京張高鐵八達嶺長城站清污排水分離系統設計

王 婷,付博文,馮春暉,岳 嶺,邢軍朝,陳 靜,郭治東

(1.中鐵工程設計咨詢集團有限公司,北京 100055；2.北京工業大學,北京 100124)

引言

八達嶺長城站是京張鐵路重點控制性工程之一，車站規模大、結構復雜，是目前國內埋深最深鐵路地下車站。長城站所處八達嶺長城景區內，有著地理位置特殊、社會影響廣泛、周圍環境敏感性強等特點，因此這些都對京張鐵路八達嶺長城站的排水系統的設計提出了更高的要求。

地下工程的排水系統設計與優化一直是國內外隧道學術界研究的熱點問題之一。張忠品[1]、王歡[2]從地下結構工程排水設計角度提出優化設計的方法；周金忠[3]在青島膠州灣海底隧道中通過隧道結構滲漏水量確定廢水的排水能力；祁帆[4]依托上海地鐵提出車站主體、附屬及站外廢水排水系統，應根據其相應的特點進行廢水排水設計；李媛[5]對廢水系統的流量進行研究，并提出相應措施建議；李曦淳[6]以濱海新區海河隧道為依托，對隧道進行水流特性數值模擬、理論分析、水力試驗，確定了橫截溝設置方式、排水泵站設備及自控附屬系統。曾保國[7]認為地鐵內排水泵站的設置應考慮施工方法、正常運營和事故情況下可能產生的廢水量、泵站在失去工作能力時對地鐵影響等因素。于航[8]、冒宏軍[9]、洪青春[10]針對隧道內衛生間污水的排出系統做了方案比選，認為真空排水系統無論從社會效益、經濟效益和環境效益上都與傳統的污水排水系統相比有明顯的優勢。亢超剛[10]提出防排水設計要進行全生命周期的系統設計和規劃的觀點。

目前常規地下車站采用全包防水系統，少量結構滲漏水排入廢水系統，污水及廢水匯入污水泵房及排水泵房內，再通過排水泵提升排入城市排水系統。針對八達嶺長城站的特殊性對清污排水系統進行定義，清水系統為車站結構外圍巖裂隙水，由于深埋隧道水壓大，為減小圍巖水壓力對結構的影響，將圍巖裂隙水部分引入車站內；污水系統指車站站內污水及廢水，污水主要為衛生間生活污水，廢水包括車站沖洗水、消防廢水等。該站地下水豐富，為滿足結構安全及保護原有生態環境，對清污水的排水設計方案進行深入研究，探索一種站內清水排水系統與污水排水系統完全分離的系統模式。

1 工程概況

圖1 八達嶺地下車站平面位置示意

八達嶺長城站選址于北京市延慶區八達嶺長城景區內，滾天溝停車場東北部，屬八達嶺景區核心部位。地下車站起訖里程為DK67+825 m～DK68+275 m，車站中心里程為DK68+050 m，車站總長470 m，有效站臺長450 m，車站最大埋深102.6 m。車站位置平面如圖1所示。該工程地處屬暖溫帶，春季干旱多風、夏季炎熱多雨、秋季秋高氣爽、冬季寒冷干燥，全年降水多集中在7～9月份。地下水主要為基巖裂隙水，勘察期間，地下水穩定水位埋深6.5～28.6 m，隨地形起伏較大。由于基巖的完整性差異導致透水性的差異，造成局部地下水表現一定承壓性，這些都對排水系統的設計提出了更高的要求。

八達嶺長城站地下部分自上而下共分三層，分別為進站通道層、出站通道層及站臺層，進、出站通道層呈疊落布置，進站通道層在下，出站通道層在上，進、出站通道分別設置4處進、出站口通往站臺層，各層平面見圖2～圖4，剖面關系見圖5、圖6。每層通道除作為人行通道功能外，還設置有污水、廢水等車站設備用房。

圖2 出站通道層平面

圖3 進站通道層平面

圖4 站臺層平面

圖5 各層通道橫斷面示意

圖6 各層通道縱斷面示意

2 清水系統設計方案

八達嶺長城站設計為排水型車站，清水系統排水設計的主要目的是使地下水經過防排水措施的有效疏導，再經過排水管路、管溝自行排出車站。本文主要研究進出站通道層、站臺層及主要設備用房部分清水系統排放方案。

2.1 清水系統排水管徑設計

隧道斷面排水設計根據隧道運營階段可能存在的涌水量進行計算，隧道涌水量的解析公式有很多[12]，多是以地下水動力學理論為基礎，對地質模型進行了較大程度的簡化，計算模型如圖7所示。圖中h表示隧道中心點距地下水位線的距離；d和r分別表示隧道的直徑和半徑；hc表示隧道所處的含水層厚度。目前常用的隧道涌水量理論解析方法有M.EI.Tani[13]公式、Goodman[14]公式、Karlsrud[15]公式、Schleiss、Lei[16]公式、Lombardi[17]公式、大島洋志公式[18]、王建宇[19]公式及規范經驗公式等。

圖7 隧道涌水量計算模型

結合水文地質測繪、物探資料和區域資料綜合分析，在此基礎上涌水量計算采用理論解析法、經驗公式法等進行預測，最后綜合匯總分析預測隧道整體涌水量。由于隧道截面形狀并非規則的圓形，與公式條件并不完全相同，故采用等面積法將其近似成圓形洞室進行計算[20]。計算參數見表1，各公式的計算結果見表2。

表1 涌水量計算參數

表2 各公式情況下的涌水量計算

續表2

其中通過王建宇公式計算所得涌水量最大，大島洋志公式涌水量最小，管道設計采用王建宇公式進行設計，將表2中王建宇公式對應單延米通道涌水量乘以通道長度，得到各通道計算涌水量。根據車站位置關系可以看出，設備用房清水匯入進出站通道內，考慮排水流向得到各通道總涌水量。

(1)

(2)

將公式(2)代入公式(1)，通過車站各位置長度、水頭高度及總涌水量，即可求得相應管徑尺寸，結合計算管徑尺寸并考慮管道后期檢修、維護方便，確定排水管設計管徑，如表3所示。

表3 車站各通道排水管計算管徑

2.2 清水系統排水設計方案

清水系統為達到地下水引入站內并順利排出車站的目的，結合各層結構位置及功能特點采取相應的排水形式，車站整體排水思路為通過自上而下縱向找坡排水方式，將各通道層及設備用房水匯總至站臺層，再利用線路縱坡將清水排出車站。車站排水路徑示意及各通道斷面排水布置闡述如下。

(1)進出站通道排水

為保證通道排水順暢，通道在二襯結構拱墻外敷設環向φ50 mm排水盲管及縱向φ80 mm透水盲管，形成環、縱向流通管道，通過底板φ100 mm橫向透水盲管將水匯入至底板下中心排水管內，見圖8。

進出站通道為疊層結構，結合第2節中平、剖面圖進行通道排水路徑設計：進出站通道以坡度30%斜行電梯向下，通過緩坡通道找坡至樓扶梯通道接至1、2、3、4進、出站口，直接排至站臺層中心水溝內，結構斷面變化處或30 m一處設置檢查井檢修，排水路徑見圖9、圖10，排水路徑為圖9中藍色虛線。

圖8 進出站通道排水斷面(單位：mm)

(2)設備用房排水

設備用房通道在二襯結構拱墻外設置環、縱向盲管，縱向盲管以一定間隔直接彎入側溝內，見圖11。設備用房位于出站通道層，排水利用側溝3‰縱向找坡，將水匯入出站通道中心排水管內，排水路徑如圖12所示，側溝見藍色虛線。

圖9 進出站通道排水路徑平面示意

圖10 整體排水路徑平面示意

圖11 設備用房排水斷面(單位：mm)

(3)站臺層排水

站臺層結構排水方式與設備用房相似，環、縱向排水管將水匯入側溝內，見圖13。側溝利用車站1‰的縱坡，將水排入車站以外區間隧道側溝及深埋中心管內，進出站通道及設備用房清水直接匯入排至隧道中心水溝，利用縱坡排出車站，見圖14藍色虛線。

3 污水系統設計方案

3.1 生活污水排水設計

八達嶺車站的生活污水僅會在衛生間出現，而車站站臺層不設置衛生間，在出站通道設備區設置了值班人員衛生間，在出站通道公共區設置了公共衛生間。經過比選后采用在環保、節水和維保等方面相較于傳統污水提升方式優勢十分明顯的真空抽排系統來解決污水排放問題。針對衛生間設置情況，采用兩套真空罐式泵站，在衛生間泵房內設置真空泵站一座，負責衛生間污水的收集與排放。真空衛生系統是由真空泵站、真空排污管路、中間收集裝置、真空便器、電氣控制系統等組成的一個完全密閉的建筑物內排水系統。其中真空泵站是整個系統的核心部分，內置真空泵、污水泵各2臺(循環使用，1用1備)，真空儲污罐2個。由真空泵形成系統運行所需的真空，污水達到罐內設定液位后，污水泵自動啟動，將污水排入污水泵房，通過污水提升裝置將污水抽排至室外污水泄壓井。整個真空衛生系統采用上排水方式，即真空便器及中間收集裝置排水管路向上提升到吊頂層進入泵站。真空泵站平面如圖15所示。

圖12 設備用房排水路徑平面示意

圖13 站臺層排水斷面(單位：mm)

3.2 廢水排水設計

八達嶺車站廢水一般包括消防廢水、沖洗廢水及結構滲漏水，分別對進出站通道和站臺層的廢水排放路徑做了相適應的設計。

(1)進出站通道廢水

進出站通道廢水的排放路徑設計采用3%排水坡將水匯入至樓扶梯下站臺板雨水篦處，排至樓扶梯下集水坑內，再通過水泵提升至地面，進出站通道扶梯下均設置有集水坑。

圖14 站臺層排水路徑平面示意

圖15 真空泵站平面布置

(2)站臺層廢水

站臺層廢水與清水排水溝分別單獨設置，以達到完全分離的效果。站臺層廢水通過站臺板排至板下排水溝內，排水溝縱向以1%的坡度匯總于站臺層廢水泵房內，廢水泵房位于車站最低點，通過廢水提升管道將廢水排至室外泄壓井，站臺層廢水泵房見圖16。站臺層最大廢水量出現在消防時，其中最大消防流量為270 m3/h，同時考慮流入廢水池的其他廢水，主要為沖洗廢水，沖洗面積為13 693 m2，最大沖洗流量取30 m3/h，因此最大小時排水量取300 m3/h，八達嶺站地下站臺層設置2處廢水泵房，每處廢水泵房設置2臺廢水泵，1用1備，必要時可同時開啟，考慮每臺廢水泵流量不小于最大時排水量的1/2，故本站廢水泵流量為Q=150 m3/h。廢水泵揚程計算見表4。

圖16 站臺層廢水排放路徑

表4 廢水泵揚程計算

沿程損失/m局部損失/m靜揚程/m富裕水頭/m安全系數總揚程/m1.50.520.03.01.127.5

4 結論

依托京張鐵路八達嶺長城站工程，提出深埋復雜洞群地下車站清污分離排放的設計理念，利用常用涌水量理論解析法及流體力學經典公式進行車站排水設計，結合車站布置形式確定了合理的污廢水排放方案，得出以下結論。

(1)八達嶺長城站清污分離系統創新性提出一種地下車站綠色設計理念，以保護自然生態環境為宗旨，同時兼顧車站使用功能及結構安全要求。

(2)通過不同工況下隧道涌水量理論解析計算對比，最終采用王建宇公式進行各通道涌水量計算，并利用達西公式得到通道排水管計算管徑大小，進行排水管管徑設計。

(3)車站通過自上而下縱向找坡排水方式，將各通道層及設備用房水匯總至站臺層，再利用線路縱坡將清水排出車站，清水與廢水排水溝分別單獨設置，以達到清污完全分離的效果。

(4)采用真空抽排系統設計解決了地下站生活污水排放問題。本文清污分離系統設計在國內無類似工程經驗，對同類工程具有很好的借鑒意義。