武汉三阳路公铁合建越江隧道地铁层排水系统设计

刘 健

(中铁第四勘察设计院集团有限公司， 湖北 武汉 430063)

武汉三阳路公铁合建越江隧道地铁层排水系统设计

刘 健

(中铁第四勘察设计院集团有限公司， 湖北 武汉 430063)

公铁合建越江隧道废水泵房的设置形式直接影响工程的投资和运营安全，是设计的重点和难点。以武汉三阳路公铁合建越江隧道为依托，根据工程特点，将公路层和地铁层的废水泵房分开设置，提出设置体外泵房、选用潜水泵的体内泵房和选用凸轮泵的体内泵房3种地铁层废水泵房设置方案，并从土建影响、水泵选型、检修维护及安全性等方面进行综合比选，最终确定选用凸轮泵的体内泵房方案。该方案利用轨道中间及两侧空间做成3个连通的小集水池，采用凸轮泵代替潜水泵作为一级泵，安装在轨道旁的一级泵房内，不仅能减少下沉集水坑的落深，降低对盾构管片的影响，提高安全性，而且便于水泵的日常检修维护。

公铁合建隧道； 越江隧道； 排水系统设计； 废水泵房； 凸轮泵； 潜水泵

0 引言

相比其他穿江过海的交通方式，水下隧道具有不侵占航道净空、能避免噪声尘土对周边环境的影响、占地少、不破坏环境、能够全天候通行等优点，近年来在一些沿海(江)城市得到了迅速发展[1-2]。水下隧道的排水系统直接影响隧道的正常使用和安全运营，是设计的重点和难点。

在隧道排水系统设计方面，地铁区间废水泵房设置在区间线路实际坡度的最低点，通常与中间风井、联络通道等合建[3-5]。越江区间合建泵房由于埋深大，长期承受高水压，常规设计难以满足要求，设计和施工难度大[6]。目前国内新建地铁工程过江段已尽量避免在水域下方设置联络通道(兼排水泵站)[7]。南京地铁3号线和10号线越江区间均为单洞双线隧道，采用大直径盾构施工，利用内部空间在隧道最低点设置废水泵房，废水一次提升至车站后排出[8]。已有研究主要针对地铁隧道排水系统，而在公(路)铁(路)合建隧道排水系统设计方面的研究较少。文献[9]介绍了高速公路和地铁合建的上海长江隧道排水系统设计，该隧道地铁层废水泵房分解为4个450 mm深的相互连通的小泵坑，每个泵坑内设置1台定制的小体积潜水泵。该隧道虽为公铁合建越江隧道，但仅预留了轨道交通的土建空间，未考虑机电系统，到目前为止轨道交通建设尚未实施[10]。本文以武汉三阳路公铁合建越江隧道为依托，重点介绍地铁层排水系统设计，以期为今后类似工程提供参考。

1 工程概况

武汉三阳路公铁合建越江隧道为国内在建的最大直径盾构隧道[11]，是公路和轨道交通合建的双管单向隧道，长度为4 320 m。汉口和武昌江边各设1座工作井，2座工作井之间采用盾构法施工，越江区间长度约2 590 m，隧道外径15.2 m，内径13.9 m，管片厚度 0.65 m。隧道上层为3条行车道和公路排烟道，下层为轨道交通7号线区间隧道、管廊、疏散通道和地铁排烟道。轨道交通7号线穿越汉口和武昌中心区，沿城市南北向客运走廊布设，在长江两岸设三阳路车站和徐家棚车站，区间长度3 210 m。越江段轨道交通隧道与公路隧道合建，采用大盾构施工，区间内无横通道；工作井至车站区间段与公路隧道分建，采用小盾构施工。线路纵、横断面如图1和图2所示。

图1 线路纵断面(单位： m)

图2 公铁合建隧道横断面

Fig. 2 Cross-section showing highway and Metro integrated tunnel

2 废水泵房方案比选

由于该工程公路隧道和轨道交通分属不同运营单位，因此将公路隧道层和地铁层废水泵房分开设置。地铁层废水泵房正常运行时可排除结构渗漏水和冲洗水等，消防时可排除消防废水[12]。地铁层采用中心沟排水，尺寸为700 mm(宽)×177 mm(高)。考虑到2座工作井到相邻车站距离较短，因此仅在每条线路越江区间设置1处废水泵房。越江段最大埋深约57 m，废水泵房设置在每条隧道的江中最低点。

本工程防水等级为二级，根据GB 50108—2008《地下工程防水技术规范》，其结构渗水量按每天0.05 L/(m2·d)计算；根据GB 50974—2014《消防给水及消火栓系统技术规范》，轨道交通区间排水量取10 L/s。区间的排水量计算结果见表1，可知本工程最大排水量(含消防排水)为36.3 m3/h。

表1 区间排水量计算

结合区间最大排水量、废水泵房的布置形式及排水泵的选用，设计3种排水方案，并从土建影响、水泵选型、检修维护及安全性等方面进行比选。

2.1 方案1： 设置体外泵房

在2条隧道最低点处下方隧道体外各设置1座废水泵房，泵站内设置3台排水泵，2用1备。正常时1台运行，轮换使用；消防时可2台同时运行排水；必要时3台同时启动。单台排水泵流量为30 m3/h，扬程80 m，功率37 kW。集水池有效容积按20 m3考虑，集水池尺寸为2 500 mm(长)×4 100 mm(宽)×2 500 mm(高)。方案1废水泵房布置见图3。

图3 方案1废水泵房布置(单位： mm)

2.2 方案2： 选用潜水泵的体内泵房

利用管片的主肋、背板及横隔板形成集水池，各铸铁管片之间用管道在底部相互连通，同时在集水池上方的轨道层局部设凹槽，凹槽尺寸为6 000 mm(长)×4 900 mm(宽)，上边缘到底部最深1 130 mm，保证铸铁管片隔腔有效容积不小于10 m3。为了减小潜水泵的体积，在江中无排烟道段设置二级泵房，利用一级泵的自吸能力将最低点集水池中的废水集中排至二级泵房内，再由二级排水泵提升，通过武昌工作井排出。

定制3台体积较小的潜水泵，将其安装在集水池内，该方案将废水泵房设置在隧道体内，作为一级泵房，并利用管廊外侧空间设置二级泵房和水池，水池有效容积不小于20 m3，水池内设3台二级排水泵，单台水泵流量30 m3/h，扬程70 m，功率22 kW。正常运行时1台水泵工作；消防时2台同时启动，另外1台作为备用水泵；必要时3台水泵同时工作。方案2废水泵房布置见图4。

图4 方案2废水泵房布置(单位： mm)

2.3 方案3： 选用凸轮泵的体内泵房

利用地铁侧部空间设置一级水泵房，并以凸轮泵代替潜水泵作为一级泵，将一级水泵与水池分开设置。

为了进一步减小体内泵房占用管片的空间，方案3利用轨道中间及两侧空间做成3个小集水池，3个集水池相互连通，每块管片至少连通2处，总有效容积不小于10 m3。在中心沟上设置3个下沉集水坑，尺寸为700 mm(长)×700 mm(宽)×250 mm(高)，3台一级凸轮泵吸入管通过管道分别与3个下沉集水坑相连。为了进一步减小对管片的影响，相邻的下沉集水坑相隔一块管片。该方案集水坑落深仅为250 mm，对管片影响较小。单台水泵流量30 m3/h，扬程10 m，功率4 kW，自带尘沙斗。方案3废水泵房布置见图5。

图5 方案3废水泵房布置(单位： mm)

2.4 方案比选

地铁为系统工程，涉及专业较多[13-14]，本工程废水泵房主要与土建、动力照明及外水等相关专业有接口，但对动力照明及外水影响不大； 因此，从土建影响、水泵选型、检修维护及安全性等方面对3种方案进行综合比选，结果见表2。

表2 3种方案比选

由表2可以看出，方案3对土建影响最小。所采用的凸轮泵是一种能够自吸的容积式正排泵，其工作原理是： 采用2个同步运动的转子，转子由1对外置式同步齿轮箱进行传动，转子在传动轴的带动下进行同步反方向旋转，旋转过程中在进口处产生吸力，从而形成较高的真空度和排放压力[15]。与潜水泵相比，凸轮泵具有以下特点： 1)具有良好的自吸能力，排空时间不大于10 s，吸入高度为8 m，无须安装在泵坑内，可减少占用管片的空间，而且便于日常检修维护； 2)水泵吸入管通过管道与集水池相连，在自吸情况下，宜保持泵内有介质，且吸入管管径不宜过大、长度不宜太长，以免进口端空气过多，增加泵的干运行时间。虽然一级凸轮泵相比潜水泵启动延迟，但是排空时间不大于10 s，影响较小；而且由于将一级水泵与水池分开设置，设备检修维护简单，安全性好；因此，推荐采用方案3。

3 地铁层排水系统设计

3.1 设计参数

废水泵房正常运行时主要排除结构渗漏水，消防时排除消防废水，前者注重效率，后者侧重安全，所以选择废水泵时应兼顾两者关系。二级泵站选泵应考虑离心泵并联工况时出口流量降低对接力排水的不利影响，在设计选型时，需加大水泵扬程。根据表1的计算结果，本工程水泵选型见表3。

表3 水泵参数

根据GB 50157—2013《地铁设计规范》，集水池的有效容积应不小于1台排水泵15～20 min的出水量，因此，集水池的总有效容积不小于10 m3。废水经排水沟汇集到一级集水池内，先由一级废水泵提升至二级泵房水池，再通过二级废水泵排到隧道外。正常运行时1台水泵工作； 消防时2台同时启动，另1台备用； 必要时3台同时工作。水泵的启动可以根据水位实现自动控制。

3.2 平面布置

在泵房两侧中心沟上设置2个排水沟沉沙坑，尺寸为600 mm(长)×740 mm(宽)×340mm(高)，上设铸铁篦子。利用轨道中间及两侧空间做成3个小集水池， 3个集水池相互连通，每块管片至少连通2处，总有效容积不小于10 m3。在中心沟上设置3个下沉集水坑，尺寸为700 mm(长)×700 mm(宽)×250 mm(高)，一级凸轮泵吸入管通过管道与下沉集水坑相连。为了进一步减小对管片的影响，相邻的下沉集水坑相隔一块管片。

利用地铁侧部空间设置一级水泵房，泵房内共设置3台一级凸轮泵，水泵吸入管通过管道与下沉集水坑相连，利用凸轮泵上方的空间设置二级泵房和水池，水池有效容积不小于20 m3，水池内设3台二级排水泵。系统工作时，利用一级凸轮泵的自吸能力将最低点集水池中的废水集中排至二级泵房内，经二级排水泵提升后通过武昌工作井排出。

排水管采用2条DN150不锈钢管，在地铁隧道侧边沿隧道往武昌方向敷设，从武昌工作井出地面。2条排水管可互为备用，以提高系统的安全性和可靠性。排水系统具体布置见图6。

图6 排水系统布置图

3.3 水泵控制方式

各级废水泵均具有液位自动控制、现场手动控制和就近车站车控室远程监控3种方式。废水池内设4档水位，分别是停泵水位、一泵启动水位、二泵启动水位和三泵启动水位(警戒水位)。液位计自动控制启停，根据不同液位确定开启泵的数量。其控制要求如下： 1)当水位达到停泵水位时，3台泵均能停止工作； 2)当水位继续上升达到一泵水位时，第1台泵开启； 3)当水位继续上升达到二泵水位时，第2台泵开启； 4)当水位继续上升达到三泵启动水位(警戒水位)时，控制回路保证3台泵都处于运行状态，同时发出报警信号。

4 结论与建议

本文以武汉三阳路公铁合建越江隧道为依托，提出3种地铁层排水系统设计方案，并从土建影响、水泵选型、检修维护及安全性等方面进行综合比选，确定了最优方案。该方案将地铁层江中废水泵房设置在隧道内，利用轨道中间及两侧空间做成3个连通的小集水池，在中心沟上设置3个下沉集水坑，利用凸轮泵作为一级泵，安装在轨道旁的一级泵房内，使得一级泵和集水池分开设置。该方案不仅能减小对盾构管片刚度的影响，降低工程施工风险，而且便于水泵日常检修维护，解决了公铁合建隧道越江区段地铁层江中废水泵房设置的难题。

地铁工程是一项系统性工程，涉及专业多。对于区间排水设计，尤其是越江区间，废水泵房的布置形式受到多种因素的制约，并不是由某一专业单独确定的，在设计时应根据项目特点，各相关专业在前期做好协调沟通工作，以便确定合理的排水系统布置形式。

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Design of Drainage System of Metro Floor of Yangtze River-crossing Highway-Metro Integrated Tunnel on Sanyang Road in Wuhan

LIU Jian

(ChinaRailwaySiyuanSurveyandDesignGroupCo.,Ltd.,Wuhan430063,Hubei,China)

The layout of wastewater pump room of river-crossing highway and Metro integrated tunnel directly affects the engineering investment and operation safety. The wastewater pump room of highway tunnel and that of Metro tunnel of Yangtze River-crossing highway and Metro integrated tunnel are set separately. The layout schemes of wastewater pump room, i.e. pump room outside tunnel, pump room with submersible pump inside tunnel and pump room with lobe pump inside tunnel, are proposed and comprehensively compared in terms of civil engineering influence, pump type selection, inspection and maintenance and safety. The layout scheme of pump room with lobe pump inside tunnel is selected. The 3 collecting basins are set on side of and in the middle of railway; and the lobe pump is taken as Grade 1 pump on Grade 1 pump room. The adopted scheme can reduce the drop depth of sinking collecting basin and the influence on segment, improve the safety and make the daily inspection and maintenance of pump more convenient.

highway and Metro integrated tunnel; Yangtze River-crossing tunnel; drainage system design; wastewater pump room; lobe pump; submersible pump

2016-07-26;

2016-11-10

刘健(1987—)，男，广东广州人，2013年毕业于湖南大学，暖通专业，硕士，工程师，现主要从事地铁和市政隧道通风系统与给排水的设计与研究工作。E-mail： hugo654@hotmail.com。

10.3973/j.issn.1672-741X.2017.01.013

U 453.6

A

1672-741X(2017)01-0081-05