地鐵地下車站中央排水系統的應用研究

李普軍

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司， 710043， 西安∥高級工程師)

地鐵地下車站的排水系統分為雨水系統、污水系統和廢水系統。為保證地鐵安全運營，及時有效地排出地鐵雨污廢水勢在必行。因此，如何打造地鐵的排水集成管理，有待于進一步分析論證。

1 地下車站排水系統現狀

為滿足通風空調的需求，地鐵地下車站設置新風亭、排風亭和活塞風亭。車站風亭設置位置需與周邊環境相融合，目前多為低風亭。為滿足乘客乘車和疏散，設置4個出入口、1個緊急疏散出入口和1個無障礙電梯，車站站廳層設置工作人員衛生間，站臺層設置公共衛生間。為及時排出車站和區間內的沖洗水、消防廢水和結構滲漏水、凝結水、生活污水和雨水，地下車站需在上述位置設置集水坑，在站臺層衛生間附近設置污水泵房，車站或區間在線路最低點設置廢水泵房，在局部低洼地帶的轉轍機、外掛的消防泵房、冷水機房等位置需設置臨時排水集水坑。因此，車站設置排水點眾多，常規地下車站排水點設置情況如表1所示。

表1 地下車站排水點設置表

從表1可知，一般地下車站的排水點多達15處，系統較為復雜。

2 傳統排水系統

為確保地鐵安全可靠的運營，滿足地下車站的排水需求，傳統排水系統主要存在以下問題：① 排水點位多，各處均需設置集水坑，施工難度大；② 集水坑內需設置提升設備，用電負荷較大；③ 為滿足水泵自動控制，FAS(火災自動報警系統)、BAS(環境與設備監控系統)控制點位多，系統接口復雜；④ 各排水點均需設置壓力管道和檢修閥門，管網布置復雜，檢修難度大；⑤ 各排水點由于出戶位置不同，與市政排水接駁點位多。

3 真空排水系統

目前真空排污國內已在西安、武漢、長沙、廣州等10多個城市地鐵工程得到廣泛應用。真空排污系統是一個由真空機組、衛生器具、中間收集裝置[2-4]、控制系統及真空排污管道網絡組成的完全密閉的負壓系統。真空排水避免了傳統的重力向下的排水局限性，所以管道布置具有任意性。根據真空排水系統的研究成果，排水的輸送距離可達3 km左右。標準車站的設計長度約為220 m，設置有站后配線的車站長度約為400 m，站間距基本不超過1.5 km，區間設置聯絡通道的長度不超過600 m，區間排水考慮車站就近原則，因此，真空排水輸送的距離基本在1 km范圍之內。

真空排污系統將車站站廳、站臺衛生器具和地漏排水通過中間收集裝置匯集至真空泵站，因此本文將根據真空原理展開對地下車站中央排水系統的分析研究。

4 中央排水系統

地下車站排水系統充分利用真空排污系統的原理，將車站內各處產生的雨污廢水匯集至一處，即中央排水系統。中央排水系統將地下車站的污水泵房、廢水泵房、出入口、風亭以及局部排水進行高度集成，根據市政相關要求由廢水泵和污水泵提升排至站外。

中央排水系統的核心內容為中央泵站的設置、設備選型以及控制的實現，系統原理詳見中央排水系統圖(見圖1)。

圖1 中央排水系統圖

4.1 中央泵站設置位置選擇

地下車站的中央泵站宜靠近大的排水點布置，車站的最大排水點為消防廢水，其次為生活污水和風亭、出入口雨水。消防廢水的收集在車站線路的最低點，為事故排水，根據國內地鐵車站廢水泵使用統計，目前基本未曾真正投入使用。但站臺層公共衛生間為乘客服務，在列車運行期間一直處于工作狀態，若衛生間布置于線路的高點，污水管道的布置勢必穿越站臺層公共區，中央排水系統檢修時將對車站空氣環境造成不必要的影響。考慮風亭和出入口為車站兩側對稱布置，且為臨時排水，因此中央泵站的設置宜靠近衛生間布置。

4.2 中央泵站布置

市政排水采用分流制，中央泵站真空罐[5-7]應分開布置，真空泵采用一組同時為污水和廢水真空罐服務，污廢水提升裝置及管路分開布置。中央泵站布置原理圖如圖2所示。

圖2 中央泵站布置原理圖

4.3 真空罐設計選型

真空罐是中央排水的中央組成部分。真空泵首先抽空真空罐內空氣使其達到一定負壓[7-9]，通過真空管道啟動控制閥門來達到排水的效果，真空罐的有效容積決定著系統能否正常工作。真空罐容積[10-11]主要由真空工作壓力允許上限值、下限值、真空排水管數量、極限工作壓力等參數確定。為滿足管道敷設要求，真空排水系統中真空工作上下限壓力基本確定，所以真空罐的有效容積由真空管路數量和管徑確定。

4.4 真空泵設計選型

真空排污為一個封閉的空間，當真空系統從衛生間排水時，僅真空泵補償管路為真空。當污水泵啟動排放污水時，并未有空氣進入真空罐，但氣體體積增加，罐內真空度降低，因此還需真空泵啟動抽取空氣，使罐內達到設定值，即要求真空泵在排污的同時使真空罐擴大的容積空間從大氣壓降到設計的真空度。真空罐的抽氣速率由真空罐的抽氣體積和抽氣時間確定[10-11]。

真空泵的有效抽氣速率為在滿足真空室工作壓力時的真空泵實際的抽氣速率，是在101.325 kPa(1個標準大氣壓)下運行的，真空罐內本身已處于準工作狀態。根據《真空設計手冊》要求，真空泵的選型應根據特性曲線選泵，當無相關資料時應按技術抽氣速率的2～4倍選用[11]。

中央排水系統包含污水和廢水系統，真空泵的配置應考慮資源共享。當消防廢水排水量遠大于污水排放量，設備選型應按消防廢水系統配置。真空泵的配置選用3臺，平時污水系統1臺用2臺備，消防時2臺用1臺備。

4.5 中央控制

中央排水系統由于系統集成，在各排水點設置提升裝置，提升裝置設置水位探測裝置。為達到物聯網的要求，探測裝置預留R485接口。真空度設置上、下限，全系統采用PLC(可編程邏輯控制器)集中控制，具備手動控制、自動控制和遠程控制。

中央排水系統具體控制要求如下：① 系統在真空度上、下限內運行；② 提升裝置處液位大于100 mm時真空隔膜閥打開，低于50 mm時停止工作；③ 真空度低于下限值時真空泵啟動，污水系統時1臺用2臺備，定期輪換工作，廢水系統時2臺用1臺備；④ 真空罐內污水或廢水達到啟動液位時啟動污水泵或廢水泵，消防時廢水泵同時啟動；⑤ 真空泵自帶巡檢功能，控制柜顯示故障狀態并上傳控制室；⑥ 提升裝置顯示故障狀態并上傳控制室。

5 中央排水系統與傳統系統對比

中央排水系統采用對地鐵地下車站內全部雨污廢水進行系統集成、集中排放的方法，大大簡化了排水系統設計。現從以下幾個方面與傳統排水系統進行比較。

5.1 集水坑設置

傳統雨廢水的排放是設置集水坑和提升泵，集水坑的有效容積不小于最大1臺泵的15～20 min的出水量，污水集水坑的有效容積不小于最大1臺泵的5 min的出水量。根據表1地下車站排水點設置情況，可知車站及區間需設置15處集水坑。其中：主廢水泵房有效容積不小于12.5 m3，區間泵站有效容積不小于5 m3，其他各排水點有效容積不小于2.5 m3；各集水坑設置根據排水需求均需降低底板，尤其車站主廢水泵房和區間廢水泵房處于站臺層，需排除站臺板下和道床排水溝廢水，集水坑需降板2～3 m左右(因為地下水位較高的車站時有涌水發生，這會給土建施工造成很大的難度)。

中央排水系統利用真空采用提升器提升廢水，控制液位為50～100 mm。當存水點大于100 mm時真空閥打開，開始提升；低于50 mm時系統停止工作，基本不需設置集水坑，靠裝修墊層即可解決問題。

5.2 房間布置需求

風亭雨水設置于抽口風亭下方，出入口和無障礙電梯基坑排水設置于基坑外，轉轍機排水設置于轉轍機基坑內，區間廢水泵站設置于聯絡通道內，無房間需求；污水泵房根據目前設計情況采用真空排污或密閉一體化裝置，需單獨設置泵房，面積12 m2左右；廢水泵房需單獨設置，面積15 m2左右，合計約27 m2。中央排水系統僅設置1處，面積20 m2。

5.3 設備配電及控制需求

傳統排水系統均需在排水點設置配電柜和控制柜，FAS、BAS需在各排水點采集控制信號。中央排水系統僅在中央泵站配電和控制。

5.4 管網布置

傳統排水系統需在各排水點設置壓力管道和檢修閥門，管網布置復雜，設備區各專業管線眾多，這對管線綜合造成很大的困難。中央排水系統僅設置污水和廢水兩路管線，比較單一。

5.5 運營維護

傳統排水系統需檢修各排水點設備和管網，工作量大，人員配置較多。中央排水系統僅在中央泵站運營維護。

5.6 市政接駁需求

傳統排水系統在風亭處雨污水可以管網合并，污水和出入口單獨排放，市政接駁點數不少于7處。中央排水系統根據市政條件決定，若市政雨污合流則需1處，若市政為分流則需2處。

5.7 工程投資

系統投資應從集水坑、建筑面積、設備、管網、閥門等進行綜合對比，從目前地鐵工程綜合指標來分析，地下車站面積指標為1.1萬元/m2，集水坑工程造價為0.1萬元/m2，設備和管網造價按信息價格綜合考慮。標準車站常規排水系統投資如表2所示，中央排水系統投資如表3所示。

從表2和表3對比可知，傳統排水系統和中央排水系統投資區別不大，中央排水系統甚至比傳統排水系統投資要低一些。

綜上所述，中央排水系統和傳統排水系統對比結果如表4所示。

表2 傳統排水系統投資

表3 中央排水系統投資

表4 中央排水系統和傳統排水系統綜合對比

6 結語

傳統排水系統設置點位多，接駁復雜，通過對系統組成、集水坑設置以及土建的要求，在總結真空排水系統的基礎上對中央排水系統進行分析研究，研究結果表明：① 中央排水系統無需設置集水坑，土建無需降板，可降低土建施工難度；② 中央排水系統為真空排水，系統密閉運行，可杜絕對環境空氣的影響；③ 與市政接駁少，可減少與市政相關部門的協調；④ 降低低壓配電的設計難度，全車站僅1處需低壓配電；⑤ 各排水點通過真空管路聯網，擴展方便，便于車站排水；⑥ 檢修方便，系統單一，僅檢修中央泵站及管路。