地鐵地下車站中央排水系統(tǒng)的應用研究

李普軍

(中鐵第一勘察設(shè)計院集團有限公司， 710043， 西安∥高級工程師)

地鐵地下車站的排水系統(tǒng)分為雨水系統(tǒng)、污水系統(tǒng)和廢水系統(tǒng)。為保證地鐵安全運營，及時有效地排出地鐵雨污廢水勢在必行。因此，如何打造地鐵的排水集成管理，有待于進一步分析論證。

1 地下車站排水系統(tǒng)現(xiàn)狀

為滿足通風空調(diào)的需求，地鐵地下車站設(shè)置新風亭、排風亭和活塞風亭。車站風亭設(shè)置位置需與周邊環(huán)境相融合，目前多為低風亭。為滿足乘客乘車和疏散，設(shè)置4個出入口、1個緊急疏散出入口和1個無障礙電梯，車站站廳層設(shè)置工作人員衛(wèi)生間，站臺層設(shè)置公共衛(wèi)生間。為及時排出車站和區(qū)間內(nèi)的沖洗水、消防廢水和結(jié)構(gòu)滲漏水、凝結(jié)水、生活污水和雨水，地下車站需在上述位置設(shè)置集水坑，在站臺層衛(wèi)生間附近設(shè)置污水泵房，車站或區(qū)間在線路最低點設(shè)置廢水泵房，在局部低洼地帶的轉(zhuǎn)轍機、外掛的消防泵房、冷水機房等位置需設(shè)置臨時排水集水坑。因此，車站設(shè)置排水點眾多，常規(guī)地下車站排水點設(shè)置情況如表1所示。

表1 地下車站排水點設(shè)置表

從表1可知，一般地下車站的排水點多達15處，系統(tǒng)較為復雜。

2 傳統(tǒng)排水系統(tǒng)

為確保地鐵安全可靠的運營，滿足地下車站的排水需求，傳統(tǒng)排水系統(tǒng)主要存在以下問題：① 排水點位多，各處均需設(shè)置集水坑，施工難度大；② 集水坑內(nèi)需設(shè)置提升設(shè)備，用電負荷較大；③ 為滿足水泵自動控制，F(xiàn)AS(火災自動報警系統(tǒng))、BAS(環(huán)境與設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng))控制點位多，系統(tǒng)接口復雜；④ 各排水點均需設(shè)置壓力管道和檢修閥門，管網(wǎng)布置復雜，檢修難度大；⑤ 各排水點由于出戶位置不同，與市政排水接駁點位多。

3 真空排水系統(tǒng)

目前真空排污國內(nèi)已在西安、武漢、長沙、廣州等10多個城市地鐵工程得到廣泛應用。真空排污系統(tǒng)是一個由真空機組、衛(wèi)生器具、中間收集裝置[2-4]、控制系統(tǒng)及真空排污管道網(wǎng)絡組成的完全密閉的負壓系統(tǒng)。真空排水避免了傳統(tǒng)的重力向下的排水局限性，所以管道布置具有任意性。根據(jù)真空排水系統(tǒng)的研究成果，排水的輸送距離可達3 km左右。標準車站的設(shè)計長度約為220 m，設(shè)置有站后配線的車站長度約為400 m，站間距基本不超過1.5 km，區(qū)間設(shè)置聯(lián)絡通道的長度不超過600 m，區(qū)間排水考慮車站就近原則，因此，真空排水輸送的距離基本在1 km范圍之內(nèi)。

真空排污系統(tǒng)將車站站廳、站臺衛(wèi)生器具和地漏排水通過中間收集裝置匯集至真空泵站，因此本文將根據(jù)真空原理展開對地下車站中央排水系統(tǒng)的分析研究。

4 中央排水系統(tǒng)

地下車站排水系統(tǒng)充分利用真空排污系統(tǒng)的原理，將車站內(nèi)各處產(chǎn)生的雨污廢水匯集至一處，即中央排水系統(tǒng)。中央排水系統(tǒng)將地下車站的污水泵房、廢水泵房、出入口、風亭以及局部排水進行高度集成，根據(jù)市政相關(guān)要求由廢水泵和污水泵提升排至站外。

中央排水系統(tǒng)的核心內(nèi)容為中央泵站的設(shè)置、設(shè)備選型以及控制的實現(xiàn)，系統(tǒng)原理詳見中央排水系統(tǒng)圖(見圖1)。

圖1 中央排水系統(tǒng)圖

4.1 中央泵站設(shè)置位置選擇

地下車站的中央泵站宜靠近大的排水點布置，車站的最大排水點為消防廢水，其次為生活污水和風亭、出入口雨水。消防廢水的收集在車站線路的最低點，為事故排水，根據(jù)國內(nèi)地鐵車站廢水泵使用統(tǒng)計，目前基本未曾真正投入使用。但站臺層公共衛(wèi)生間為乘客服務，在列車運行期間一直處于工作狀態(tài)，若衛(wèi)生間布置于線路的高點，污水管道的布置勢必穿越站臺層公共區(qū)，中央排水系統(tǒng)檢修時將對車站空氣環(huán)境造成不必要的影響?？紤]風亭和出入口為車站兩側(cè)對稱布置，且為臨時排水，因此中央泵站的設(shè)置宜靠近衛(wèi)生間布置。

4.2 中央泵站布置

市政排水采用分流制，中央泵站真空罐[5-7]應分開布置，真空泵采用一組同時為污水和廢水真空罐服務，污廢水提升裝置及管路分開布置。中央泵站布置原理圖如圖2所示。

圖2 中央泵站布置原理圖

4.3 真空罐設(shè)計選型

真空罐是中央排水的中央組成部分。真空泵首先抽空真空罐內(nèi)空氣使其達到一定負壓[7-9]，通過真空管道啟動控制閥門來達到排水的效果，真空罐的有效容積決定著系統(tǒng)能否正常工作。真空罐容積[10-11]主要由真空工作壓力允許上限值、下限值、真空排水管數(shù)量、極限工作壓力等參數(shù)確定。為滿足管道敷設(shè)要求，真空排水系統(tǒng)中真空工作上下限壓力基本確定，所以真空罐的有效容積由真空管路數(shù)量和管徑確定。

4.4 真空泵設(shè)計選型

真空排污為一個封閉的空間，當真空系統(tǒng)從衛(wèi)生間排水時，僅真空泵補償管路為真空。當污水泵啟動排放污水時，并未有空氣進入真空罐，但氣體體積增加，罐內(nèi)真空度降低，因此還需真空泵啟動抽取空氣，使罐內(nèi)達到設(shè)定值，即要求真空泵在排污的同時使真空罐擴大的容積空間從大氣壓降到設(shè)計的真空度。真空罐的抽氣速率由真空罐的抽氣體積和抽氣時間確定[10-11]。

真空泵的有效抽氣速率為在滿足真空室工作壓力時的真空泵實際的抽氣速率，是在101.325 kPa(1個標準大氣壓)下運行的，真空罐內(nèi)本身已處于準工作狀態(tài)。根據(jù)《真空設(shè)計手冊》要求，真空泵的選型應根據(jù)特性曲線選泵，當無相關(guān)資料時應按技術(shù)抽氣速率的2～4倍選用[11]。

中央排水系統(tǒng)包含污水和廢水系統(tǒng)，真空泵的配置應考慮資源共享。當消防廢水排水量遠大于污水排放量，設(shè)備選型應按消防廢水系統(tǒng)配置。真空泵的配置選用3臺，平時污水系統(tǒng)1臺用2臺備，消防時2臺用1臺備。

4.5 中央控制

中央排水系統(tǒng)由于系統(tǒng)集成，在各排水點設(shè)置提升裝置，提升裝置設(shè)置水位探測裝置。為達到物聯(lián)網(wǎng)的要求，探測裝置預留R485接口。真空度設(shè)置上、下限，全系統(tǒng)采用PLC(可編程邏輯控制器)集中控制，具備手動控制、自動控制和遠程控制。

中央排水系統(tǒng)具體控制要求如下：① 系統(tǒng)在真空度上、下限內(nèi)運行；② 提升裝置處液位大于100 mm時真空隔膜閥打開，低于50 mm時停止工作；③ 真空度低于下限值時真空泵啟動，污水系統(tǒng)時1臺用2臺備，定期輪換工作，廢水系統(tǒng)時2臺用1臺備；④ 真空罐內(nèi)污水或廢水達到啟動液位時啟動污水泵或廢水泵，消防時廢水泵同時啟動；⑤ 真空泵自帶巡檢功能，控制柜顯示故障狀態(tài)并上傳控制室；⑥ 提升裝置顯示故障狀態(tài)并上傳控制室。

5 中央排水系統(tǒng)與傳統(tǒng)系統(tǒng)對比

中央排水系統(tǒng)采用對地鐵地下車站內(nèi)全部雨污廢水進行系統(tǒng)集成、集中排放的方法，大大簡化了排水系統(tǒng)設(shè)計?，F(xiàn)從以下幾個方面與傳統(tǒng)排水系統(tǒng)進行比較。

5.1 集水坑設(shè)置

傳統(tǒng)雨廢水的排放是設(shè)置集水坑和提升泵，集水坑的有效容積不小于最大1臺泵的15～20 min的出水量，污水集水坑的有效容積不小于最大1臺泵的5 min的出水量。根據(jù)表1地下車站排水點設(shè)置情況，可知車站及區(qū)間需設(shè)置15處集水坑。其中：主廢水泵房有效容積不小于12.5 m3，區(qū)間泵站有效容積不小于5 m3，其他各排水點有效容積不小于2.5 m3；各集水坑設(shè)置根據(jù)排水需求均需降低底板，尤其車站主廢水泵房和區(qū)間廢水泵房處于站臺層，需排除站臺板下和道床排水溝廢水，集水坑需降板2～3 m左右(因為地下水位較高的車站時有涌水發(fā)生，這會給土建施工造成很大的難度)。

中央排水系統(tǒng)利用真空采用提升器提升廢水，控制液位為50～100 mm。當存水點大于100 mm時真空閥打開，開始提升；低于50 mm時系統(tǒng)停止工作，基本不需設(shè)置集水坑，靠裝修墊層即可解決問題。

5.2 房間布置需求

風亭雨水設(shè)置于抽口風亭下方，出入口和無障礙電梯基坑排水設(shè)置于基坑外，轉(zhuǎn)轍機排水設(shè)置于轉(zhuǎn)轍機基坑內(nèi)，區(qū)間廢水泵站設(shè)置于聯(lián)絡通道內(nèi)，無房間需求；污水泵房根據(jù)目前設(shè)計情況采用真空排污或密閉一體化裝置，需單獨設(shè)置泵房，面積12 m2左右；廢水泵房需單獨設(shè)置，面積15 m2左右，合計約27 m2。中央排水系統(tǒng)僅設(shè)置1處，面積20 m2。

5.3 設(shè)備配電及控制需求

傳統(tǒng)排水系統(tǒng)均需在排水點設(shè)置配電柜和控制柜，F(xiàn)AS、BAS需在各排水點采集控制信號。中央排水系統(tǒng)僅在中央泵站配電和控制。

5.4 管網(wǎng)布置

傳統(tǒng)排水系統(tǒng)需在各排水點設(shè)置壓力管道和檢修閥門，管網(wǎng)布置復雜，設(shè)備區(qū)各專業(yè)管線眾多，這對管線綜合造成很大的困難。中央排水系統(tǒng)僅設(shè)置污水和廢水兩路管線，比較單一。

5.5 運營維護

傳統(tǒng)排水系統(tǒng)需檢修各排水點設(shè)備和管網(wǎng)，工作量大，人員配置較多。中央排水系統(tǒng)僅在中央泵站運營維護。

5.6 市政接駁需求

傳統(tǒng)排水系統(tǒng)在風亭處雨污水可以管網(wǎng)合并，污水和出入口單獨排放，市政接駁點數(shù)不少于7處。中央排水系統(tǒng)根據(jù)市政條件決定，若市政雨污合流則需1處，若市政為分流則需2處。

5.7 工程投資

系統(tǒng)投資應從集水坑、建筑面積、設(shè)備、管網(wǎng)、閥門等進行綜合對比，從目前地鐵工程綜合指標來分析，地下車站面積指標為1.1萬元/m2，集水坑工程造價為0.1萬元/m2，設(shè)備和管網(wǎng)造價按信息價格綜合考慮。標準車站常規(guī)排水系統(tǒng)投資如表2所示，中央排水系統(tǒng)投資如表3所示。

從表2和表3對比可知，傳統(tǒng)排水系統(tǒng)和中央排水系統(tǒng)投資區(qū)別不大，中央排水系統(tǒng)甚至比傳統(tǒng)排水系統(tǒng)投資要低一些。

綜上所述，中央排水系統(tǒng)和傳統(tǒng)排水系統(tǒng)對比結(jié)果如表4所示。

表2 傳統(tǒng)排水系統(tǒng)投資

表3 中央排水系統(tǒng)投資

表4 中央排水系統(tǒng)和傳統(tǒng)排水系統(tǒng)綜合對比

6 結(jié)語

傳統(tǒng)排水系統(tǒng)設(shè)置點位多，接駁復雜，通過對系統(tǒng)組成、集水坑設(shè)置以及土建的要求，在總結(jié)真空排水系統(tǒng)的基礎(chǔ)上對中央排水系統(tǒng)進行分析研究，研究結(jié)果表明：① 中央排水系統(tǒng)無需設(shè)置集水坑，土建無需降板，可降低土建施工難度；② 中央排水系統(tǒng)為真空排水，系統(tǒng)密閉運行，可杜絕對環(huán)境空氣的影響；③ 與市政接駁少，可減少與市政相關(guān)部門的協(xié)調(diào)；④ 降低低壓配電的設(shè)計難度，全車站僅1處需低壓配電；⑤ 各排水點通過真空管路聯(lián)網(wǎng)，擴展方便，便于車站排水；⑥ 檢修方便，系統(tǒng)單一，僅檢修中央泵站及管路。