軌道交通地下區間道床泵房設計

劉宗洲，常軍霞，房健，俞科成

（中鐵二院華東勘察設計有限責任公司，杭州 310009）

1 引言

城市軌道交通區間隧道廢水泵房與聯絡通道普遍采用合并建設的方式，廢水泵房需在聯絡通道開挖完成后，在其底部往下開挖3～5 m，施工工期長，施工風險很大。部分城市嘗試取消了聯絡通道下的廢水泵房集水坑，利用盾構鋼管片及道床設置廢水泵房[1]，或直接利用道床高度來設置道床泵站。道床泵站的普遍特點是集水坑深度淺，一般為0.5～0.8 m，當因隧道施工誤差需要對軌道調線調坡時，集水坑深度可能會進一步壓縮[2]。因此，需要選擇高度盡量不超過道床面，且停泵液位盡可能低的水泵。如寧波地鐵為解決盾構區間內設置泵房排水泵頻繁起泵，采用具備低水位保護和自冷卻功能的意大利進口泵[3]。

排水泵站設計常用的方法是先確定單臺水泵的流量、揚程和并聯數量，再由供貨廠家選取供貨水泵型號。但道床泵設計選型受道床集水坑最大深度的限制，對水泵的安裝高度有嚴格的要求，應先確定水泵型號，再計算并聯流量、揚程和并聯數量。

因此，受道床泵站集水坑深度、水泵提升高度、水泵揚水管的輸水長度的限制，道床泵站水泵的選型極為復雜。道床泵的選型要考慮不同隧道類型、不同道床類型所確定的集水坑高度，根據此高度選擇不同品牌中能滿足集水坑深度要求的水泵，再根據水泵的性能曲線和管道特性曲線進行擬合，確定單臺、多臺水泵運行的工況點，確定水泵并聯運行的數量；當單根排水管不滿足設計流量要求時，確定所需揚水管的總根數。

下面以某區間道床泵為例，對其設計選型進行計算分析。

2 系統概況

選擇普通道床地段，集水坑斷面圖如圖1 所示。

所選地段道床集水坑深度635 mm，設定泵站提升高度為15 m，水泵輸水管長度為600 m，根據以上條件選擇幾種不同的水泵進行計算選型。

3 區間排水量計算

盾構區間結構滲漏水量0.05 L/（m2·d），盾構內徑按5.5 m計算，則雙線區間結構滲漏水量為1 200×3.14×5.5×0.05/24/1 000=0.04 m3/h；

消防排水量按10 L/s 計算，即為36 m3/h；

則，區間計算排水量為36+0.04=36.04 m3/h。

圖1 集水坑斷面圖

4 區間排水管管道特性曲線計算

道床泵站示意圖如圖2 所示。

圖2 泵站系統圖

沿程損失的計算公式根據海澄-威廉公式[4]，單泵支路水管折算長度基本相同，將管道特性進行簡化計算，建立水泵運行時揚水管的管道特性方程為：

式中，H為水泵揚程，m；Hst為水池最低水位到揚水管出口地面高程差，m；q為單泵管段設計流量，L/s；C為海澄-威廉系數；di為單泵出水管道的內徑，m；l為單泵出水管道計算長度；Q為總設計流量，L/s；Di為合并后管道的內徑，m；L為單泵合并后管道計算長度。

單泵出水管管件及閥件折算當量長度見表1。

表1 管件及閥件折算當量長度表

水泵單根支管的直線長度為3 m，加上當量折算長度，則單泵出水管道計算長度l=3+（4.5+9.2+3.4+0.3）=20.4 m。

5 水泵特性曲線擬合

選擇幾種常用型號的水泵進行選型計算，水泵的參數見表2。

以上水泵的安裝尺寸、停泵液位、最大水泵揚程滿足要求，從中選擇MF 3069 進行特性曲線的擬合。MF 3069 HT 3-250 性能曲線表見表3。

從水泵性能曲線圖3 可看出，其性能曲線近似于拋物線，可以采用二次回歸曲線來擬合水泵的性能曲線，建立水泵性能回歸曲線方程為[5]：

式中，q為單泵管段設計流量，L/s；A0、A1、A2、A3、A4為擬合系數。

表2 擬選型水泵性能參數表

表3 MF 3069 HT 3-250 性能曲線表

圖3 MF3069 水泵特性曲線圖

從水泵特性曲線中選擇盡足夠的樣本數據，利用最小二乘法[6]求解；或者利用excel 進行趨勢線曲線擬合，趨勢線類型選擇多項式，階數選擇4，擬合之后的公式為：

從表3 可以看出，水泵特性曲線擬合后，誤差較小，性能高效段內的誤差不超過3%。

滿足計算精度要求。如果需要更高的精度，可以將多項式擬合的階數增加或分段建立擬合曲線。

同理建立其他型號的水泵特性曲線擬合公式：

6 水泵并聯數量計算

取水泵并聯數量為n（n≥2），則總流量Q=nq，將此公式代入式（1），與式（2）進行聯合求解，直至nq滿足設計要求的Q為止。此過程可以采用計算機編程求解或者利用excel 單變量求解，也可以利用excel 圖示求解。

當管道直徑采用DN150，管道材質選用鍍鋅鋼管，以在提升高度Hst=15 m，水泵揚水總管長度為600 m 時，利用excel建立多泵并聯運行圖示如圖4 所示。

圖4 多泵并聯運行圖示

從圖4 可以看出，在滿足設計流量10.01 l/s 時，至少需要并聯2 臺MF 3102 型水泵。同理可計算得出，選擇MF 3069 HT 3-250 型泵，則需要5 臺泵并聯；選擇50DSP5-4.0 型泵，需要2 臺泵并聯；其他型號并聯超過7 臺還是無法滿足排水要求，需要增加揚水管直徑或數量。

當設計2 根DN150 揚水管時，選擇MF 3069、50 DSP5-1.5、AP 200 型水泵每根揚水管需配2 臺泵；選擇APG 300、50WQ11092 型水泵每根揚水管需配1 臺泵。

7 集水坑設計

集水坑有效容積需滿足最大臺單泵運行時15～20 min 的出水量[7]，取單根揚水管54 臺MF 3069 型泵并聯時，單臺泵運行時出水量為4.44 L/s，15 min 的出水量為V=4.44×15×60/1 000=4 m3。

集水坑寬度為600 mm，根據圖1 選擇有效水深為335 mm，則集水坑長度為4/0.6/0.335=19.9 m。

在集水坑有效深度、寬度、輸水管管徑和長度一定的情況下，將上述幾種型號水泵選型及集水坑參數見表4、表5。

表4 選型計算表（1 根DN150 揚水管）

表5 2 根揚水管（DN150)

8 結論

根據以上選型和計算，可以得出以下結論：

1）應根據集水坑的高度來控制選型水泵的泵體安裝高度；

2）不同型號水泵并聯的數量不同，集水坑的長度不同；

3）水泵并聯后的總流量隨著水泵并聯數量增加而增加，但到一定限制后增加有限；

4）單根揚水管不滿足要求時，可以選用2 根揚水管，從區間兩邊車站風井排出；

5）水泵并聯數量的增加有利于降低集水坑大小，但投資增加、控制復雜；

6）集水坑長度應與軌道專業協商，控制在一定的長度范圍內，在此范圍內選擇合適的水泵；

7）集水坑設計應考慮包容性，當中標水泵型號變化或調線調坡引起集水坑容積減小時，應能滿足水泵的吸水條件要求，并盡量滿足有效容積要求。

8）當采用雙揚水管時，揚水管流速有可能不滿足最小沖淤流速要求，可以通過降低管徑等方法進一步核算。

本文僅選擇提升高度為15 m，揚水管管徑為DN150，長度為600 m，道床形式為盾構區間普通道床來進行設計計算，當邊界條件發生變化時，應根據邊界條件的變化重新計算選型。