高速鐵路越江隧道洞口雨水泵房設計探討

史義雄

(中鐵第四勘察設計院集團有限公司，武漢 430063)

1 概述

近年來，中國高速鐵路技術得到了長足的發展，武廣、京滬及廣深港等高鐵相繼開通，引起世界矚目。過江隧道在克服江河等地形障礙、縮短空間距離及改善陸路交通工程運行質量等方面具有明顯的優勢，但目前現行《室外排水設計規范》(GB50014—2006)和《鐵路給排水設計規范》(TB10010—2008)均沒有專門的條款指導高鐵隧道的排水設計。國內已建成的廣深港客運專線獅子洋隧道、武廣客運專線瀏陽河、金沙洲隧道的設計均為按照工程性質的重要性，遵循施工可行、運營可靠的設計理念，參照相關設計規范進行的。本文對高鐵越江隧道的洞口雨水泵房設計，如設計重現期、集流時間、雨水泵房集水池調節容積的確定及水泵的監控等進行探討。

2 雨水泵房的設置

2.1 雨水泵房的位置

高速鐵路越江隧道洞口雨水的排水設計主要體現在“集”與“排”，就是將無法重力流排出的雨水集中到集水池，通過水泵抽排到隧道外雨水排水系統。雨水泵房位置與隧道的平、縱斷面有關，一般設在隧道的進口及出口處，但也可能僅在隧道的進口或出口設置，具體根據工程的實際情況確定。

2.2 截水溝的設置

洞口雨水泵房設置橫向截水溝，一般設置2道，以便將全部洞口雨水收集到集水井內，確保高鐵運營的安全。截水溝在軌道外采用帶格柵的明溝，在軌道下采用DN500的鋼管，暗管的坡度為3‰。截水溝的平面及斷面如圖1、圖2所示。

2.3 集水池的調節容積

按照《室外排水設計規范(2011版)》(GB50014—2006)中5.3.1條規定:集水池的容積應根據設計流量、水泵能力和水泵工作情況等因素確定，一般不應小于最大1臺水泵30 s的出水量;如水泵機組為自動控制時，每小時開動水泵不得超過6次［1]。

圖1 洞口雨水泵房截水溝平面(單位:mm)

圖2 洞口雨水泵房截水溝剖面(單位:mm)

目前進行地鐵設計時［2]，洞口雨水泵站(房)的集水池有效容積，一般取最大1臺排水泵5～10 min的出水量，這是我國及國外多年地鐵建設的經驗。由于高速鐵路隧道洞口集流面積不大，從水泵工作安全性上考慮，雨水泵房集水池的調節容積建議取最大1臺排水泵5～10 min的出水量。

3 雨水泵房的設計水量

3.1 雨水量計算公式

雨水設計流量應按下列公式計算

式中 Qs——雨水設計流量，L/s;

q——設計暴雨強度，L/s·hm2;

Ψ——徑流系數;

F——匯水面積，hm2;

t——降雨歷時，min;

P——設計重現期，年;

A1、C、n、b——參數，根據統計方法進行計算確定。

對于某個具體的工程，該地的暴雨強度公式是確定的，高鐵越江隧道多采用無砟軌道，軌道透水性很差，類似于屋面及混凝土路面，徑流系數取0.85～0.95，這里取高值0.95，匯水面積F是確定的，計算雨水設計流量要確定的參數就是洞口降雨歷時t和設計重現期P。

3.2 雨水量計算分析

3.2.1 設計重現期P的選取

《室外排水設計規范(2011版)》(GB50014—2006)第3.2.4B條規定:特別重要地區P可采用50年或以上。

《地鐵設計規范》(GB50157—2003)規定:洞口的雨水如不能自流排放時，必須在洞口適當位置設排水泵站，并在洞口道床的適當位置，設橫向截水溝，保證將雨水導流至泵站集水池。排水管渠或排水泵站的排水能力，按當地50年一遇的暴雨強度計算，集流時間按計算確定。

歐盟室外排水系統排放標準(BS EN 752—4:1998)推薦暴雨設計重現期和內澇設計重現期，見表1、表2。

表1 歐盟推薦設計暴雨重現期

表2 歐盟推薦設計內澇重現期

綜上，結合高鐵越江隧道比較重要的特點，洞口雨水設計重現期P取50年。

3.2.2 降雨歷時t的確定

設計降雨歷時t是指連續降雨的時段，可以是整個降雨經歷的時間，也可以指降雨過程中的某個連續時段。雨水管渠的設計降雨歷時t，由地面集水時間t1和雨水在計算管段中流行的時間t2組成

式中 t——降雨歷時，min;

t1——地面集水時間，min，一般取5～15 min;

現代農業是把農業建立在現代科學的基礎上，利用現代化科學技術、現代工業來裝備農業，用智能化來管理農業，創造一個高產、優質、低耗的農業生產體系。其最終目標是建立發達、富庶的農業和創造良好的環境。其特征包括機械化、科學化、產業化、信息化和提高勞動者的素質。

m——折減系數，一般取1～12，為提高越江隧道排水的安全性，m取1;

t2——管渠內雨水流行時間，min。

在武漢長江公路隧道、廣深港高速鐵路獅子洋隧道的洞口雨水的計算中，地面集流時間t1均取15 min［3，4]，為規范規定的上限值，t2取 0，這是把設計起點斷面設在雨水泵房處的橫截溝處。

地面集流時間與雨水泵房前的起坡點至雨水泵站的距離長短、線路坡度有關系。以瀏陽河隧道為例:位于廣州側的出口引道段長275 m，U形槽寬15.8 m，U形槽面積為4 345 m2。

按照國內的工程經驗，從匯水量上考察，平坦地形的地面集水距離的合理范圍是50～150 m，比較適中的是80～120 m。瀏陽河隧道的集流距離為275 m，遠大于合理集水范圍的上限值150 m。此外，在敞開段線路的縱坡為20‰，坡道較大，地面集流時間不能一概取為15 min。

鐵路無砟軌道橫向設有2%的坡坡向中間的集水槽，雨水通過中間的流槽流向雨水泵房處的橫截溝，最后進入雨水泵房集水池。集水橫斷面最下面為DN160的半圓形流槽，中間是橫坡為2%的梯形斷面，最上面是矩形斷面，如圖3所示。

以瀏陽河隧道左線及右線線路中間部分為集雨面積，集雨寬度B=5 m，集雨長度為L=275 m，集流槽縱坡20‰，集流槽橫坡20‰，集流槽 n=0.013，設計重現期P=50年，徑流系數0.95，廣州市暴雨強度公式:q=2 424.17(1+0.533lgP)/(t+11.0)0.668。

圖3 隧道洞口復合集水斷面示意(單位:mm)

表3 隧道洞口雨水集流時間推導

從表3中得知，計算得到理論集流時間為9.26 min。此外，有代表性地選擇南京(華東地區)、長樂(東南沿海)、哈爾濱(東北地區)及蘭州(西北地區)等5個城市的暴雨強度公式，通過對地面集流時間的理論計算，并在設定的條件下，計算得到理論集流時間為9.26～10.18 min，計算過程從略，在地域差別比較大的情況下，隧道理論集流時間差別不是很大。

假定在L＞50 m時，集流時間t1=5+(L-50)/v平均/60(min)。反算 v平均為 0.72～0.88。為簡化計算，這里 v平均取0.80，即集流時間 t1=5+(L-50)/0.80/60(min)。

上述推導是在線路縱坡為20‰的條件下進行，當縱坡為10‰和15‰時，以廣州市暴雨強度公式為例進行推導，其他條件同上，計算過程從略。計算結果表明:縱坡為10‰，地面集流時間為10.43 min，縱坡為15‰，地面集流時間為9.82 min，與線路縱坡為20‰時地面集流時間為9.26 min相比，差別也不太大。一般的越江隧道工程，隧道從江底過渡到地上，隧道的坡度不會太小，坡度越小，地面集流時間越長，降雨強度會降低，如非特殊情況，高鐵線路的坡度一般控制在20‰以內，因此，計算地面集流時間可以不考慮因坡度變化的影響，統一按照線路縱坡為20‰考慮，在設計中也更為安全。

綜上，地面集流時間:

當L≤50 m時，t1=5 min

當L＞50 m時，t1=5+(L-50)/0.80/60(min)

式中 L——隧道洞口集水距離，m。

在獅子洋隧道設計時，隧道雨水泵房設計流量為1.2倍計算雨水量［4]，建議不乘安全系數，主要是雨水泵房的集水池有一定的調節容積，調節容積遠比《室外排水設計規范(2011版)》(GB50014—2006)規定的30 s要大，提供了一定的緩沖能力。

3.3 雨水泵的臺數

以廣州市為例，暴雨重現期取1～50年，降雨歷時取5、10 min和15 min進行暴雨強度計算，計算結果見表4。

表4 廣州市暴雨強度 L/s

從表3中可得知，重現期P=50年的暴雨強度為P=1年的暴雨強度的2倍左右。按照武漢、南京等多個城市的暴雨強度公式進行檢驗，重現期P=50年的暴雨強度也為P=1年的暴雨強度的2倍左右。因此，雨水泵的配置建議按2臺使用考慮，考慮到泵房的重要性，設置1臺備用水泵。

3.4 雨水泵房的監控

雨水泵房應設置監控系統。排水泵的工作狀態和水位信號，應在控制室顯示。排水泵站(房)的排水泵，應設計為自灌式，一般采用自動、就地和遠動3種控制方式。

(1)集水池內水位啟動:液位自動控制啟停，并可根據不同液位確定開啟泵的數量;

(2)泵房內就地啟動:泵房內可手動控制;

(3)中控室遙控啟動:控制中心遠程控制，并在控制中心內顯示水泵的工作運行狀態及集水池水位。

3.5 附屬設施

若泵房外壓力排水管距離市政雨水系統較遠，則在壓力排水管的高點以及每隔一定距離處，應設排氣裝置;在管道的低點以及每隔一定距離處，應設排空裝置。

承插式壓力管道應根據管徑、流速、轉彎角度、試壓標準和接口的摩擦力等因素，通過計算確定是否在垂直或水平方向轉彎處設置支墩。

壓力管接入自流管渠時，應有消能設施。壓力排水管管徑較小時，可排入鋼筋混凝土檢查井中，在井底設置C30混凝土墊層。如果壓力排水管較大(DN300及以上)時，宜設置專門的消能井，如圖4所示。

圖4 消能井大樣

考慮到雨水泵房的重要性，泵房的壓力出水管宜設置2條。正常工作時，2條管道并聯使用;當1條管道發生故障，按另外1條管道能通過全部設計雨水量進行水泵能力校核。

4 結語

高鐵越江隧道洞口雨水泵房的設置建議符合下列規定:

(1)洞口的雨水如不能自流排放時，必須在洞口適當位置設雨水泵房，并在洞口道床的適當位置，設橫向截水溝，保證將雨水導流至泵房集水池。排水管渠或排水泵站的排水能力，按當地50年一遇的暴雨強度計算，集流時間按下式計算確定

當L≤50 m時，t1=5 min

當L＞50 m時，t1=5+(L-50)/0.80/60

式中 t1——隧道集流時間，min;

L——隧道洞口集水距離，m。

(2)洞口的雨水泵站，建議設置3臺排水泵，2用1備，每臺泵的排水能力應大于最大小時排水量的1/2，極端天氣情況下3臺泵同時工作。排雨水泵站宜設2根壓力排水管接入雨水排水系統。

(3)雨水泵應設計為自灌式，一般采用自動、就地和遠動3種控制方式。雨水泵的工作狀態和水位信號，應在控制室顯示。雨水泵為自動控制啟動時，水泵每小時啟動次數不得超過6次。

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

［1]上海市建設和交通委員會.GB 50014—2006 室外排水設計規范(2011 版)［S].北京:中國計劃出版社，2011.

［2]北京城建設計研究總院.GB50157—2003 地鐵設計規范［S].北京:中國計劃出版社，2003.

［3]黃盾.武漢長江隧道給排水、消防系統設計探討［J].中國給水排水，2006(20):53-56.

［4]黃盾，符珍，黃黆.廣深港客專珠江獅子洋隧道有關設計問題的研究［J].鐵道工程學報，2008(8):62-65.

［5]趙勇.瀏陽河隧道關鍵技術問題的探討［J].鐵道標準設計，2006(12):54-56.

［6]陽習豐.瀏陽河隧道過河段設計關鍵技術［J].鐵道標準設計，2008(4):87-89.

［7]鐵道第四勘察設計院.鐵路工程設計技術手冊·給水排水［M].3版.北京:中國鐵道出版社，2004.

［8]中鐵第四勘察設計院集團有限公司.TB10010—2008 鐵路給排水設計規范［S].北京:中國計劃出版社，2009.

［9]北京市市政工程設計研究總院.給水排水設計手冊·第5冊城鎮排水［M].2版.北京:中國建筑工業出版社，2000.