軌道交通地下區間真空排水泵房設計

劉宗洲 張正軍

（1.中鐵二院華東勘察設計有限責任公司，浙江 杭州 310009；2.杭州聚川環保科技股份有限公司，浙江 杭州 310009）

0 引言

軌道交通地下區間廢水泵房一般結合聯絡通道設置在區間的最低點，主要是為了排除區間結構滲漏水、消防廢水等。目前，為減少隧道內開挖土方量，降低施工風險和縮短建設工期，天津、寧波、杭州、廣州等城市的地鐵項目中取消了聯絡通道下的集水坑，將廢水泵房改設于盾構區間的軌道下方，左右線隧道設立獨立道床排水泵房。但這些泵房內的排水泵均安裝在集水坑內，控制柜一般就近安裝，當出現水泵堵塞、泵體故障、失電或控制箱故障時，運營時段內的人員無法進入隧道進行故障排查，集水坑內的積水會逐漸漫延進入隧道甚至越過軌面。按照《城市軌道交通行車組織管理辦法》第三十二條之三，“線路積水超過軌面時，列車不得通過。”該文以某一車站和區間作為實例，在車站端部設置汽水混合真空排水泵房，在區間最低點集水坑內設置真空提升器，通過真空排水管路將區間廢水吸至車站端頭，再壓力排至室外。如技術可行，則可避免上述問題，即使在運營期間設備發生故障，維修人員也能在車站端頭檢修排除故障，操作排水設備排水，避免發生停運事故。

1 系統設置

所選區間隧道左線長1300m，右線長1316m，區間采用盾構法施工。區間廢水泵房離車站端頭的距離為左線長650m，右線長658m。將區間廢水泵房處軌面標高設為±0.00m，聯絡通道下集水坑底相對標高為-2.5m，車站廢水泵房中心里程處站臺板相對標高為+5.5m。真空排水泵房的設計思路是，在區間最低點集水坑內設置真空提升器，真空提升器由真空隔膜閥、機械控制器、感應管等組成。隨著液位不斷上升，感應管內的空氣壓力也隨之增加，當空氣壓力達到足以觸發機械控制器的設定值后，控制器啟動，開啟真空隔膜閥，污廢水進入負壓管道。當感應管內壓力下降，機械控制器內預先設定時間允許閥開啟一段時間，并保持進氣。到達預定時間，機械控制器中斷負壓供應，閥關閉完成一次排污。真空提升器完全由液位變化的機械力驅動，不需要電力，不會受到失電的影響。

從集水坑至車站端頭真空泵組之間的真空排水管網采用分段波浪形敷設，每段的上升段由2個45°彎頭和1根直短管組成。水平管的安裝位置由限界專業確定，一般為沿行車方向右側敷設，安裝高度為軌面標高+0.2m，支線段管道坡度同區間隧道坡度。車站端頭的真空泵組由真空罐、真空泵、排水泵等主要設備組成。真空泵、排水泵運行的可靠性是決定整個系統正常運行的關鍵。真空排水系統運行時，由真空泵提供和維持真空管道及真空罐內保持真空，區間廢水在管內通過負壓差的作用被輸送到真空罐內，當真空罐內水位達到預定水位時，排水泵啟動，排出罐內污水。真空排水系統的布置如圖1所示。

圖1 真空排水系統示意圖

2 區間排水量計算

區間隧道內的廢水主要為結構滲漏水、隧道和道床沖洗水和消防廢水。同時作用的最不利工況為結構滲漏水和區間消防廢水。按地下區間防水標準的要求，區間隧道及連接通道等附屬的隧道結構防水等級應為二級，隧道工程中漏水的平均滲漏量不應大于0.05L/（㎡·d），任意100㎡防水面積滲漏量不大于0.15L/（㎡·d）。但從實際情況看，隧道的施工技術水平、盾構管片自身的質量和抗滲能力等因素往往會導致滲漏水量偏離設計值，因此需要考慮一定的安全系數，盾構區間結構滲漏水量按0.05L/（㎡·d）計算，盾構內徑按5.5m計算，雙線區間結構滲漏水量為（1300+131）×3.14×5.5×0.05/24/1000=0.09m3/h。

消防排水量按10L/s計算，即為36m3/h。

區間計算排水量為=36+0.09=36.09m3/h。

區間集水坑最低點距污水泵房真空機組真空主管高度按5.5m，長度按658m計算。

3 真空管材的選取和流態分析

真空管路選用的管材和管件材質應耐腐蝕耐磨損，摩擦阻力小，公稱壓力不應低于1.0MPa。真空管道的連接方式應可靠，不得出現跑、冒、漏、滴等現象。地下區間一般選擇鍍鋅鋼管、鋼塑管或不銹鋼管，卡箍連接或法蘭連接。管道中氣液兩相的流動型態大致分為7種。如果管道中液體的流量不變，而氣體的流量由小到大，則其發生的順序是：泡狀流、團狀流、層狀流、波狀流、沖擊流（又稱段塞流）、環狀流、霧狀流。真空排水運行狀態下根據氣液比和負壓度的不同一般處于層狀流、沖擊流、環狀流和霧狀流的一種或多種，可以根據計算雷諾數進行判定。

4 水力計算

4.1 流動阻力計算

真空管路中為氣液兩相流，其水力計算與單相液體或氣體的計算方法有較大的區別。根據洛克哈特-馬蒂內利計算方法，如果氣液兩相間無相互作用，則氣液兩相流動的壓差可以按照單相液體或單相氣體單獨流過該相在兩相流中所占的過流斷面時的壓差計算，水力光滑管氣液兩相沿程壓降公式可為公式（1）。

式中：Δp為氣液兩相流在整個管路中流動的壓差，Δp為假設只有單相液體在整個管路中流動的壓差，Δp為假設只有單相氣體在整個管路中流動的壓差，為氣液兩相，其處于液相層流-氣相層流時，取值20；處于液相層流-氣相紊流時，取值12；處于液相紊流-氣相層流時，取值10；處于液相紊流-氣相紊流時，取值5。根據柯列勃洛可（C.F.Colebrook）公式，單相流體的計算如公式（2）～公式（6）所示。

式中：為單位長度管道沿程水頭損失（MPa/m）；為管道的內徑（m）；為管道內水的平均流速（m/s）；為流體密度（kg/m3）；為沿程損失阻力系數；為當量粗糙度（m）；為雷諾系數，無量綱；為水的動力黏滯系數（Pa/s）；為水的運動黏滯系數（㎡/s）；為水的溫度，宜取10℃。

公式（3）適用范圍較廣，但計算難度大，需借助計算機輔助求解，也可以利用excel進行單變量求解。計算出阻力系數后，再根據公式（2）計算單位長度沿程損失。首先，計算單相液體的沿程損失，取水量=36.09m/h，取真空主管DN150，管材采用鍍鋅鋼管，計算結果見表1。其次，計算單相氣體的沿程損失，氣水比取3，則輸送氣體量為108.27m/h，取真空主管DN150，管材采用鍍鋅鋼管，計算結果見表2。

表1 液相流水力計算表

表2 氣相流水力計算表

代入公式（1），根據計算的Re值，可知氣液兩相處于液相紊流-氣相紊流，取5，帶入公式（1）計算出沿程阻力：Δp=1.875+5×0.21+0.023=2.95m。

4.2 重力壓降計算

對氣液混合流，重力壓降按照公式（7）計算。

計算可得重力壓降為Δp=9.5×0.25×1000×9.8/10000=2.32m。

4.3 總壓降計算

總壓降按照公式（8）計算。

計算可得總壓降為Δp=2.95+2.32=5.27m。

真空機組工作真空度一般為-0.04MPa～-0.07MPa，即4m～7m的吸程，5.27m總壓降計算滿足真空機組工作真空度要求。

當計算的重力壓降超過4m～7m的范圍時，可以考慮放大真空管徑到DN200；或者設置兩根DN150的真空管，從上下行兩個區間各敷設1根到車站端頭的廢水泵房。

5 設備選型

真空泵組的真空罐、真空泵、排水泵均應由計算選定。可參考CECS 316-2012《室外真空排水系統工程技術規程》對真空泵組進行計算并選型。

5.1 空氣量計算

真空泵組空氣量按公式（9）計算。

式中：q為最大小時空氣量（在標準狀況下20℃1個標準大氣壓下）（m3/h）；

q為最大小時污水流量（m3/h）；

為平均氣水比。

計算可得真空量為q=36.09×3=108.27 m/h。

5.2 真空泵組最大小時吸入氣體量計算

真空泵組最大小時吸入氣體總體積按公式（10）計算。

式中：q為真空泵組最大小時吸人氣體總體積（m3/h）；為環境氣壓（kPa），取100kPa；為真空罐內最大的絕對壓力（kPa），為真空泵啟泵壓力，應根據樣本選擇，本次計算取60kPa；為真空罐內最小的絕對壓力（kPa），為真空泵停泵壓力，應根據樣本選擇，本次計算取30kPa；為安全系數，取1.2～1.5。

計算可得真空泵組最大小時吸入氣體總體積為q=108.27×1.25×100/[（60+30）/2]=305.75m/h。

5.3 真空泵數量計算

真空泵數量按公式（11）計算。

式中：n為真空泵的數量；q為單臺真空泵最大小時吸入氣體體積（m3/h）。

應根據真空泵樣本選擇，當參考樣本選擇單臺q=160m3/h的真空泵時，計算可得真空泵數量為n≥300.75/160+1=2.88臺，取3臺。

5.4 真空罐的容積計算

真空罐中最小氣體體積應按公式（12）計算。

式中：V為真空罐最小氣體體積（m3）；為排水泵在1h內的最大開啟次數，不大于12次/h。

計算可得真空罐中最小氣體體積V=0.25×160×1/2×（30+60）/[（30+60）×（3-1）×12]=0.83m3。

真空罐中最小儲水體積按公式（13）計算。

式中：V為真空罐最小儲水體積（m3）；q為單臺排水泵的排水量（m3/h）。

排水泵將真空罐中收集的廢水排至室外，選擇2臺排水泵，一用一備，必要時同時工作。兩臺泵同時工作時排水量不應小于36.09m3/h，選擇兩臺q=25m3/h排水泵。

計算可得真空罐最小儲水體積V=0.25×25/12=0.52m3。

空罐總容積應按公式（14）計算，且不應小于真空罐最小儲水體積的3倍。

式中：為真空罐總容積（m）。

計算可得=0.83+0.52=1.35m3，真空罐最小儲水體積的3倍為0.52×3=1.56m3。二者比較取大值，因此取=1.56m3。經過計算，選擇1臺不小于1.56m3的真空罐。

6 優缺點分析

分析如下。1） 安全性更高。傳統廢水泵房將排水設備和控制設備設置在末端，當末端出現設備故障、失電時，運營期間維修人員無法進入區間隧道進行排查。采用真空泵房時，末端真空提升器不需要電動力，靠液位驅動；動力設備（真空泵和提升泵）設在車站站臺，出現設備故障或失電時，車站維修人員可快速抵達，不影響列車運營。2） 流速更快，沖淤能力更強。排水量為36.09m3/h，選用DN150管道時，流速為=0.59m/s，小于《室外排水設計標準》要求的最小設計流速0.7m/s。當采用真空泵房時，氣水比取3，流速達到=2.36m/s，有利于管道沖淤。3） 末端設備應用場所更廣。泵站末端真空提升器的吸水高度最小為50mm，遠小于潛污泵的最小停泵液位，因此集水坑內積水更低。此外，當集水坑無法設置，需要結合道床設置道床泵站時，采用真空提升器更能滿足排水要求。4） 設備投資較高。和傳統泵房相比，真空排水泵站在末端設了真空提升器，真空泵組內多了真空泵和真空罐，設備造價比傳統泵房要高。5） 規范有不利影響。《地鐵設計規范》GB 50157-2013第14.3.5～9要求，“與區間聯絡通道合建的區間泵站應采用潛污泵”。真空排水泵站所選用的泵組型式為真空泵組，與規范要求不一致。規范主要針對按常規采用的泵站型式，隨著技術的發展，特別是鄭州地鐵5號線水災事故發生后，運營單位對區間排水的安全性要求更高，采用真空泵站更能滿足區間排水安全性要求。

7 結論

真空排水泵房能滿足將區間廢水的排水要求，設計方案可行。該文選取的真空提升高度為8m、排水管徑為DN150、排水長度為658m，并進行了選型計算，當提升高度和排水長度發生變化時，排水管徑可以在DN100～DN200進行選擇計算。真空排水泵房不僅能應用于傳統區間廢水泵房，也能應用于設置于道床上的道床排水泵房，應用范圍廣，前景更佳。當受規范影響時，可以將真空泵站作為區間排水的補充措施或應急措施，或對排水管網進行適當改造，例如在排水管網增加止回閥，還可以利用該設備的高流速對淤積的排水管進行沖洗清淤。因此，地下區間真空排水泵站安全可靠，檢修維護方便，提高運營安全，可以作為一種地下區間隧道的排水選擇方案。