地鐵區間隧道應急排水設置研究

楊彩玲

（廈門軌道交通集團有限公司，廈門 361000）

防排水工程是地鐵隧道建設的有機組成部分，保障地鐵隧道正常運營過程中排水順暢是運管部門的重要職責。當地鐵區間隧道發生涌水現象，為保障線路運營和乘客人身安全，運管部門應立刻進行應急排水。研究安全、可靠和方便維護的應急排水方案尤為重要。

1 隧道及其防排水工程

防排水工程是隧道建設的有機組成部分，關系到隧道建設的成敗。地鐵隧道防排水系統需具備多道設防、安全、可靠、經濟的特點，同時具備后期運營期間的可維護性，因此地鐵隧道選擇何種防排水形式，顯得尤為重要。隧道防排水形式經歷了3個階段：盲溝排水、平導排水或泄水洞排水；依靠混凝土自防水和排水盲溝排水；依靠注漿加固圈、噴射混凝土、防水隔離層、混凝土自防水、排水體系排水和變形縫防水處理的綜合防排水系統。中國地鐵隧道絕大部分采用全包防水方式，小部分城市的一些地鐵線路采用全(半)包排水系統(杭州、深圳、重慶等城市)[1]。

地鐵區間隧道的施工方法有明挖法、礦山法、盾構法等。盾構法隧道均采用全包防水系統，如廈門市地鐵2號線海滄灣公園站—郵輪中心站過海區間(以下簡稱“海郵區間”)；淺埋水域礦山法隧道一般情況下采用全包防水型隧道，如廈門市地鐵2號線五通站—兩岸金融中心站區間；深埋水域礦山法隧道多采用排水形式，包括全包排水系統(如廈門市地鐵3號線五緣灣站—劉五店站過海區間隧道Ⅳ/Ⅴ級圍巖礦山法段)和半包排水系統(如廈門市地鐵3號線五緣灣站—劉五店站過海區間隧道Ⅱ/Ⅲ級圍巖礦山法段，簡稱“五劉區間”)。“防、排、堵、截相結合，因地制宜，綜合治理”是地鐵隧道的防水原則[1]。五劉區間遵循“以堵為主，堵排結合”的設計理念，通過超前注漿等措施嚴格控制隧道的排水量；充分考慮排水系統的可維護性，適當增加縱向排水盲管的直徑，并沿隧道縱向間隔設置檢查井，可利用高壓水槍對堵塞管路進行疏通[2]。

隧道的滲漏水量決定了廢水泵房集水坑大小和排水泵組的設置。廈門市地鐵3號線五劉區間隧道根據施工期間的涌水量測量，隧道結構滲漏水量約為6600 m3/d，對泵房容量進行動態調整，使其至少能容納24 h的隧道滲漏水量[2]，本工程共設置2座大型廢水泵房：1號泵房的集水坑總有效容積約5850 m3，2號泵房的集水坑總有效容積約1400 m3。在地鐵區間隧道排水設計過程中，滲漏水量還可以參考類似工程進行確定[3]，如廈門市地鐵2號線海郵區間隧道的地質條件與廣深港獅子洋隧道的地質條件類似，海郵區間隧道的結構滲漏水量按照獅子洋隧道滲漏水量進行參考取值計算，約為50 m3/d，本工程共設置了3座廢水泵房，其中：1號廢水泵房有效容積為26 m3，2號廢水泵房有效容積為143 m3，3號廢水泵房有效容積41.4 m3。

2 應急排水工程

地鐵區間隧道主動排水主要排除結構正常滲漏水和軌道沖洗水。正常運營時，地鐵區間隧道排水通過中心溝或側溝收集后匯至區間廢水泵房，經提升后排至市政管網或者主廢水泵房。

當區間消防管道爆管，水從站外大量倒灌進入區間，或者由于在水土壓力的長期作用下，引起混凝土裂隙的擴展和裂隙間的貫通，區間結構大量滲水等導致隧道內發生涌水現象，超出區間廢水泵房的排水能力，此時，地鐵運管部門應及時進行應急排水。研究安全、可靠和方便維護的應急排水方案，顯得尤為重要。

根據不同的工程實際特點，應急排水方式按照水泵的設置型式可分為直接排水、并聯排水、串聯排水3種方式。

2.1 直接排水

直接排水方案是采用單臺排水泵進行一次性強排。直接排水可臨時采用移動式排水泵連接水帶進行抽排；或者在區間隧道側壁固定敷設一根DN150～DN200球墨鑄鐵管，分段設置快速接頭、橡膠軟接頭、消聲止回閥等，應急排水工況下可根據排水點位置就近將移動排水泵接駁到快速接頭。快速接頭設置間距可采用50～100 m，區間隧道坡度越小，排水點間距越大，如圖1所示。

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

直接排水方案具有現場操作簡單方便的優勢。對于埋深大的區間隧道，應急排水對于水泵的揚程區間范圍要求較大。若采用同一型號的工頻水泵，難以滿足現場應急排水不同揚程需求。若采用不同型號工頻水泵，水泵型號多樣化不利于水泵日常維保工作，且應急搶險時頻繁換泵不能快速形成排水能力，嚴重影響搶險救災效果。因此，直接排水方案適用于埋深小、距離短、滲水量小的區間隧道的應急排水工程，當所需總揚程小于等于30 m、流量小于單臺應急排水泵最大排水量的工況時建議采用直接排水方案。

工頻水泵的電機功率與流量、揚程存在以下關系式：P(電機功率)=K(系數)×Q(流量)×H(揚程)。由此看出，在電機功率一定的情況下，提高水泵流量必然要以犧牲揚程為代價，容易造成揚程不足現象，需串聯排水；而提高水泵揚程必然要以犧牲流量為代價，容易造成流量不足現象，需增加水泵布置數量進行并聯排水[4]。當直接排水無法取得理想的排水效果時，應根據災害具體情況分析對泵采用串聯、并聯等方式排水。

2.2 并聯排水

并聯排水為兩臺及以上移動式排水泵并聯運行排水，在滿足揚程的條件下，可以增大排水量，如圖2所示。應急救援裝備之間配套性好，能夠快速形成救援能力；應急救援裝備適應性強，可以滿足各種實際救災需要[5]。

圖2 水泵并聯排水 Figure 2 Water pump parallel drainage

并聯排水適用于隧道埋深小、距離短、滲水量大的區間隧道應急排水工程，當所需水泵揚程小于等于75 m、流量大于單臺應急排水泵最大排水量的工況時，建議采用并聯排水方案。并聯排水能夠顯著提高排水量，但在實際的應用過程中存在一定的限制：當地鐵區間隧道埋深大、距離長時，效果并不理想。當所需水泵揚程大于75 m，建議采用串聯排水方式。

2.3 串聯排水

串聯排水方案分水泵直接串聯排水和水泵間接串聯排水兩種方式。

水泵直接串聯排水方案指的是兩臺及以上移動式排水泵串聯連接進行排水，串聯的水泵在揚水管道上應均勻布置，如圖3所示。水泵串聯后，排水流量不變，揚程為水泵的揚程之和。

圖3 水泵直接串聯排水 Figure 3 Water pump direct series drainage

水泵直接串聯排水方案在保證流量的同時，解決了單臺排水泵揚程不足的問題，且管線布置和運行操作簡單方便，避免了修建中間水池的難題，加快了排水管線投產速度[4]。串聯運行的水泵優先采用同一型號、同一口徑的水泵；兩級水泵的額定揚程布置應相對均勻。水泵直接串聯排水方式適用于排水所需揚程高，而現場場地狹窄無法布置中間水池的工程。

當直接排水不能滿足排水需求，且現場場地滿足布置中間水池條件時，可采用水泵間接串聯排水方案，如圖4所示。中間水池的調節容積設置參考《建筑給水排水設計標準》GB50015-2019第4.8.4條規定：轉輸水箱的調節容積宜按提升水泵5 min的流量確定[6]。

圖4 水泵間接串聯排水 Figure 4 Water pump indirect series drainage

除了現場臨時搭建中間水池以外，當地鐵區間隧道在日常排水設計中設置多座廢水泵房，靠近出入口的廢水泵房以及車站的主廢水泵房均可作為中間水池進行間接串聯排水。水泵間接串聯排水方案在保證流量的同時，解決了單臺排水泵揚程不足的問題，且與水泵直接串聯排水方案相比較，串聯前后兩臺水泵的型號及安裝方式要求較低。

串聯排水方案可有效解決高揚程的需求，適用于長大區間隧道應急排水工程。

2.4 排水方法小結

直接排水簡單、方便、高效，而運用并聯排水和串聯排水，能夠有效提高流量或揚程，同時可在很大程度上降低搶險人員的勞動強度。具體采用何種方法，應根據現場實際情況，因地制宜。

3 應急排水泵的選擇

排水泵是應急排水工程的主要工具，選擇合理的排水泵在應急排水過程中起到至關重要的作用。

根據安裝方式，排水泵分為濕式排水泵和干式排水泵兩類。濕式排水泵即潛水排污泵，是一種泵與電動機連體，并同時潛入液下工作的水泵，與一般干式排水泵(臥式排污泵或立式排污泵)相比，具有結構緊湊、占地面積小、安裝維護方便、不用灌引水直接啟動水泵、振動噪聲小等優點，使用范圍也越來越廣[7]。一旦地鐵區間隧道出現涌水現象，且突水量超過區間廢水泵房的實際排水能力，產生大量積水，區間廢水泵房受到嚴重的安全威脅，損壞干式電機，最終導致排水系統癱瘓，無法正常發揮出排水效果，造成巨大的經濟損失。而選擇潛水式排水系統，即使水量過大，泵房被淹沒，也不會影響排水系統的正常工作，依然可以實現排水效果[8]。

根據排水的水質分為污水排水泵、清水排水泵和海水排水泵3類。比如，廈門市地處沿海地區，主城區與大陸架隔海相望，多條地鐵線路采用了下穿海底隧道的設計方案，而海水具有高腐蝕性，對潛水泵材質提出更高要求，因此，地鐵區間隧道應急排水工程應采用海水潛水泵。

根據排水泵的能量來源，分為排水電泵、柴油機排水泵和汽油機排水泵。地下區間最低點往往遠離車站變電所，臨時調配的大功率水泵可能因啟動電壓過低無法正常運行。因此在工程設計之初，水泵配電方案應該結合遠期排水運維方案來設計，且需嚴格按照規范規定的負荷等級來供電，確保排水泵在緊急情況下能及時啟動。柴油機排水泵和汽油機排水泵無需考慮電源情況，但是在幽閉的區間隧道內，應考慮汽油和柴油燃燒后產生的煙氣影響，盡量考慮排煙量小的機組。

應急排水泵的主要參數有流量、揚程、功率、體積、重量等。在搶險過程中，需要結合工程實際情況合理選擇排水泵。考慮水頭損失和出水自由水頭等影響因素，排水所需總揚程不應小于抽排水靜揚程的1.5倍；單臺排水泵排水流量不小于主廢水泵房排水泵流量；排水泵的體積和重量大小影響到搶險時效和搶險人員的勞動強度，水泵重量大于50 kg時，常需借助推車、支架、葫蘆或工程車等輔助工器具進行施工作業。

國內某品牌大流量便攜式潛水泵，排水流量100～400 m3/h 、揚程8～40 m，單泵質量只有約30 kg，而同流量的傳統潛水泵質量達幾百千克。潛水泵質量輕，人力便可布置排水，且無需吊運設備，設備輕便靈活，作業距離也更遠。該產品具有移動便攜、布放快速、排水量大、操作智能化等特點，同時能提供大功率應急電源，進行夜間照明，方便應用于地鐵區間隧道應急排水[9]。

4 信息技術的應用

物聯網是利用互聯網或局域網等網絡基礎，融合無線遙感、人工智能等技術，用傳感器、控制器等方式將物與物、人與物相聯，實現信息化和智能化管理[10]。物聯網技術在地鐵應急排水工程中的應用包括：投入使用后對應急排水泵添加電子標簽，以便采用傳感器技術(RFID技術等)實現對應急排水泵的信息采集和物理定位；將廈門地鐵的應急排水系統納入城市的防汛安全系統，可以實現資源共享和有效利用；利用自動化監測手段(監測機器人、全站儀等設備及數字照相、激光掃描等技術)對地鐵隧道運營進行實時監測，及時發現隧道安全隱患(結構裂縫、滲水、結構坍塌等)，并進行控制和消除[11]。因此，如何應用物聯網技術保障隧道排水安全具有重要意義，是我們需要進一步探討、研究的方向。

5 總結

直接排水簡單、方便，適用于距離短、埋深小的隧道，而運用并聯排水和串聯排水，能夠有效提高流量或揚程，適用于長大區間隧道。排水泵是應急排水工程的主要工具，應在滿足流量、揚程的條件下，綜合考慮安裝方式、能量來源、排水水質等因素進行選型。物聯網技術的開發和應用為地鐵隧道應急排水系統的信息采集、物理定位、資源共享、隱患排查等方面提供了方便。

地鐵是城市軌道交通系統之一，它的安全和穩定運營關系到城市人民的生命和財產安全。因此，在各個階段認真做好地鐵排水安全保障工作，是全面落實習近平總書記“管生產經營必須管安全”的指示，也是踐行“廈門地鐵是城市美好生活的提供商和運營商”的企業使命。