)量數(shù)據(jù)主要是核認(rèn)隧道最后開挖段結(jié)構(gòu)滲漏水量是否在合理范圍內(nèi)。如果該段隧道結(jié)構(gòu)滲漏水量與預(yù)測(cè)值反差較大，就必須加強(qiáng)隧道防水，使隧道結(jié)構(gòu)滲漏水量控制在合理范圍內(nèi)，或者變更廢水排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)能力。

2.2.2 技術(shù)應(yīng)用情況

青島膠州灣海底隧道工程采用結(jié)構(gòu)滲漏水量精確定量技術(shù)，最后測(cè)定的結(jié)果為： 青島端陸地段隧道結(jié)構(gòu)滲漏水量(青島入口到2號(hào)風(fēng)道)為600 m3/d，海底段隧道結(jié)構(gòu)滲漏水量(2號(hào)豎井到3號(hào)豎井)為3 000 m3/d，黃島端陸地段隧道結(jié)構(gòu)滲漏水量(3號(hào)風(fēng)道到薛家島出口)為320 m3/d。整個(gè)隧道結(jié)構(gòu)滲漏水量為3 920 m3/d，與運(yùn)營(yíng)后現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研得到的數(shù)據(jù)3 780 m3/d相接近，誤差為3.6%。由此可見，“結(jié)構(gòu)滲漏水量精確定量技術(shù)”為合理設(shè)計(jì)廢水系統(tǒng)排水能力提供了準(zhǔn)確的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

反之，如廈門某海底隧道，其設(shè)計(jì)廢水排水能力偏小，不得不通過增加廢水排水能力來適應(yīng)隧道廢水量，最后排水能力提高到最初設(shè)計(jì)排水能力的264%。準(zhǔn)確地測(cè)定隧道結(jié)構(gòu)滲漏水量是很重要的，是合理設(shè)計(jì)廢水泵房的基礎(chǔ)。

3 廢水系統(tǒng)提升方案的確定

青島膠州灣海底隧道設(shè)計(jì)之初，國(guó)內(nèi)水下交通隧道很少，且隧道埋深較小，廢水排水系統(tǒng)提升方案均為1級(jí)提升；但筆者認(rèn)為青島膠州灣海底隧道埋深達(dá)80 m，采用傳統(tǒng)1級(jí)提升方案，技術(shù)上是有問題的，經(jīng)濟(jì)上是不合理的。廢水排水系統(tǒng)提升方案是否合理，將直接關(guān)系到系統(tǒng)的投資大小和運(yùn)行成本的高低，特別是廢水量很大、埋深大的水下交通隧道，提升方案的選擇是廢水排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)成功與否的關(guān)鍵。為此，提出了“分段收集分級(jí)提升排放”的廢水系統(tǒng)提升方式。下文從水泵選取、隧道特點(diǎn)、投資費(fèi)用及運(yùn)營(yíng)費(fèi)用比較等方面，來闡述選擇這種工藝的主要思路。

3.1 廢水泵的選型

3.1.1 井用潛水泵

井用潛水泵一般用在礦山給排水，也有用在隧道里排水，這種泵揚(yáng)程較高，比較適用于隧道1級(jí)提升方案，為多級(jí)離心泵。井用潛水泵安裝要求如圖3所示。

圖3 井用潛水泵安裝要求

一般用來輸送固體雜質(zhì)總含量不大于0.01%(質(zhì)量比)的清水，安裝要求較為苛刻，其中有2項(xiàng)要求：1)第1級(jí)葉輪至少浸入動(dòng)水位以下2 m，如圖3中L1所示。2)機(jī)組底部距井底不得小于5 m，如圖3中L2所示，且必須為垂直安裝。當(dāng)此類水泵安裝在大廢水池中時(shí)，可以用靜水位代替動(dòng)水位，但對(duì)第2個(gè)要求理解反差較大。為了保證水質(zhì)，即輸送固體雜質(zhì)總含量不大于0.01%，水質(zhì)條件特好時(shí)水池中L2可以取為0。因?yàn)檫@種多級(jí)離心泵流道小，流程長(zhǎng)且曲折，不適應(yīng)排放固體顆粒，特別是揚(yáng)程高、多級(jí)數(shù)時(shí)，泵內(nèi)高壓水容易將固體顆粒帶入水泵的軸封裝置，日積月累，會(huì)抱軸嚴(yán)重、燒壞電機(jī)。泵用機(jī)械密封主體材質(zhì)往往需要抵御固體顆粒的沖刷撞擊、高轉(zhuǎn)速帶來的密封面高溫磨蝕、高壓力帶來的密封參數(shù)不穩(wěn)定及基體結(jié)構(gòu)件被腐蝕等不利因素的影響，對(duì)機(jī)械密封材質(zhì)要求較高。當(dāng)井用潛水泵臥式安裝時(shí)，水泵進(jìn)水口低，污泥更容易進(jìn)入水泵的進(jìn)水口；斜式安裝、立式安裝時(shí)，進(jìn)水水質(zhì)會(huì)相對(duì)好一些。為了使進(jìn)水水質(zhì)達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)，必須提高機(jī)組底部到井底的距離，但這樣會(huì)提高對(duì)水池深度的要求。

3.1.2 潛水排污泵

潛水排污泵(QW型)為1級(jí)離心泵，其優(yōu)點(diǎn)是能輸送雜質(zhì)含量較高的污水或廢水，非常適合輸送隧道廢水，其缺點(diǎn)是揚(yáng)程低。對(duì)國(guó)內(nèi)外水泵廠家調(diào)查顯示：大流量的潛水排污泵，其成熟揚(yáng)程一般為60 m以內(nèi)，也有達(dá)到80 m的。如果揚(yáng)程超過80 m，水泵必須特制，其價(jià)格會(huì)明顯上漲。

青島膠州灣海底隧道最低點(diǎn)離隧道排水出口處距離大、高差大，如果廢水排水方案采用1級(jí)提升方案，水泵揚(yáng)程達(dá)120多m。在青島膠州灣海底隧道廢水排水設(shè)計(jì)中，放棄了選用井用潛水泵，采用具有耦合裝置的QW型潛污泵；同時(shí)，隧道廢水排水系統(tǒng)采用2級(jí)提升的排水方案。具體思路如下： 結(jié)合縱斷面的實(shí)際情況，從海底廢水泵房提升45 m凈高到3號(hào)風(fēng)井廢水泵房，再?gòu)?號(hào)風(fēng)井廢水泵房提升45 m凈高到隧道外； 2號(hào)風(fēng)井廢水泵房提升50 m凈高到隧道外。在設(shè)計(jì)過程中采用常規(guī)潛污泵，且揚(yáng)程都不超過80 m，水泵選擇范圍較廣，同時(shí)便于維修及更換。

3.1.3 運(yùn)行現(xiàn)狀

通過現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研及多年來運(yùn)行數(shù)據(jù)來看，廢水泵房運(yùn)行良好，運(yùn)行以來尚未更換水泵。由于廢水泵揚(yáng)程低，對(duì)水泵設(shè)備及揚(yáng)水管材質(zhì)等各方面要求會(huì)明顯降低，從而大大減少了設(shè)備管材采購(gòu)費(fèi)用和安裝難度；另一方面，由于是礦山法施工，廢水排水泵房可以結(jié)合橫通道或者風(fēng)井設(shè)置。綜上，采用2級(jí)提升方案時(shí)因增加泵房而增加的土建投資費(fèi)用很少。

3.2 節(jié)能分析

在1級(jí)提升方案中，隧道廢水必須全部匯集到隧道最低點(diǎn)的廢水泵房?jī)?nèi)，再通過廢水泵一次性提升到隧道外。在2級(jí)提升方案中，只是2個(gè)風(fēng)井之間部分廢水匯集到最低點(diǎn)廢水泵房?jī)?nèi)，再通過廢水泵提升到2號(hào)風(fēng)井廢水泵房?jī)?nèi)，其他部分隧道結(jié)構(gòu)滲漏水只匯集到風(fēng)井廢水泵房，和中轉(zhuǎn)部分廢水一起，通過風(fēng)井廢水泵提升到隧道外。2級(jí)提升方案很適用于大型水下交通隧道廢水排水，達(dá)到高水高排、低水低排的節(jié)能目的。特別是礦山法隧道，結(jié)構(gòu)滲漏水是源源不斷的常流水，其節(jié)能效果更明顯。針對(duì)青島膠州灣海下隧道排水工程，單純從理論角度分析來比較2種提升方案能耗，得出2級(jí)提升方案相對(duì)1級(jí)提升方案能量折算系數(shù)為0.75～0.9，即平均節(jié)省18%。折算系數(shù)和很多因素有關(guān)，如各段水量、泵的位置及效率等。青島膠州灣隧道現(xiàn)在每年廢水排水用電費(fèi)大約112萬元，相較于1級(jí)提升方案，每年節(jié)省電費(fèi)約24.5萬元。

由上述分析可知： 對(duì)于埋深較大的大型水下交通隧道而言，從投資大小、運(yùn)行費(fèi)高低及設(shè)備技術(shù)安全性等方面看，廢水排水系統(tǒng)2級(jí)提升方案均優(yōu)于1級(jí)提升方案。

3.3 提升方案對(duì)比

提升方案優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比如表1所示。

表1提升方案優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比

Table 1 Comparison of advantages and disadvantages between two lifting schemes

提升方案泵房數(shù)量/座優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)適用范圍1級(jí)1 泵房數(shù)量少,管理方便 不安全,如果最低點(diǎn)廢水泵房發(fā)生故障,整個(gè)廢水排水系統(tǒng)將無法工作;不節(jié)能,隧道內(nèi)所有的廢水均需要自流至最低點(diǎn)廢水池,再由廢水泵提升至室外,能量浪費(fèi) 埋深較小(<40 m)的隧道2級(jí)3 安全,分區(qū)排水,滿足高水高排、低水低排;節(jié)能,運(yùn)營(yíng)費(fèi)用較1級(jí)提升節(jié)能約18% 泵房數(shù)量多,運(yùn)營(yíng)管理較1級(jí)提升方案復(fù)雜 長(zhǎng)距離、埋深大(>50 m)的隧道

4 廢水泵房?jī)?yōu)化設(shè)計(jì)

4.1 廢水池有效容積優(yōu)化

4.1.1 容積優(yōu)化的背景

廢水泵房?jī)?yōu)化設(shè)計(jì)中，宜先進(jìn)行廢水泵的選型及數(shù)量確定，進(jìn)而確定集水池有效容積。青島膠州灣海底隧道內(nèi)有1根直徑600 mm的市政供水管，對(duì)于這類隧道，其廢水排水設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)考慮供水管爆管產(chǎn)生的廢水(簡(jiǎn)稱為爆管廢水)。對(duì)于如何考慮爆管廢水量的大小及排除等問題，目前尚沒有統(tǒng)一的認(rèn)識(shí)，國(guó)內(nèi)傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路通常采用增大廢水池有效容積方法來解決，增加部分容積和隧道內(nèi)市政給水管內(nèi)體積相同。

這種僅以某一段管內(nèi)靜態(tài)水量來代表隨時(shí)間動(dòng)態(tài)變化的爆管廢水量思路，邏輯上是說不通的。海底隧道內(nèi)供水管通常壓力較大(隧道最低點(diǎn)壓力超過1 MPa)，爆管時(shí)流量大，若不考慮及時(shí)排除，僅靠有限的廢水池容積去容納爆管廢水量，這種思路是有疑問的。由此可見，只考慮增大廢水池容積，而不考慮及時(shí)排出爆管廢水，顯然是不妥的。筆者認(rèn)為應(yīng)該從控制爆管理念出發(fā)，運(yùn)用控制爆管技術(shù)來解決爆管廢水問題。

4.1.2 容積優(yōu)化的技術(shù)保障

在青島膠州灣海底隧道廢水排水設(shè)計(jì)中，從爆管廢水的特點(diǎn)進(jìn)行考慮，爆管廢水特點(diǎn)如下。

1)給水管道爆管的概率比較小，屬于小概率事件，爆管廢水出現(xiàn)的可能性是很小的。

2)爆管廢水的廢水量與管道材料、施工質(zhì)量有關(guān)，不同材質(zhì)的供水管爆管、不同水壓的供水管爆管以及不同管理?xiàng)l件下的供水管爆管，其產(chǎn)生的爆管廢水量各不相同，故爆管廢水量比較難以量化。

3)出現(xiàn)爆管現(xiàn)象時(shí)，隧道運(yùn)營(yíng)部門或供水管理部門及時(shí)對(duì)爆管進(jìn)行處理，切斷供水水源或關(guān)閉供水管道的總閥，爆管廢水不持續(xù)長(zhǎng)流。

為了解決爆管廢水問題，廢水泵房的設(shè)計(jì)會(huì)產(chǎn)生2種選擇： 如果設(shè)計(jì)大廢水池或大幅度提高廢水泵排水能力，會(huì)產(chǎn)生投資的巨大浪費(fèi)，因?yàn)楸墚吘故切「怕适录?；反之，一旦發(fā)生嚴(yán)重爆管，后果將不堪設(shè)想，因?yàn)楣┧苤睆酱?，其?nèi)部水壓高。同時(shí)，設(shè)計(jì)還必須保證“及時(shí)控制供水管爆管，讓爆管廢水量不持久長(zhǎng)流”。為了解決上述問題，設(shè)計(jì)思路如下： 1)火災(zāi)和供水管爆管同屬于小概率事件，幾乎不可能同時(shí)發(fā)生； 2)如果能從技術(shù)上將爆管廢水量控制到小于消防廢水量時(shí)，隧道廢水排水量就可按隧道結(jié)構(gòu)滲漏水和消防廢水之和考慮，而不必考慮爆管廢水量； 3)不必因?yàn)楣┧鼙芏黾优潘O(shè)施的排水能力或增加廢水池體積。綜上，設(shè)計(jì)理念為： 通過相應(yīng)的控制措施，將爆管廢水量控制在某個(gè)范圍內(nèi)，即小于消防廢水量，從而解決供水管爆管問題。

4.1.3 容積優(yōu)化的應(yīng)用情況

青島膠州灣海底隧道廢水排水設(shè)計(jì)中，對(duì)供水管爆管控制技術(shù)的主要思路如下。

1)把供水管爆管后產(chǎn)生的廢水量控制到最小，即服務(wù)隧道內(nèi)直徑600 mm的供水管，采用有質(zhì)量保證的給水球墨鑄鐵管等優(yōu)質(zhì)管材，采用法蘭連接。這樣即使供水管爆管，也可以把爆管后果的嚴(yán)重性降低到最低。

2)對(duì)隧道內(nèi)的供水管加裝爆管預(yù)警及控制裝置，將給水管爆管的可能性控制到零。該預(yù)警裝置包括預(yù)警控制中心、供水管監(jiān)測(cè)及控制系統(tǒng)和廢水排水信息監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

①預(yù)警控制中心。包括顯示器、預(yù)警控制中心主機(jī)、預(yù)警裝置、打印機(jī)等，其作用為： 接受從供水管監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、廢水排水信息監(jiān)測(cè)系統(tǒng)發(fā)來的供水管流量、廢水泵啟泵頻率及單位排水周期內(nèi)累計(jì)排出廢水總量等信息，再經(jīng)控制中心主機(jī)處理，根據(jù)處理結(jié)果，將通過預(yù)警裝置預(yù)警，或通過控制信號(hào)傳輸給供水管控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)控制。

②供水管監(jiān)測(cè)及控制系統(tǒng)。包括隧道出入口處供水管上手電動(dòng)一體碟閥、電磁流量計(jì)，其作用為： 即時(shí)測(cè)量隧道出入口處供水管的流量，并將信息傳輸?shù)筋A(yù)警控制中心，并在接受到預(yù)警控制中心控制信息時(shí)，能及時(shí)關(guān)閉相應(yīng)的電動(dòng)閥門。

③廢水排水信息監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。包括廢水泵房出水總管上的頻率計(jì)數(shù)器、累計(jì)流量監(jiān)測(cè)設(shè)備，其作用為： 即時(shí)測(cè)量廢水泵啟泵頻率及單位排水周期內(nèi)累計(jì)排出廢水總量，并將信息傳輸?shù)筋A(yù)警控制中心。

該爆管預(yù)警及控制裝置工作原理為： 供水管監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通過對(duì)隧道出入口處供水管流量監(jiān)測(cè)，或者廢水排水信息監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通過對(duì)廢水泵啟泵頻率及單位排水周期內(nèi)累計(jì)排出廢水總量的監(jiān)測(cè)，分別將信息傳輸?shù)筋A(yù)警控制中心，其中心主機(jī)根據(jù)信息計(jì)算出供水管滲漏量。當(dāng)供水管滲漏達(dá)到一定流量時(shí)，中心主機(jī)的智能信息處理系統(tǒng)通過預(yù)警裝置預(yù)警提醒運(yùn)營(yíng)管理人員；當(dāng)供水管滲漏情況嚴(yán)重到一定程度時(shí)，智能信息處理系統(tǒng)會(huì)通過供水管控制系統(tǒng)，強(qiáng)制關(guān)閉隧道出入口處供水管上的電動(dòng)蝶閥，以便管理人員及時(shí)處理，防止爆管現(xiàn)象的發(fā)生，從而有效地控制爆管廢水量。給水管監(jiān)測(cè)系統(tǒng)與廢水排水信息監(jiān)測(cè)系統(tǒng)二者既是相互獨(dú)立監(jiān)測(cè)，又相互補(bǔ)充確認(rèn)，確保供水管爆管預(yù)警的可靠性。青島膠州灣海底隧道廢水排水設(shè)計(jì)中，一旦供水管滲漏量達(dá)到一定數(shù)值(如5 L/s)，預(yù)警裝置就預(yù)警；流量達(dá)到一較大數(shù)值(如10 L/s)，供水管控制系統(tǒng)就強(qiáng)制關(guān)閉隧道進(jìn)出口供水管上的電動(dòng)蝶閥。所以，爆管可能性為零，也就變相地保證了“及時(shí)控制供水管爆管，讓爆管廢水量不持久長(zhǎng)流”。

青島膠州灣隧道廢水池設(shè)計(jì)時(shí)，因?yàn)橐巡捎昧恕昂５姿淼纼?nèi)供水管爆管控制技術(shù)”和“海底隧道內(nèi)消防管爆管控制技術(shù)”，廢水池大小只需滿足規(guī)范要求即可。GB 50014—2006《室外排水設(shè)計(jì)規(guī)范》[12]要求，“集水池容積不應(yīng)小于最大1臺(tái)水泵5 min的出水量”，且“水泵機(jī)組為自動(dòng)控制時(shí)，每小時(shí)開動(dòng)水泵不得超過6次”。該設(shè)計(jì)中最大水泵流量為220 m3/h，故設(shè)計(jì)水池有效容積50～80 m3完全可以滿足要求。綜合考慮各種因素，將安全系數(shù)定為2.0，2號(hào)風(fēng)井廢水泵房、海底廢水泵房、3號(hào)風(fēng)井廢水泵房的廢水池有效容積分別為120、160、160 m3，比國(guó)內(nèi)傳統(tǒng)設(shè)計(jì)廢水池有效容積節(jié)省3 000 m3左右。

4.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化

青島膠州灣海底隧道設(shè)計(jì)中，廢水池體積小，廢水泵房可以利用人行橫道布置，這樣避免了為廢水泵房而專門開挖橫向通道，從而降低了很多土建費(fèi)用。青島膠州灣隧道海底泵房橫剖面如圖4所示。可以看出： 采用了潛水排污泵(QW型)，對(duì)泵房?jī)艨找蟛恍∮? m即可，完全可以利用聯(lián)絡(luò)通道和風(fēng)道布置，對(duì)水池深度要求3.5 m即可，廢水池頂板和服務(wù)隧道底板共用一個(gè)結(jié)構(gòu)板。

圖4 青島膠州灣隧道海底廢水池橫剖面圖

反之，如國(guó)內(nèi)某海底隧道設(shè)計(jì)中，廢水池偏大，廢水池長(zhǎng)度大，它在平面上和主隧道正交，立面上要求和主隧道高差必須在6 m以上(以保證施工安全)。為此，必須專門為廢水泵房開挖1個(gè)大洞室，增加了不少土建費(fèi)用；同時(shí)，廢水池底加深超過了6 m，將浪費(fèi)大量電費(fèi)。對(duì)于大型礦山法水下交通隧道而言，廢水池設(shè)計(jì)過大本身就具有很大的結(jié)構(gòu)風(fēng)險(xiǎn)。應(yīng)盡量減少?gòu)U水池容積，從而降低土建的投資、設(shè)備的運(yùn)營(yíng)費(fèi)用，提高施工的安全性。國(guó)內(nèi)某海下隧道海底廢水池橫剖面如圖5所示。

圖5 國(guó)內(nèi)某海下隧道海底廢水池橫剖面圖

4.3 檢修維護(hù)優(yōu)化

廢水流量大，廢水泵質(zhì)量大。為了更好地進(jìn)行水泵維修和清淤工作，采用了“局部動(dòng)態(tài)干式廢水泵房”，即： 將原廢水池分為多格，每格互不連通，但均與配水廊道經(jīng)配水孔相連，配水孔上設(shè)置可啟閉閘板，每格內(nèi)均設(shè)置1臺(tái)或2臺(tái)廢水泵，各廢水泵可獨(dú)立運(yùn)行，亦可同時(shí)運(yùn)行，當(dāng)其中1臺(tái)廢水泵需要檢修時(shí)，可關(guān)閉相應(yīng)配水孔上的配水閘板，用臨時(shí)泵抽干該格內(nèi)廢水，使之變?yōu)楦墒剑阌跈z修人員檢修，同時(shí)不影響整個(gè)廢水泵房的排水。在青島膠州灣海底隧道設(shè)計(jì)中，成功地將局部動(dòng)態(tài)干式廢水泵房理念應(yīng)用到廢水排水設(shè)計(jì)中。局部動(dòng)態(tài)干式廢水泵房布置平面如圖6所示。局部動(dòng)態(tài)干式廢水泵房橫剖面如圖7所示。

目前國(guó)內(nèi)外海底隧道廢水泵房按常規(guī)方法設(shè)計(jì)，即廢水池為單格水池，即使水泵出現(xiàn)小問題，也必須將它提升到地面上進(jìn)行維修，同時(shí)清淤比較困難。青島海底隧道采用了創(chuàng)新性的廢水泵房布置形式，檢修流程為： 水泵出現(xiàn)故障信號(hào)—切斷水泵所在的單格廢水池進(jìn)水閘板—用移動(dòng)泵將廢水抽至相鄰廢水池—檢修人員進(jìn)入水池進(jìn)行水泵檢修，其方便性、安全性均得到較大提高。

圖6 局部動(dòng)態(tài)干式廢水泵房布置平面圖

圖7 局部動(dòng)態(tài)干式廢水泵房橫剖面圖

5 結(jié)論與建議

5.1 結(jié)論

1)在海底隧道廢水排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中，相對(duì)準(zhǔn)確地確定隧道結(jié)構(gòu)滲漏水量，是確定隧道排水系統(tǒng)排水能力的關(guān)鍵。實(shí)踐證明： 青島膠州灣海底隧道結(jié)構(gòu)滲漏水量不能簡(jiǎn)單地根據(jù)規(guī)范資料的數(shù)據(jù)來計(jì)算；受水壓、地質(zhì)條件及施工質(zhì)量等因素影響，不能參考類似的海底隧道工程，必須在合適的時(shí)間、選擇合適的測(cè)量點(diǎn)，經(jīng)實(shí)際測(cè)量后確定結(jié)構(gòu)滲漏水量。

2)廢水提升方案關(guān)系到排水的經(jīng)濟(jì)性和安全性，核心在于選取安全可靠的水泵類型。水泵選型方面，深井泵并不適用于海底隧道工程，應(yīng)以潛污泵為主；提升方案方面，2級(jí)提升節(jié)能優(yōu)于1級(jí)提升。

3)廢水泵房?jī)?yōu)化應(yīng)從有效容積優(yōu)化、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化及日常設(shè)備維護(hù)檢修等方面綜合考慮。廢水池有效容積優(yōu)化的重點(diǎn)在于控制爆管廢水量，而非加大廢水池容積；廢水池結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，結(jié)合聯(lián)絡(luò)通道設(shè)置更為合理；局部動(dòng)態(tài)干式廢水泵房設(shè)計(jì)，使日常檢修維護(hù)、清淤更加方便，效果優(yōu)于常規(guī)的廢水泵房。

5.2 建議

1)建議對(duì)海底隧道的結(jié)構(gòu)滲漏水量進(jìn)行實(shí)際測(cè)量，堅(jiān)持“邊施工、邊測(cè)量、邊設(shè)計(jì)”的原則，采用實(shí)測(cè)和預(yù)測(cè)相結(jié)合的方法，相對(duì)準(zhǔn)確地確定隧道結(jié)構(gòu)滲漏水量。

2)建議采用潛水排污泵(QW型)，不宜采用井用潛水泵。分段收集分級(jí)提升方案比較適用于隧道廢水排水，達(dá)到高水高排、低水低排的節(jié)能目的；同時(shí)，對(duì)水泵設(shè)備、揚(yáng)水管材質(zhì)等要求也會(huì)明顯降低，有利于排水系統(tǒng)的高效、安全運(yùn)行。

3)當(dāng)隧道內(nèi)設(shè)有市政供水管時(shí)，建議對(duì)隧道內(nèi)的供水管加裝爆管預(yù)警及控制裝置。在完善運(yùn)用海底隧道內(nèi)供水管爆管控制技術(shù)后，只要廢水泵的選型合適、安裝合理，水泵設(shè)計(jì)流量參數(shù)正確，則廢水池有效容積在滿足一般規(guī)范要求基礎(chǔ)上，考慮適當(dāng)?shù)陌踩禂?shù)即可。通常情況下，150～200 m3就足夠了。廢水泵房設(shè)計(jì)應(yīng)結(jié)合聯(lián)絡(luò)通道，以節(jié)約投資，減少土建風(fēng)險(xiǎn)。廢水池不要無條件、無原則地盲目擴(kuò)大，否則會(huì)產(chǎn)生一系列浪費(fèi)，還會(huì)增加土建風(fēng)險(xiǎn)。

4)建議優(yōu)化常規(guī)的廢水池，即采用“局部動(dòng)態(tài)干式廢水泵房”，以方便日常的水泵檢修和廢水池清淤等工作。