利用地鐵盾構隧道內(nèi)空間的匯水排水技術應用研究

史云天

(中國鐵路設計集團有限公司， 300251， 天津∥工程師)

地鐵盾構隧道排水的原理是在隧道的低點設置廢水泵站，使少量滲漏水及事故工況下的消防廢水借助道床排水溝沿線路縱坡向泵站集水池匯集，通過與之匹配的機械排水設施(一般為潛水泵)抽排至臨近車站或區(qū)間風井后，最終排至室外[1-2]。

《地鐵設計規(guī)范》明確規(guī)定：2條單線區(qū)間隧道間應設聯(lián)絡通道，相鄰2個聯(lián)絡通道之間的距離不應大于600 m。由此，長度在600 m以上的隧道一般均設有聯(lián)絡通道。廢水泵站可結合聯(lián)絡通道的實際情況進行設置。在過往的地鐵工程中，長度小于600 m的區(qū)間隧道數(shù)量較少且多為單向坡，可將廢水匯流至相鄰車站，以避免在隧道內(nèi)蓄積。然而，短距離無聯(lián)絡通道的V型坡隧道，以及因施工誤差造成局部低點的隧道仍時有出現(xiàn)。針對這些存在低點且無聯(lián)絡通道的盾構隧道，工程中大多采取在低點處道床設置窄長型集水池，借助潛水泵進行排水。但是，受水泵性能的限制，集水池內(nèi)仍留存較多廢水。廢水淹沒過道床、鋼軌，存在較大的安全隱患。為解決此問題，本文對潛水泵與真空裝置在此類盾構隧道的應用予以對比分析，并提出一種將兩者組合應用的新技術。

1 盾構隧道排水技術應用分析

區(qū)間聯(lián)絡通道的施工風險大、造價高，因此采用在聯(lián)絡通道內(nèi)增設泵站的方式解決短距離隧道低點排水難題并不適宜。目前，此類隧道的排水多采取優(yōu)化隧道低點處道床集水池的設計、輔以特定機械排水設施的方式實現(xiàn)。經(jīng)實踐應用和研究分析，目前可采用的排水技術有潛水泵排水技術和真空排水技術兩種。

1.1 潛水泵排水技術

潛水泵排水需設置具有一定停泵保護水位和有效調(diào)節(jié)容積(不小于最大1臺水泵15～20 min的出水量)的集水池。潛水泵排水技術就是利用隧道低點的道床區(qū)域，在局部區(qū)域增加中心排水溝的深度和寬度，沿線路縱向設置1處滿足調(diào)節(jié)容積需求、適合水泵安裝且不侵擾設備限界的集水池。集水池內(nèi)設多臺潛水泵并聯(lián)工作，通過沿隧道側壁安裝的管道將廢水輸送至相鄰車站的主廢水池內(nèi)(因隧道低點和室外地面間的高差較大，為有效控制潛水泵的功率、停泵水位及外形尺寸，一般不直接經(jīng)車站排至室外)。

1.1.1 普通道床潛水泵的設置方案

以直徑為5 500 mm的盾構隧道普通道床為例，道床完成面距盾構隧道的建筑限界為520 mm。當集水池寬度B取750 mm時，最大有效池深H(池底至道床面)僅為500 mm。常規(guī)小型潛水泵的停泵水位一般為300～500 mm，而道床潛水泵排水技術在避免停泵后集水池內(nèi)積水過深的同時仍需設置必要調(diào)節(jié)水深，對水泵性能和品質(zhì)要求更為嚴格，停泵水位一般不應大于200 mm。

參照某建成地鐵項目，選用4臺流量為10～15 m3/h的潛水泵，平時僅1臺水泵工作，消防工況下4臺泵同時運行(控制柜采用1控4模式)。設集水池的停泵水位為h1，1泵啟動水位為h2，高報警兼4泵同時啟動的水位為h3。h2與h3的高差取50 mm，去除h1所必需的200 mm，則可用調(diào)節(jié)水深Δh(即h1-h2)僅為250 mm。考慮集水池池底沿線路縱向在較短距離內(nèi)近似水平，當B為750 mm時，如滿足流量為15 m3/h的潛水泵15 min出水量，集水池的長度L應達到20 m，如圖1所示。

注：1——道床廢水池；2——泵坑；3——潛水泵；4——排水管；5——過軌管道安裝槽。

1.1.2 鋼彈簧浮置板道床潛水泵設置方案

相比于普通道床，鋼彈簧浮置板道床集水池和潛水泵的設置更為復雜。道床完成面距盾構隧道的建筑限界為550 mm，當B取750 mm時，H為580 mm，而浮置板的板底距池底僅為240 mm，因此一般要求h1不應超過100 mm。但在必需的調(diào)節(jié)容積限制下，h2仍會淹沒浮置板板底，尤其當區(qū)間泵站位于小半徑區(qū)段且道床傾斜時，情況會更不利[3-4]。

具備極低停泵水位的潛水泵一般為小功率泵。以某進口潛水泵為例，當h1<100 mm時，其流量和揚程分別為7.92 m3/h和18 m，功率為1.1 kW。因此，為滿足總排水能力需求，每處低點需并聯(lián)設置8臺泵(控制柜采用1控8模式)，采用從1臺到8臺泵遞增啟動的方式，并要求液位計進行精細化測控。浮置板道床目前多為預制板片形式，每片長度約為4 m，潛水泵泵孔在每個板片的兩端各預留1處凹槽，故相比于普通道床上泵孔間距1 m的緊湊布置，浮置板道床區(qū)段8臺潛水泵需分散布置在長為25 m的集水池內(nèi)，各水泵停止運行時的實際水位隨線路縱坡也必然存在一定的高低差異，如圖2所示。

注：1——道床廢水池；2——泵坑；3——浮置板道床；4——潛水泵；5——排水管。

當設置在最低點(水池中心)的液位計探測到h1=100 mm時，廢水池兩端的1#潛水泵和8#潛水泵的實際水位只有37.5 mm(隧道低點兩側線路縱坡以0.5%計)，這對各控制液位的設置和實際工作效果的要求將更為嚴苛。潛水泵的冷卻主要依靠外部水循環(huán)降溫實現(xiàn)，而100 mm的停泵水位或更低的液位對于近500 mm高的泵體而言，基本不具備實現(xiàn)水冷卻的能力，且在實際使用中時有燒泵現(xiàn)象發(fā)生。為此，新建項目對潛水泵的性能，尤其是冷卻能力的要求極高，進而需要更多的工程費用。

為了創(chuàng)造較理想的停泵水位，部分工程在供潛水泵安裝的盾構環(huán)片處采用底部鋼管片與周側鋼筋混凝土管片相結合的襯砌結構，并在鋼管片上預制吸水坑(水坑深度h一般為200～240 mm)，以供潛水泵使用，如圖3所示。

利用鋼管片增設吸水坑，可在一定程度上為潛水泵提供更為良好的工作環(huán)境，提高設備的耐久性，但需嚴格保證鋼管片的強度，確保吸水坑及其周側金屬件防水、防腐性能的有效性和持久性。對多個吸水坑連續(xù)設置下不同材質(zhì)管片的交叉拼接施工，應有妥善而嚴格的設計和施工要求。

注：1——鋼管片內(nèi)吸水坑；2——泵坑；3——浮置板道床；4——潛水泵；5——排水管；6——鋼管片；7——鋼筋混凝土管片。

1.2 真空排水技術

真空排水技術利用真空裝置將隧道區(qū)間低點的廢水抽吸至相鄰車站實現(xiàn)排水。真空裝置主要由真空機組(含真空泵、真空罐、排水泵)、廢水提升器、真空排水管路、控制系統(tǒng)等組成。該技術在排除淺積水上具有優(yōu)勢，吸取廢水的動力是真空泵抽吸真空罐所形成的罐內(nèi)負壓，穩(wěn)定狀態(tài)下的吸水高度約為7 m。從應用環(huán)境角度看，由于無聯(lián)絡通道的盾構隧道長度多小于600 m，且隧道兩端與中部低點的高差為2～4 m不等，該技術也具備了較為理想的使用條件[5-6]。

如圖4～5所示，采用真空排水技術時，需在隧道低點道床內(nèi)設置2～4處吸水坑(長、寬均為500 mm)，用于收集線路排水溝匯流的廢水。每處吸水坑設1套廢水提升器，廢水提升器由真空隔膜閥、閥前吸水管、液位計等組成。閥前吸水管的端頭和液位計伸至吸水坑內(nèi)，真空隔膜閥緊貼隧道內(nèi)壁安裝。廢水提升器通過沿隧道壁安裝的真空管路連接至相鄰車站端頭廢水泵房的真空罐內(nèi)，當罐內(nèi)廢水達到一定液位后再由排水泵提升至車站主廢水池或室外管網(wǎng)。真空裝置可將道床吸水坑殘留水保持在更低液位，甚至可以基本排干坑內(nèi)的廢水，從而有效減少殘留廢水對鋼彈簧、軌道等的侵擾，提高設備、設施的使用壽命。

2 盾構隧道排水技術對比

真空排水技術通過1套真空單元，可以服務于多處積水點。當某區(qū)間內(nèi)有多個低點或同時服務車站相鄰的多個區(qū)間時，相比于潛水泵排水技術，真空排水技術更為經(jīng)濟。本文以某城市軌道交通線路的A—B區(qū)間為案例(此區(qū)間采用鋼彈簧浮置板道床)，從工藝的適用性、經(jīng)濟性和耐久性角度對潛水泵排水技術和真空排水技術進行對比分析。

注：1——道床中心溝；2——吸水坑；3——提升器；4——閥前吸水管；5——真空隔膜閥；6——過軌管道安裝槽。

注：1——吸水坑；2——提升器安裝孔；3——浮置板道床；4——提升器；5——閥前吸水管；6——真空隔膜閥。

A—B區(qū)間的起點里程記為0，終點里程為596.00 m，上、下行線路低點集水池(坑)的中心里程均為269.00 m。在A站大里程端頭和B站小里程端頭均設有車站主廢水泵站，區(qū)間低點廢水均考慮排至相鄰車站的主廢水泵站廢水池內(nèi)。區(qū)間低點(o點)處的軌面高程Ho為-16.957 m，A站主泵站(a點)處的軌面高程Ha為-12.388 m，B站主泵站(b點)處的軌面高程Hb為-13.179 m。Ho和Ha、Hb之間的高差分別為4.569 m、3.778 m，高差值之差為0.791 m。o點至a點、b點的管道長度分別為274 m、332 m，長度差為58 m。經(jīng)計算，采用長度為58 m、公稱直徑為DN 150的普通鋼管，當流量為50 m3/h時，水頭損失僅為0.420 m(真空裝置抽吸廢水時，因水中混合有氣體，管道水頭損失將更小)，小于水泵克服0.791 m高差所需的揚程。同時，考慮真空排水技術利用大氣壓壓差排水的理想工作條件及潛水泵的提升揚程，兩種技術均選取B站主廢水泵站廢水池作為最終排水點。真空機組設置在B站廢水泵站內(nèi)。兩種技術的對比如表1所示。

表1 潛水泵排水技術和真空排水技術施工要求及排水效果對比

3 組合式排水技術應用探討

通過潛水泵排水技術和真空排水技術的對比分析可知，潛水泵排水技術由液位計聯(lián)動控制多臺泵遞增啟動，雖然可以連續(xù)、快速地排除集水池內(nèi)廢水，但對于集水池內(nèi)剩余廢水的控制并不理想。如果采用高性能低液位(停泵水位≤100 mm)潛水泵，其成本較常規(guī)潛水泵將成倍增加，并產(chǎn)生高額的運維費用。真空排水技術具備抽排集水池淺積水的能力，對于道床環(huán)境更為友好，但適配于排除區(qū)間消防廢水的真空裝置的整體造價比潛水泵的造價高50%左右。

地鐵隧道內(nèi)的廢水多為結構滲漏水，其水量較少。消防廢水僅在發(fā)生事故時出現(xiàn)，屬小概率事件。以長度為600 m的盾構隧道為例，若結構滲漏水量為0.05 L/(m2·d)，則該隧道的日最大滲漏水量約為0.63 m3，如選用較大排水能力(滿足消防工況排水要求)的真空裝置，日常使用時必然存在排水能力過剩的情況，且初始投資和運維成本均較高。

為此，本文結合潛水泵和真空裝置的優(yōu)點，提出一種組合式排水技術。該技術的關鍵是在日常使用時由小流量真空裝置抽排廢水，在消防工況下可瞬時轉換為大流量潛水泵排水，兩者共用1條排水管路，實現(xiàn)真空排水管與壓力排水管的靈活切換，從而有效節(jié)省工程投資，減少設備維護成本。

組合式排水技術的具體原理如圖6所示，在隧道區(qū)間低點結合道床排水溝設置1處窄長型的集水池(寬度為0.75 m，長度為20.00 m)，內(nèi)設2～4臺流量為10～20 m3/h的普通潛水泵，停泵水位滿足200～300 mm即可。同時設置一套排水流量為5～10 m3/h的小型真空機組，將廢水提升器一并設置于上述集水池內(nèi)，真空機組僅用于日常結構滲漏水的排除。

如圖6所示，日常使用時，廢水提升器后的隔膜閥1和真空罐進水管前的隔膜閥2關閉，使區(qū)間內(nèi)排水管道呈真空狀態(tài)。在集水池內(nèi)水位小于50 mm時，真空裝置與潛水泵均處于待機狀態(tài)。當池內(nèi)水位達到50 mm(液位1)時，真空機組工作，隔膜閥1、隔膜閥2由真空動力管驅動開啟，組合式排水裝置抽吸集水池廢水直至廢水基本排干。如遇消防廢水或偶然的大流量廢水匯流，造成水位上升至200 mm(液位2，即潛水泵的停泵水位)，隨后持續(xù)上漲至500 mm(液位3)并保持30 s而未見下降時，液位信號聯(lián)動關閉隔膜閥1和隔膜閥2，開啟旁通管上的電動閥1，此時真空機組轉至待機狀態(tài)，潛水泵開始工作，將真空排水管道切換為潛水泵的壓力排水管道，實現(xiàn)大流量排水。待水位下降至200 mm(液位2)且在30 s內(nèi)未見增長時，潛水泵停泵，組合式排水裝置切換回真空排水模式，抽排池內(nèi)的淺層積水。

圖6 組合式排水技術原理圖Fig.6 Schematic diagram of combined drainage technology

采用組合式排水技術，在低水位時小型真空機組工作，可高效排除隧道內(nèi)的淺積水，為鋼彈簧設施等創(chuàng)造理想的無水環(huán)境；在排除大量廢水時，由于對潛水泵的整機性能和停泵水位要求較低，可選用較大功率的水泵，以減少水泵總數(shù)量，簡化多泵并聯(lián)的控制邏輯，降低能耗，從而節(jié)省初始投資和運維成本。該技術采用切換單個排水管道的方式，可以減少區(qū)間隧道內(nèi)過多管道的敷設，進而最大限度地降低工程造價。

經(jīng)估算，將該組合式排水技術應用于A—B區(qū)間的總投資約為52.0萬元，比采用真空排水技術節(jié)省了24.5%，比采用潛水泵排水技術僅高13.5%，可見，組合式排水技術的經(jīng)濟效益明顯。

4 結語

潛水泵排水技術在普通道床段具備較良好的應用條件，但設置于鋼彈簧浮置板道床時，因受潛水泵性能不一的限制，存在最低水位波動的不確定性，易侵擾鋼彈簧，且多臺水泵的并聯(lián)運行控制邏輯復雜。采用真空排水技術可有效控制集水池水位，營造理想的隧道低點環(huán)境，但大排量真空機組對整體性能要求較高，造價也較高。組合式排水技術通過技術的有效整合和聯(lián)控，兼具了潛水泵和真空裝置的優(yōu)點，在地鐵區(qū)間隧道排水中有良好的適用性，節(jié)能效果顯著。組合式排水技術中排水管道的快速、可靠切換，以及真空裝置的小型化仍需持續(xù)深化研究，進一步應用于工程實踐，使該技術具有更為廣泛的應用前景。