盾構(gòu)法過江交通隧道廢水排水系統(tǒng)調(diào)研與總結(jié)

唐 健， 周金忠， 范太興， 張忠品， 杜金海， 陳長江

(中鐵隧道勘測設(shè)計(jì)院有限公司， 天津 300133)

0 引言

隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，人們出行對水域通行的要求越來越高，水下隧道以其特有的方式成為過江的首選。盾構(gòu)法施工的過江交通隧道(簡稱過江隧道)，其廢水包括隧道結(jié)構(gòu)滲漏水、日常運(yùn)營清洗廢水、消防廢水及消防水管爆管產(chǎn)生廢水(簡稱消防管爆管廢水)等。由于過江隧道的廢水無法通過自流方式排出隧道[1-3]，如果不及時(shí)排除就會影響隧道正常運(yùn)營[4-5]。過江隧道廢水排水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，主要體現(xiàn)在排水能力[6]、水泵選型[7]、提升方案[8]等方面，因此，廢水排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)的第一目標(biāo)為： 合理設(shè)計(jì)廢水泵站的排水能力，及時(shí)排除各種廢水。

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]介紹了南京地鐵3號線地鐵過江隧道廢水排水方案的設(shè)計(jì)情況； 文獻(xiàn)[8]主要介紹了海河隧道的雨水排水設(shè)計(jì)系統(tǒng)； 文獻(xiàn)[9-14]主要對城市隧道排水系統(tǒng)、消防給水系統(tǒng)和自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)如何合理設(shè)計(jì)進(jìn)行了分析和探討。以上文章均針對單座隧道的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行探討，對同類隧道的廢水排水系統(tǒng)無橫向比較。本次南京調(diào)研的4條水下交通隧道，根據(jù)功能分為2條地鐵過江隧道和2條公路過江隧道，隧道所處的地質(zhì)條件基本相同，外部影響因素相近，如過江段單次掘進(jìn)線路長度均較長、地質(zhì)條件均較復(fù)雜、沿線水頭壓力均較高、覆土厚度變化均較大等。但在隧道內(nèi)的設(shè)備布置，尤其是廢水排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面有許多不同點(diǎn)，因此具有一定的可比性。

1 地鐵過江隧道廢水排水系統(tǒng)概述

1.1 工程概況

南京地鐵3號線下穿長江段為浦珠路站—濱江路站區(qū)間(簡稱南京3號線過江隧道)，該隧道線路全長3 353.945 m，過江段約2 159 m，最大縱坡為28‰，埋深為8～40 m，300年一遇沖刷條件下，隧道頂部覆土厚度約為5 m，深槽段穿越地層主要為粉細(xì)砂和含礫中粗砂層，土層滲透系數(shù)較大，透水性好。南京3號線過江隧道平面和縱剖面如圖1(a)和圖1(c)所示。

南京地鐵10號線下穿長江段區(qū)間(簡稱南京10號線過江隧道)起點(diǎn)位于長江北岸的中間風(fēng)井，線路出中間風(fēng)井后，在緯七路過江隧道南側(cè)向東依次穿越長江北岸大堤、城南河、潛洲、長江主航道、梅子洲江防大堤，到達(dá)南岸的江心洲站，隧道線路全長3 600 m，過江段約2 627 m，最大縱坡度為28‰，埋深為9.4～37 m，在300年一遇洪水沖刷下，隧道頂部覆土厚度約為5.3 m，地質(zhì)與3號線穿越土層相似，透水性好，壓縮性低。南京10號線過江隧道平面和縱剖面如圖1(b)和圖1(d)所示。

(a) 南京3號線過江隧道平面圖 (b) 南京10號線過江隧道平面圖

(d) 南京10號線過江隧道縱剖面圖

1.2 廢水的來源與組成

地鐵過江隧道結(jié)構(gòu)滲漏水量比較少，現(xiàn)場考察南京地鐵3、10號線過江隧道時(shí)，發(fā)現(xiàn)隧道側(cè)溝很干燥；隧道內(nèi)的沖洗廢水，一般僅在沖洗隧道時(shí)才產(chǎn)生，而地鐵過江隧道沖洗頻率很低且沖洗水量也很??；消防廢水量相對比較大，但僅在發(fā)生隧道火災(zāi)時(shí)才產(chǎn)生。因此，地鐵過江隧道廢水量主要是消防廢水量。

由于地鐵過江隧道火災(zāi)當(dāng)量值較小，故目前國內(nèi)地鐵過江隧道僅設(shè)置消火栓給水系統(tǒng)，消防水由車站消防水源提供。當(dāng)發(fā)生嚴(yán)重火災(zāi)，而室內(nèi)消防用水量不滿足滅火要求時(shí)，室外消防用水通過“消防車+水泵接合器”供應(yīng)到隧道內(nèi)，用于消防滅火。因此，消防廢水量應(yīng)為室內(nèi)、外消火栓系統(tǒng)的消防水量之和，即廢水流量為72 m3/h，廢水泵站的排水能力應(yīng)按消防廢水量確定，即72 m3/h。但考慮到地鐵隧道內(nèi)一旦發(fā)生火災(zāi)，一般就不再往著火區(qū)間發(fā)車，并且適量的消防廢水積水也不影響列車運(yùn)行。所以，在困難情況下，廢水泵站的排水能力也可以按室內(nèi)消火栓系統(tǒng)的消防廢水量確定，不考慮室外，即也可按36 m3/h考慮。

設(shè)計(jì)南京地鐵3、10號線過江隧道時(shí)，執(zhí)行的規(guī)范為GB 50157—2003《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》(簡稱舊版《地鐵規(guī)范》)。舊版《地鐵規(guī)范》第13.3.5條第1款規(guī)定：“區(qū)間排水泵站、輔助排水泵站及車站排水泵房應(yīng)設(shè)2臺排水泵，平時(shí)1臺工作；當(dāng)排除消防廢水時(shí)，2臺泵同時(shí)工作；排水泵的總排水能力，按消防時(shí)的排水量和結(jié)構(gòu)滲水量之和確定。位于水域下的區(qū)間及車站排水泵站，應(yīng)增設(shè)1臺排水泵，每臺排水泵的排水能力應(yīng)大于最大小時(shí)排水量的1/2?！备鶕?jù)上述要求，考慮其他不可預(yù)見的情況，廢水泵站的排水能力按36～72 m3/h考慮，單臺廢水泵設(shè)計(jì)流量取值應(yīng)為18～36 m3/h。

1.3 廢水泵流量的確定

現(xiàn)將南京3、10號線過江隧道的廢水排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)情況羅列如下，見表1。

表1南京3、10號線過江隧道廢水排水系統(tǒng)比較

Table 1 Comparison of wastewater drainage system between river-crossing tunnels on Line No. 3 and No. 10 of Nanjing Metro

廢水排水系統(tǒng)廢水泵房座數(shù)廢水泵臺數(shù)每臺廢水泵流量/(m3/h)3號線隧道1共3臺3510號線隧道3每座3臺,共9臺25

由表1可知，南京3號線過江隧道消防廢水排水能力按室內(nèi)外消防用水量之和考慮，而南京10號線過江隧道消防廢水排水能力只按室內(nèi)消防用水量考慮。所以，南京3號線過江隧道對廢水泵房的排水能力考慮得相對合理。

新版GB 50157—2013《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》(簡稱新版《地鐵規(guī)范》)第14.3.5條第1款中取消了“位于水域下的區(qū)間及車站排水泵站，應(yīng)增設(shè)1臺排水泵”的要求。上述修改對盾構(gòu)過江隧道特別有意義，一是盾構(gòu)過江隧道結(jié)構(gòu)滲漏水量很小，水泵運(yùn)營時(shí)間很短，維修時(shí)間很多，不必增設(shè)備用排水泵；二是盾構(gòu)過江隧道內(nèi)部布置緊湊，布置水泵空間緊張。從修改中也可以看出： 在盾構(gòu)過江隧道中，廢水泵房的排水能力只要滿足排除消防廢水即可，不必備用排水泵。

2 地鐵過江隧道廢水排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 廢水提升方案

南京3、10號線過江隧道均于2009年開始初步設(shè)計(jì)，2010年開始施工圖設(shè)計(jì)，當(dāng)時(shí)執(zhí)行的規(guī)范為舊版《地鐵規(guī)范》。舊版《地鐵規(guī)范》第12.3.4條第1款規(guī)定：“區(qū)間隧道主排水泵站應(yīng)設(shè)置在線路實(shí)際坡度最低點(diǎn)，每座泵站所擔(dān)負(fù)的區(qū)間長度，單線不應(yīng)大于3 km，雙線不應(yīng)大于1.5 km”。

南京3號線過江隧道總長度約為3 353 m，南京10號線過江隧道總長度約為3 600 m。根據(jù)上述規(guī)范中雙線隧道排水泵房服務(wù)長度不應(yīng)大于1.5 km的要求，其排水系統(tǒng)提升方案均應(yīng)設(shè)計(jì)為2級提升方案，這就說明除了在江底設(shè)廢水泵房外，還需另外設(shè)置2座輔助廢水泵房，即一共設(shè)計(jì)3座廢水泵房，每座廢水泵房內(nèi)需要設(shè)置3臺廢水泵，以滿足規(guī)范要求及隧道實(shí)際排水需要。

南京10號線過江隧道設(shè)計(jì)人員按舊版《地鐵規(guī)范》要求，將廢水排水系統(tǒng)提升方案定為2級提升方案(針對盾構(gòu)隧道段)，即分別在里程為DK12+090.000、DK13+056.500、DK14+090.000處各設(shè)置1座廢水泵房，每座泵房均設(shè)置3臺廢水泵，平時(shí)互為備用，消防時(shí)兩用一備，事故時(shí)同時(shí)使用。廢水2級提升方案見圖2。

圖2 南京10號線過江隧道廢水2級提升方案 (單位： m)

Fig. 2 Relay lifting scheme for wastewater in river-crossing tunnel on Line No. 10 of Nanjing Metro (unit: m)

1#廢水泵房出水管通過區(qū)間接至江心洲站廢水泵房廢水池，經(jīng)車站廢水泵房接力后排至室外壓力窨井，再就近接入市政污水管道； 2#廢水泵房出水管通過區(qū)間接至3#廢水泵房的廢水池； 3#廢水泵房出水管通過區(qū)間接至中間風(fēng)井廢水泵房廢水池，經(jīng)中間風(fēng)井廢水泵房接力后排至室外壓力窨井，再就近接入市政污水管道。泵房布置情況見表2。

表2南京10號線過江隧道廢水泵房布置

Table 2 Arrangement of wastewater pump rooms for river-crossing tunnel on Line No. 10 of Nanjing Metro

廢水泵房廢水泵臺數(shù)廢水泵參數(shù)泵房中心里程1#3Q=25m3/h、H=58m、P=22kWDK12+090.0002#3Q=25m3/h、H=40m、P=15kWDK13+056.5003#3Q=25m3/h、H=48m、P=22kWDK14+090.000

注：Q為流量；H為揚(yáng)程；P為功率。

設(shè)計(jì)南京3號線過江隧道時(shí)，認(rèn)為舊版《地鐵規(guī)范》第13.3.4條的要求有一定的合理性，但在特殊情況下應(yīng)該可以做適當(dāng)?shù)耐黄?。例如，在青島海下道路隧道廢水排水設(shè)計(jì)中，廢水泵站的服務(wù)長度達(dá)到4 km，遠(yuǎn)大于1.5 km，并且運(yùn)行很成功。為此，也咨詢了國內(nèi)隧道界的一些相關(guān)專家，專家也認(rèn)同這種設(shè)計(jì)思路。因此，將南京3號線過江隧道的系統(tǒng)提升方案設(shè)計(jì)為1級提升方案(針對盾構(gòu)隧道段)，即將隧道最低點(diǎn)的廢水先提升至車站廢水泵房，再由車站廢水泵提升至室外排水管網(wǎng)，廢水1級提升方案見圖3。在隧道最低點(diǎn)設(shè)置1座廢水泵房，泵房設(shè)置3臺廢水泵，平時(shí)互為備用，消防時(shí)兩用一備，事故時(shí)同時(shí)使用，廢水泵參數(shù)為Q=35 m3/h、H=50 m、P=11 kW。

圖3 南京3號線過江隧道廢水一級提升方案 (單位： m)

Fig. 3 Once lifting scheme for wastewater in river-crossing tunnel on Line No. 3 of Nanjing Metro (unit: m)

新版《地鐵規(guī)范》對于此條予以修正(第14.3.4條第1款)，提出“區(qū)間隧道主排水泵站應(yīng)設(shè)置在線路實(shí)際坡度最低點(diǎn)”，僅對區(qū)間主排水泵站的設(shè)置位置作出要求，對主排水泵站的服務(wù)長度不再有相關(guān)距離限制。這也從另一方面證實(shí)，南京地鐵3號線過江隧道的廢水排水系統(tǒng)提升方案是完全合理的。

2.2 提升方案比較

從泵房投資、運(yùn)營費(fèi)用、管理難度等角度對南京3、10號線過江隧道系統(tǒng)提升方案進(jìn)行比較，具體內(nèi)容見表3。前期投資主要包括泵房的土建費(fèi)用、設(shè)備費(fèi)用及相關(guān)的配套費(fèi)用，其中因廢水泵房而增加的土建費(fèi)用基本可以忽略；設(shè)備投資主要包括水泵、管材、電纜等。后期費(fèi)用主要為設(shè)備管理運(yùn)營費(fèi)用，如電費(fèi)、檢修維護(hù)費(fèi)等，因?yàn)槠綍r(shí)廢水量很小，廢水泵運(yùn)營時(shí)間很少，使得后期費(fèi)用較低。由表3可知，不管是前期投資還是后期管理運(yùn)行，1級提升方案均優(yōu)于2級提升方案；由于不設(shè)置中間廢水泵，有利于利用隧道下部空間，如鋪設(shè)過江電纜。

表3 南京3、10號線過江隧道排水系統(tǒng)提升方案比較

2.3 隧道斷面布置

南京3、10號線過江隧道段均采用內(nèi)徑10.2 m的單洞雙線越江方案。根據(jù)功能需要，將隧道斷面分為3個(gè)部分： 上部為縱向排煙道，用于消防或緊急情況下的排煙；中間部分為上下行地鐵車行道；下部為廊道(主要滿足廢水排水系統(tǒng)功能)。中隔墻兩側(cè)設(shè)置縱向疏散平臺，供隧道維修和防災(zāi)疏散使用。隧道橫斷面布局如圖4所示。

2.4 廢水泵房布置

南京3號線過江隧道設(shè)計(jì)廢水泵房時(shí)，因?yàn)槭芩淼罃嗝嬗绊?，只能布置在道床與疏散平臺下方的位置。由于無法預(yù)埋廢水泵吊鉤，也無法設(shè)置起吊裝置，因此只能在列車停止運(yùn)營后，采用人工手段將水泵提升至道床面進(jìn)行檢修，容易造成廢水泵檢修與列車運(yùn)行之間的沖突。為此，提出了局部動(dòng)態(tài)干式廢水泵房的設(shè)計(jì)理念(已申請發(fā)明與實(shí)用新型專利，專利號： ZL 2016 2 0375444.8)，具體做法是將廢水池設(shè)置成3格，底部設(shè)置連通管與閘閥；每格內(nèi)設(shè)置1臺廢水泵，當(dāng)某一臺廢水泵需要檢修時(shí)，關(guān)閉對應(yīng)連通管上的閘板，使需要檢修的廢水泵所在的格完全獨(dú)立，并用臨時(shí)小泵將水抽至其余格內(nèi)，由于其余2格水池及廢水泵可正常工作，因此某臺廢水泵檢修不影響整個(gè)廢水泵房的正常運(yùn)行。由于廢水泵在廢水池的某一格內(nèi)檢修，不必將水泵提升至道床面進(jìn)行檢修，所以廢水泵檢修與列車運(yùn)行之間不會相互影響。局部動(dòng)態(tài)干式廢水泵房布置平面圖及剖面圖見圖5和圖6[5]。

圖4 單洞雙線盾構(gòu)隧道橫斷面圖(單位： mm)

Fig. 4 Cross-section of single-tube double-track shield tunnel (unit: mm)

圖5 局部動(dòng)態(tài)干式廢水泵房布置平面圖

圖6 局部動(dòng)態(tài)干式廢水泵房縱剖面圖

設(shè)計(jì)思路如下，將廢水泵房設(shè)計(jì)為3格，底部用管道和進(jìn)水廊道相連，并在連接管設(shè)置閘板，每格水池分別設(shè)置水泵吊裝孔及檢修人孔。水泵的維修流程為：當(dāng)1#廢水池內(nèi)的水泵出現(xiàn)故障時(shí)，首先啟動(dòng)2#、3#廢水泵，將整個(gè)水池的水抽至最低水位，然后關(guān)閉閘板a，用備用的小型移動(dòng)泵將1#廢水池的余水抽至2#廢水池，當(dāng)水位降至小型移動(dòng)泵的停泵水位時(shí)，檢修人員通過檢修人孔進(jìn)入池內(nèi)對水泵進(jìn)行檢修； 同理，當(dāng)2#(或3#)廢水泵出現(xiàn)故障時(shí)，打開其余2臺水泵，將水抽至最低水位，然后關(guān)閉閘板b(或c)，并用移動(dòng)檢修水泵將余水抽至其余2格廢水池，工作人員通過檢修人孔進(jìn)入池內(nèi)對設(shè)備進(jìn)行檢測或維修。也就是說，廢水泵初次安裝時(shí)，通過吊裝孔吊入安裝；廢水泵日常維修時(shí)，工作人員通過檢修人孔進(jìn)入廢水池檢修廢水泵，檢修不影響地鐵運(yùn)營；廢水泵損耗嚴(yán)重需要更換時(shí)，等到晚間地鐵停運(yùn)后，通過吊裝孔吊出運(yùn)走。這種廢水泵房形式的優(yōu)點(diǎn)為： 廢水泵房占用空間小，廢水泵維修方便，維修不影響地鐵正常運(yùn)營；單臺設(shè)備檢修不影響整座泵房的正常進(jìn)水、排水。

南京10號線過江隧道的廢水泵房按常規(guī)設(shè)計(jì)，即廢水池為單格水池，如果廢水泵在廢水池內(nèi)檢修，需要將整個(gè)廢水池的水全部抽干，隧道的排水系統(tǒng)會暫時(shí)無法工作；如果將廢水泵人工提升到軌面上維修，廢水泵維修會影響列車運(yùn)營。其方便性、安全性遠(yuǎn)不如采用局部動(dòng)態(tài)干式廢水泵房，特別是3#廢水泵房除自身排水外，還要排除2#廢水泵房轉(zhuǎn)輸來的廢水，一旦3#廢水泵房內(nèi)廢水泵需要檢修時(shí)，將會影響2#廢水泵房的正常運(yùn)營。因此，南京10號過江隧道線采用的傳統(tǒng)廢水池做法存在一定的安全隱患，相比之下，南京3號線過江隧道采用的創(chuàng)新性廢水泵房布置形式，其方便性、安全性均得到較大提高。

3 道路過江隧道廢水排水系統(tǒng)概述

3.1 工程概況

南京緯七路過江隧道工程位于南京長江大橋與三橋之間，為連接南京市主城區(qū)與江北浦口區(qū)的城市道路交通越江通道，通道總長約6 165 m，道路等級為城市快速路，按6車道規(guī)模建設(shè)，設(shè)計(jì)車速為80 km/h，采用“左汊盾構(gòu)隧道+右汊橋梁”方案。左汊隧道是采用盾構(gòu)法修建的越江隧道，從江北浦口區(qū)黃家村下地，穿過長江主航道到江心洲；右汊橋梁全長近640 m，采用獨(dú)柱塔自錨式懸索橋，主橋一跨過江與河西相接。主體工程包括江北接線道路、江北收費(fèi)廣場、過江隧道、江心洲地面道路、江心洲至江南跨夾江大橋等，其中過江隧道由左右線盾構(gòu)隧道組成，建筑長度約3 790 m，其中盾構(gòu)段長度為3 020 m，該過江隧道采用盾構(gòu)法施工，盾構(gòu)直徑為14.89 m。隧道平面布置圖見圖7(a)。

南京緯三路過江隧道工程位于南京長江大橋與南京緯七路過江隧道之間，是快速聯(lián)系南京江北新區(qū)、河西新城及南京主城的過江通道。緯三路過江通道北起浦口區(qū)頂山街道頂山轉(zhuǎn)盤西側(cè)，跨越沙子河路、江北濱江大道，以隧道形式穿越長江、江南的濱江大道后，南管隧道與定淮門大街順接，北管隧道與揚(yáng)子江大道順接，共分南北(N/S)2條線，跨越長江后，止于江南的濱江大道及定淮門大街。道路標(biāo)準(zhǔn)為城市快速路，設(shè)計(jì)時(shí)速80 km，采用雙管雙層雙向8車道的布置形式，每條隧道分上下2層，每層2車道，同層同向行駛，上下層對向行車，即上層為江北至江南方向，下層為江南至江北方向。其中，N線全長7 014 m，隧道盾構(gòu)段長3 557 m； S線南線全長7 363 m，隧道盾構(gòu)段長4 135 m。隧道平面圖如圖7(b)所示。

(a) 南京緯七路過江隧道

(b) 南京緯三路過江隧道

Fig. 7 Plan of river-crossing tunnels on municipal road in Nanjing

3.2 廢水的來源與組成

確定道路過江隧道消防廢水量時(shí)，不但要考慮室內(nèi)消火栓系統(tǒng)的消防水量，還要考慮室外消火栓系統(tǒng)的消防水量，因?yàn)榘l(fā)生大火時(shí)，室外消防用水也通過水泵接合器供應(yīng)到隧道內(nèi)，用于消防滅火；同時(shí)，還要考慮自動(dòng)滅火系統(tǒng)的消防廢水量。不同的道路過江隧道設(shè)計(jì)(或預(yù)留)的自動(dòng)滅火系統(tǒng)往往有所不同，而不同的自動(dòng)滅火系統(tǒng)產(chǎn)生的消防廢水量也不同，消防廢水量應(yīng)根據(jù)具體情況確定。

道路過江隧道廢水主要是消防廢水，所以廢水泵站的排水能力主要考慮消防廢水量。但當(dāng)預(yù)留自動(dòng)滅火系統(tǒng)時(shí)，還應(yīng)該考慮該部分的消防廢水量，因?yàn)閺U水排水系統(tǒng)一旦設(shè)計(jì)安裝完畢，再要增加其排水能力困難比較大，有時(shí)還很難實(shí)現(xiàn)；其次，廢水泵站的排水能力只要滿足排除消防廢水即可，不必備用排水泵，因?yàn)槎軜?gòu)過江隧道內(nèi)常流水少，同時(shí)布置水泵的空間緊張。

3.3 廢水泵流量的確定

南京緯七路過江隧道設(shè)計(jì)消火栓系統(tǒng)、水噴霧系統(tǒng)時(shí)，其排水能力為消火栓系統(tǒng)廢水量與水噴霧系統(tǒng)廢水量之和。其中，消火栓系統(tǒng)用水量為20 L/s，水噴霧系統(tǒng)用水量為90 L/s，即消火栓系統(tǒng)和水噴霧系統(tǒng)同時(shí)使用時(shí)，最大廢水量為110 L/s。廢水泵房內(nèi)均設(shè)3臺排水泵，平時(shí)1臺工作，火災(zāi)時(shí)3臺泵同時(shí)工作，即排水泵的總排水能力按消防時(shí)的廢水量確定。因此，排水泵站的排水能力至少為396 m3/h，單臺水泵設(shè)計(jì)流量至少為132 m3/h。

南京緯三路過江隧道設(shè)計(jì)時(shí)考慮預(yù)留泡沫/水噴霧系統(tǒng)，故江中廢水排水系統(tǒng)排水量按預(yù)留泡沫/水噴霧消防廢水流量考慮，其排水能力為消火栓系統(tǒng)廢水量與水噴霧系統(tǒng)廢水量之和。其中，消火栓系統(tǒng)用水量為20 L/s，泡沫/水噴霧噴頭近程噴頭的流量為120 L/min，遠(yuǎn)程噴頭的流量為273 L/min，發(fā)生火災(zāi)時(shí)相鄰2組噴頭同時(shí)發(fā)生作用，共10組噴頭噴水，故總流量為72 L/s，即消火栓系統(tǒng)和泡沫/水噴霧系統(tǒng)同時(shí)使用時(shí)，最大廢水量為92 L/s。廢水泵房內(nèi)均設(shè)4臺排水泵，平時(shí)1臺工作，火災(zāi)時(shí)三用一備，即3臺排水泵的排水能力按消防時(shí)的廢水量確定。因此，排水泵站的排水能力至少為330 m3/h，單臺水泵設(shè)計(jì)流量至少為110 m3/h?，F(xiàn)將廢水排水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)情況羅列如下，見表4。

南京緯三、七路過江隧道消防廢水量均只按室內(nèi)消防用水量考慮，沒有考慮室外消防用水量，這是不合理的。當(dāng)火災(zāi)情況嚴(yán)重時(shí)，室外消防用水也通過水泵接合器供應(yīng)到隧道內(nèi)，用于消防滅火，如果不將這部分廢水及時(shí)排掉，會影響車輛安全疏散。消防廢水排水能力之所以要考慮得如此保守，主要和盾構(gòu)隧道特點(diǎn)有關(guān)，一旦隧道內(nèi)發(fā)生火災(zāi)，由于沒有中間連通道以供車輛掉頭，很多車輛只能繼續(xù)往隧道最低點(diǎn)方向前進(jìn)；同時(shí)也和道路隧道交通工具有關(guān)，如果隧道最低處的消防廢水積水到一定高度，會導(dǎo)致行駛至此的汽車熄火，影響后續(xù)車輛疏散。所以，廢水排水能力必須考慮所有消防廢水，包括室內(nèi)、外消防廢水，自動(dòng)滅火系統(tǒng)消防廢水，預(yù)留消防系統(tǒng)的消防廢水。

如果考慮室外消防廢水量，南京緯七、三路過江隧道排水能力至少為504 m3/h 和440 m3/h，單臺水泵設(shè)計(jì)流量至少為168 m3/h和146 m3/h，所以實(shí)際排水能力嚴(yán)重不足。同時(shí)，考慮到盾構(gòu)過江隧道結(jié)構(gòu)滲漏水量很小、盾構(gòu)過江隧道內(nèi)布置水泵的空間緊張，南京緯三路無需設(shè)置備用排水泵。

表4 南京緯七、三路過江隧道廢水排水系統(tǒng)比較

4 道路過江隧道廢水排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)

4.1 廢水提升方案

緯七路過江隧道縱斷面呈“V”字型，最大坡度為4.5%，其中浦口引道段長219.5 m，浦口暗埋段及工作井長198 m，盾構(gòu)段長3 020 m；江心洲暗埋段及工作井長250 m，引道段長217.5 m；隧道全長3 468 m，含敞開段建筑全長3 905 m。廢水排水系統(tǒng)工作原理為： 在隧道最低點(diǎn)處和工作井底部均設(shè)有廢水泵房，分段收集隧道內(nèi)廢水，再分級提升排出隧道。排水泵房布置及排水去向如圖8所示。

圖8 南京緯七路過江隧道排水示意圖

Fig. 8 Sketch of drainage diagram of river-crossing tunnel on Weiqilu municipal road

盾構(gòu)隧道段設(shè)江中廢水泵房，廢水排水系統(tǒng)采用1級提升方案，將廢水提升到盾構(gòu)工作井內(nèi)的廢水泵房廢水池內(nèi)。根據(jù)盾構(gòu)段隧道縱斷面情況，在左、右線過江隧道設(shè)廢水泵房，每個(gè)廢水泵房集水池內(nèi)均設(shè)3臺廢水排水泵。廢水排水泵出水匯集到一根DN300的揚(yáng)水總管內(nèi)，沿隧道車道板下部地溝內(nèi)縱向敷設(shè)，將廢水送到江心洲工作井內(nèi)的廢水泵房集水池內(nèi)。盾構(gòu)隧道段廢水泵房布置情況見表5。

表5南京緯七路過江隧道泵房布置

Table 5 Pump room arrangement of river-crossing tunnel on Weiqilu municipal road

廢水泵房廢水泵臺數(shù)廢水泵參數(shù)排水去向左線江中泵房3 Q=150m3/h、H=56m、P=55kW江心洲廢水池右線江中泵房3 Q=150m3/h、H=56m、P=55kW江心洲廢水池

南京緯三路過江隧道為雙管雙層盾構(gòu)隧道，根據(jù)地理位置分為南北兩線(南線簡稱S線，北線簡稱N線)，N、S線隧道盾構(gòu)縱斷面均呈“W”型。在盾構(gòu)隧道段，即N、S線隧道線路最低點(diǎn)分別設(shè)置2座，共4座江中廢水泵房，每個(gè)廢水泵房集水池內(nèi)均設(shè)4臺潛水排污泵。廢水排水系統(tǒng)采用2級提升方案，將廢水提升到盾構(gòu)工作井廢水泵房的廢水池內(nèi)，即4處江中廢水泵房分別出水至江北工作井、N線江南工作井和S線江南工作井，再由工作井廢水泵房排至市政污水管網(wǎng)，隧道排水泵房布置及排水去向如圖9所示，其中N線1#、2#泵房、S線1#、2#泵房均設(shè)置輔助排水泵。但對整個(gè)盾構(gòu)段隧道而言，廢水排水系統(tǒng)還是1級提升方案。廢水泵房布置情況見表6。

圖9 南京緯三路過江隧道排水示意圖

Fig. 9 Sketch of drainage diagram of river-crossing tunnel on Weisanlu municipal road

表6南京緯三路過江隧道泵房布置

Table 6 Pump room arrangement of river-crossing tunnel on Weisanlu municipal road

廢水泵房廢水泵臺數(shù)廢水泵參數(shù)排水去向N線1#泵房4Q=120m3/h、H=90m、P=55kW江北工作井N線2#泵房4Q=120m3/h、H=60m、P=55kW N線江南工作井S線1#泵房4Q=120m3/h、H=90m、P=55kW江北工作井S線2#泵房4Q=120m3/h、H=45m、P=60kW S線江南工作井

4.2 提升方案比較

對南京緯七、三路過江隧道系統(tǒng)提升方案進(jìn)行比較，具體內(nèi)容見表7。

表7 南京緯七、三路過江隧道系統(tǒng)提升方案比較

由表7可知，兩個(gè)過江隧道系統(tǒng)提升方案思路基本一樣，只是在不同隧道縱斷面情況下有所變通，其共同點(diǎn)如下： 1)盾構(gòu)段過江隧道部分采用1級提升方案，其優(yōu)點(diǎn)為避免在盾構(gòu)段隧道內(nèi)設(shè)置中間接力泵房，以方便排水設(shè)備布置、安全疏散設(shè)計(jì)等，同時(shí)降低投資造價(jià)，方便設(shè)備管理； 2)整條隧道采用2級提升方案，其優(yōu)點(diǎn)為可以利用工作井空間設(shè)置中間接力廢水泵房，從而大大減小廢水泵揚(yáng)程，有利于廢水泵選型和廢水泵布局。

4.3 隧道斷面及廢水泵房布置

南京緯七路過江隧道盾構(gòu)段為圓形結(jié)構(gòu)，由車道板分為上下2大部分，上部為行車道層，下部為服務(wù)層。行車道層為單向三車道，服務(wù)層由結(jié)構(gòu)劃分為3部分，左側(cè)空間作為疏散滑道設(shè)置空間，同時(shí)利用疏散滑道的間隔設(shè)置隧道變壓器及江中泵房； 右側(cè)空間作為隧道強(qiáng)、弱電纜通道； 中部空間分為疏散通道和檢修救援專用通道。隧道建筑限界及設(shè)備布置斷面如圖10(a)所示。

左、右線隧道江中廢水泵房集水池設(shè)于隧道車道板下安全通道左側(cè)，平時(shí)收集隧道沖洗水、少量雨水和結(jié)構(gòu)滲漏水，發(fā)生火災(zāi)時(shí)收集消防廢水。廢水泵房集水池安裝了3臺潛水排污泵(Q=150 m3/h、H=56 m、P=55 kW)。隧道底部集水溝只收集隧道下層的結(jié)構(gòu)滲漏水和沖洗水，廢水量很小，集水溝內(nèi)安裝了4臺小型潛水泵(Q=10 m3/h、H=4.5 m、P=1 kW)。

南京緯三路過江隧道根據(jù)圓隧道斷面的特點(diǎn)，采用雙層車道方案，上下層分別布置2條，共4條行駛車道，采用上下層互為疏散救援通道的方式。隧道建筑限界及設(shè)備布置斷面如圖10(b)所示。

從隧道盾構(gòu)斷面的結(jié)構(gòu)形式可以看出，盾構(gòu)段的集水通道沿盾構(gòu)段全程貫通，且集水通道位于行車道下方。其中左側(cè)壁上層空間為逃生通道，下層空間為逃生通道樓梯間，右側(cè)壁上層空間為排煙道，下層空間為管廊空間，逃生通道、逃生通道樓梯間、排煙道均為防災(zāi)救援需用的消防設(shè)施空間，給排水設(shè)施可布置的空間非常有限，唯一可以放置水泵的空間為排煙道下側(cè)的管廊空間以及集水通道內(nèi)。集水通道的最深處深度約為0.878 m，隧道地面的消防廢水、沖洗水等通過地面排水溝匯至集水通道，集水通道的水通過漫流自流匯至最低點(diǎn)，形成集水池，其容量為50 m3。

(a) 南京緯七路過江隧道

(b) 南京緯三路過江隧道

江中廢水泵房布置方案為： 選擇無堵塞的自吸式排污泵，水泵泵體設(shè)置于排煙道下方的管廊空間內(nèi)，吸水管沿隧道側(cè)壁伸入集水池中。每座泵房內(nèi)均設(shè)置4臺廢水泵并聯(lián)運(yùn)行，型號相同，平時(shí)一用三備，消防時(shí)三用一備，單臺自吸泵選型參數(shù)見表6。由于其運(yùn)營效果不佳，后改為在每座泵房的集水池中分別設(shè)置4臺流量為20 m3/h，揚(yáng)程為12 m的小型潛污泵，其出水管分別與4根自吸泵吸水管相接，通過設(shè)置自動(dòng)控制方式，使?jié)撐郾门c自吸泵同時(shí)啟動(dòng)同時(shí)停泵，形成2組水泵接力運(yùn)行的模式，運(yùn)行效果良好。

4.4 廢水泵房布置比較

南京緯七路過江隧道為單層隧道，行車道板下設(shè)有逃生通道，有足夠的空間設(shè)置廢水池及廢水泵房，因此廢水排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)為常規(guī)的潛污泵，水泵濕式安裝，操作閥門及排水管橫向布置在隧道底部；緯三路過江隧道為雙層隧道，底部集水槽空間不足1 m，不足以安裝大型潛污泵，因此只能安裝干式自吸水泵，但由于環(huán)境條件限制，自吸泵的啟動(dòng)跟設(shè)計(jì)初衷反差較大，因此設(shè)置輔助排水泵。

5 過江隧道消防管爆管的控制

無論是南京3、10號線過江隧道，還是南京緯七、三路過江隧道，均設(shè)有消火栓管，緯七路隧道還設(shè)有自動(dòng)滅火系統(tǒng)管道。這類過江隧道均有發(fā)生消防管道爆裂的可能性，因此在設(shè)計(jì)廢水排水系統(tǒng)時(shí)應(yīng)考慮消防管爆管廢水，而如何處理該廢水目前沒有統(tǒng)一的定論，本文提出消防管爆管控制理念和技術(shù)如下。

5.1 過江隧道消防管爆管控制理念

首先，盾構(gòu)過江隧道(特別是道路過江隧道)一旦發(fā)生嚴(yán)重的消防管爆管，產(chǎn)生的積水會嚴(yán)重影響交通運(yùn)行，后果比較嚴(yán)重，因此有必要解決爆管廢水問題；其次，盾構(gòu)過江隧道內(nèi)不具備設(shè)計(jì)大廢水池或大幅度提高廢水泵排水能力的條件，必須通過給水排水以外的技術(shù)來解決爆管廢水問題； 最后，從研究消防管爆管廢水的特點(diǎn)出發(fā)來研究解決這個(gè)問題。消防管爆管廢水有3個(gè)特點(diǎn)： 1)消防管爆管是小概率事件，消防管爆管廢水出現(xiàn)的可能性很?。?2)不同材質(zhì)的消防管爆管、不同水壓的消防管爆管以及不同管理?xiàng)l件下的消防管爆管，其產(chǎn)生的消防管爆管廢水量差別很大，消防管爆管廢水量很難量化； 3)一旦發(fā)生消防管爆管，運(yùn)營管理部門必須及時(shí)對爆管進(jìn)行處理，所以爆管廢水不應(yīng)持續(xù)長流。針對以上特點(diǎn)，設(shè)計(jì)思路為：火災(zāi)和消防管爆管同屬于小概率事件，幾乎不可能同時(shí)發(fā)生，如果能從技術(shù)上將消防管爆管廢水量控制到小于消防廢水量，那么隧道廢水排水能力就可以只考慮消防廢水量，而不必考慮消防管爆管廢水量。因此，設(shè)計(jì)理念為通過相應(yīng)的控制措施，將消防管爆管廢水量控制在某個(gè)范圍，即小于消防廢水量，從而解決供水管爆管廢水問題。

5.2 過江隧道內(nèi)消防管爆管控制技術(shù)

對過江隧道消防管道安裝消防管爆管預(yù)警裝置，該裝置包含：預(yù)警控制中心、消防穩(wěn)壓泵啟泵頻率監(jiān)測系統(tǒng)、廢水排水信息監(jiān)測系統(tǒng)。1)預(yù)警控制中心包含顯示器、電腦主機(jī)、報(bào)警裝置、打印機(jī)，其中顯示器與電腦主機(jī)連接，電腦主機(jī)通過電纜分別與報(bào)警裝置、打印機(jī)連接； 2)消防穩(wěn)壓泵啟泵頻率監(jiān)測系統(tǒng)主要指穩(wěn)壓泵啟泵頻率計(jì)數(shù)器，它集成于穩(wěn)壓泵控制柜內(nèi)，消防穩(wěn)壓泵通過電纜與控制柜連接，控制柜及穩(wěn)壓泵啟泵頻率計(jì)數(shù)器通過電纜與電腦主機(jī)連接； 3)廢水排水信息監(jiān)測系統(tǒng)包括廢水泵啟泵頻率計(jì)數(shù)器、累計(jì)流量檢測設(shè)備，其中累計(jì)流量檢測設(shè)備設(shè)置在廢水泵房出水總管上，廢水泵啟泵頻率計(jì)數(shù)器的一端通過電纜與廢水泵連接，另一端和累計(jì)流量檢測設(shè)備均通過電纜與電腦主機(jī)連接。該裝置工作原理為： 消防穩(wěn)壓泵啟泵頻率監(jiān)測系統(tǒng)、廢水排水信息監(jiān)測系統(tǒng)均通過電纜與預(yù)警控制中心連接，通過對隧道內(nèi)消防給水系統(tǒng)穩(wěn)壓泵啟泵頻率、廢水泵啟泵頻率及單位排水周期內(nèi)累計(jì)廢水排水量的監(jiān)測，再經(jīng)過智能信息處理系統(tǒng)的分析，判斷消防管道是否存在嚴(yán)重滲漏問題。如果消防管道存在嚴(yán)重滲漏，系統(tǒng)就會及時(shí)報(bào)警并打印檢修工單，同時(shí)將事故信息以短信形式通知運(yùn)行管理人員。其中，穩(wěn)壓泵啟泵頻率監(jiān)測系統(tǒng)與廢水排水信息監(jiān)測系統(tǒng)，二者既可以單獨(dú)工作，又可以實(shí)現(xiàn)互補(bǔ)，確保消防管爆管預(yù)警技術(shù)的安全性。該技術(shù)目前已申請國家專利(專利號： ZL201620900673.7)。

6 結(jié)論與建議

通過對南京4條盾構(gòu)過江隧道廢水量、排水能力、提升方案、泵房布置及爆管控制措施等多方面綜合對比和分析后，形成如下結(jié)論。

1)應(yīng)充分考慮隧道內(nèi)可能產(chǎn)生的各種廢水量。過江隧道消防廢水量不但要考慮室內(nèi)消火栓系統(tǒng)的消防廢水量，而且還要考慮室外消火栓系統(tǒng)的消防廢水量和自動(dòng)滅火系統(tǒng)的消防水量。

2)應(yīng)合理確定隧道廢水泵房的排水能力。廢水泵房的排水能力主要考慮排除消防廢水，但預(yù)留自動(dòng)滅火系統(tǒng)時(shí)，還應(yīng)該考慮該部分的消防廢水量；另外，不必考慮設(shè)置備用廢水泵。特殊情況下，地鐵過江隧道可以不考慮室外消火栓系統(tǒng)的消防廢水量。

3)應(yīng)結(jié)合隧道長度、埋深等因素，合理確定隧道的廢水提升方案。地鐵過江隧道系統(tǒng)提升方案盡量采用1級提升方案，不僅是為了節(jié)省投資和便于管理，還是為了方便隧道下部空間的利用。道路過江隧道提升方案：盾構(gòu)段過江隧道部分采用1級提升方案，整條隧道建議采用2級提升方案。

受盾構(gòu)斷面尺寸影響，盾構(gòu)法過江隧道存在廢水集水池及泵房布置空間有限、設(shè)備檢修不便等困難，對廢水排水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)建議如下。

1)建議結(jié)合隧道斷面尺寸合理布置廢水泵房。過江隧道斷面布置緊湊，車道布置形式變化多端，布置泵房時(shí)應(yīng)根據(jù)具體情況設(shè)計(jì)，如南京3號線過江隧道就創(chuàng)新地運(yùn)用了“局部動(dòng)態(tài)干式廢水泵房”理念布置廢水泵房，解決了列車運(yùn)行與水泵檢修直接沖突的問題，取得了良好的效果。

2)建議過江隧道內(nèi)的消防水管等有壓管道采取爆管預(yù)警技術(shù)，以合理控制爆管現(xiàn)象的發(fā)生，降低事故廢水量，確保過江隧道廢水排水系統(tǒng)安全可靠。

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