礦山法海底隧道廢水排水系統設計實踐

周金忠， 唐 健， 賀維國， 范太興， 張忠品， 杜金海

(中鐵第六勘察設計院集團有限公司， 天津 300308)

0 引言

依托水下地質勘探技術和隧道施工技術的快速發展，我國已建成多條水下交通隧道。2011年6月，國內最長的海底隧道——青島膠州灣海底隧道正式建成通車。為保證通航要求，海底隧道斷面一般呈“V”型或“W”型，隧道內的廢水無法通過自流方式排放[1-3]，故必須設置專門的廢水排水系統。文獻[2]介紹了青島膠州灣海底隧道廢水排水方案的設計情況；文獻[3]介紹了廈門地鐵3號線地鐵過海隧道廢水排水方案的設計情況；文獻[4-5]介紹了國外海底隧道的防排水措施；文獻[6]對長距離水下隧道的防水、管道系統設置、水錘防護及集水池容積確定等方面進行了相關分析；文獻[7-11]介紹了某具體工程的隧道廢水排水方案。以上文獻對隧道的排水方案進行介紹，但對影響排水方案的各類關鍵技術未明確展開分析。本文以青島膠州灣海底隧道工程為依托，通過對廢水系統排水能力的確定、廢水提升方案的選擇及廢水泵房優化設計等方面深入分析，探討海底隧道廢水排水系統設計的關鍵技術問題。

1 青島膠州灣海底隧道簡介

青島膠州灣海底隧道位于膠州灣灣口，北起青島市區的團島，南接黃島區的薛家島，線路全長9.85 km，海底隧道段長約7.8 km。隧道設雙向6車道，隧道縱剖面為V型坡。隧道還設有服務隧道，服務隧道內設有電力電信管道、高壓電纜、消防管道及直徑為600 mm的市政供水管道。該隧道是國內第2條采用礦山法施工的大型海底交通隧道，同時也是當時我國最長、世界第3長的海底隧道，僅次于日本青函海底隧道和歐洲的英吉利海峽隧道。青島膠州灣海底隧道平面如圖1所示。

圖1 青島膠州灣海底隧道平面圖

青島膠州灣海底隧道廢水排水系統采用分段收集分級提升方案，即： 以隧道兩端中間風井為節點將隧道分為3段，在隧道最低點的橫通道內設置海底廢水泵房1座，以排除2個風井之間的廢水；同時，在隧道2號風井(青島端風井)和3號風井(黃島端風井)附近的橫通道內分別設置風井廢水泵房各1座，以排除隧道進出口到中間風井間的廢水。海底廢水泵房的揚水管沿服務隧道敷設，將廢水提升到3號風井廢水泵房集水池內，再由3號風井廢水泵提升到地面；2號風井和3號風井廢水泵房的排水揚水管沿風井壁敷設，將廢水提升到地面。青島膠州灣海底隧道縱剖面如圖2所示。

圖2 青島膠州灣海底隧道縱剖面圖

2 廢水系統排水能力確定

2.1 廢水的來源及組成

海底隧道的廢水一般包括結構滲漏水、消防廢水及沖洗廢水，其中消防廢水及沖洗廢水可以通過計算定量化，而結構滲漏水量很難定量化，故設計過程中準確地確定隧道結構滲漏水量是合理確定隧道排水系統排水能力的關鍵。在設計過程中精確定量結構滲漏水量難度比較大，主要有如下原因。

1)礦山法施工對地質基巖擾動較大，導致隧道結構滲漏水發育；同時，海底隧道結構滲漏水承壓水頭大，且補給復雜。

2)海底隧道結構滲漏水量受海底地質條件、隧道埋深、二次襯砌施工情況、防排水技術以及施工質量等多種因素影響，不同的海底隧道其結構滲漏水量反差很大。

3)長大型海底交通隧道長度大、橫斷面面積大且埋深大，就更加強化了隧道結構滲漏水流量大及不同隧道之間滲漏水差異也很大的特點。青島膠州灣海底隧道常年結構滲漏水量為3 780 m3/d，廈門某海底隧道常年結構滲漏水排水量為14 000 m3/d，這兩座海底隧道基本上是同期實施的的礦山法施工隧道，其隧道長度和斷面情況都相差不大，但其結構滲漏水量相差非常大。在確定廢水排水系統能力時，此類海底隧道結構滲漏水量不能簡單地根據規范資料的數據來計算，也不能參考類似的海底隧道工程來確定。為此，提出了“結構滲漏水量精確定量技術”，并成功應用到青島膠州灣海底隧道工程中。

2.2 結構滲漏水量精確定量技術

2.2.1 精確測定步驟

結構滲漏水量精確定量技術主要針對大型水下交通隧道的廢水量確定，設計要點如下。

1)突破常規設計思路，因地制宜地研究廢水量確定方法。常規的設計思路是先設計后施工，但本技術要求突破常規程序，先施工一部分隧道，根據施工中測量的隧道結構滲漏水量為基礎，來確定需要排除的隧道結構滲漏水量。

2)考慮到廢水泵房設計、廢水泵招標、采購等工作需要一定的時間，為了不影響隧道施工進度，采用實測和預測相結合的方法，相對準確地確定隧道結構滲漏水量。

3)分3次測量隧道結構滲漏水量： ①第1次為隧道出入口至中間風井貫通時，測量點為風井處及隧道開挖面，這時基本能測定需要每個風井排放的結構滲漏水量，同時可根據隧道開挖面測量的結果粗略預測需要海底廢水泵房排放的的結構滲漏水量。②第2次為隧道開挖至海底廢水泵房前一定距離時，測量點為中間風井至隧道新的開挖面，根據中間風井新測量數據核定需要每個風井排放的結構滲漏水量；同時，根據隧道新開挖面測量數據修正需要海底廢水泵房排放的的結構滲漏水量，以這些數據作為設計廢水泵房的基礎數據。③第3次為隧道貫通時，測量點為海底廢水泵房處，測量數據主要是核認隧道最后開挖段結構滲漏水量是否在合理范圍內。如果該段隧道結構滲漏水量與預測值反差較大，就必須加強隧道防水，使隧道結構滲漏水量控制在合理范圍內，或者變更廢水排水系統設計能力。

2.2.2 技術應用情況

青島膠州灣海底隧道工程采用結構滲漏水量精確定量技術，最后測定的結果為： 青島端陸地段隧道結構滲漏水量(青島入口到2號風道)為600 m3/d，海底段隧道結構滲漏水量(2號豎井到3號豎井)為3 000 m3/d，黃島端陸地段隧道結構滲漏水量(3號風道到薛家島出口)為320 m3/d。整個隧道結構滲漏水量為3 920 m3/d，與運營后現場調研得到的數據3 780 m3/d相接近，誤差為3.6%。由此可見，“結構滲漏水量精確定量技術”為合理設計廢水系統排水能力提供了準確的基礎數據。

反之，如廈門某海底隧道，其設計廢水排水能力偏小，不得不通過增加廢水排水能力來適應隧道廢水量，最后排水能力提高到最初設計排水能力的264%。準確地測定隧道結構滲漏水量是很重要的，是合理設計廢水泵房的基礎。

3 廢水系統提升方案的確定

青島膠州灣海底隧道設計之初，國內水下交通隧道很少，且隧道埋深較小，廢水排水系統提升方案均為1級提升；但筆者認為青島膠州灣海底隧道埋深達80 m，采用傳統1級提升方案，技術上是有問題的，經濟上是不合理的。廢水排水系統提升方案是否合理，將直接關系到系統的投資大小和運行成本的高低，特別是廢水量很大、埋深大的水下交通隧道，提升方案的選擇是廢水排水系統設計成功與否的關鍵。為此，提出了“分段收集分級提升排放”的廢水系統提升方式。下文從水泵選取、隧道特點、投資費用及運營費用比較等方面，來闡述選擇這種工藝的主要思路。

3.1 廢水泵的選型

3.1.1 井用潛水泵

井用潛水泵一般用在礦山給排水，也有用在隧道里排水，這種泵揚程較高，比較適用于隧道1級提升方案，為多級離心泵。井用潛水泵安裝要求如圖3所示。

圖3 井用潛水泵安裝要求

一般用來輸送固體雜質總含量不大于0.01%(質量比)的清水，安裝要求較為苛刻，其中有2項要求：1)第1級葉輪至少浸入動水位以下2 m，如圖3中L1所示。2)機組底部距井底不得小于5 m，如圖3中L2所示，且必須為垂直安裝。當此類水泵安裝在大廢水池中時，可以用靜水位代替動水位，但對第2個要求理解反差較大。為了保證水質，即輸送固體雜質總含量不大于0.01%，水質條件特好時水池中L2可以取為0。因為這種多級離心泵流道小，流程長且曲折，不適應排放固體顆粒，特別是揚程高、多級數時，泵內高壓水容易將固體顆粒帶入水泵的軸封裝置，日積月累，會抱軸嚴重、燒壞電機。泵用機械密封主體材質往往需要抵御固體顆粒的沖刷撞擊、高轉速帶來的密封面高溫磨蝕、高壓力帶來的密封參數不穩定及基體結構件被腐蝕等不利因素的影響，對機械密封材質要求較高。當井用潛水泵臥式安裝時，水泵進水口低，污泥更容易進入水泵的進水口；斜式安裝、立式安裝時，進水水質會相對好一些。為了使進水水質達到標準，必須提高機組底部到井底的距離，但這樣會提高對水池深度的要求。

3.1.2 潛水排污泵

潛水排污泵(QW型)為1級離心泵，其優點是能輸送雜質含量較高的污水或廢水，非常適合輸送隧道廢水，其缺點是揚程低。對國內外水泵廠家調查顯示：大流量的潛水排污泵，其成熟揚程一般為60 m以內，也有達到80 m的。如果揚程超過80 m，水泵必須特制，其價格會明顯上漲。

青島膠州灣海底隧道最低點離隧道排水出口處距離大、高差大，如果廢水排水方案采用1級提升方案，水泵揚程達120多m。在青島膠州灣海底隧道廢水排水設計中，放棄了選用井用潛水泵，采用具有耦合裝置的QW型潛污泵；同時，隧道廢水排水系統采用2級提升的排水方案。具體思路如下： 結合縱斷面的實際情況，從海底廢水泵房提升45 m凈高到3號風井廢水泵房，再從3號風井廢水泵房提升45 m凈高到隧道外； 2號風井廢水泵房提升50 m凈高到隧道外。在設計過程中采用常規潛污泵，且揚程都不超過80 m，水泵選擇范圍較廣，同時便于維修及更換。

3.1.3 運行現狀

通過現場調研及多年來運行數據來看，廢水泵房運行良好，運行以來尚未更換水泵。由于廢水泵揚程低，對水泵設備及揚水管材質等各方面要求會明顯降低，從而大大減少了設備管材采購費用和安裝難度；另一方面，由于是礦山法施工，廢水排水泵房可以結合橫通道或者風井設置。綜上，采用2級提升方案時因增加泵房而增加的土建投資費用很少。

3.2 節能分析

在1級提升方案中，隧道廢水必須全部匯集到隧道最低點的廢水泵房內，再通過廢水泵一次性提升到隧道外。在2級提升方案中，只是2個風井之間部分廢水匯集到最低點廢水泵房內，再通過廢水泵提升到2號風井廢水泵房內，其他部分隧道結構滲漏水只匯集到風井廢水泵房，和中轉部分廢水一起，通過風井廢水泵提升到隧道外。2級提升方案很適用于大型水下交通隧道廢水排水，達到高水高排、低水低排的節能目的。特別是礦山法隧道，結構滲漏水是源源不斷的常流水，其節能效果更明顯。針對青島膠州灣海下隧道排水工程，單純從理論角度分析來比較2種提升方案能耗，得出2級提升方案相對1級提升方案能量折算系數為0.75～0.9，即平均節省18%。折算系數和很多因素有關，如各段水量、泵的位置及效率等。青島膠州灣隧道現在每年廢水排水用電費大約112萬元，相較于1級提升方案，每年節省電費約24.5萬元。

由上述分析可知： 對于埋深較大的大型水下交通隧道而言，從投資大小、運行費高低及設備技術安全性等方面看，廢水排水系統2級提升方案均優于1級提升方案。

3.3 提升方案對比

提升方案優缺點對比如表1所示。

表1提升方案優缺點對比

Table 1 Comparison of advantages and disadvantages between two lifting schemes

提升方案泵房數量/座優點缺點適用范圍1級1 泵房數量少,管理方便 不安全,如果最低點廢水泵房發生故障,整個廢水排水系統將無法工作;不節能,隧道內所有的廢水均需要自流至最低點廢水池,再由廢水泵提升至室外,能量浪費 埋深較小(<40 m)的隧道2級3 安全,分區排水,滿足高水高排、低水低排;節能,運營費用較1級提升節能約18% 泵房數量多,運營管理較1級提升方案復雜 長距離、埋深大(>50 m)的隧道

4 廢水泵房優化設計

4.1 廢水池有效容積優化

4.1.1 容積優化的背景

廢水泵房優化設計中，宜先進行廢水泵的選型及數量確定，進而確定集水池有效容積。青島膠州灣海底隧道內有1根直徑600 mm的市政供水管，對于這類隧道，其廢水排水設計時，應考慮供水管爆管產生的廢水(簡稱為爆管廢水)。對于如何考慮爆管廢水量的大小及排除等問題，目前尚沒有統一的認識，國內傳統的設計思路通常采用增大廢水池有效容積方法來解決，增加部分容積和隧道內市政給水管內體積相同。

這種僅以某一段管內靜態水量來代表隨時間動態變化的爆管廢水量思路，邏輯上是說不通的。海底隧道內供水管通常壓力較大(隧道最低點壓力超過1 MPa)，爆管時流量大，若不考慮及時排除，僅靠有限的廢水池容積去容納爆管廢水量，這種思路是有疑問的。由此可見，只考慮增大廢水池容積，而不考慮及時排出爆管廢水，顯然是不妥的。筆者認為應該從控制爆管理念出發，運用控制爆管技術來解決爆管廢水問題。

4.1.2 容積優化的技術保障

在青島膠州灣海底隧道廢水排水設計中，從爆管廢水的特點進行考慮，爆管廢水特點如下。

1)給水管道爆管的概率比較小，屬于小概率事件，爆管廢水出現的可能性是很小的。

2)爆管廢水的廢水量與管道材料、施工質量有關，不同材質的供水管爆管、不同水壓的供水管爆管以及不同管理條件下的供水管爆管，其產生的爆管廢水量各不相同，故爆管廢水量比較難以量化。

3)出現爆管現象時，隧道運營部門或供水管理部門及時對爆管進行處理，切斷供水水源或關閉供水管道的總閥，爆管廢水不持續長流。

為了解決爆管廢水問題，廢水泵房的設計會產生2種選擇： 如果設計大廢水池或大幅度提高廢水泵排水能力，會產生投資的巨大浪費，因為爆管畢竟是小概率事件；反之，一旦發生嚴重爆管，后果將不堪設想，因為供水管直徑大，其內部水壓高。同時，設計還必須保證“及時控制供水管爆管，讓爆管廢水量不持久長流”。為了解決上述問題，設計思路如下： 1)火災和供水管爆管同屬于小概率事件，幾乎不可能同時發生； 2)如果能從技術上將爆管廢水量控制到小于消防廢水量時，隧道廢水排水量就可按隧道結構滲漏水和消防廢水之和考慮，而不必考慮爆管廢水量； 3)不必因為供水管爆管而增加排水設施的排水能力或增加廢水池體積。綜上，設計理念為： 通過相應的控制措施，將爆管廢水量控制在某個范圍內，即小于消防廢水量，從而解決供水管爆管問題。

4.1.3 容積優化的應用情況

青島膠州灣海底隧道廢水排水設計中，對供水管爆管控制技術的主要思路如下。

1)把供水管爆管后產生的廢水量控制到最小，即服務隧道內直徑600 mm的供水管，采用有質量保證的給水球墨鑄鐵管等優質管材，采用法蘭連接。這樣即使供水管爆管，也可以把爆管后果的嚴重性降低到最低。

2)對隧道內的供水管加裝爆管預警及控制裝置，將給水管爆管的可能性控制到零。該預警裝置包括預警控制中心、供水管監測及控制系統和廢水排水信息監測系統。

①預警控制中心。包括顯示器、預警控制中心主機、預警裝置、打印機等，其作用為： 接受從供水管監測系統、廢水排水信息監測系統發來的供水管流量、廢水泵啟泵頻率及單位排水周期內累計排出廢水總量等信息，再經控制中心主機處理，根據處理結果，將通過預警裝置預警，或通過控制信號傳輸給供水管控制系統，實現實時控制。

②供水管監測及控制系統。包括隧道出入口處供水管上手電動一體碟閥、電磁流量計，其作用為： 即時測量隧道出入口處供水管的流量，并將信息傳輸到預警控制中心，并在接受到預警控制中心控制信息時，能及時關閉相應的電動閥門。

③廢水排水信息監測系統。包括廢水泵房出水總管上的頻率計數器、累計流量監測設備，其作用為： 即時測量廢水泵啟泵頻率及單位排水周期內累計排出廢水總量，并將信息傳輸到預警控制中心。

該爆管預警及控制裝置工作原理為： 供水管監測系統通過對隧道出入口處供水管流量監測，或者廢水排水信息監測系統通過對廢水泵啟泵頻率及單位排水周期內累計排出廢水總量的監測，分別將信息傳輸到預警控制中心，其中心主機根據信息計算出供水管滲漏量。當供水管滲漏達到一定流量時，中心主機的智能信息處理系統通過預警裝置預警提醒運營管理人員；當供水管滲漏情況嚴重到一定程度時，智能信息處理系統會通過供水管控制系統，強制關閉隧道出入口處供水管上的電動蝶閥，以便管理人員及時處理，防止爆管現象的發生，從而有效地控制爆管廢水量。給水管監測系統與廢水排水信息監測系統二者既是相互獨立監測，又相互補充確認，確保供水管爆管預警的可靠性。青島膠州灣海底隧道廢水排水設計中，一旦供水管滲漏量達到一定數值(如5 L/s)，預警裝置就預警；流量達到一較大數值(如10 L/s)，供水管控制系統就強制關閉隧道進出口供水管上的電動蝶閥。所以，爆管可能性為零，也就變相地保證了“及時控制供水管爆管，讓爆管廢水量不持久長流”。

青島膠州灣隧道廢水池設計時，因為已采用了“海底隧道內供水管爆管控制技術”和“海底隧道內消防管爆管控制技術”，廢水池大小只需滿足規范要求即可。GB 50014—2006《室外排水設計規范》[12]要求，“集水池容積不應小于最大1臺水泵5 min的出水量”，且“水泵機組為自動控制時，每小時開動水泵不得超過6次”。該設計中最大水泵流量為220 m3/h，故設計水池有效容積50～80 m3完全可以滿足要求。綜合考慮各種因素，將安全系數定為2.0，2號風井廢水泵房、海底廢水泵房、3號風井廢水泵房的廢水池有效容積分別為120、160、160 m3，比國內傳統設計廢水池有效容積節省3 000 m3左右。

4.2 結構設計優化

青島膠州灣海底隧道設計中，廢水池體積小，廢水泵房可以利用人行橫道布置，這樣避免了為廢水泵房而專門開挖橫向通道，從而降低了很多土建費用。青島膠州灣隧道海底泵房橫剖面如圖4所示。可以看出： 采用了潛水排污泵(QW型)，對泵房凈空要求不小于4 m即可，完全可以利用聯絡通道和風道布置，對水池深度要求3.5 m即可，廢水池頂板和服務隧道底板共用一個結構板。

圖4 青島膠州灣隧道海底廢水池橫剖面圖

反之，如國內某海底隧道設計中，廢水池偏大，廢水池長度大，它在平面上和主隧道正交，立面上要求和主隧道高差必須在6 m以上(以保證施工安全)。為此，必須專門為廢水泵房開挖1個大洞室，增加了不少土建費用；同時，廢水池底加深超過了6 m，將浪費大量電費。對于大型礦山法水下交通隧道而言，廢水池設計過大本身就具有很大的結構風險。應盡量減少廢水池容積，從而降低土建的投資、設備的運營費用，提高施工的安全性。國內某海下隧道海底廢水池橫剖面如圖5所示。

圖5 國內某海下隧道海底廢水池橫剖面圖

4.3 檢修維護優化

廢水流量大，廢水泵質量大。為了更好地進行水泵維修和清淤工作，采用了“局部動態干式廢水泵房”，即： 將原廢水池分為多格，每格互不連通，但均與配水廊道經配水孔相連，配水孔上設置可啟閉閘板，每格內均設置1臺或2臺廢水泵，各廢水泵可獨立運行，亦可同時運行，當其中1臺廢水泵需要檢修時，可關閉相應配水孔上的配水閘板，用臨時泵抽干該格內廢水，使之變為干式，便于檢修人員檢修，同時不影響整個廢水泵房的排水。在青島膠州灣海底隧道設計中，成功地將局部動態干式廢水泵房理念應用到廢水排水設計中。局部動態干式廢水泵房布置平面如圖6所示。局部動態干式廢水泵房橫剖面如圖7所示。

目前國內外海底隧道廢水泵房按常規方法設計，即廢水池為單格水池，即使水泵出現小問題，也必須將它提升到地面上進行維修，同時清淤比較困難。青島海底隧道采用了創新性的廢水泵房布置形式，檢修流程為： 水泵出現故障信號—切斷水泵所在的單格廢水池進水閘板—用移動泵將廢水抽至相鄰廢水池—檢修人員進入水池進行水泵檢修，其方便性、安全性均得到較大提高。

圖6 局部動態干式廢水泵房布置平面圖

圖7 局部動態干式廢水泵房橫剖面圖

5 結論與建議

5.1 結論

1)在海底隧道廢水排水系統設計過程中，相對準確地確定隧道結構滲漏水量，是確定隧道排水系統排水能力的關鍵。實踐證明： 青島膠州灣海底隧道結構滲漏水量不能簡單地根據規范資料的數據來計算；受水壓、地質條件及施工質量等因素影響，不能參考類似的海底隧道工程，必須在合適的時間、選擇合適的測量點，經實際測量后確定結構滲漏水量。

2)廢水提升方案關系到排水的經濟性和安全性，核心在于選取安全可靠的水泵類型。水泵選型方面，深井泵并不適用于海底隧道工程，應以潛污泵為主；提升方案方面，2級提升節能優于1級提升。

3)廢水泵房優化應從有效容積優化、結構設計優化及日常設備維護檢修等方面綜合考慮。廢水池有效容積優化的重點在于控制爆管廢水量，而非加大廢水池容積；廢水池結構設計時，結合聯絡通道設置更為合理；局部動態干式廢水泵房設計，使日常檢修維護、清淤更加方便，效果優于常規的廢水泵房。

5.2 建議

1)建議對海底隧道的結構滲漏水量進行實際測量，堅持“邊施工、邊測量、邊設計”的原則，采用實測和預測相結合的方法，相對準確地確定隧道結構滲漏水量。

2)建議采用潛水排污泵(QW型)，不宜采用井用潛水泵。分段收集分級提升方案比較適用于隧道廢水排水，達到高水高排、低水低排的節能目的；同時，對水泵設備、揚水管材質等要求也會明顯降低，有利于排水系統的高效、安全運行。

3)當隧道內設有市政供水管時，建議對隧道內的供水管加裝爆管預警及控制裝置。在完善運用海底隧道內供水管爆管控制技術后，只要廢水泵的選型合適、安裝合理，水泵設計流量參數正確，則廢水池有效容積在滿足一般規范要求基礎上，考慮適當的安全系數即可。通常情況下，150～200 m3就足夠了。廢水泵房設計應結合聯絡通道，以節約投資，減少土建風險。廢水池不要無條件、無原則地盲目擴大，否則會產生一系列浪費，還會增加土建風險。

4)建議優化常規的廢水池，即采用“局部動態干式廢水泵房”，以方便日常的水泵檢修和廢水池清淤等工作。