京張高鐵八達(dá)嶺長城站清污排水分離系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王 婷,付博文,馮春暉,岳 嶺,邢軍朝,陳 靜,郭治東

(1.中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司,北京 100055；2.北京工業(yè)大學(xué),北京 100124)

引言

八達(dá)嶺長城站是京張鐵路重點(diǎn)控制性工程之一，車站規(guī)模大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，是目前國內(nèi)埋深最深鐵路地下車站。長城站所處八達(dá)嶺長城景區(qū)內(nèi)，有著地理位置特殊、社會(huì)影響廣泛、周圍環(huán)境敏感性強(qiáng)等特點(diǎn)，因此這些都對(duì)京張鐵路八達(dá)嶺長城站的排水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提出了更高的要求。

地下工程的排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)與優(yōu)化一直是國內(nèi)外隧道學(xué)術(shù)界研究的熱點(diǎn)問題之一。張忠品[1]、王歡[2]從地下結(jié)構(gòu)工程排水設(shè)計(jì)角度提出優(yōu)化設(shè)計(jì)的方法；周金忠[3]在青島膠州灣海底隧道中通過隧道結(jié)構(gòu)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(tǒng)，應(yīng)根據(jù)其相應(yīng)的特點(diǎn)進(jìn)行廢水排水設(shè)計(jì)；李媛[5]對(duì)廢水系統(tǒng)的流量進(jìn)行研究，并提出相應(yīng)措施建議；李曦淳[6]以濱海新區(qū)海河隧道為依托，對(duì)隧道進(jìn)行水流特性數(shù)值模擬、理論分析、水力試驗(yàn)，確定了橫截溝設(shè)置方式、排水泵站設(shè)備及自控附屬系統(tǒng)。曾保國[7]認(rèn)為地鐵內(nèi)排水泵站的設(shè)置應(yīng)考慮施工方法、正常運(yùn)營和事故情況下可能產(chǎn)生的廢水量、泵站在失去工作能力時(shí)對(duì)地鐵影響等因素。于航[8]、冒宏軍[9]、洪青春[10]針對(duì)隧道內(nèi)衛(wèi)生間污水的排出系統(tǒng)做了方案比選，認(rèn)為真空排水系統(tǒng)無論從社會(huì)效益、經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益上都與傳統(tǒng)的污水排水系統(tǒng)相比有明顯的優(yōu)勢(shì)。亢超剛[10]提出防排水設(shè)計(jì)要進(jìn)行全生命周期的系統(tǒng)設(shè)計(jì)和規(guī)劃的觀點(diǎn)。

目前常規(guī)地下車站采用全包防水系統(tǒng)，少量結(jié)構(gòu)滲漏水排入廢水系統(tǒng)，污水及廢水匯入污水泵房及排水泵房內(nèi)，再通過排水泵提升排入城市排水系統(tǒng)。針對(duì)八達(dá)嶺長城站的特殊性對(duì)清污排水系統(tǒng)進(jìn)行定義，清水系統(tǒng)為車站結(jié)構(gòu)外圍巖裂隙水，由于深埋隧道水壓大，為減小圍巖水壓力對(duì)結(jié)構(gòu)的影響，將圍巖裂隙水部分引入車站內(nèi)；污水系統(tǒng)指車站站內(nèi)污水及廢水，污水主要為衛(wèi)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(jié)構(gòu)安全及保護(hù)原有生態(tài)環(huán)境，對(duì)清污水的排水設(shè)計(jì)方案進(jìn)行深入研究，探索一種站內(nèi)清水排水系統(tǒng)與污水排水系統(tǒng)完全分離的系統(tǒng)模式。

1 工程概況

圖1 八達(dá)嶺地下車站平面位置示意

八達(dá)嶺長城站選址于北京市延慶區(qū)八達(dá)嶺長城景區(qū)內(nèi)，滾天溝停車場(chǎng)東北部，屬八達(dá)嶺景區(qū)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(tái)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(fēng)、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(wěn)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(dǎo)致透水性的差異，造成局部地下水表現(xiàn)一定承壓性，這些都對(duì)排水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提出了更高的要求。

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

圖2 出站通道層平面

圖3 進(jìn)站通道層平面

圖4 站臺(tái)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(tǒng)設(shè)計(jì)方案

八達(dá)嶺長城站設(shè)計(jì)為排水型車站，清水系統(tǒng)排水設(shè)計(jì)的主要目的是使地下水經(jīng)過防排水措施的有效疏導(dǎo)，再經(jīng)過排水管路、管溝自行排出車站。本文主要研究進(jìn)出站通道層、站臺(tái)層及主要設(shè)備用房部分清水系統(tǒng)排放方案。

2.1 清水系統(tǒng)排水管徑設(shè)計(jì)

隧道斷面排水設(shè)計(jì)根據(jù)隧道運(yùn)營階段可能存在的涌水量進(jìn)行計(jì)算，隧道涌水量的解析公式有很多[12]，多是以地下水動(dòng)力學(xué)理論為基礎(chǔ)，對(duì)地質(zhì)模型進(jìn)行了較大程度的簡(jiǎn)化，計(jì)算模型如圖7所示。圖中h表示隧道中心點(diǎn)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(guī)范經(jīng)驗(yàn)公式等。

圖7 隧道涌水量計(jì)算模型

結(jié)合水文地質(zhì)測(cè)繪、物探資料和區(qū)域資料綜合分析，在此基礎(chǔ)上涌水量計(jì)算采用理論解析法、經(jīng)驗(yàn)公式法等進(jìn)行預(yù)測(cè)，最后綜合匯總分析預(yù)測(cè)隧道整體涌水量。由于隧道截面形狀并非規(guī)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(jìn)行計(jì)算[20]。計(jì)算參數(shù)見表1，各公式的計(jì)算結(jié)果見表2。

表1 涌水量計(jì)算參數(shù)

表2 各公式情況下的涌水量計(jì)算

續(xù)表2

其中通過王建宇公式計(jì)算所得涌水量最大，大島洋志公式涌水量最小，管道設(shè)計(jì)采用王建宇公式進(jìn)行設(shè)計(jì)，將表2中王建宇公式對(duì)應(yīng)單延米通道涌水量乘以通道長度，得到各通道計(jì)算涌水量。根據(jù)車站位置關(guān)系可以看出，設(shè)備用房清水匯入進(jìn)出站通道內(nèi)，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(yīng)管徑尺寸，結(jié)合計(jì)算管徑尺寸并考慮管道后期檢修、維護(hù)方便，確定排水管設(shè)計(jì)管徑，如表3所示。

表3 車站各通道排水管計(jì)算管徑

2.2 清水系統(tǒng)排水設(shè)計(jì)方案

清水系統(tǒng)為達(dá)到地下水引入站內(nèi)并順利排出車站的目的，結(jié)合各層結(jié)構(gòu)位置及功能特點(diǎn)采取相應(yīng)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(shè)備用房水匯總至站臺(tái)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(jìn)出站通道排水

為保證通道排水順暢，通道在二襯結(jié)構(gòu)拱墻外敷設(shè)環(huán)向φ50 mm排水盲管及縱向φ80 mm透水盲管，形成環(huán)、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(nèi)，見圖8。

進(jìn)出站通道為疊層結(jié)構(gòu)，結(jié)合第2節(jié)中平、剖面圖進(jìn)行通道排水路徑設(shè)計(jì)：進(jìn)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(jìn)、出站口，直接排至站臺(tái)層中心水溝內(nèi)，結(jié)構(gòu)斷面變化處或30 m一處設(shè)置檢查井檢修，排水路徑見圖9、圖10，排水路徑為圖9中藍(lán)色虛線。

圖8 進(jìn)出站通道排水?dāng)嗝?單位：mm)

(2)設(shè)備用房排水

設(shè)備用房通道在二襯結(jié)構(gòu)拱墻外設(shè)置環(huán)、縱向盲管，縱向盲管以一定間隔直接彎入側(cè)溝內(nèi)，見圖11。設(shè)備用房位于出站通道層，排水利用側(cè)溝3‰縱向找坡，將水匯入出站通道中心排水管內(nèi)，排水路徑如圖12所示，側(cè)溝見藍(lán)色虛線。

圖9 進(jìn)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(shè)備用房排水?dāng)嗝?單位：mm)

(3)站臺(tái)層排水

站臺(tái)層結(jié)構(gòu)排水方式與設(shè)備用房相似，環(huán)、縱向排水管將水匯入側(cè)溝內(nèi)，見圖13。側(cè)溝利用車站1‰的縱坡，將水排入車站以外區(qū)間隧道側(cè)溝及深埋中心管內(nèi)，進(jìn)出站通道及設(shè)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(lán)色虛線。

3 污水系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

3.1 生活污水排水設(shè)計(jì)

八達(dá)嶺車站的生活污水僅會(huì)在衛(wèi)生間出現(xiàn)，而車站站臺(tái)層不設(shè)置衛(wèi)生間，在出站通道設(shè)備區(qū)設(shè)置了值班人員衛(wèi)生間，在出站通道公共區(qū)設(shè)置了公共衛(wèi)生間。經(jīng)過比選后采用在環(huán)保、節(jié)水和維保等方面相較于傳統(tǒng)污水提升方式優(yōu)勢(shì)十分明顯的真空抽排系統(tǒng)來解決污水排放問題。針對(duì)衛(wèi)生間設(shè)置情況，采用兩套真空罐式泵站，在衛(wèi)生間泵房內(nèi)設(shè)置真空泵站一座，負(fù)責(zé)衛(wèi)生間污水的收集與排放。真空衛(wèi)生系統(tǒng)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(tǒng)等組成的一個(gè)完全密閉的建筑物內(nèi)排水系統(tǒng)。其中真空泵站是整個(gè)系統(tǒng)的核心部分，內(nèi)置真空泵、污水泵各2臺(tái)(循環(huán)使用，1用1備)，真空儲(chǔ)污罐2個(gè)。由真空泵形成系統(tǒng)運(yùn)行所需的真空，污水達(dá)到罐內(nèi)設(shè)定液位后，污水泵自動(dòng)啟動(dòng)，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(gè)真空衛(wèi)生系統(tǒng)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(jìn)入泵站。真空泵站平面如圖15所示。

圖12 設(shè)備用房排水路徑平面示意

圖13 站臺(tái)層排水?dāng)嗝?單位：mm)

3.2 廢水排水設(shè)計(jì)

八達(dá)嶺車站廢水一般包括消防廢水、沖洗廢水及結(jié)構(gòu)滲漏水，分別對(duì)進(jìn)出站通道和站臺(tái)層的廢水排放路徑做了相適應(yīng)的設(shè)計(jì)。

(1)進(jìn)出站通道廢水

進(jìn)出站通道廢水的排放路徑設(shè)計(jì)采用3%排水坡將水匯入至樓扶梯下站臺(tái)板雨水篦處，排至樓扶梯下集水坑內(nèi)，再通過水泵提升至地面，進(jìn)出站通道扶梯下均設(shè)置有集水坑。

圖14 站臺(tái)層排水路徑平面示意

圖15 真空泵站平面布置

(2)站臺(tái)層廢水

站臺(tái)層廢水與清水排水溝分別單獨(dú)設(shè)置，以達(dá)到完全分離的效果。站臺(tái)層廢水通過站臺(tái)板排至板下排水溝內(nèi)，排水溝縱向以1%的坡度匯總于站臺(tái)層廢水泵房內(nèi)，廢水泵房位于車站最低點(diǎn)，通過廢水提升管道將廢水排至室外泄壓井，站臺(tái)層廢水泵房見圖16。站臺(tái)層最大廢水量出現(xiàn)在消防時(shí)，其中最大消防流量為270 m3/h，同時(shí)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(shí)排水量取300 m3/h，八達(dá)嶺站地下站臺(tái)層設(shè)置2處廢水泵房，每處廢水泵房設(shè)置2臺(tái)廢水泵，1用1備，必要時(shí)可同時(shí)開啟，考慮每臺(tái)廢水泵流量不小于最大時(shí)排水量的1/2，故本站廢水泵流量為Q=150 m3/h。廢水泵揚(yáng)程計(jì)算見表4。

圖16 站臺(tái)層廢水排放路徑

表4 廢水泵揚(yáng)程計(jì)算

沿程損失/m局部損失/m靜揚(yáng)程/m富裕水頭/m安全系數(shù)總揚(yáng)程/m1.50.520.03.01.127.5

4 結(jié)論

依托京張鐵路八達(dá)嶺長城站工程，提出深埋復(fù)雜洞群地下車站清污分離排放的設(shè)計(jì)理念，利用常用涌水量理論解析法及流體力學(xué)經(jīng)典公式進(jìn)行車站排水設(shè)計(jì)，結(jié)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(jié)論。

(1)八達(dá)嶺長城站清污分離系統(tǒng)創(chuàng)新性提出一種地下車站綠色設(shè)計(jì)理念，以保護(hù)自然生態(tài)環(huán)境為宗旨，同時(shí)兼顧車站使用功能及結(jié)構(gòu)安全要求。

(2)通過不同工況下隧道涌水量理論解析計(jì)算對(duì)比，最終采用王建宇公式進(jìn)行各通道涌水量計(jì)算，并利用達(dá)西公式得到通道排水管計(jì)算管徑大小，進(jìn)行排水管管徑設(shè)計(jì)。

(3)車站通過自上而下縱向找坡排水方式，將各通道層及設(shè)備用房水匯總至站臺(tái)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(dú)設(shè)置，以達(dá)到清污完全分離的效果。

(4)采用真空抽排系統(tǒng)設(shè)計(jì)解決了地下站生活污水排放問題。本文清污分離系統(tǒng)設(shè)計(jì)在國內(nèi)無類似工程經(jīng)驗(yàn)，對(duì)同類工程具有很好的借鑒意義。