内置式泵房在城市轨道交通工程中的创新应用

2018-08-20朱瑶宏

城市轨道交通研究 2018年8期

朱瑶宏

(1. 宁波市轨道交通集团有限公司， 315101，宁波； 2. 宁波大学建筑工程与环境学院， 315211，宁波//教授级高级工程师)

城市轨道交通区间隧道废水泵房通常与联络通道合并建设[1]，设置在区间上、下行线隧道之间，体量较大。在实际工程中，联络通道(兼废水泵房)的建设通常在主体隧道建设完成后进行，不可避免地会对成型隧道和周边环境产生影响，因此联络通道、泵房的施工往往是隧道工程的难点，也是影响工期的关键节点之一[2]。软土地区联络通道(兼废水泵房)施工，普遍采用“冻结法加固土体，矿山法暗挖构筑”的施工方法，存在着施工工期长、风险大、工程造价高、后期融沉量大、持续时间长等缺点[3]。

本文结合宁波市轨道交通盾构区间，研究利用轨道下方道床及隧道结构空间作为废水泵房，取消传统废水泵房与联络通道合并建设的方案，从而大大减小联络通道施工及后期运营的风险。

1 区间给排水方案及需求

1.1 设计思路

在宁波市轨道交通工程建设中，地下区间普遍采用盾构法施工，隧道外径为6 200 mm，管片厚度为350 mm。主体隧道采用钢筋混凝土管片(通用环形式)，隧道联络通道位置采用钢管片。普通及中等减振地段轨道高度为890 mm，高等(特殊)减振地段轨道高度为950 mm。

内置式泵房的设计思路是：考虑将废水泵房从区间隧道外调整至区间隧道内，上、下行线分别设置；在线路实际最低点利用轨道下方道床及隧道结构空间作为集水池(也称集水坑)，集水池采用长条形，取消联络通道下方废水池。消防废水和结构渗漏水由区间隧道道床排水沟收集后，排入内置式泵房的集水池。区间废水由潜污泵提升，压力排水管通过区间隧道沿行车方向右侧引至相邻车站废水池，由车站统一排至室外压力井后，再排入市政排水系统。研究过程中依据现行设计规范[4-7]，采用多专业融合、互设前提、反向整合的研究方法，满足区间隧道各专业规范及设备能力需求。

1.2 排水泵的选用及集水池的容积计算

(1) 区间隧道消防用水量的计算原则：根据《地铁设计规范》28.3.3条，地下区间隧道消火栓给水用水量应为10 L/s。根据《消防给水及消火栓系统技术规范》表3.6.2，地下建筑、地铁车站火灾延续时间为2.0 h。综合确定地下区间隧道消防用水量为36 m3/h。

(2) 泵的选型原则：根据《地铁设计规范》14.3.5条及条文说明，应设置2台排水泵，平时1台工作，必要时2台同时工作。排水泵的总排水能力，应按消防时的排水量和结构渗漏水量之和确定。

(3) 集水池有效容积的计算原则：根据《地铁设计规范》14.3.6条，区间排水泵站的集水池有效容积不应小于最大一台排水泵15～20 min的出水量。排水泵为自动控制启动时，水泵每小时启动次数不宜超过6次。

根据上述原则，通过分析计算得出排水泵台数和泵房容积(见表1)。

表1 排水泵台数及泵房容积

由表1可知，选用水泵台数越多，所需集水池有效容积越小，干管流速越小，单台泵将废水排入车站的时间也会越长。另外，由于管路特性曲线存在一定的坡度，并联的水泵台数越多，对总流量的提升贡献越小。

根据上述分析，并结合目前国内外泵的工作性能和盾构区间结构、轨道等专业的实际情况，推荐隧道区间废水泵房选用2台流量为20 m3/h的潜污泵，平时一用一备，依次轮换工作，消防或必要时2台同时工作。集水池有效容积可为5.0 m3。

1.3 排水泵水位控制要求

废水池内设4个水位，分别为超低报警水位、停泵水位、第一台泵启泵水位和第二台泵启泵水位兼超高报警水位。水位控制要求为：① 超低水位报警，同时控制回路应保证水泵均处于停泵状态；② 当水位达到停泵水位时，两台泵均能停止工作；③ 当水位上升到达第一台泵启泵水位时，第一台泵启动；④ 当水位继续上升到达第二台泵启泵水位时，第二台泵启动，控制回路应保证两台泵都处于运行状态，并发出报警信号。

水泵的性能决定了停泵水位的高度，先进的采用内循环冷却的水泵仅需50 mm的保护水位。结合目前国内外水泵的工作性能及宁波市轨道交通盾构区间轨道高度，确定水位控制高度为：池底标高为0.00，停泵水位为300 mm，一泵启泵水位为550 mm，高峰时期二泵同时启动水位为750 mm。

1.4 排水泵吸水坑尺寸

考虑到内径5 400～5 500 mm的盾构区间道床高度有限，集水池的高度不能满足水位控制及设备布置安装要求，需要通过盾构隧道结构特殊处理，局部设置吸水坑(也称泵坑)。结合目前国内外水泵的工作参数，吸水坑尺寸不应小于800 mm×460 mm×240 mm。

2 内置式泵房总体布置

2.1 集水池宽度与深度设计

(1) 一般地段集水池：根据给排水专业需求，并结合轨道专业设计情况，道床可以设置集水池的最大宽度为800 mm。一般地段的道床高度一般不低于890 mm，扣除轨道、轨枕等高度，集水池可用的最大深度不少于600 mm。一般地段的集水池横剖面如图1所示。

图1 一般地段的集水池横剖面图

(2) 吸水坑地段集水池：一般地段道床下方设置集水池的最大高度约600 mm，不能满足区间水泵安装空间、最低水位控制要求(高峰时期二泵同时启动水位为750 mm)的需要，因此需要在排水泵的位置单独设置吸水坑。由于隧道限界及道床高度所限，只能在区间隧道结构衬砌上采取措施予以解决。区间一般地段采用钢筋混凝土管片，管片厚度为350 mm。如在混凝土管片上设置深度240 mm的吸水坑，则对管片刚度影响较大，管片受力削弱较多，难以满足结构安全及耐久性要求。经过比选，吸水坑位置对应的管片改用钢管片，利用钢管片纵横向加劲肋之间的空腔作为吸水坑的空间。吸水坑处采用厚度为150 mm(含钢结构及保护层)的钢管片，吸水坑处集水池高度约为820 mm。通过此项措施，满足了吸水坑的尺寸及水泵控制的相关高度要求。吸水坑地段的集水池横剖面如图2所示。

图2 吸水坑地段的集水池横剖面图

2.2 集水池长度设计

为满足集水池有效容积不应小于最大一台排水泵15 min的出水量的要求，集水池的有效容积需为5 m3。而集水池有效容积为二泵启泵水位与停泵水位差(0.45 m)×集水池长×集水池宽(0.8 m)，故集水池沿轨道方向的长度为13.9 m。考虑部分管道安装空间、轨道横梁占用空间、盾构管片的模数等因素，集水池长度取12环管片宽度，即14.4 m。

2.3 集水池平面与剖面布置

根据上面的分析计算，得到内置式泵房集水池的尺寸为800 mm×14 400 mm×600 mm。泵房在左、右线隧道最低点处独立设置，每个集水池布置2台水泵，吸水坑部位的底部管片采用钢管片。

考虑到集水池底部需要有3%的坡度坡向吸水坑，水泵集中布置会导致回填面高差过高，同时水泵均匀布置对水泵吸水水力条件较好。因此，吸水坑均匀布置，2个吸水坑间隔4环混凝土管片。潜污泵排水管通过轨道下方空间至区间侧壁，之后沿区间侧壁排入车站，水管路由可满足限界要求。内置式泵房的平面、剖面布置如图3、图4所示。

3 相关专业设计及要求

3.1 轨道专业设计方案

3.1.1 轨道总体设计方案

集水池范围内的道床采用短枕式整体道床，两股钢轨道床分离。为满足道床受力及稳定性，两股钢轨道床之间设置横撑。横撑布设间距为1 200 mm，每隔2根轨枕布设1根横撑。横撑位于两相邻轨枕正中间，长800 mm，断面尺寸为200 mm×200 mm。泵房两侧的两根横撑高度加高至350 mm，以满足泵房安装、水沟清污及设备检修要求。道床及支撑均采用C30混凝土。内置式泵房处道床结构平面布置如图5所示。

图3 泵房平面布置图

图4 泵房剖面布置图

单位：mm

图5 泵房处道床结构平面布置

为满足道床面区间疏散要求，集水池上方需安装盖板。同时在道床面上设置横向沟槽，以满足排水管及电缆过轨要求。

3.1.2 道床排水过渡方案

(1) 普通及中等减振地段：在道床与集水池分界点处设置沉砂井，沉淀泥沙及过滤垃圾；与普通道床侧向水沟相接，并通过横向水沟与集水池相接；沉砂井与横沟之间设置格栅。

(2) 高等及特殊减振地段：在道床与集水池道床之间设置2组短枕式整体道床；采用中心水沟；在道床与短枕式整体道床分界点处设置沉砂井，沉淀泥沙及过滤垃圾；沉砂井两侧分别设置格栅。

3.2 隧道结构设计方案

泵房一般地段的隧道结构与常规隧道一致，结构上无需特殊考虑。但对于安装水泵地段(即吸水坑)，为满足水位控制及设备安装空间要求，区间隧道结构采用的是钢筋混凝土管片+钢管片组合的复合式衬砌结构，因此需对这里的区间隧道结构进行特殊设计。钢筋混凝土管片采用C50混凝土；钢管片采用Q235B钢，由背板、端板、横向加劲板、纵向加劲板焊接而成，内部空腔采用混凝土回填，标号同道床混凝土。钢管片、混凝土管片厚度均为350 mm。吸水坑处隧道结构横剖面如图6所示。

图6 吸水坑处隧道结构横剖面图

吸水坑尺寸不应小于800 mm×460 mm×240 mm。考虑到钢管片防水保护层厚度、盾构管片拼装位置偏差、成型隧道偏差等因素，吸水坑预留空间平面结构尺寸为1 208 mm×480 mm，吸水坑处钢管片结构厚度为100 mm，中间设置短加劲板，提高钢管片整体刚度。吸水坑处钢管片平面布置如图7所示。

图7 吸水坑处钢管片平面布置图

管片制作后，重点加强钢管片的防腐处理。管片内、外表面均需涂环氧防腐涂料。涂料前，钢管片表面应作除锈处理，除锈质量达到S3级。考虑到耐久性并适当增加安全储备需要，背板由一般地段的20 mm加厚至30 mm。考虑到安装方便及避免破坏防腐层，水泵布置空间内设置临时举重臂。

3.3 结构防水设计方案

由于内置式泵房的集水池利用隧道结构、道床结构，因此需要考虑泵房内废水对隧道结构、道床结构的相关影响，做好防水措施。具体做法如下：

(1) 为防止泵房内废水、结构渗漏水、道床排水沟内的水进入管片与道床结合面，在道床与管片之间集水池两侧各设置2道聚氨酯止水胶。

(2) 为防止泵房内的废水影响道床结构及隧道混凝土管片结构，一般地段泵房内壁、底板处采用1.5 kg/m2水泥基渗透结晶行防水涂料+10 mm厚防水砂浆进行内防水处理。泵房吸水坑地段的防水剖面如图8所示。

图8 泵房吸水坑地段的防水剖面图

3.4 杂散电流防护方案

内置式泵房段为一单独防护单元。为保证杂散电流排流顺畅，采用1根规格为50 mm×8 mm镀锌扁钢与所有纵向钢筋焊接后，与埋入型连接端子的圆钢进行焊接，埋入型连接端子的端头外露出道床面5 mm，连接端子利用95 mm2软电缆连接。具体方案如图9所示。

图9 泵房段杂散电流防护方案示意图

3.5 施工分界及要求

内置式泵房的设计施工为系统工程，涉及给排水、消防、线路、轨道、区间结构与防水、杂散电流、区间疏散等多个专业。各专业应做好配合和协调，并完成各自专业内的相关设计。施工也需区间土建、轨道、设备安装等专业配合完成。各专业施工分界及要求如下：① 盾构隧道施工拼装钢管片，确保钢管片拼装精准，集水池完全居中，满足施工误差要求；② 轨道专业负责集水池结构及吸水坑防水施工；③ 机电安装专业负责水泵安装及集水池内防水施工；④ 土建施工应严格控制盾构隧道轴线、标高偏差，保证在施工规范允许的范围内；⑤ 调线调坡过程中，应严格控制泵房范围内的轨面标高，保证道床高度要求，从而保证集水池深度满足设计要求。

4 优缺点分析

本文所述内置式泵房与传统的泵房和联络通道合设方案相比，主要优点体现在以下3个方面：

(1) 工程实施难度和工程风险大大减小。传统的泵房设计，泵房设置在联络通道下方，泵房深度大、体量大，采用冻结法加固，受制于冷冻管布置角度，布置较疏，加固质量难以确保；同时泵房段采用矿山法施工，施工本身难度就很大，一旦加固质量不好，很容易发生土方坍塌，施工风险较大。而内置式泵房充分利用了轨道下方空间，泵房结构采用模筑混凝土，施工过程基本无风险，工程质量容易保证，施工工期亦有所缩短。

(2) 内置式泵房的设计实现了泵房与联络通道的分离设置，使得联络通道的平面位置不再需要考虑与泵房合设，使得区间纵断面的设计更为灵活，从而扩大了区间线路纵断面设计方案优化空间，也为非矿山法联络通道施工技术的全面实践提供了便利条件。

(3) 工程造价有所降低。相对于传统的合设泵房，内置式泵房减少了外挂泵房，增加了盾构隧道钢管片，水泵费用有所增加，单个泵房工程造价可节省20万～40万元。

其主要缺点如下：

(1) 泵房下方集水池高度有限，对水泵的水位控制和冷却模式有严格的要求。

(2) 对于高等及特殊减振地段，由于泵房集水池的存在，泵房范围内将无法采用高等及特殊减振道床形式，需要通过特殊轨道扣件实现减振效果。