內(nèi)置式泵房在城市軌道交通工程中的創(chuàng)新應用

朱瑤宏

(1. 寧波市軌道交通集團有限公司， 315101， 寧波； 2. 寧波大學建筑工程與環(huán)境學院， 315211， 寧波//教授級高級工程師)

城市軌道交通區(qū)間隧道廢水泵房通常與聯(lián)絡(luò)通道合并建設(shè)[1]，設(shè)置在區(qū)間上、下行線隧道之間，體量較大。在實際工程中，聯(lián)絡(luò)通道(兼廢水泵房)的建設(shè)通常在主體隧道建設(shè)完成后進行，不可避免地會對成型隧道和周邊環(huán)境產(chǎn)生影響，因此聯(lián)絡(luò)通道、泵房的施工往往是隧道工程的難點，也是影響工期的關(guān)鍵節(jié)點之一[2]。軟土地區(qū)聯(lián)絡(luò)通道(兼廢水泵房)施工，普遍采用“凍結(jié)法加固土體，礦山法暗挖構(gòu)筑”的施工方法，存在著施工工期長、風險大、工程造價高、后期融沉量大、持續(xù)時間長等缺點[3]。

本文結(jié)合寧波市軌道交通盾構(gòu)區(qū)間，研究利用軌道下方道床及隧道結(jié)構(gòu)空間作為廢水泵房，取消傳統(tǒng)廢水泵房與聯(lián)絡(luò)通道合并建設(shè)的方案，從而大大減小聯(lián)絡(luò)通道施工及后期運營的風險。

1 區(qū)間給排水方案及需求

1.1 設(shè)計思路

在寧波市軌道交通工程建設(shè)中，地下區(qū)間普遍采用盾構(gòu)法施工，隧道外徑為6 200 mm，管片厚度為350 mm。主體隧道采用鋼筋混凝土管片(通用環(huán)形式)，隧道聯(lián)絡(luò)通道位置采用鋼管片。普通及中等減振地段軌道高度為890 mm，高等(特殊)減振地段軌道高度為950 mm。

內(nèi)置式泵房的設(shè)計思路是：考慮將廢水泵房從區(qū)間隧道外調(diào)整至區(qū)間隧道內(nèi)，上、下行線分別設(shè)置；在線路實際最低點利用軌道下方道床及隧道結(jié)構(gòu)空間作為集水池(也稱集水坑)，集水池采用長條形，取消聯(lián)絡(luò)通道下方廢水池。消防廢水和結(jié)構(gòu)滲漏水由區(qū)間隧道道床排水溝收集后，排入內(nèi)置式泵房的集水池。區(qū)間廢水由潛污泵提升，壓力排水管通過區(qū)間隧道沿行車方向右側(cè)引至相鄰車站廢水池，由車站統(tǒng)一排至室外壓力井后，再排入市政排水系統(tǒng)。研究過程中依據(jù)現(xiàn)行設(shè)計規(guī)范[4-7]，采用多專業(yè)融合、互設(shè)前提、反向整合的研究方法，滿足區(qū)間隧道各專業(yè)規(guī)范及設(shè)備能力需求。

1.2 排水泵的選用及集水池的容積計算

(1) 區(qū)間隧道消防用水量的計算原則：根據(jù)《地鐵設(shè)計規(guī)范》28.3.3條，地下區(qū)間隧道消火栓給水用水量應為10 L/s。根據(jù)《消防給水及消火栓系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范》表3.6.2，地下建筑、地鐵車站火災延續(xù)時間為2.0 h。綜合確定地下區(qū)間隧道消防用水量為36 m3/h。

(2) 泵的選型原則：根據(jù)《地鐵設(shè)計規(guī)范》14.3.5條及條文說明，應設(shè)置2臺排水泵，平時1臺工作，必要時2臺同時工作。排水泵的總排水能力，應按消防時的排水量和結(jié)構(gòu)滲漏水量之和確定。

(3) 集水池有效容積的計算原則：根據(jù)《地鐵設(shè)計規(guī)范》14.3.6條，區(qū)間排水泵站的集水池有效容積不應小于最大一臺排水泵15～20 min的出水量。排水泵為自動控制啟動時，水泵每小時啟動次數(shù)不宜超過6次。

根據(jù)上述原則，通過分析計算得出排水泵臺數(shù)和泵房容積(見表1)。

表1 排水泵臺數(shù)及泵房容積

由表1可知，選用水泵臺數(shù)越多，所需集水池有效容積越小，干管流速越小，單臺泵將廢水排入車站的時間也會越長。另外，由于管路特性曲線存在一定的坡度，并聯(lián)的水泵臺數(shù)越多，對總流量的提升貢獻越小。

根據(jù)上述分析，并結(jié)合目前國內(nèi)外泵的工作性能和盾構(gòu)區(qū)間結(jié)構(gòu)、軌道等專業(yè)的實際情況，推薦隧道區(qū)間廢水泵房選用2臺流量為20 m3/h的潛污泵，平時一用一備，依次輪換工作，消防或必要時2臺同時工作。集水池有效容積可為5.0 m3。

1.3 排水泵水位控制要求

廢水池內(nèi)設(shè)4個水位，分別為超低報警水位、停泵水位、第一臺泵啟泵水位和第二臺泵啟泵水位兼超高報警水位。水位控制要求為：① 超低水位報警，同時控制回路應保證水泵均處于停泵狀態(tài)；② 當水位達到停泵水位時，兩臺泵均能停止工作；③ 當水位上升到達第一臺泵啟泵水位時，第一臺泵啟動；④ 當水位繼續(xù)上升到達第二臺泵啟泵水位時，第二臺泵啟動，控制回路應保證兩臺泵都處于運行狀態(tài)，并發(fā)出報警信號。

水泵的性能決定了停泵水位的高度，先進的采用內(nèi)循環(huán)冷卻的水泵僅需50 mm的保護水位。結(jié)合目前國內(nèi)外水泵的工作性能及寧波市軌道交通盾構(gòu)區(qū)間軌道高度，確定水位控制高度為：池底標高為0.00，停泵水位為300 mm，一泵啟泵水位為550 mm，高峰時期二泵同時啟動水位為750 mm。

1.4 排水泵吸水坑尺寸

考慮到內(nèi)徑5 400～5 500 mm的盾構(gòu)區(qū)間道床高度有限，集水池的高度不能滿足水位控制及設(shè)備布置安裝要求，需要通過盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)特殊處理，局部設(shè)置吸水坑(也稱泵坑)。結(jié)合目前國內(nèi)外水泵的工作參數(shù)，吸水坑尺寸不應小于800 mm×460 mm×240 mm。

2 內(nèi)置式泵房總體布置

2.1 集水池寬度與深度設(shè)計

(1) 一般地段集水池：根據(jù)給排水專業(yè)需求，并結(jié)合軌道專業(yè)設(shè)計情況，道床可以設(shè)置集水池的最大寬度為800 mm。一般地段的道床高度一般不低于890 mm，扣除軌道、軌枕等高度，集水池可用的最大深度不少于600 mm。一般地段的集水池橫剖面如圖1所示。

圖1 一般地段的集水池橫剖面圖

(2) 吸水坑地段集水池：一般地段道床下方設(shè)置集水池的最大高度約600 mm，不能滿足區(qū)間水泵安裝空間、最低水位控制要求(高峰時期二泵同時啟動水位為750 mm)的需要，因此需要在排水泵的位置單獨設(shè)置吸水坑。由于隧道限界及道床高度所限，只能在區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)襯砌上采取措施予以解決。區(qū)間一般地段采用鋼筋混凝土管片，管片厚度為350 mm。如在混凝土管片上設(shè)置深度240 mm的吸水坑，則對管片剛度影響較大，管片受力削弱較多，難以滿足結(jié)構(gòu)安全及耐久性要求。經(jīng)過比選，吸水坑位置對應的管片改用鋼管片，利用鋼管片縱橫向加勁肋之間的空腔作為吸水坑的空間。吸水坑處采用厚度為150 mm(含鋼結(jié)構(gòu)及保護層)的鋼管片，吸水坑處集水池高度約為820 mm。通過此項措施，滿足了吸水坑的尺寸及水泵控制的相關(guān)高度要求。吸水坑地段的集水池橫剖面如圖2所示。

圖2 吸水坑地段的集水池橫剖面圖

2.2 集水池長度設(shè)計

為滿足集水池有效容積不應小于最大一臺排水泵15 min的出水量的要求，集水池的有效容積需為5 m3。而集水池有效容積為二泵啟泵水位與停泵水位差(0.45 m)×集水池長×集水池寬(0.8 m)，故集水池沿軌道方向的長度為13.9 m?？紤]部分管道安裝空間、軌道橫梁占用空間、盾構(gòu)管片的模數(shù)等因素，集水池長度取12環(huán)管片寬度，即14.4 m。

2.3 集水池平面與剖面布置

根據(jù)上面的分析計算，得到內(nèi)置式泵房集水池的尺寸為800 mm×14 400 mm×600 mm。泵房在左、右線隧道最低點處獨立設(shè)置，每個集水池布置2臺水泵，吸水坑部位的底部管片采用鋼管片。

考慮到集水池底部需要有3%的坡度坡向吸水坑，水泵集中布置會導致回填面高差過高，同時水泵均勻布置對水泵吸水水力條件較好。因此，吸水坑均勻布置，2個吸水坑間隔4環(huán)混凝土管片。潛污泵排水管通過軌道下方空間至區(qū)間側(cè)壁，之后沿區(qū)間側(cè)壁排入車站，水管路由可滿足限界要求。內(nèi)置式泵房的平面、剖面布置如圖3、圖4所示。

3 相關(guān)專業(yè)設(shè)計及要求

3.1 軌道專業(yè)設(shè)計方案

3.1.1 軌道總體設(shè)計方案

集水池范圍內(nèi)的道床采用短枕式整體道床，兩股鋼軌道床分離。為滿足道床受力及穩(wěn)定性，兩股鋼軌道床之間設(shè)置橫撐。橫撐布設(shè)間距為1 200 mm，每隔2根軌枕布設(shè)1根橫撐。橫撐位于兩相鄰軌枕正中間，長800 mm，斷面尺寸為200 mm×200 mm。泵房兩側(cè)的兩根橫撐高度加高至350 mm，以滿足泵房安裝、水溝清污及設(shè)備檢修要求。道床及支撐均采用C30混凝土。內(nèi)置式泵房處道床結(jié)構(gòu)平面布置如圖5所示。

圖3 泵房平面布置圖

圖4 泵房剖面布置圖

單位：mm

圖5 泵房處道床結(jié)構(gòu)平面布置

為滿足道床面區(qū)間疏散要求，集水池上方需安裝蓋板。同時在道床面上設(shè)置橫向溝槽，以滿足排水管及電纜過軌要求。

3.1.2 道床排水過渡方案

(1) 普通及中等減振地段：在道床與集水池分界點處設(shè)置沉砂井，沉淀泥沙及過濾垃圾；與普通道床側(cè)向水溝相接，并通過橫向水溝與集水池相接；沉砂井與橫溝之間設(shè)置格柵。

(2) 高等及特殊減振地段：在道床與集水池道床之間設(shè)置2組短枕式整體道床；采用中心水溝；在道床與短枕式整體道床分界點處設(shè)置沉砂井，沉淀泥沙及過濾垃圾；沉砂井兩側(cè)分別設(shè)置格柵。

3.2 隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計方案

泵房一般地段的隧道結(jié)構(gòu)與常規(guī)隧道一致，結(jié)構(gòu)上無需特殊考慮。但對于安裝水泵地段(即吸水坑)，為滿足水位控制及設(shè)備安裝空間要求，區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)采用的是鋼筋混凝土管片+鋼管片組合的復合式襯砌結(jié)構(gòu)，因此需對這里的區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)進行特殊設(shè)計。鋼筋混凝土管片采用C50混凝土；鋼管片采用Q235B鋼，由背板、端板、橫向加勁板、縱向加勁板焊接而成，內(nèi)部空腔采用混凝土回填，標號同道床混凝土。鋼管片、混凝土管片厚度均為350 mm。吸水坑處隧道結(jié)構(gòu)橫剖面如圖6所示。

圖6 吸水坑處隧道結(jié)構(gòu)橫剖面圖

吸水坑尺寸不應小于800 mm×460 mm×240 mm?？紤]到鋼管片防水保護層厚度、盾構(gòu)管片拼裝位置偏差、成型隧道偏差等因素，吸水坑預留空間平面結(jié)構(gòu)尺寸為1 208 mm×480 mm，吸水坑處鋼管片結(jié)構(gòu)厚度為100 mm，中間設(shè)置短加勁板，提高鋼管片整體剛度。吸水坑處鋼管片平面布置如圖7所示。

圖7 吸水坑處鋼管片平面布置圖

管片制作后，重點加強鋼管片的防腐處理。管片內(nèi)、外表面均需涂環(huán)氧防腐涂料。涂料前，鋼管片表面應作除銹處理，除銹質(zhì)量達到S3級?？紤]到耐久性并適當增加安全儲備需要，背板由一般地段的20 mm加厚至30 mm?？紤]到安裝方便及避免破壞防腐層，水泵布置空間內(nèi)設(shè)置臨時舉重臂。

3.3 結(jié)構(gòu)防水設(shè)計方案

由于內(nèi)置式泵房的集水池利用隧道結(jié)構(gòu)、道床結(jié)構(gòu)，因此需要考慮泵房內(nèi)廢水對隧道結(jié)構(gòu)、道床結(jié)構(gòu)的相關(guān)影響，做好防水措施。具體做法如下：

(1) 為防止泵房內(nèi)廢水、結(jié)構(gòu)滲漏水、道床排水溝內(nèi)的水進入管片與道床結(jié)合面，在道床與管片之間集水池兩側(cè)各設(shè)置2道聚氨酯止水膠。

(2) 為防止泵房內(nèi)的廢水影響道床結(jié)構(gòu)及隧道混凝土管片結(jié)構(gòu)，一般地段泵房內(nèi)壁、底板處采用1.5 kg/m2水泥基滲透結(jié)晶行防水涂料+10 mm厚防水砂漿進行內(nèi)防水處理。泵房吸水坑地段的防水剖面如圖8所示。

圖8 泵房吸水坑地段的防水剖面圖

3.4 雜散電流防護方案

內(nèi)置式泵房段為一單獨防護單元。為保證雜散電流排流順暢，采用1根規(guī)格為50 mm×8 mm鍍鋅扁鋼與所有縱向鋼筋焊接后，與埋入型連接端子的圓鋼進行焊接，埋入型連接端子的端頭外露出道床面5 mm，連接端子利用95 mm2軟電纜連接。具體方案如圖9所示。

圖9 泵房段雜散電流防護方案示意圖

3.5 施工分界及要求

內(nèi)置式泵房的設(shè)計施工為系統(tǒng)工程，涉及給排水、消防、線路、軌道、區(qū)間結(jié)構(gòu)與防水、雜散電流、區(qū)間疏散等多個專業(yè)。各專業(yè)應做好配合和協(xié)調(diào)，并完成各自專業(yè)內(nèi)的相關(guān)設(shè)計。施工也需區(qū)間土建、軌道、設(shè)備安裝等專業(yè)配合完成。各專業(yè)施工分界及要求如下：① 盾構(gòu)隧道施工拼裝鋼管片，確保鋼管片拼裝精準，集水池完全居中，滿足施工誤差要求；② 軌道專業(yè)負責集水池結(jié)構(gòu)及吸水坑防水施工；③ 機電安裝專業(yè)負責水泵安裝及集水池內(nèi)防水施工；④ 土建施工應嚴格控制盾構(gòu)隧道軸線、標高偏差，保證在施工規(guī)范允許的范圍內(nèi)；⑤ 調(diào)線調(diào)坡過程中，應嚴格控制泵房范圍內(nèi)的軌面標高，保證道床高度要求，從而保證集水池深度滿足設(shè)計要求。

4 優(yōu)缺點分析

本文所述內(nèi)置式泵房與傳統(tǒng)的泵房和聯(lián)絡(luò)通道合設(shè)方案相比，主要優(yōu)點體現(xiàn)在以下3個方面：

(1) 工程實施難度和工程風險大大減小。傳統(tǒng)的泵房設(shè)計，泵房設(shè)置在聯(lián)絡(luò)通道下方，泵房深度大、體量大，采用凍結(jié)法加固，受制于冷凍管布置角度，布置較疏，加固質(zhì)量難以確保；同時泵房段采用礦山法施工，施工本身難度就很大，一旦加固質(zhì)量不好，很容易發(fā)生土方坍塌，施工風險較大。而內(nèi)置式泵房充分利用了軌道下方空間，泵房結(jié)構(gòu)采用模筑混凝土，施工過程基本無風險，工程質(zhì)量容易保證，施工工期亦有所縮短。

(2) 內(nèi)置式泵房的設(shè)計實現(xiàn)了泵房與聯(lián)絡(luò)通道的分離設(shè)置，使得聯(lián)絡(luò)通道的平面位置不再需要考慮與泵房合設(shè)，使得區(qū)間縱斷面的設(shè)計更為靈活，從而擴大了區(qū)間線路縱斷面設(shè)計方案優(yōu)化空間，也為非礦山法聯(lián)絡(luò)通道施工技術(shù)的全面實踐提供了便利條件。

(3) 工程造價有所降低。相對于傳統(tǒng)的合設(shè)泵房，內(nèi)置式泵房減少了外掛泵房，增加了盾構(gòu)隧道鋼管片，水泵費用有所增加，單個泵房工程造價可節(jié)省20萬～40萬元。

其主要缺點如下：

(1) 泵房下方集水池高度有限，對水泵的水位控制和冷卻模式有嚴格的要求。

(2) 對于高等及特殊減振地段，由于泵房集水池的存在，泵房范圍內(nèi)將無法采用高等及特殊減振道床形式，需要通過特殊軌道扣件實現(xiàn)減振效果。

5 結(jié)語

(1) 內(nèi)置式泵房的設(shè)計能夠滿足區(qū)間隧道廢水泵房的使用功能，同時滿足現(xiàn)行設(shè)計規(guī)范關(guān)于隧道結(jié)構(gòu)、軌道、供電、區(qū)間疏散等專業(yè)的標準要求，設(shè)計方案是可行的。

(2) 本泵房方案可應用于國內(nèi)類似的城市軌道交通工程，對于內(nèi)徑為5 400～5 500 mm的隧道，可直接采用本文所述設(shè)計方案；對于內(nèi)徑大于5 700 mm的隧道，可取消吸水坑處的鋼管片。對于城市管廊工程，可根據(jù)工程具體情況靈活采用。

(3) 對于集水池深度小于800 mm的隧道工程，由于集水池深度不能滿足水泵的安裝及工作高度要求，不能采用本文所述方案。