过江地铁隧道排水设计怎么做？

南京地铁3号线过江隧道为盾构法施工的单洞双线地铁隧道（包括过江电缆管廊），该隧道下穿长江（见图1），连接江北的浦珠路地铁站和江南的滨江路地铁站，全长3353m，隧道纵剖面为V型坡（见图2），隧道最低点埋深为百年一遇水位下63m左右。因此，必须设计合理的废水排水系统，将隧道内废水提升到地面市政排水管网。

由于该隧道是盾构法施工，不可能为设计废水泵房专门加大盾构隧道断面，也不可能在盾构隧道外侧单独设置废水泵房，那样工程造价会增加很多，并且施工风险会很大，所以必须将废水泵房设计在盾构隧道标准断面范围内。然而，在隧道标准断面内、地铁车辆界限外的范围，各种设备布置很紧凑（见图3），这就对废水泵房在空间布局方面提出了较高的要求。其次，废水泵房位置设在隧道最低点，由于废水泵是常年运行，如果废水泵房设计不合理，不仅维修水泵及配件不方便，更重要的是会影响地铁正常运行，这就对废水泵维修空间提出了新的要求。最后，电缆管廊设计在隧道下部（见图3），恰好与废水泵房设计位置冲突，这就要求协调好电缆廊道和废水泵房的布置。综上所述，如何在有限的空间内，设计出废水泵维修方便、废水泵维修不影响地铁运行、废水泵房水池不影响过江电缆铺设维护、高效节能的废水排水系统是本工程中排水设计的重点。为此，本文从废水排水系统提升方案比较、废水泵站形式设计、废水泵站水池优化等几个方面，表达了作者如何让废水排水系统满足上述3个方面要求的思路。

隧道排水废水量一般包括3部分：消防废水、隧道结构渗漏水、消防管道爆管废水。其中关于消防管道爆管废水的排水量，在设计中做了相应处理后可以不考虑，具体做法在笔者所著文献里做了详细说明，此处不再赘述。盾构隧道结构渗漏水一般按1L/（m2·d）计算，本隧道中取4.7m3/h；消防废水量按消防给水量考虑，取36m3/h；考虑到其他一些因素，本隧道排水废水量按40~50m3/h考虑。在水下隧道设计中，一般每个泵房内设3台水泵，平时1用2备，消防时2用1备；因此，每台水泵流量一般取20~25m3/h。


废水排水系统提升方案，主要是确定废水排水泵提升级数和废水泵房内水泵数量，这将直接关系到废水排水系统的投资大小和运行成本高低，是废水排水方案的主要内容之一。下面从规范要求、水泵选取、投资费用及运营管理等方面，对分级提升方案及一级提升方案进行综合比较。

本工程于2009年开始初步设计，2010年开始施工图设计，当时执行的规范为《地铁设计规范》（GB 50157-2003，以下简称旧版规范）。旧版规范第13.3.4条第1款规定：“区间隧道主排水泵站应设置在线路实际坡度最低点，每座泵站所担负的区间长度，单线不应大于3km，双线不应大于1.5km”。本过江隧道总长度约为3353m，根据上述规范中双线隧道排水泵站服务长度不应不大于1.5km的要求，本隧道工程的排水系统方案应至少设计为两级提升方案（即方案1，见图4）。即一共设计3座泵站（1#~3#），每座排水泵站内设置3台潜水泵，3座废水泵房的服务长度分别为：1020m、1300m、1033m；经计算每座排水泵站中每台水泵需要的相对合理参数均为：Q=25m3/h，h=40m。运行时最低点的2#废水泵房首先将废水提升至1#废水泵房，再由1#废水泵房直接提升至浦珠路站室外地面，3#废水泵房的废水则直接就近由滨江路站接至车站室外排水管网。
如果按一级提升方案，即只在隧道最低点设1座泵房，废水由水泵提升后经浦珠路站接至室外地面，经计算，水泵参数需满足：Q=25m3/h，h=65m。根据当时的“设计手册”、“国标图集”等常规选泵资料，尚无与该流量扬程完全匹配的水泵型号；对国内外水泵的生产厂家进行调查后，发现这种型号的废水泵必须进行特殊定制，定制水泵存在产品生产周期长、价格昂贵、效率偏低、功率浪费等缺点。根据结构专业提供的隧道纵断面图，隧道最低点与浦珠路地铁站地面高差为55 m，而隧道最低点到浦珠路地铁站主废水泵站启泵水位高差为40 m；为此，对一级提升方案进行优化，即将隧道最低点的废水先提升至车站废水泵房，再由车站废水泵提升至室外排水管网（即方案2，见图5）；由于不直接提升到车站室外，水泵扬程也由65m降至为50m，最后选定的水泵参数为： Q=35m3/h，h=50m，P=11kW。
下面从投资、运营费、管理等角度对方案1、方案2进行分析比较。投资主要包括泵房的土建费用、设备费用、管材费用、电线电缆费用及相关的配套费用，其中，因废水泵房而增加的土建费用基本可以忽略不计；运行费用主要是电费；详细比较见表1。
从表1可知，无论是泵站数量、泵房总投资及运营管理等方面，方案2均优于方案1。方案1虽然完全符合旧版规范的相关要求，但相对于方案2也存在一些不足之处，主要体现为前期投资造价较高，后续设备运营管理复杂等。我们认为旧版规范第13.3.4要求有一定的合理性，但在特殊情况下应该可以做适当的突破；例如，笔者在青岛海下道路隧道废水排水设计中，主废水排水泵站的服务长度达到4km，远大于1.5km，实际运行很成功。为此，我们咨询了国内隧道界的相关专家并得到了认同，最终，本设计决定采用方案2，即优化后的一级提升方案。优化后的一级提升方案，由于未设中间废水泵房，不仅投资造价低，设备管理也相对简单，运营安全可靠，亦不存在中间废水泵对隧道下部的过江电缆通道中电缆铺设维护的影响。


初步设计3年后实施的新版《地铁设计规范》（GB 50157-2013，以下简称新版规范），规范编写组对于此条予以修正（第14.3.4条第1款），新版规范提出“区间隧道主排水泵站应设置在线路实际坡度最低点”；仅对区间主排水泵站的设置位置作出要求，对主排水泵站的服务长度，不再有相关距离限制；这也从另一方面证实了方案2的合理性。南京地铁3号线于2015年4月1日正式通车，到目前为止该废水泵房运行良好。

本工程采用盾构法施工，废水泵房设置在隧道最低点，必须利用行车道床与盾构底板之间的空间设置废水泵房的集水池；由于盾构隧道断面尺寸有限，疏散平台宽度仅为600mm，不满足废水泵维修的空间要求，并且，将废水泵吊到行车道床上面将影响地铁的运行，也就是说废水泵维修只能在废水泵房的集水池内进行，即平时为湿式废水泵房，维修时为干式废水泵房，我们把它定义为“动态干式废水泵房”。同时，当某台废水泵出现故障需要进行维修时，应保证其他废水泵的正常工作，即不影响江底废水泵房的正常排水功能，也就是说，整个水池不能同时完全干式，我们把它定义为“局部动态干式废水泵房”。为此，本工程采取了全新的设计理念来解决上述问题，即设计了局部动态干式废水泵房。其布置如图6。


图6局部动态干式废水泵房布置设计思路表达如下，将废水泵房设计为3格，底部用管道和进水廊道相连，并在连接管设置闸板。每隔水池分别设置水泵吊装孔及检修人孔。水泵的维修流程为：当1#废水池内的水泵出现故障时，首先启动2#、3#废水泵，将整个水池的水抽至最低水位，然后关闭闸板a，用备用的小型移动泵将1#废水池的余水抽至2#废水池，当水位降至小型移动泵的停泵水位时，检修人员通过检修人孔进入池内对水泵进行检修。同理，当2#或3#废水泵出现故障时，打开其余2台水泵，将水抽至最低水位，然后关闭闸板b或c，并用移动检修水泵将余水抽至其余两格废水池，工作人员通过检修人孔进入池内对设备予以检测或维修。也就是说，废水泵初次安装时，通过吊装孔吊入安装；平时废水泵维修时，工作人员通过检修人孔进入废水池检修废水泵，检修不影响地铁运营；废水泵损耗严重需要更换时，等到晚间地铁停运时，通过吊装孔吊出运走。

这种废水泵房形式的优点为：废水泵房占用空间小，废水泵维修方便，废水泵维修不影响地铁正常运营。

从盾构隧道标准断面布置情况（见图7）可以看出，废水泵房及水池和电缆管廊在空间上有冲突；为了解决此冲突，笔者做了如下处理：①将四排比较粗的防水动力电缆布置在废水池上面500mm的干燥处范围内，同时，不要让防水动力电缆和废水泵房扬水管、人孔、废水泵检修孔产生冲突；②将四排通信电缆移动到废水池边墙外侧，通过穿预埋在混凝土中的塑料管方式铺设；③废水泵房水池内设低报警水位、停泵水位、一泵启泵水位、二泵启泵水位、高报警水位（三泵启泵水位），高报警水位离废水泵房顶板距离为600mm。处理后的布置见废水泵房断面布置见图8。这样布置优点是：①比较粗的防水动力电缆铺设顺直，安装维修空间有保证，通信电缆布置虽然绕弯较多，但也比较容易实现；②能保证动力电缆、通信电缆在相对干燥空间内铺设；③废水泵房及水池和电缆管廊在空间上不冲突。



根据废水泵平面布置图、水位布置情况，结合隧道纵剖面资料，计算得到其有效容积最大体积为18m3；水泵房设计3台水泵，平时1用2备，消防时2用1备；所以，根据新版规范要求消防废水池体积需要9~12m3；实际废水池容积大于规范要求容积，满足设计要求；说明上述处理废水泵房和电缆管廊冲突方法是可行的。

本文结合南京地铁3号线大盾构过江隧道工程，对如何在有限的空间内，解决废水排水系统难点问题提出了自己的看法。认为在合理的废水排水系统提升方案基础上，根据国内水泵厂家的水泵参数、隧道纵断面特点进行优化，这是设计出高效节能的废水排水系统的基础。设计中要结合地铁隧道施工方法、剖面布置情况，合理设计废水泵房形式，这是保证废水泵维修不影响地铁正常运行的关键。在隧道内设有过江电缆管廊的情况下，设计废水泵房时，一定要预留好过江电缆的位置，以免影响过江电缆的铺设和运营。