高速铁路越江隧道洞口雨水泵房设计探讨

史义雄

(中铁第四勘察设计院集团有限公司，武汉 430063)

1 概述

近年来，中国高速铁路技术得到了长足的发展，武广、京沪及广深港等高铁相继开通，引起世界瞩目。过江隧道在克服江河等地形障碍、缩短空间距离及改善陆路交通工程运行质量等方面具有明显的优势，但目前现行《室外排水设计规范》(GB50014—2006)和《铁路给排水设计规范》(TB10010—2008)均没有专门的条款指导高铁隧道的排水设计。国内已建成的广深港客运专线狮子洋隧道、武广客运专线浏阳河、金沙洲隧道的设计均为按照工程性质的重要性，遵循施工可行、运营可靠的设计理念，参照相关设计规范进行的。本文对高铁越江隧道的洞口雨水泵房设计，如设计重现期、集流时间、雨水泵房集水池调节容积的确定及水泵的监控等进行探讨。

2 雨水泵房的设置

2.1 雨水泵房的位置

高速铁路越江隧道洞口雨水的排水设计主要体现在“集”与“排”，就是将无法重力流排出的雨水集中到集水池，通过水泵抽排到隧道外雨水排水系统。雨水泵房位置与隧道的平、纵断面有关，一般设在隧道的进口及出口处，但也可能仅在隧道的进口或出口设置，具体根据工程的实际情况确定。

2.2 截水沟的设置

洞口雨水泵房设置横向截水沟，一般设置2道，以便将全部洞口雨水收集到集水井内，确保高铁运营的安全。截水沟在轨道外采用带格栅的明沟，在轨道下采用DN500的钢管，暗管的坡度为3‰。截水沟的平面及断面如图1、图2所示。

2.3 集水池的调节容积

按照《室外排水设计规范(2011版)》(GB50014—2006)中5.3.1条规定:集水池的容积应根据设计流量、水泵能力和水泵工作情况等因素确定，一般不应小于最大1台水泵30 s的出水量;如水泵机组为自动控制时，每小时开动水泵不得超过6次［1]。

图1 洞口雨水泵房截水沟平面(单位:mm)

图2 洞口雨水泵房截水沟剖面(单位:mm)

目前进行地铁设计时［2]，洞口雨水泵站(房)的集水池有效容积，一般取最大1台排水泵5～10 min的出水量，这是我国及国外多年地铁建设的经验。由于高速铁路隧道洞口集流面积不大，从水泵工作安全性上考虑，雨水泵房集水池的调节容积建议取最大1台排水泵5～10 min的出水量。

3 雨水泵房的设计水量

3.1 雨水量计算公式

雨水设计流量应按下列公式计算

式中 Qs——雨水设计流量，L/s;

q——设计暴雨强度，L/s·hm2;

Ψ——径流系数;

F——汇水面积，hm2;

t——降雨历时，min;

P——设计重现期，年;

A1、C、n、b——参数，根据统计方法进行计算确定。

对于某个具体的工程，该地的暴雨强度公式是确定的，高铁越江隧道多采用无砟轨道，轨道透水性很差，类似于屋面及混凝土路面，径流系数取0.85～0.95，这里取高值0.95，汇水面积F是确定的，计算雨水设计流量要确定的参数就是洞口降雨历时t和设计重现期P。

3.2 雨水量计算分析

3.2.1 设计重现期P的选取

《室外排水设计规范(2011版)》(GB50014—2006)第3.2.4B条规定:特别重要地区P可采用50年或以上。

《地铁设计规范》(GB50157—2003)规定:洞口的雨水如不能自流排放时，必须在洞口适当位置设排水泵站，并在洞口道床的适当位置，设横向截水沟，保证将雨水导流至泵站集水池。排水管渠或排水泵站的排水能力，按当地50年一遇的暴雨强度计算，集流时间按计算确定。

欧盟室外排水系统排放标准(BS EN 752—4:1998)推荐暴雨设计重现期和内涝设计重现期，见表1、表2。

表1 欧盟推荐设计暴雨重现期

表2 欧盟推荐设计内涝重现期

综上，结合高铁越江隧道比较重要的特点，洞口雨水设计重现期P取50年。

3.2.2 降雨历时t的确定

设计降雨历时t是指连续降雨的时段，可以是整个降雨经历的时间，也可以指降雨过程中的某个连续时段。雨水管渠的设计降雨历时t，由地面集水时间t1和雨水在计算管段中流行的时间t2组成

式中 t——降雨历时，min;

t1——地面集水时间，min，一般取5～15 min;

现代农业是把农业建立在现代科学的基础上，利用现代化科学技术、现代工业来装备农业，用智能化来管理农业，创造一个高产、优质、低耗的农业生产体系。其最终目标是建立发达、富庶的农业和创造良好的环境。其特征包括机械化、科学化、产业化、信息化和提高劳动者的素质。

m——折减系数，一般取1～12，为提高越江隧道排水的安全性，m取1;

t2——管渠内雨水流行时间，min。

在武汉长江公路隧道、广深港高速铁路狮子洋隧道的洞口雨水的计算中，地面集流时间t1均取15 min［3，4]，为规范规定的上限值，t2取 0，这是把设计起点断面设在雨水泵房处的横截沟处。

地面集流时间与雨水泵房前的起坡点至雨水泵站的距离长短、线路坡度有关系。以浏阳河隧道为例:位于广州侧的出口引道段长275 m，U形槽宽15.8 m，U形槽面积为4 345 m2。

按照国内的工程经验，从汇水量上考察，平坦地形的地面集水距离的合理范围是50～150 m，比较适中的是80～120 m。浏阳河隧道的集流距离为275 m，远大于合理集水范围的上限值150 m。此外，在敞开段线路的纵坡为20‰，坡道较大，地面集流时间不能一概取为15 min。

铁路无砟轨道横向设有2%的坡坡向中间的集水槽，雨水通过中间的流槽流向雨水泵房处的横截沟，最后进入雨水泵房集水池。集水横断面最下面为DN160的半圆形流槽，中间是横坡为2%的梯形断面，最上面是矩形断面，如图3所示。

以浏阳河隧道左线及右线线路中间部分为集雨面积，集雨宽度B=5 m，集雨长度为L=275 m，集流槽纵坡20‰，集流槽横坡20‰，集流槽 n=0.013，设计重现期P=50年，径流系数0.95，广州市暴雨强度公式:q=2 424.17(1+0.533lgP)/(t+11.0)0.668。

图3 隧道洞口复合集水断面示意(单位:mm)

表3 隧道洞口雨水集流时间推导

从表3中得知，计算得到理论集流时间为9.26 min。此外，有代表性地选择南京(华东地区)、长乐(东南沿海)、哈尔滨(东北地区)及兰州(西北地区)等5个城市的暴雨强度公式，通过对地面集流时间的理论计算，并在设定的条件下，计算得到理论集流时间为9.26～10.18 min，计算过程从略，在地域差别比较大的情况下，隧道理论集流时间差别不是很大。

假定在L＞50 m时，集流时间t1=5+(L-50)/v平均/60(min)。反算 v平均为 0.72～0.88。为简化计算，这里 v平均取0.80，即集流时间 t1=5+(L-50)/0.80/60(min)。

上述推导是在线路纵坡为20‰的条件下进行，当纵坡为10‰和15‰时，以广州市暴雨强度公式为例进行推导，其他条件同上，计算过程从略。计算结果表明:纵坡为10‰，地面集流时间为10.43 min，纵坡为15‰，地面集流时间为9.82 min，与线路纵坡为20‰时地面集流时间为9.26 min相比，差别也不太大。一般的越江隧道工程，隧道从江底过渡到地上，隧道的坡度不会太小，坡度越小，地面集流时间越长，降雨强度会降低，如非特殊情况，高铁线路的坡度一般控制在20‰以内，因此，计算地面集流时间可以不考虑因坡度变化的影响，统一按照线路纵坡为20‰考虑，在设计中也更为安全。

综上，地面集流时间:

当L≤50 m时，t1=5 min

当L＞50 m时，t1=5+(L-50)/0.80/60(min)

式中 L——隧道洞口集水距离，m。

在狮子洋隧道设计时，隧道雨水泵房设计流量为1.2倍计算雨水量［4]，建议不乘安全系数，主要是雨水泵房的集水池有一定的调节容积，调节容积远比《室外排水设计规范(2011版)》(GB50014—2006)规定的30 s要大，提供了一定的缓冲能力。

3.3 雨水泵的台数

以广州市为例，暴雨重现期取1～50年，降雨历时取5、10 min和15 min进行暴雨强度计算，计算结果见表4。

表4 广州市暴雨强度 L/s

从表3中可得知，重现期P=50年的暴雨强度为P=1年的暴雨强度的2倍左右。按照武汉、南京等多个城市的暴雨强度公式进行检验，重现期P=50年的暴雨强度也为P=1年的暴雨强度的2倍左右。因此，雨水泵的配置建议按2台使用考虑，考虑到泵房的重要性，设置1台备用水泵。

3.4 雨水泵房的监控

雨水泵房应设置监控系统。排水泵的工作状态和水位信号，应在控制室显示。排水泵站(房)的排水泵，应设计为自灌式，一般采用自动、就地和远动3种控制方式。

(1)集水池内水位启动:液位自动控制启停，并可根据不同液位确定开启泵的数量;

(2)泵房内就地启动:泵房内可手动控制;

(3)中控室遥控启动:控制中心远程控制，并在控制中心内显示水泵的工作运行状态及集水池水位。

3.5 附属设施

若泵房外压力排水管距离市政雨水系统较远，则在压力排水管的高点以及每隔一定距离处，应设排气装置;在管道的低点以及每隔一定距离处，应设排空装置。

承插式压力管道应根据管径、流速、转弯角度、试压标准和接口的摩擦力等因素，通过计算确定是否在垂直或水平方向转弯处设置支墩。

压力管接入自流管渠时，应有消能设施。压力排水管管径较小时，可排入钢筋混凝土检查井中，在井底设置C30混凝土垫层。如果压力排水管较大(DN300及以上)时，宜设置专门的消能井，如图4所示。

图4 消能井大样

考虑到雨水泵房的重要性，泵房的压力出水管宜设置2条。正常工作时，2条管道并联使用;当1条管道发生故障，按另外1条管道能通过全部设计雨水量进行水泵能力校核。

4 结语

高铁越江隧道洞口雨水泵房的设置建议符合下列规定:

(1)洞口的雨水如不能自流排放时，必须在洞口适当位置设雨水泵房，并在洞口道床的适当位置，设横向截水沟，保证将雨水导流至泵房集水池。排水管渠或排水泵站的排水能力，按当地50年一遇的暴雨强度计算，集流时间按下式计算确定

当L≤50 m时，t1=5 min

当L＞50 m时，t1=5+(L-50)/0.80/60

式中 t1——隧道集流时间，min;

L——隧道洞口集水距离，m。

(2)洞口的雨水泵站，建议设置3台排水泵，2用1备，每台泵的排水能力应大于最大小时排水量的1/2，极端天气情况下3台泵同时工作。排雨水泵站宜设2根压力排水管接入雨水排水系统。

(3)雨水泵应设计为自灌式，一般采用自动、就地和远动3种控制方式。雨水泵的工作状态和水位信号，应在控制室显示。雨水泵为自动控制启动时，水泵每小时启动次数不得超过6次。

(4)洞口雨水泵房的集水池有效容积，不得小于最大1台水泵5～10 min的出水量。

［1]上海市建设和交通委员会.GB 50014—2006 室外排水设计规范(2011 版)［S].北京:中国计划出版社，2011.

［2]北京城建设计研究总院.GB50157—2003 地铁设计规范［S].北京:中国计划出版社，2003.

［3]黄盾.武汉长江隧道给排水、消防系统设计探讨［J].中国给水排水，2006(20):53-56.

［4]黄盾，符珍，黄黆.广深港客专珠江狮子洋隧道有关设计问题的研究［J].铁道工程学报，2008(8):62-65.

［5]赵勇.浏阳河隧道关键技术问题的探讨［J].铁道标准设计，2006(12):54-56.

［6]阳习丰.浏阳河隧道过河段设计关键技术［J].铁道标准设计，2008(4):87-89.

［7]铁道第四勘察设计院.铁路工程设计技术手册·给水排水［M].3版.北京:中国铁道出版社，2004.

［8]中铁第四勘察设计院集团有限公司.TB10010—2008 铁路给排水设计规范［S].北京:中国计划出版社，2009.

［9]北京市市政工程设计研究总院.给水排水设计手册·第5册城镇排水［M].2版.北京:中国建筑工业出版社，2000.