高速鐵路越江隧道洞口雨水泵房設(shè)計(jì)探討

史義雄

(中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，武漢 430063)

1 概述

近年來，中國高速鐵路技術(shù)得到了長足的發(fā)展，武廣、京滬及廣深港等高鐵相繼開通，引起世界矚目。過江隧道在克服江河等地形障礙、縮短空間距離及改善陸路交通工程運(yùn)行質(zhì)量等方面具有明顯的優(yōu)勢，但目前現(xiàn)行《室外排水設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50014—2006)和《鐵路給排水設(shè)計(jì)規(guī)范》(TB10010—2008)均沒有專門的條款指導(dǎo)高鐵隧道的排水設(shè)計(jì)。國內(nèi)已建成的廣深港客運(yùn)專線獅子洋隧道、武廣客運(yùn)專線瀏陽河、金沙洲隧道的設(shè)計(jì)均為按照工程性質(zhì)的重要性，遵循施工可行、運(yùn)營可靠的設(shè)計(jì)理念，參照相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范進(jìn)行的。本文對高鐵越江隧道的洞口雨水泵房設(shè)計(jì)，如設(shè)計(jì)重現(xiàn)期、集流時(shí)間、雨水泵房集水池調(diào)節(jié)容積的確定及水泵的監(jiān)控等進(jìn)行探討。

2 雨水泵房的設(shè)置

2.1 雨水泵房的位置

高速鐵路越江隧道洞口雨水的排水設(shè)計(jì)主要體現(xiàn)在“集”與“排”，就是將無法重力流排出的雨水集中到集水池，通過水泵抽排到隧道外雨水排水系統(tǒng)。雨水泵房位置與隧道的平、縱斷面有關(guān)，一般設(shè)在隧道的進(jìn)口及出口處，但也可能僅在隧道的進(jìn)口或出口設(shè)置，具體根據(jù)工程的實(shí)際情況確定。

2.2 截水溝的設(shè)置

洞口雨水泵房設(shè)置橫向截水溝，一般設(shè)置2道，以便將全部洞口雨水收集到集水井內(nèi)，確保高鐵運(yùn)營的安全。截水溝在軌道外采用帶格柵的明溝，在軌道下采用DN500的鋼管，暗管的坡度為3‰。截水溝的平面及斷面如圖1、圖2所示。

2.3 集水池的調(diào)節(jié)容積

按照《室外排水設(shè)計(jì)規(guī)范(2011版)》(GB50014—2006)中5.3.1條規(guī)定:集水池的容積應(yīng)根據(jù)設(shè)計(jì)流量、水泵能力和水泵工作情況等因素確定，一般不應(yīng)小于最大1臺(tái)水泵30 s的出水量;如水泵機(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［1]。

圖1 洞口雨水泵房截水溝平面(單位:mm)

圖2 洞口雨水泵房截水溝剖面(單位:mm)

目前進(jìn)行地鐵設(shè)計(jì)時(shí)［2]，洞口雨水泵站(房)的集水池有效容積，一般取最大1臺(tái)排水泵5～10 min的出水量，這是我國及國外多年地鐵建設(shè)的經(jīng)驗(yàn)。由于高速鐵路隧道洞口集流面積不大，從水泵工作安全性上考慮，雨水泵房集水池的調(diào)節(jié)容積建議取最大1臺(tái)排水泵5～10 min的出水量。

3 雨水泵房的設(shè)計(jì)水量

3.1 雨水量計(jì)算公式

雨水設(shè)計(jì)流量應(yīng)按下列公式計(jì)算

式中 Qs——雨水設(shè)計(jì)流量，L/s;

q——設(shè)計(jì)暴雨強(qiáng)度，L/s·hm2;

Ψ——徑流系數(shù);

F——匯水面積，hm2;

t——降雨歷時(shí)，min;

P——設(shè)計(jì)重現(xiàn)期，年;

A1、C、n、b——參數(shù)，根據(jù)統(tǒng)計(jì)方法進(jìn)行計(jì)算確定。

對于某個(gè)具體的工程，該地的暴雨強(qiáng)度公式是確定的，高鐵越江隧道多采用無砟軌道，軌道透水性很差，類似于屋面及混凝土路面，徑流系數(shù)取0.85～0.95，這里取高值0.95，匯水面積F是確定的，計(jì)算雨水設(shè)計(jì)流量要確定的參數(shù)就是洞口降雨歷時(shí)t和設(shè)計(jì)重現(xiàn)期P。

3.2 雨水量計(jì)算分析

3.2.1 設(shè)計(jì)重現(xiàn)期P的選取

《室外排水設(shè)計(jì)規(guī)范(2011版)》(GB50014—2006)第3.2.4B條規(guī)定:特別重要地區(qū)P可采用50年或以上。

《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50157—2003)規(guī)定:洞口的雨水如不能自流排放時(shí)，必須在洞口適當(dāng)位置設(shè)排水泵站，并在洞口道床的適當(dāng)位置，設(shè)橫向截水溝，保證將雨水導(dǎo)流至泵站集水池。排水管渠或排水泵站的排水能力，按當(dāng)?shù)?0年一遇的暴雨強(qiáng)度計(jì)算，集流時(shí)間按計(jì)算確定。

歐盟室外排水系統(tǒng)排放標(biāo)準(zhǔn)(BS EN 752—4:1998)推薦暴雨設(shè)計(jì)重現(xiàn)期和內(nèi)澇設(shè)計(jì)重現(xiàn)期，見表1、表2。

表1 歐盟推薦設(shè)計(jì)暴雨重現(xiàn)期

表2 歐盟推薦設(shè)計(jì)內(nèi)澇重現(xiàn)期

綜上，結(jié)合高鐵越江隧道比較重要的特點(diǎn)，洞口雨水設(shè)計(jì)重現(xiàn)期P取50年。

3.2.2 降雨歷時(shí)t的確定

設(shè)計(jì)降雨歷時(shí)t是指連續(xù)降雨的時(shí)段，可以是整個(gè)降雨經(jīng)歷的時(shí)間，也可以指降雨過程中的某個(gè)連續(xù)時(shí)段。雨水管渠的設(shè)計(jì)降雨歷時(shí)t，由地面集水時(shí)間t1和雨水在計(jì)算管段中流行的時(shí)間t2組成

式中 t——降雨歷時(shí)，min;

t1——地面集水時(shí)間，min，一般取5～15 min;

現(xiàn)代農(nóng)業(yè)是把農(nóng)業(yè)建立在現(xiàn)代科學(xué)的基礎(chǔ)上，利用現(xiàn)代化科學(xué)技術(shù)、現(xiàn)代工業(yè)來裝備農(nóng)業(yè)，用智能化來管理農(nóng)業(yè)，創(chuàng)造一個(gè)高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、低耗的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)體系。其最終目標(biāo)是建立發(fā)達(dá)、富庶的農(nóng)業(yè)和創(chuàng)造良好的環(huán)境。其特征包括機(jī)械化、科學(xué)化、產(chǎn)業(yè)化、信息化和提高勞動(dòng)者的素質(zhì)。

m——折減系數(shù)，一般取1～12，為提高越江隧道排水的安全性，m取1;

t2——管渠內(nèi)雨水流行時(shí)間，min。

在武漢長江公路隧道、廣深港高速鐵路獅子洋隧道的洞口雨水的計(jì)算中，地面集流時(shí)間t1均取15 min［3，4]，為規(guī)范規(guī)定的上限值，t2取 0，這是把設(shè)計(jì)起點(diǎn)斷面設(shè)在雨水泵房處的橫截溝處。

地面集流時(shí)間與雨水泵房前的起坡點(diǎn)至雨水泵站的距離長短、線路坡度有關(guān)系。以瀏陽河隧道為例:位于廣州側(cè)的出口引道段長275 m，U形槽寬15.8 m，U形槽面積為4 345 m2。

按照國內(nèi)的工程經(jīng)驗(yàn)，從匯水量上考察，平坦地形的地面集水距離的合理范圍是50～150 m，比較適中的是80～120 m。瀏陽河隧道的集流距離為275 m，遠(yuǎn)大于合理集水范圍的上限值150 m。此外，在敞開段線路的縱坡為20‰，坡道較大，地面集流時(shí)間不能一概取為15 min。

鐵路無砟軌道橫向設(shè)有2%的坡坡向中間的集水槽，雨水通過中間的流槽流向雨水泵房處的橫截溝，最后進(jìn)入雨水泵房集水池。集水橫斷面最下面為DN160的半圓形流槽，中間是橫坡為2%的梯形斷面，最上面是矩形斷面，如圖3所示。

以瀏陽河隧道左線及右線線路中間部分為集雨面積，集雨寬度B=5 m，集雨長度為L=275 m，集流槽縱坡20‰，集流槽橫坡20‰，集流槽 n=0.013，設(shè)計(jì)重現(xiàn)期P=50年，徑流系數(shù)0.95，廣州市暴雨強(qiáng)度公式:q=2 424.17(1+0.533lgP)/(t+11.0)0.668。

圖3 隧道洞口復(fù)合集水?dāng)嗝媸疽?單位:mm)

表3 隧道洞口雨水集流時(shí)間推導(dǎo)

從表3中得知，計(jì)算得到理論集流時(shí)間為9.26 min。此外，有代表性地選擇南京(華東地區(qū))、長樂(東南沿海)、哈爾濱(東北地區(qū))及蘭州(西北地區(qū))等5個(gè)城市的暴雨強(qiáng)度公式，通過對地面集流時(shí)間的理論計(jì)算，并在設(shè)定的條件下，計(jì)算得到理論集流時(shí)間為9.26～10.18 min，計(jì)算過程從略，在地域差別比較大的情況下，隧道理論集流時(shí)間差別不是很大。

假定在L＞50 m時(shí)，集流時(shí)間t1=5+(L-50)/v平均/60(min)。反算 v平均為 0.72～0.88。為簡化計(jì)算，這里 v平均取0.80，即集流時(shí)間 t1=5+(L-50)/0.80/60(min)。

上述推導(dǎo)是在線路縱坡為20‰的條件下進(jìn)行，當(dāng)縱坡為10‰和15‰時(shí)，以廣州市暴雨強(qiáng)度公式為例進(jìn)行推導(dǎo)，其他條件同上，計(jì)算過程從略。計(jì)算結(jié)果表明:縱坡為10‰，地面集流時(shí)間為10.43 min，縱坡為15‰，地面集流時(shí)間為9.82 min，與線路縱坡為20‰時(shí)地面集流時(shí)間為9.26 min相比，差別也不太大。一般的越江隧道工程，隧道從江底過渡到地上，隧道的坡度不會(huì)太小，坡度越小，地面集流時(shí)間越長，降雨強(qiáng)度會(huì)降低，如非特殊情況，高鐵線路的坡度一般控制在20‰以內(nèi)，因此，計(jì)算地面集流時(shí)間可以不考慮因坡度變化的影響，統(tǒng)一按照線路縱坡為20‰考慮，在設(shè)計(jì)中也更為安全。

綜上，地面集流時(shí)間:

當(dāng)L≤50 m時(shí)，t1=5 min

當(dāng)L＞50 m時(shí)，t1=5+(L-50)/0.80/60(min)

式中 L——隧道洞口集水距離，m。

在獅子洋隧道設(shè)計(jì)時(shí)，隧道雨水泵房設(shè)計(jì)流量為1.2倍計(jì)算雨水量［4]，建議不乘安全系數(shù)，主要是雨水泵房的集水池有一定的調(diào)節(jié)容積，調(diào)節(jié)容積遠(yuǎn)比《室外排水設(shè)計(jì)規(guī)范(2011版)》(GB50014—2006)規(guī)定的30 s要大，提供了一定的緩沖能力。

3.3 雨水泵的臺(tái)數(shù)

以廣州市為例，暴雨重現(xiàn)期取1～50年，降雨歷時(shí)取5、10 min和15 min進(jìn)行暴雨強(qiáng)度計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見表4。

表4 廣州市暴雨強(qiáng)度 L/s

從表3中可得知，重現(xiàn)期P=50年的暴雨強(qiáng)度為P=1年的暴雨強(qiáng)度的2倍左右。按照武漢、南京等多個(gè)城市的暴雨強(qiáng)度公式進(jìn)行檢驗(yàn)，重現(xiàn)期P=50年的暴雨強(qiáng)度也為P=1年的暴雨強(qiáng)度的2倍左右。因此，雨水泵的配置建議按2臺(tái)使用考慮，考慮到泵房的重要性，設(shè)置1臺(tái)備用水泵。

3.4 雨水泵房的監(jiān)控

雨水泵房應(yīng)設(shè)置監(jiān)控系統(tǒng)。排水泵的工作狀態(tài)和水位信號(hào)，應(yīng)在控制室顯示。排水泵站(房)的排水泵，應(yīng)設(shè)計(jì)為自灌式，一般采用自動(dòng)、就地和遠(yuǎn)動(dòng)3種控制方式。

(1)集水池內(nèi)水位啟動(dòng):液位自動(dòng)控制啟停，并可根據(jù)不同液位確定開啟泵的數(shù)量;

(2)泵房內(nèi)就地啟動(dòng):泵房內(nèi)可手動(dòng)控制;

(3)中控室遙控啟動(dòng):控制中心遠(yuǎn)程控制，并在控制中心內(nèi)顯示水泵的工作運(yùn)行狀態(tài)及集水池水位。

3.5 附屬設(shè)施

若泵房外壓力排水管距離市政雨水系統(tǒng)較遠(yuǎn)，則在壓力排水管的高點(diǎn)以及每隔一定距離處，應(yīng)設(shè)排氣裝置;在管道的低點(diǎn)以及每隔一定距離處，應(yīng)設(shè)排空裝置。

承插式壓力管道應(yīng)根據(jù)管徑、流速、轉(zhuǎn)彎角度、試壓標(biāo)準(zhǔn)和接口的摩擦力等因素，通過計(jì)算確定是否在垂直或水平方向轉(zhuǎn)彎處設(shè)置支墩。

壓力管接入自流管渠時(shí)，應(yīng)有消能設(shè)施。壓力排水管管徑較小時(shí)，可排入鋼筋混凝土檢查井中，在井底設(shè)置C30混凝土墊層。如果壓力排水管較大(DN300及以上)時(shí)，宜設(shè)置專門的消能井，如圖4所示。

圖4 消能井大樣

考慮到雨水泵房的重要性，泵房的壓力出水管宜設(shè)置2條。正常工作時(shí)，2條管道并聯(lián)使用;當(dāng)1條管道發(fā)生故障，按另外1條管道能通過全部設(shè)計(jì)雨水量進(jìn)行水泵能力校核。

4 結(jié)語

高鐵越江隧道洞口雨水泵房的設(shè)置建議符合下列規(guī)定:

(1)洞口的雨水如不能自流排放時(shí)，必須在洞口適當(dāng)位置設(shè)雨水泵房，并在洞口道床的適當(dāng)位置，設(shè)橫向截水溝，保證將雨水導(dǎo)流至泵房集水池。排水管渠或排水泵站的排水能力，按當(dāng)?shù)?0年一遇的暴雨強(qiáng)度計(jì)算，集流時(shí)間按下式計(jì)算確定

當(dāng)L≤50 m時(shí)，t1=5 min

當(dāng)L＞50 m時(shí)，t1=5+(L-50)/0.80/60

式中 t1——隧道集流時(shí)間，min;

L——隧道洞口集水距離，m。

(2)洞口的雨水泵站，建議設(shè)置3臺(tái)排水泵，2用1備，每臺(tái)泵的排水能力應(yīng)大于最大小時(shí)排水量的1/2，極端天氣情況下3臺(tái)泵同時(shí)工作。排雨水泵站宜設(shè)2根壓力排水管接入雨水排水系統(tǒng)。

(3)雨水泵應(yīng)設(shè)計(jì)為自灌式，一般采用自動(dòng)、就地和遠(yuǎn)動(dòng)3種控制方式。雨水泵的工作狀態(tài)和水位信號(hào)，應(yīng)在控制室顯示。雨水泵為自動(dòng)控制啟動(dòng)時(shí)，水泵每小時(shí)啟動(dòng)次數(shù)不得超過6次。

(4)洞口雨水泵房的集水池有效容積，不得小于最大1臺(tái)水泵5～10 min的出水量。

［1]上海市建設(shè)和交通委員會(huì).GB 50014—2006 室外排水設(shè)計(jì)規(guī)范(2011 版)［S].北京:中國計(jì)劃出版社，2011.

［2]北京城建設(shè)計(jì)研究總院.GB50157—2003 地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范［S].北京:中國計(jì)劃出版社，2003.

［3]黃盾.武漢長江隧道給排水、消防系統(tǒng)設(shè)計(jì)探討［J].中國給水排水，2006(20):53-56.

［4]黃盾，符珍，黃黆.廣深港客專珠江獅子洋隧道有關(guān)設(shè)計(jì)問題的研究［J].鐵道工程學(xué)報(bào)，2008(8):62-65.

［5]趙勇.瀏陽河隧道關(guān)鍵技術(shù)問題的探討［J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2006(12):54-56.

［6]陽習(xí)豐.瀏陽河隧道過河段設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)［J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2008(4):87-89.

［7]鐵道第四勘察設(shè)計(jì)院.鐵路工程設(shè)計(jì)技術(shù)手冊·給水排水［M].3版.北京:中國鐵道出版社，2004.

［8]中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司.TB10010—2008 鐵路給排水設(shè)計(jì)規(guī)范［S].北京:中國計(jì)劃出版社，2009.

［9]北京市市政工程設(shè)計(jì)研究總院.給水排水設(shè)計(jì)手冊·第5冊城鎮(zhèn)排水［M].2版.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2000.