利用地鐵盾構(gòu)隧道內(nèi)空間的匯水排水技術(shù)應(yīng)用研究

史云天

(中國(guó)鐵路設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司， 300251， 天津∥工程師)

地鐵盾構(gòu)隧道排水的原理是在隧道的低點(diǎn)設(shè)置廢水泵站，使少量滲漏水及事故工況下的消防廢水借助道床排水溝沿線路縱坡向泵站集水池匯集，通過(guò)與之匹配的機(jī)械排水設(shè)施(一般為潛水泵)抽排至臨近車(chē)站或區(qū)間風(fēng)井后，最終排至室外[1-2]。

《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》明確規(guī)定：2條單線區(qū)間隧道間應(yīng)設(shè)聯(lián)絡(luò)通道，相鄰2個(gè)聯(lián)絡(luò)通道之間的距離不應(yīng)大于600 m。由此，長(zhǎng)度在600 m以上的隧道一般均設(shè)有聯(lián)絡(luò)通道。廢水泵站可結(jié)合聯(lián)絡(luò)通道的實(shí)際情況進(jìn)行設(shè)置。在過(guò)往的地鐵工程中，長(zhǎng)度小于600 m的區(qū)間隧道數(shù)量較少且多為單向坡，可將廢水匯流至相鄰車(chē)站，以避免在隧道內(nèi)蓄積。然而，短距離無(wú)聯(lián)絡(luò)通道的V型坡隧道，以及因施工誤差造成局部低點(diǎn)的隧道仍時(shí)有出現(xiàn)。針對(duì)這些存在低點(diǎn)且無(wú)聯(lián)絡(luò)通道的盾構(gòu)隧道，工程中大多采取在低點(diǎn)處道床設(shè)置窄長(zhǎng)型集水池，借助潛水泵進(jìn)行排水。但是，受水泵性能的限制，集水池內(nèi)仍留存較多廢水。廢水淹沒(méi)過(guò)道床、鋼軌，存在較大的安全隱患。為解決此問(wèn)題，本文對(duì)潛水泵與真空裝置在此類(lèi)盾構(gòu)隧道的應(yīng)用予以對(duì)比分析，并提出一種將兩者組合應(yīng)用的新技術(shù)。

1 盾構(gòu)隧道排水技術(shù)應(yīng)用分析

區(qū)間聯(lián)絡(luò)通道的施工風(fēng)險(xiǎn)大、造價(jià)高，因此采用在聯(lián)絡(luò)通道內(nèi)增設(shè)泵站的方式解決短距離隧道低點(diǎn)排水難題并不適宜。目前，此類(lèi)隧道的排水多采取優(yōu)化隧道低點(diǎn)處道床集水池的設(shè)計(jì)、輔以特定機(jī)械排水設(shè)施的方式實(shí)現(xiàn)。經(jīng)實(shí)踐應(yīng)用和研究分析，目前可采用的排水技術(shù)有潛水泵排水技術(shù)和真空排水技術(shù)兩種。

1.1 潛水泵排水技術(shù)

潛水泵排水需設(shè)置具有一定停泵保護(hù)水位和有效調(diào)節(jié)容積(不小于最大1臺(tái)水泵15～20 min的出水量)的集水池。潛水泵排水技術(shù)就是利用隧道低點(diǎn)的道床區(qū)域，在局部區(qū)域增加中心排水溝的深度和寬度，沿線路縱向設(shè)置1處滿足調(diào)節(jié)容積需求、適合水泵安裝且不侵?jǐn)_設(shè)備限界的集水池。集水池內(nèi)設(shè)多臺(tái)潛水泵并聯(lián)工作，通過(guò)沿隧道側(cè)壁安裝的管道將廢水輸送至相鄰車(chē)站的主廢水池內(nèi)(因隧道低點(diǎn)和室外地面間的高差較大，為有效控制潛水泵的功率、停泵水位及外形尺寸，一般不直接經(jīng)車(chē)站排至室外)。

1.1.1 普通道床潛水泵的設(shè)置方案

以直徑為5 500 mm的盾構(gòu)隧道普通道床為例，道床完成面距盾構(gòu)隧道的建筑限界為520 mm。當(dāng)集水池寬度B取750 mm時(shí)，最大有效池深H(池底至道床面)僅為500 mm。常規(guī)小型潛水泵的停泵水位一般為300～500 mm，而道床潛水泵排水技術(shù)在避免停泵后集水池內(nèi)積水過(guò)深的同時(shí)仍需設(shè)置必要調(diào)節(jié)水深，對(duì)水泵性能和品質(zhì)要求更為嚴(yán)格，停泵水位一般不應(yīng)大于200 mm。

參照某建成地鐵項(xiàng)目，選用4臺(tái)流量為10～15 m3/h的潛水泵，平時(shí)僅1臺(tái)水泵工作，消防工況下4臺(tái)泵同時(shí)運(yùn)行(控制柜采用1控4模式)。設(shè)集水池的停泵水位為h1，1泵啟動(dòng)水位為h2，高報(bào)警兼4泵同時(shí)啟動(dòng)的水位為h3。h2與h3的高差取50 mm，去除h1所必需的200 mm，則可用調(diào)節(jié)水深Δh(即h1-h2)僅為250 mm?？紤]集水池池底沿線路縱向在較短距離內(nèi)近似水平，當(dāng)B為750 mm時(shí)，如滿足流量為15 m3/h的潛水泵15 min出水量，集水池的長(zhǎng)度L應(yīng)達(dá)到20 m，如圖1所示。

注：1——道床廢水池；2——泵坑；3——潛水泵；4——排水管；5——過(guò)軌管道安裝槽。

1.1.2 鋼彈簧浮置板道床潛水泵設(shè)置方案

相比于普通道床，鋼彈簧浮置板道床集水池和潛水泵的設(shè)置更為復(fù)雜。道床完成面距盾構(gòu)隧道的建筑限界為550 mm，當(dāng)B取750 mm時(shí)，H為580 mm，而浮置板的板底距池底僅為240 mm，因此一般要求h1不應(yīng)超過(guò)100 mm。但在必需的調(diào)節(jié)容積限制下，h2仍會(huì)淹沒(méi)浮置板板底，尤其當(dāng)區(qū)間泵站位于小半徑區(qū)段且道床傾斜時(shí)，情況會(huì)更不利[3-4]。

具備極低停泵水位的潛水泵一般為小功率泵。以某進(jìn)口潛水泵為例，當(dāng)h1<100 mm時(shí)，其流量和揚(yáng)程分別為7.92 m3/h和18 m，功率為1.1 kW。因此，為滿足總排水能力需求，每處低點(diǎn)需并聯(lián)設(shè)置8臺(tái)泵(控制柜采用1控8模式)，采用從1臺(tái)到8臺(tái)泵遞增啟動(dòng)的方式，并要求液位計(jì)進(jìn)行精細(xì)化測(cè)控。浮置板道床目前多為預(yù)制板片形式，每片長(zhǎng)度約為4 m，潛水泵泵孔在每個(gè)板片的兩端各預(yù)留1處凹槽，故相比于普通道床上泵孔間距1 m的緊湊布置，浮置板道床區(qū)段8臺(tái)潛水泵需分散布置在長(zhǎng)為25 m的集水池內(nèi)，各水泵停止運(yùn)行時(shí)的實(shí)際水位隨線路縱坡也必然存在一定的高低差異，如圖2所示。

注：1——道床廢水池；2——泵坑；3——浮置板道床；4——潛水泵；5——排水管。

當(dāng)設(shè)置在最低點(diǎn)(水池中心)的液位計(jì)探測(cè)到h1=100 mm時(shí)，廢水池兩端的1#潛水泵和8#潛水泵的實(shí)際水位只有37.5 mm(隧道低點(diǎn)兩側(cè)線路縱坡以0.5%計(jì))，這對(duì)各控制液位的設(shè)置和實(shí)際工作效果的要求將更為嚴(yán)苛。潛水泵的冷卻主要依靠外部水循環(huán)降溫實(shí)現(xiàn)，而100 mm的停泵水位或更低的液位對(duì)于近500 mm高的泵體而言，基本不具備實(shí)現(xiàn)水冷卻的能力，且在實(shí)際使用中時(shí)有燒泵現(xiàn)象發(fā)生。為此，新建項(xiàng)目對(duì)潛水泵的性能，尤其是冷卻能力的要求極高，進(jìn)而需要更多的工程費(fèi)用。

為了創(chuàng)造較理想的停泵水位，部分工程在供潛水泵安裝的盾構(gòu)環(huán)片處采用底部鋼管片與周側(cè)鋼筋混凝土管片相結(jié)合的襯砌結(jié)構(gòu)，并在鋼管片上預(yù)制吸水坑(水坑深度h一般為200～240 mm)，以供潛水泵使用，如圖3所示。

利用鋼管片增設(shè)吸水坑，可在一定程度上為潛水泵提供更為良好的工作環(huán)境，提高設(shè)備的耐久性，但需嚴(yán)格保證鋼管片的強(qiáng)度，確保吸水坑及其周側(cè)金屬件防水、防腐性能的有效性和持久性。對(duì)多個(gè)吸水坑連續(xù)設(shè)置下不同材質(zhì)管片的交叉拼接施工，應(yīng)有妥善而嚴(yán)格的設(shè)計(jì)和施工要求。

注：1——鋼管片內(nèi)吸水坑；2——泵坑；3——浮置板道床；4——潛水泵；5——排水管；6——鋼管片；7——鋼筋混凝土管片。

1.2 真空排水技術(shù)

真空排水技術(shù)利用真空裝置將隧道區(qū)間低點(diǎn)的廢水抽吸至相鄰車(chē)站實(shí)現(xiàn)排水。真空裝置主要由真空機(jī)組(含真空泵、真空罐、排水泵)、廢水提升器、真空排水管路、控制系統(tǒng)等組成。該技術(shù)在排除淺積水上具有優(yōu)勢(shì)，吸取廢水的動(dòng)力是真空泵抽吸真空罐所形成的罐內(nèi)負(fù)壓，穩(wěn)定狀態(tài)下的吸水高度約為7 m。從應(yīng)用環(huán)境角度看，由于無(wú)聯(lián)絡(luò)通道的盾構(gòu)隧道長(zhǎng)度多小于600 m，且隧道兩端與中部低點(diǎn)的高差為2～4 m不等，該技術(shù)也具備了較為理想的使用條件[5-6]。

如圖4～5所示，采用真空排水技術(shù)時(shí)，需在隧道低點(diǎn)道床內(nèi)設(shè)置2～4處吸水坑(長(zhǎng)、寬均為500 mm)，用于收集線路排水溝匯流的廢水。每處吸水坑設(shè)1套廢水提升器，廢水提升器由真空隔膜閥、閥前吸水管、液位計(jì)等組成。閥前吸水管的端頭和液位計(jì)伸至吸水坑內(nèi)，真空隔膜閥緊貼隧道內(nèi)壁安裝。廢水提升器通過(guò)沿隧道壁安裝的真空管路連接至相鄰車(chē)站端頭廢水泵房的真空罐內(nèi)，當(dāng)罐內(nèi)廢水達(dá)到一定液位后再由排水泵提升至車(chē)站主廢水池或室外管網(wǎng)。真空裝置可將道床吸水坑殘留水保持在更低液位，甚至可以基本排干坑內(nèi)的廢水，從而有效減少殘留廢水對(duì)鋼彈簧、軌道等的侵?jǐn)_，提高設(shè)備、設(shè)施的使用壽命。

2 盾構(gòu)隧道排水技術(shù)對(duì)比

真空排水技術(shù)通過(guò)1套真空單元，可以服務(wù)于多處積水點(diǎn)。當(dāng)某區(qū)間內(nèi)有多個(gè)低點(diǎn)或同時(shí)服務(wù)車(chē)站相鄰的多個(gè)區(qū)間時(shí)，相比于潛水泵排水技術(shù)，真空排水技術(shù)更為經(jīng)濟(jì)。本文以某城市軌道交通線路的A—B區(qū)間為案例(此區(qū)間采用鋼彈簧浮置板道床)，從工藝的適用性、經(jīng)濟(jì)性和耐久性角度對(duì)潛水泵排水技術(shù)和真空排水技術(shù)進(jìn)行對(duì)比分析。

注：1——道床中心溝；2——吸水坑；3——提升器；4——閥前吸水管；5——真空隔膜閥；6——過(guò)軌管道安裝槽。

注：1——吸水坑；2——提升器安裝孔；3——浮置板道床；4——提升器；5——閥前吸水管；6——真空隔膜閥。

A—B區(qū)間的起點(diǎn)里程記為0，終點(diǎn)里程為596.00 m，上、下行線路低點(diǎn)集水池(坑)的中心里程均為269.00 m。在A站大里程端頭和B站小里程端頭均設(shè)有車(chē)站主廢水泵站，區(qū)間低點(diǎn)廢水均考慮排至相鄰車(chē)站的主廢水泵站廢水池內(nèi)。區(qū)間低點(diǎn)(o點(diǎn))處的軌面高程Ho為-16.957 m，A站主泵站(a點(diǎn))處的軌面高程Ha為-12.388 m，B站主泵站(b點(diǎn))處的軌面高程Hb為-13.179 m。Ho和Ha、Hb之間的高差分別為4.569 m、3.778 m，高差值之差為0.791 m。o點(diǎn)至a點(diǎn)、b點(diǎn)的管道長(zhǎng)度分別為274 m、332 m，長(zhǎng)度差為58 m。經(jīng)計(jì)算，采用長(zhǎng)度為58 m、公稱直徑為DN 150的普通鋼管，當(dāng)流量為50 m3/h時(shí)，水頭損失僅為0.420 m(真空裝置抽吸廢水時(shí)，因水中混合有氣體，管道水頭損失將更小)，小于水泵克服0.791 m高差所需的揚(yáng)程。同時(shí)，考慮真空排水技術(shù)利用大氣壓壓差排水的理想工作條件及潛水泵的提升揚(yáng)程，兩種技術(shù)均選取B站主廢水泵站廢水池作為最終排水點(diǎn)。真空機(jī)組設(shè)置在B站廢水泵站內(nèi)。兩種技術(shù)的對(duì)比如表1所示。

表1 潛水泵排水技術(shù)和真空排水技術(shù)施工要求及排水效果對(duì)比

3 組合式排水技術(shù)應(yīng)用探討

通過(guò)潛水泵排水技術(shù)和真空排水技術(shù)的對(duì)比分析可知，潛水泵排水技術(shù)由液位計(jì)聯(lián)動(dòng)控制多臺(tái)泵遞增啟動(dòng)，雖然可以連續(xù)、快速地排除集水池內(nèi)廢水，但對(duì)于集水池內(nèi)剩余廢水的控制并不理想。如果采用高性能低液位(停泵水位≤100 mm)潛水泵，其成本較常規(guī)潛水泵將成倍增加，并產(chǎn)生高額的運(yùn)維費(fèi)用。真空排水技術(shù)具備抽排集水池淺積水的能力，對(duì)于道床環(huán)境更為友好，但適配于排除區(qū)間消防廢水的真空裝置的整體造價(jià)比潛水泵的造價(jià)高50%左右。

地鐵隧道內(nèi)的廢水多為結(jié)構(gòu)滲漏水，其水量較少。消防廢水僅在發(fā)生事故時(shí)出現(xiàn)，屬小概率事件。以長(zhǎng)度為600 m的盾構(gòu)隧道為例，若結(jié)構(gòu)滲漏水量為0.05 L/(m2·d)，則該隧道的日最大滲漏水量約為0.63 m3，如選用較大排水能力(滿足消防工況排水要求)的真空裝置，日常使用時(shí)必然存在排水能力過(guò)剩的情況，且初始投資和運(yùn)維成本均較高。

為此，本文結(jié)合潛水泵和真空裝置的優(yōu)點(diǎn)，提出一種組合式排水技術(shù)。該技術(shù)的關(guān)鍵是在日常使用時(shí)由小流量真空裝置抽排廢水，在消防工況下可瞬時(shí)轉(zhuǎn)換為大流量潛水泵排水，兩者共用1條排水管路，實(shí)現(xiàn)真空排水管與壓力排水管的靈活切換，從而有效節(jié)省工程投資，減少設(shè)備維護(hù)成本。

組合式排水技術(shù)的具體原理如圖6所示，在隧道區(qū)間低點(diǎn)結(jié)合道床排水溝設(shè)置1處窄長(zhǎng)型的集水池(寬度為0.75 m，長(zhǎng)度為20.00 m)，內(nèi)設(shè)2～4臺(tái)流量為10～20 m3/h的普通潛水泵，停泵水位滿足200～300 mm即可。同時(shí)設(shè)置一套排水流量為5～10 m3/h的小型真空機(jī)組，將廢水提升器一并設(shè)置于上述集水池內(nèi)，真空機(jī)組僅用于日常結(jié)構(gòu)滲漏水的排除。

如圖6所示，日常使用時(shí)，廢水提升器后的隔膜閥1和真空罐進(jìn)水管前的隔膜閥2關(guān)閉，使區(qū)間內(nèi)排水管道呈真空狀態(tài)。在集水池內(nèi)水位小于50 mm時(shí)，真空裝置與潛水泵均處于待機(jī)狀態(tài)。當(dāng)池內(nèi)水位達(dá)到50 mm(液位1)時(shí)，真空機(jī)組工作，隔膜閥1、隔膜閥2由真空動(dòng)力管驅(qū)動(dòng)開(kāi)啟，組合式排水裝置抽吸集水池廢水直至廢水基本排干。如遇消防廢水或偶然的大流量廢水匯流，造成水位上升至200 mm(液位2，即潛水泵的停泵水位)，隨后持續(xù)上漲至500 mm(液位3)并保持30 s而未見(jiàn)下降時(shí)，液位信號(hào)聯(lián)動(dòng)關(guān)閉隔膜閥1和隔膜閥2，開(kāi)啟旁通管上的電動(dòng)閥1，此時(shí)真空機(jī)組轉(zhuǎn)至待機(jī)狀態(tài)，潛水泵開(kāi)始工作，將真空排水管道切換為潛水泵的壓力排水管道，實(shí)現(xiàn)大流量排水。待水位下降至200 mm(液位2)且在30 s內(nèi)未見(jiàn)增長(zhǎng)時(shí)，潛水泵停泵，組合式排水裝置切換回真空排水模式，抽排池內(nèi)的淺層積水。

圖6 組合式排水技術(shù)原理圖Fig.6 Schematic diagram of combined drainage technology

采用組合式排水技術(shù)，在低水位時(shí)小型真空機(jī)組工作，可高效排除隧道內(nèi)的淺積水，為鋼彈簧設(shè)施等創(chuàng)造理想的無(wú)水環(huán)境；在排除大量廢水時(shí)，由于對(duì)潛水泵的整機(jī)性能和停泵水位要求較低，可選用較大功率的水泵，以減少水泵總數(shù)量，簡(jiǎn)化多泵并聯(lián)的控制邏輯，降低能耗，從而節(jié)省初始投資和運(yùn)維成本。該技術(shù)采用切換單個(gè)排水管道的方式，可以減少區(qū)間隧道內(nèi)過(guò)多管道的敷設(shè)，進(jìn)而最大限度地降低工程造價(jià)。

經(jīng)估算，將該組合式排水技術(shù)應(yīng)用于A—B區(qū)間的總投資約為52.0萬(wàn)元，比采用真空排水技術(shù)節(jié)省了24.5%，比采用潛水泵排水技術(shù)僅高13.5%，可見(jiàn)，組合式排水技術(shù)的經(jīng)濟(jì)效益明顯。

4 結(jié)語(yǔ)

潛水泵排水技術(shù)在普通道床段具備較良好的應(yīng)用條件，但設(shè)置于鋼彈簧浮置板道床時(shí)，因受潛水泵性能不一的限制，存在最低水位波動(dòng)的不確定性，易侵?jǐn)_鋼彈簧，且多臺(tái)水泵的并聯(lián)運(yùn)行控制邏輯復(fù)雜。采用真空排水技術(shù)可有效控制集水池水位，營(yíng)造理想的隧道低點(diǎn)環(huán)境，但大排量真空機(jī)組對(duì)整體性能要求較高，造價(jià)也較高。組合式排水技術(shù)通過(guò)技術(shù)的有效整合和聯(lián)控，兼具了潛水泵和真空裝置的優(yōu)點(diǎn)，在地鐵區(qū)間隧道排水中有良好的適用性，節(jié)能效果顯著。組合式排水技術(shù)中排水管道的快速、可靠切換，以及真空裝置的小型化仍需持續(xù)深化研究，進(jìn)一步應(yīng)用于工程實(shí)踐，使該技術(shù)具有更為廣泛的應(yīng)用前景。