地鐵地下區(qū)間廢水泵房設(shè)置創(chuàng)新研究

戴東瓊

（深圳市市政設(shè)計(jì)研究院有限公司，廣東 深圳 518029）

0 引 言

地鐵工程地下區(qū)間由于隧道外的土壤地下水存在水壓，在施工及運(yùn)營(yíng)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生結(jié)構(gòu)滲漏水。結(jié)構(gòu)滲漏水經(jīng)過(guò)軌道排水溝收集，匯至地下區(qū)間最低點(diǎn)處的廢水泵房集水井內(nèi)，經(jīng)潛污泵的提升最終排至車站周邊市政污水管網(wǎng)。目前，地下區(qū)間的廢水泵房一般采用與聯(lián)絡(luò)通道合建的方式，設(shè)置在地下區(qū)間最低點(diǎn)下方。地鐵工程一般采用盾構(gòu)法施工，其施工斷面固化導(dǎo)致施工操作面受限，現(xiàn)有地鐵工程的聯(lián)絡(luò)通道一般是在主隧道施工完畢后，采用礦山法進(jìn)行人工開(kāi)挖，廢水泵房集水井需在普通聯(lián)絡(luò)通道開(kāi)挖完成后再往下開(kāi)挖4～5 m，極易發(fā)生透水、坍塌甚至人員掩埋等嚴(yán)重災(zāi)害，故需要研究采用更加可靠的機(jī)械法開(kāi)挖方式、優(yōu)化廢水泵房的布置形式，以保證工程質(zhì)量及生命財(cái)產(chǎn)安全。

1 現(xiàn)有地下區(qū)間廢水泵房方案

1.1 常規(guī)方案

目前，地鐵工程地下區(qū)間廢水泵房常規(guī)做法是在地下區(qū)間線路最低點(diǎn)與聯(lián)絡(luò)通道合設(shè)，用于收集并及時(shí)排除日常結(jié)構(gòu)滲漏水及消防工況下的區(qū)間消防廢水，以保證地鐵安全運(yùn)行。地下區(qū)間廢水泵房?jī)?nèi)的潛污泵流量按照消防工況下的消防廢水水量與結(jié)構(gòu)滲漏水量疊加考慮，地下區(qū)間消火栓用水量采用10 L/S，盾構(gòu)法施工的隧道結(jié)構(gòu)滲漏水可以忽略不計(jì)，因此地下區(qū)間廢水泵房一般選用單臺(tái)流量為Q=36 m3/h 的兩臺(tái)水潛污泵，平時(shí)互為備用，必要時(shí)可同時(shí)啟動(dòng)。區(qū)間廢水泵房集水井的有效容積，按照《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》GB 50157—2013 的要求，應(yīng)滿足單臺(tái)水泵15～20 min 出流量來(lái)確定，一般為9～12 m3。

考慮到控制土建施工風(fēng)險(xiǎn)、節(jié)省投資，聯(lián)絡(luò)通道的平面尺寸不宜過(guò)大，設(shè)在聯(lián)絡(luò)通道的廢水集水井的平面尺寸也相應(yīng)的受到限制，同時(shí)廢水集水井的有效水深應(yīng)考慮潛污泵啟泵死水位、安全超高水位等，導(dǎo)致集水井的實(shí)際土建深度深達(dá)4～4.5 m。常規(guī)地下區(qū)間廢水泵房剖面圖如圖1所示。

圖1 常規(guī)地下區(qū)間廢水泵房剖面圖

此外，針對(duì)軟土地區(qū)的地鐵工程，個(gè)別城市也嘗試了在隧道軌道層內(nèi)設(shè)置長(zhǎng)度10～20 m、寬度深度均小于1 m 的軌道淺層下沉式基坑，配備多臺(tái)潛污泵進(jìn)行廢水收集與排除，從而避免在聯(lián)絡(luò)通道處設(shè)置常規(guī)廢水泵房。

1.2 優(yōu)缺點(diǎn)分析

1.2.1 優(yōu)點(diǎn)

常規(guī)地鐵區(qū)間廢水泵房及集水井設(shè)置于聯(lián)絡(luò)通道內(nèi)，有利于后續(xù)運(yùn)營(yíng)維護(hù)管理，出現(xiàn)故障可及時(shí)處理。

軟土地質(zhì)條件的軌道淺層長(zhǎng)條廢水基坑方案可避免在聯(lián)絡(luò)通道內(nèi)開(kāi)挖深基坑，大大降低施工風(fēng)險(xiǎn)。

1.2.2 缺點(diǎn)

常規(guī)地鐵區(qū)間與聯(lián)絡(luò)通道合建的廢水泵房集水井深度過(guò)大，經(jīng)常會(huì)遇到基坑透水坍塌或遇到巖層爆破等問(wèn)題，施工難度與施工安全風(fēng)險(xiǎn)巨大。

軟土地質(zhì)條件的軌道淺層下沉式廢水基坑由于無(wú)法解決降低潛污泵停泵水位的問(wèn)題，導(dǎo)致基坑內(nèi)的死水無(wú)法排除，且安裝的特制潛污泵故障頻繁，軌道道床集水坑長(zhǎng)期積水，積水時(shí)常漫過(guò)道床，會(huì)侵蝕軌道基礎(chǔ)及軌枕、扣件、隔振器等，對(duì)列車日常運(yùn)行造成安全隱患，同時(shí)潛污泵需要特別定制，造價(jià)較高，且故障率高。

2 分建式主隧道豎井結(jié)構(gòu)廢水泵房

2.1 優(yōu)化方案

地鐵地下區(qū)間聯(lián)絡(luò)通道采用傳統(tǒng)的礦山法施工，工期長(zhǎng)、工后沉降得不到有效控制、破壞主體結(jié)構(gòu)、作業(yè)環(huán)境差、施工風(fēng)險(xiǎn)大，采用機(jī)械法施工聯(lián)絡(luò)通道，可有效避免傳統(tǒng)礦山法施工的各類缺陷。由于機(jī)械法施工聯(lián)絡(luò)通道的斷面固化施工操作面受限，不能滿足垂直掘進(jìn)設(shè)備的施工空間，廢水泵房不設(shè)置在聯(lián)絡(luò)通道內(nèi)，而是設(shè)在在地下區(qū)間主隧道線路最低點(diǎn)軌道正下方，采用分建式主隧道豎井結(jié)構(gòu)廢水泵房的創(chuàng)新模式，如圖2所示。

圖2 分建式主隧道豎井結(jié)構(gòu)廢水泵房示意圖

采用垂直掘進(jìn)設(shè)備對(duì)地下區(qū)間主廢水泵房集水池進(jìn)行機(jī)械開(kāi)挖，并結(jié)合施工機(jī)械操作空間、隧道綜合管線橫斷面布置、后期運(yùn)營(yíng)維護(hù)及應(yīng)急處置等問(wèn)題，通過(guò)對(duì)比分析，對(duì)此創(chuàng)新方案提出以下技術(shù)細(xì)節(jié)：

考慮到垂直掘進(jìn)設(shè)備操作空間、隧道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性及水泵安裝空間，地下區(qū)間主隧道線路最低點(diǎn)軌道正下方的廢水泵房集水池采用圓形集水井型式，直徑2.5 m；集水井深度在考慮廢水泵啟泵死水位、安全超高水位的前提下，經(jīng)過(guò)計(jì)算確定，采用土建深度3.0 m。雙隧道的區(qū)間最低點(diǎn)一般均在同一里程處，在一處隧道軌道正下方設(shè)置廢水泵房集水井，相鄰隧道軌道排水溝的廢水采用定向鉆施工工法，從道床下方敷設(shè)2 條DN250 鋼管接至集水井內(nèi)，將兩條隧道聯(lián)通以滿足地下區(qū)間的排水要求。

沿軌道縱向鋼軌之間水泵正上方設(shè)置2 個(gè)水泵檢修口（兼做人孔），結(jié)合鋼軌間距及軌枕的布置，水泵檢修口的尺寸采用L×B=0.9×0.5 m。

為便于潛污泵出水管上閘閥、止回閥的日常維護(hù)與檢修，水泵的閥門組件應(yīng)在隧道側(cè)壁軌面以上安裝，以便于應(yīng)急操作。聯(lián)絡(luò)通道與集水井距離＜20 m 時(shí)，配電柜與水泵控制柜宜設(shè)置在聯(lián)絡(luò)通道內(nèi)；聯(lián)絡(luò)通道與集水井距離＞20 m 時(shí)，配電柜與水泵控制柜可設(shè)置在隧道側(cè)壁，在設(shè)備限界不滿足要求時(shí)，可在隧道側(cè)壁設(shè)置凹槽。分建式主隧道豎井結(jié)構(gòu)廢水泵房橫斷面布置圖如圖3所示。

圖3 分建式主隧道豎井結(jié)構(gòu)廢水

為便于潛污泵的檢修，水泵吊裝采用機(jī)械吊裝法，地鐵運(yùn)營(yíng)部門可根據(jù)實(shí)際情況采用以下三種檢修方式：

（1）對(duì)既有接觸網(wǎng)升降車進(jìn)行局部改造，在車體平臺(tái)加裝吊鉤，利用升降臺(tái)本身的電機(jī)動(dòng)作實(shí)現(xiàn)潛污泵的吊起和自耦安裝。

（2）采用模塊化檢修車，蓄電池驅(qū)動(dòng)，并配備電驅(qū)卷?yè)P(yáng)機(jī)。平時(shí)模塊可放置在車站站臺(tái)層備用間或區(qū)間聯(lián)絡(luò)通道，檢修工況下運(yùn)營(yíng)人員對(duì)檢修車的模塊進(jìn)行安裝，并行駛至泵坑位置進(jìn)行水泵吊裝作業(yè)。

（3）采用專用隧道水泵提升檢修車，平時(shí)放置在地鐵維修場(chǎng)段，需要時(shí)行駛至區(qū)間泵坑位置進(jìn)行水泵吊裝作業(yè)，實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)化機(jī)械操作，并可加裝污泥泵等設(shè)備，對(duì)廢水集水池坑底進(jìn)行排泥清淤作業(yè)，實(shí)現(xiàn)多功能化智慧運(yùn)營(yíng)。

2.2 方案優(yōu)點(diǎn)

分建式主隧道豎井結(jié)構(gòu)廢水泵房對(duì)于常規(guī)的與聯(lián)絡(luò)通道合建的區(qū)間廢水泵房，避免了冷凍加固或局部靜爆措施，極大地降低了施工風(fēng)險(xiǎn)，保證了施工人員的生命安全，并將施工工期縮短50%。

地下區(qū)間主廢水泵房與聯(lián)絡(luò)通道分離，不僅減小了聯(lián)絡(luò)通道的體量，還可使聯(lián)絡(luò)通道的平面位置選擇和區(qū)間縱斷面設(shè)計(jì)更加靈活，無(wú)需因?yàn)閼?yīng)在最低點(diǎn)設(shè)置廢水泵房而在該處增設(shè)聯(lián)絡(luò)通道。在某些工程中，可以節(jié)省一處聯(lián)絡(luò)通道，工程投資節(jié)省400 萬(wàn)以上。

2.3 局限性分析

分建式主隧道豎井結(jié)構(gòu)廢水泵房的集水井采用機(jī)械開(kāi)挖，需另行購(gòu)置專門的垂直掘進(jìn)設(shè)備，需要大規(guī)模采用該工法才能平衡增加的設(shè)備費(fèi)用對(duì)工程投資的影響。

分建式主隧道豎井結(jié)構(gòu)廢水泵房的集水井設(shè)置在隧道軌道正下方，潛污泵需采用機(jī)械化吊裝作業(yè)，改變了運(yùn)營(yíng)部門的工作習(xí)慣，增加了后期運(yùn)營(yíng)的維護(hù)成本。運(yùn)營(yíng)部門需要研究考慮機(jī)械化吊裝作業(yè)方式，明確維保流程，提高維護(hù)水平。

3 合建式聯(lián)絡(luò)通道平布結(jié)構(gòu)廢水泵房

3.1 優(yōu)化方案

地下區(qū)間聯(lián)絡(luò)通道與廢水泵房在主隧道施工完畢后，采用礦山法進(jìn)行人工開(kāi)挖，聯(lián)絡(luò)通道與廢水泵房合建，對(duì)常規(guī)聯(lián)絡(luò)通道合建式廢水泵房的集水井平面尺寸、水泵選用與布置方式進(jìn)行優(yōu)化。合建式聯(lián)絡(luò)通道平布結(jié)構(gòu)廢水泵房剖面圖如圖4所示。

圖4 合建式聯(lián)絡(luò)通道平布結(jié)構(gòu)廢水泵房剖面圖

廢水泵房集水井有效容積按照最大一臺(tái)水泵15 min 出流量來(lái)確定，常規(guī)設(shè)計(jì)采用流量36 m3/h 的2 臺(tái)潛污泵，一用一備。為有效減少?gòu)U水泵房集水井的有效容積，優(yōu)化方案為在廢水泵房集水井內(nèi)設(shè)置3 臺(tái)潛污泵，兩用一備，每臺(tái)潛污泵的流量采用18 m3/h，通過(guò)減少最大一臺(tái)水泵的流量來(lái)減少?gòu)U水泵房集水井的有效容積，從而減小廢水泵房集水井的深度。廢水泵房集水井沿聯(lián)絡(luò)通道長(zhǎng)邊布置，采用長(zhǎng)方形平面布局，平面尺寸采用L×B=4.0×1.5 m；廢水泵房集水井有效容積經(jīng)計(jì)算確定為4.5 m3，比常規(guī)聯(lián)絡(luò)通道合建式廢水泵房的集水井的有效容積減少50%，集水井深度可由4.5 m 優(yōu)化至2.5 m，有效減少了廢水泵房集水井的開(kāi)挖深度，降低了施工風(fēng)險(xiǎn)。

區(qū)間軌道排水溝與廢水泵房集水井之間的排水管道起端標(biāo)高應(yīng)根據(jù)軌道減震形式確定。當(dāng)軌道采用普通減震、中等減震及高等減震時(shí)，軌道排水溝為明溝，排水管道起端管內(nèi)底標(biāo)高為明溝溝底最低點(diǎn)，將廢水泵房集水井報(bào)警水位設(shè)置為不超過(guò)軌道排水溝溝底標(biāo)高，集水井深度可進(jìn)一步優(yōu)化至2.0 m；當(dāng)軌道采用特殊減震時(shí)，軌道排水溝采用道床中心暗溝，排水管道起端管內(nèi)底標(biāo)高應(yīng)為中心暗溝溝底最低點(diǎn)，將集水井報(bào)警水位設(shè)置為不超過(guò)軌道中心暗溝的溝底標(biāo)高，廢水泵房集水井深度采用2.5 m。

合建式聯(lián)絡(luò)通道平布結(jié)構(gòu)廢水泵房?jī)?nèi)的潛污泵出水閥門組、配電柜及控制箱、起吊裝置的設(shè)置要求與常規(guī)區(qū)間廢水泵房保持一致。

3.2 方案優(yōu)點(diǎn)

合建式聯(lián)絡(luò)通道平布結(jié)構(gòu)廢水泵房采用兩用一備的設(shè)泵方式，通過(guò)減小最大一臺(tái)水泵的流量，從而減小廢水泵房集水井的有效容積和深度以將聯(lián)絡(luò)通道的工程施工風(fēng)險(xiǎn)降至最低。合建式聯(lián)絡(luò)通道平布結(jié)構(gòu)廢水泵房集水井深度比常規(guī)區(qū)間廢水泵房的深度減少約2.0～2.5 m，大大降低了基坑開(kāi)挖難度及安全風(fēng)險(xiǎn)，節(jié)省土建施工措施綜合費(fèi)用約50 萬(wàn)。

潛污泵、出水閥組、配電柜及控制箱均設(shè)置于聯(lián)絡(luò)通道內(nèi)，后期運(yùn)營(yíng)維護(hù)更加靈活便捷，符合運(yùn)營(yíng)部門的工作習(xí)慣。

合建式聯(lián)絡(luò)通道平布結(jié)構(gòu)廢水泵房適合地質(zhì)條件較好，且不需大范圍采用冷凍法施工或靜爆施工的情況，施工工期可縮短約20%。

4 結(jié) 論

綜上所述，在區(qū)間地質(zhì)條件允許的前提下，建議優(yōu)先采用合建式聯(lián)絡(luò)通道平布結(jié)構(gòu)廢水泵房，有效減少集水井深度，降低施工難度及風(fēng)險(xiǎn)；當(dāng)區(qū)間地質(zhì)條件差，采取大規(guī)模冷凍法施工及凈爆措施的情況下，建議采用分建式主隧道豎井結(jié)構(gòu)廢水泵房，并與運(yùn)營(yíng)配合研究合適的機(jī)械吊裝裝置，對(duì)水泵進(jìn)行吊裝作業(yè)以保證日常運(yùn)維?，F(xiàn)今，地鐵地下區(qū)間機(jī)械法施工的應(yīng)用逐步形成規(guī)模，施工安全與工期均得到了有效保障，廢水泵房的布置方式、運(yùn)營(yíng)維護(hù)理念也需要相應(yīng)的優(yōu)化提升，以保證工程綜合性能最優(yōu)。