地铁区间隧道应急排水设置研究

杨彩玲

（厦门轨道交通集团有限公司，厦门 361000）

防排水工程是地铁隧道建设的有机组成部分，保障地铁隧道正常运营过程中排水顺畅是运管部门的重要职责。当地铁区间隧道发生涌水现象，为保障线路运营和乘客人身安全，运管部门应立刻进行应急排水。研究安全、可靠和方便维护的应急排水方案尤为重要。

1 隧道及其防排水工程

防排水工程是隧道建设的有机组成部分，关系到隧道建设的成败。地铁隧道防排水系统需具备多道设防、安全、可靠、经济的特点，同时具备后期运营期间的可维护性，因此地铁隧道选择何种防排水形式，显得尤为重要。隧道防排水形式经历了3个阶段：盲沟排水、平导排水或泄水洞排水；依靠混凝土自防水和排水盲沟排水；依靠注浆加固圈、喷射混凝土、防水隔离层、混凝土自防水、排水体系排水和变形缝防水处理的综合防排水系统。中国地铁隧道绝大部分采用全包防水方式，小部分城市的一些地铁线路采用全(半)包排水系统(杭州、深圳、重庆等城市)[1]。

地铁区间隧道的施工方法有明挖法、矿山法、盾构法等。盾构法隧道均采用全包防水系统，如厦门市地铁2号线海沧湾公园站—邮轮中心站过海区间(以下简称“海邮区间”)；浅埋水域矿山法隧道一般情况下采用全包防水型隧道，如厦门市地铁2号线五通站—两岸金融中心站区间；深埋水域矿山法隧道多采用排水形式，包括全包排水系统(如厦门市地铁3号线五缘湾站—刘五店站过海区间隧道Ⅳ/Ⅴ级围岩矿山法段)和半包排水系统(如厦门市地铁3号线五缘湾站—刘五店站过海区间隧道Ⅱ/Ⅲ级围岩矿山法段，简称“五刘区间”)。“防、排、堵、截相结合，因地制宜，综合治理”是地铁隧道的防水原则[1]。五刘区间遵循“以堵为主，堵排结合”的设计理念，通过超前注浆等措施严格控制隧道的排水量；充分考虑排水系统的可维护性，适当增加纵向排水盲管的直径，并沿隧道纵向间隔设置检查井，可利用高压水枪对堵塞管路进行疏通[2]。

隧道的渗漏水量决定了废水泵房集水坑大小和排水泵组的设置。厦门市地铁3号线五刘区间隧道根据施工期间的涌水量测量，隧道结构渗漏水量约为6600 m3/d，对泵房容量进行动态调整，使其至少能容纳24 h的隧道渗漏水量[2]，本工程共设置2座大型废水泵房：1号泵房的集水坑总有效容积约5850 m3，2号泵房的集水坑总有效容积约1400 m3。在地铁区间隧道排水设计过程中，渗漏水量还可以参考类似工程进行确定[3]，如厦门市地铁2号线海邮区间隧道的地质条件与广深港狮子洋隧道的地质条件类似，海邮区间隧道的结构渗漏水量按照狮子洋隧道渗漏水量进行参考取值计算，约为50 m3/d，本工程共设置了3座废水泵房，其中：1号废水泵房有效容积为26 m3，2号废水泵房有效容积为143 m3，3号废水泵房有效容积41.4 m3。

2 应急排水工程

地铁区间隧道主动排水主要排除结构正常渗漏水和轨道冲洗水。正常运营时，地铁区间隧道排水通过中心沟或侧沟收集后汇至区间废水泵房，经提升后排至市政管网或者主废水泵房。

当区间消防管道爆管，水从站外大量倒灌进入区间，或者由于在水土压力的长期作用下，引起混凝土裂隙的扩展和裂隙间的贯通，区间结构大量渗水等导致隧道内发生涌水现象，超出区间废水泵房的排水能力，此时，地铁运管部门应及时进行应急排水。研究安全、可靠和方便维护的应急排水方案，显得尤为重要。

根据不同的工程实际特点，应急排水方式按照水泵的设置型式可分为直接排水、并联排水、串联排水3种方式。

2.1 直接排水

直接排水方案是采用单台排水泵进行一次性强排。直接排水可临时采用移动式排水泵连接水带进行抽排；或者在区间隧道侧壁固定敷设一根DN150～DN200球墨铸铁管，分段设置快速接头、橡胶软接头、消声止回阀等，应急排水工况下可根据排水点位置就近将移动排水泵接驳到快速接头。快速接头设置间距可采用50～100 m，区间隧道坡度越小，排水点间距越大，如图1所示。

图1 水泵直接排水 Figure 1 Water pump direct drainage

直接排水方案具有现场操作简单方便的优势。对于埋深大的区间隧道，应急排水对于水泵的扬程区间范围要求较大。若采用同一型号的工频水泵，难以满足现场应急排水不同扬程需求。若采用不同型号工频水泵，水泵型号多样化不利于水泵日常维保工作，且应急抢险时频繁换泵不能快速形成排水能力，严重影响抢险救灾效果。因此，直接排水方案适用于埋深小、距离短、渗水量小的区间隧道的应急排水工程，当所需总扬程小于等于30 m、流量小于单台应急排水泵最大排水量的工况时建议采用直接排水方案。

工频水泵的电机功率与流量、扬程存在以下关系式：P(电机功率)=K(系数)×Q(流量)×H(扬程)。由此看出，在电机功率一定的情况下，提高水泵流量必然要以牺牲扬程为代价，容易造成扬程不足现象，需串联排水；而提高水泵扬程必然要以牺牲流量为代价，容易造成流量不足现象，需增加水泵布置数量进行并联排水[4]。当直接排水无法取得理想的排水效果时，应根据灾害具体情况分析对泵采用串联、并联等方式排水。

2.2 并联排水

并联排水为两台及以上移动式排水泵并联运行排水，在满足扬程的条件下，可以增大排水量，如图2所示。应急救援装备之间配套性好，能够快速形成救援能力；应急救援装备适应性强，可以满足各种实际救灾需要[5]。

图2 水泵并联排水 Figure 2 Water pump parallel drainage

并联排水适用于隧道埋深小、距离短、渗水量大的区间隧道应急排水工程，当所需水泵扬程小于等于75 m、流量大于单台应急排水泵最大排水量的工况时，建议采用并联排水方案。并联排水能够显著提高排水量，但在实际的应用过程中存在一定的限制：当地铁区间隧道埋深大、距离长时，效果并不理想。当所需水泵扬程大于75 m，建议采用串联排水方式。

2.3 串联排水

串联排水方案分水泵直接串联排水和水泵间接串联排水两种方式。

水泵直接串联排水方案指的是两台及以上移动式排水泵串联连接进行排水，串联的水泵在扬水管道上应均匀布置，如图3所示。水泵串联后，排水流量不变，扬程为水泵的扬程之和。

图3 水泵直接串联排水 Figure 3 Water pump direct series drainage

水泵直接串联排水方案在保证流量的同时，解决了单台排水泵扬程不足的问题，且管线布置和运行操作简单方便，避免了修建中间水池的难题，加快了排水管线投产速度[4]。串联运行的水泵优先采用同一型号、同一口径的水泵；两级水泵的额定扬程布置应相对均匀。水泵直接串联排水方式适用于排水所需扬程高，而现场场地狭窄无法布置中间水池的工程。

当直接排水不能满足排水需求，且现场场地满足布置中间水池条件时，可采用水泵间接串联排水方案，如图4所示。中间水池的调节容积设置参考《建筑给水排水设计标准》GB50015-2019第4.8.4条规定：转输水箱的调节容积宜按提升水泵5 min的流量确定[6]。

图4 水泵间接串联排水 Figure 4 Water pump indirect series drainage

除了现场临时搭建中间水池以外，当地铁区间隧道在日常排水设计中设置多座废水泵房，靠近出入口的废水泵房以及车站的主废水泵房均可作为中间水池进行间接串联排水。水泵间接串联排水方案在保证流量的同时，解决了单台排水泵扬程不足的问题，且与水泵直接串联排水方案相比较，串联前后两台水泵的型号及安装方式要求较低。

串联排水方案可有效解决高扬程的需求，适用于长大区间隧道应急排水工程。

2.4 排水方法小结

直接排水简单、方便、高效，而运用并联排水和串联排水，能够有效提高流量或扬程，同时可在很大程度上降低抢险人员的劳动强度。具体采用何种方法，应根据现场实际情况，因地制宜。

3 应急排水泵的选择

排水泵是应急排水工程的主要工具，选择合理的排水泵在应急排水过程中起到至关重要的作用。

根据安装方式，排水泵分为湿式排水泵和干式排水泵两类。湿式排水泵即潜水排污泵，是一种泵与电动机连体，并同时潜入液下工作的水泵，与一般干式排水泵(卧式排污泵或立式排污泵)相比，具有结构紧凑、占地面积小、安装维护方便、不用灌引水直接启动水泵、振动噪声小等优点，使用范围也越来越广[7]。一旦地铁区间隧道出现涌水现象，且突水量超过区间废水泵房的实际排水能力，产生大量积水，区间废水泵房受到严重的安全威胁，损坏干式电机，最终导致排水系统瘫痪，无法正常发挥出排水效果，造成巨大的经济损失。而选择潜水式排水系统，即使水量过大，泵房被淹没，也不会影响排水系统的正常工作，依然可以实现排水效果[8]。

根据排水的水质分为污水排水泵、清水排水泵和海水排水泵3类。比如，厦门市地处沿海地区，主城区与大陆架隔海相望，多条地铁线路采用了下穿海底隧道的设计方案，而海水具有高腐蚀性，对潜水泵材质提出更高要求，因此，地铁区间隧道应急排水工程应采用海水潜水泵。

根据排水泵的能量来源，分为排水电泵、柴油机排水泵和汽油机排水泵。地下区间最低点往往远离车站变电所，临时调配的大功率水泵可能因启动电压过低无法正常运行。因此在工程设计之初，水泵配电方案应该结合远期排水运维方案来设计，且需严格按照规范规定的负荷等级来供电，确保排水泵在紧急情况下能及时启动。柴油机排水泵和汽油机排水泵无需考虑电源情况，但是在幽闭的区间隧道内，应考虑汽油和柴油燃烧后产生的烟气影响，尽量考虑排烟量小的机组。

应急排水泵的主要参数有流量、扬程、功率、体积、重量等。在抢险过程中，需要结合工程实际情况合理选择排水泵。考虑水头损失和出水自由水头等影响因素，排水所需总扬程不应小于抽排水静扬程的1.5倍；单台排水泵排水流量不小于主废水泵房排水泵流量；排水泵的体积和重量大小影响到抢险时效和抢险人员的劳动强度，水泵重量大于50 kg时，常需借助推车、支架、葫芦或工程车等辅助工器具进行施工作业。

国内某品牌大流量便携式潜水泵，排水流量100～400 m3/h 、扬程8～40 m，单泵质量只有约30 kg，而同流量的传统潜水泵质量达几百千克。潜水泵质量轻，人力便可布置排水，且无需吊运设备，设备轻便灵活，作业距离也更远。该产品具有移动便携、布放快速、排水量大、操作智能化等特点，同时能提供大功率应急电源，进行夜间照明，方便应用于地铁区间隧道应急排水[9]。

4 信息技术的应用

物联网是利用互联网或局域网等网络基础，融合无线遥感、人工智能等技术，用传感器、控制器等方式将物与物、人与物相联，实现信息化和智能化管理[10]。物联网技术在地铁应急排水工程中的应用包括：投入使用后对应急排水泵添加电子标签，以便采用传感器技术(RFID技术等)实现对应急排水泵的信息采集和物理定位；将厦门地铁的应急排水系统纳入城市的防汛安全系统，可以实现资源共享和有效利用；利用自动化监测手段(监测机器人、全站仪等设备及数字照相、激光扫描等技术)对地铁隧道运营进行实时监测，及时发现隧道安全隐患(结构裂缝、渗水、结构坍塌等)，并进行控制和消除[11]。因此，如何应用物联网技术保障隧道排水安全具有重要意义，是我们需要进一步探讨、研究的方向。

5 总结

直接排水简单、方便，适用于距离短、埋深小的隧道，而运用并联排水和串联排水，能够有效提高流量或扬程，适用于长大区间隧道。排水泵是应急排水工程的主要工具，应在满足流量、扬程的条件下，综合考虑安装方式、能量来源、排水水质等因素进行选型。物联网技术的开发和应用为地铁隧道应急排水系统的信息采集、物理定位、资源共享、隐患排查等方面提供了方便。

地铁是城市轨道交通系统之一，它的安全和稳定运营关系到城市人民的生命和财产安全。因此，在各个阶段认真做好地铁排水安全保障工作，是全面落实习近平总书记“管生产经营必须管安全”的指示，也是践行“厦门地铁是城市美好生活的提供商和运营商”的企业使命。