矿山法海底隧道废水排水系统设计实践

周金忠， 唐 健， 贺维国， 范太兴， 张忠品， 杜金海

(中铁第六勘察设计院集团有限公司， 天津 300308)

0 引言

依托水下地质勘探技术和隧道施工技术的快速发展，我国已建成多条水下交通隧道。2011年6月，国内最长的海底隧道——青岛胶州湾海底隧道正式建成通车。为保证通航要求，海底隧道断面一般呈“V”型或“W”型，隧道内的废水无法通过自流方式排放[1-3]，故必须设置专门的废水排水系统。文献[2]介绍了青岛胶州湾海底隧道废水排水方案的设计情况；文献[3]介绍了厦门地铁3号线地铁过海隧道废水排水方案的设计情况；文献[4-5]介绍了国外海底隧道的防排水措施；文献[6]对长距离水下隧道的防水、管道系统设置、水锤防护及集水池容积确定等方面进行了相关分析；文献[7-11]介绍了某具体工程的隧道废水排水方案。以上文献对隧道的排水方案进行介绍，但对影响排水方案的各类关键技术未明确展开分析。本文以青岛胶州湾海底隧道工程为依托，通过对废水系统排水能力的确定、废水提升方案的选择及废水泵房优化设计等方面深入分析，探讨海底隧道废水排水系统设计的关键技术问题。

1 青岛胶州湾海底隧道简介

青岛胶州湾海底隧道位于胶州湾湾口，北起青岛市区的团岛，南接黄岛区的薛家岛，线路全长9.85 km，海底隧道段长约7.8 km。隧道设双向6车道，隧道纵剖面为V型坡。隧道还设有服务隧道，服务隧道内设有电力电信管道、高压电缆、消防管道及直径为600 mm的市政供水管道。该隧道是国内第2条采用矿山法施工的大型海底交通隧道，同时也是当时我国最长、世界第3长的海底隧道，仅次于日本青函海底隧道和欧洲的英吉利海峡隧道。青岛胶州湾海底隧道平面如图1所示。

图1 青岛胶州湾海底隧道平面图

青岛胶州湾海底隧道废水排水系统采用分段收集分级提升方案，即： 以隧道两端中间风井为节点将隧道分为3段，在隧道最低点的横通道内设置海底废水泵房1座，以排除2个风井之间的废水；同时，在隧道2号风井(青岛端风井)和3号风井(黄岛端风井)附近的横通道内分别设置风井废水泵房各1座，以排除隧道进出口到中间风井间的废水。海底废水泵房的扬水管沿服务隧道敷设，将废水提升到3号风井废水泵房集水池内，再由3号风井废水泵提升到地面；2号风井和3号风井废水泵房的排水扬水管沿风井壁敷设，将废水提升到地面。青岛胶州湾海底隧道纵剖面如图2所示。

图2 青岛胶州湾海底隧道纵剖面图

2 废水系统排水能力确定

2.1 废水的来源及组成

海底隧道的废水一般包括结构渗漏水、消防废水及冲洗废水，其中消防废水及冲洗废水可以通过计算定量化，而结构渗漏水量很难定量化，故设计过程中准确地确定隧道结构渗漏水量是合理确定隧道排水系统排水能力的关键。在设计过程中精确定量结构渗漏水量难度比较大，主要有如下原因。

1)矿山法施工对地质基岩扰动较大，导致隧道结构渗漏水发育；同时，海底隧道结构渗漏水承压水头大，且补给复杂。

2)海底隧道结构渗漏水量受海底地质条件、隧道埋深、二次衬砌施工情况、防排水技术以及施工质量等多种因素影响，不同的海底隧道其结构渗漏水量反差很大。

3)长大型海底交通隧道长度大、横断面面积大且埋深大，就更加强化了隧道结构渗漏水流量大及不同隧道之间渗漏水差异也很大的特点。青岛胶州湾海底隧道常年结构渗漏水量为3 780 m3/d，厦门某海底隧道常年结构渗漏水排水量为14 000 m3/d，这两座海底隧道基本上是同期实施的的矿山法施工隧道，其隧道长度和断面情况都相差不大，但其结构渗漏水量相差非常大。在确定废水排水系统能力时，此类海底隧道结构渗漏水量不能简单地根据规范资料的数据来计算，也不能参考类似的海底隧道工程来确定。为此，提出了“结构渗漏水量精确定量技术”，并成功应用到青岛胶州湾海底隧道工程中。

2.2 结构渗漏水量精确定量技术

2.2.1 精确测定步骤

结构渗漏水量精确定量技术主要针对大型水下交通隧道的废水量确定，设计要点如下。

1)突破常规设计思路，因地制宜地研究废水量确定方法。常规的设计思路是先设计后施工，但本技术要求突破常规程序，先施工一部分隧道，根据施工中测量的隧道结构渗漏水量为基础，来确定需要排除的隧道结构渗漏水量。

2)考虑到废水泵房设计、废水泵招标、采购等工作需要一定的时间，为了不影响隧道施工进度，采用实测和预测相结合的方法，相对准确地确定隧道结构渗漏水量。

3)分3次测量隧道结构渗漏水量： ①第1次为隧道出入口至中间风井贯通时，测量点为风井处及隧道开挖面，这时基本能测定需要每个风井排放的结构渗漏水量，同时可根据隧道开挖面测量的结果粗略预测需要海底废水泵房排放的的结构渗漏水量。②第2次为隧道开挖至海底废水泵房前一定距离时，测量点为中间风井至隧道新的开挖面，根据中间风井新测量数据核定需要每个风井排放的结构渗漏水量；同时，根据隧道新开挖面测量数据修正需要海底废水泵房排放的的结构渗漏水量，以这些数据作为设计废水泵房的基础数据。③第3次为隧道贯通时，测量点为海底废水泵房处，测量数据主要是核认隧道最后开挖段结构渗漏水量是否在合理范围内。如果该段隧道结构渗漏水量与预测值反差较大，就必须加强隧道防水，使隧道结构渗漏水量控制在合理范围内，或者变更废水排水系统设计能力。

2.2.2 技术应用情况

青岛胶州湾海底隧道工程采用结构渗漏水量精确定量技术，最后测定的结果为： 青岛端陆地段隧道结构渗漏水量(青岛入口到2号风道)为600 m3/d，海底段隧道结构渗漏水量(2号竖井到3号竖井)为3 000 m3/d，黄岛端陆地段隧道结构渗漏水量(3号风道到薛家岛出口)为320 m3/d。整个隧道结构渗漏水量为3 920 m3/d，与运营后现场调研得到的数据3 780 m3/d相接近，误差为3.6%。由此可见，“结构渗漏水量精确定量技术”为合理设计废水系统排水能力提供了准确的基础数据。

反之，如厦门某海底隧道，其设计废水排水能力偏小，不得不通过增加废水排水能力来适应隧道废水量，最后排水能力提高到最初设计排水能力的264%。准确地测定隧道结构渗漏水量是很重要的，是合理设计废水泵房的基础。

3 废水系统提升方案的确定

青岛胶州湾海底隧道设计之初，国内水下交通隧道很少，且隧道埋深较小，废水排水系统提升方案均为1级提升；但笔者认为青岛胶州湾海底隧道埋深达80 m，采用传统1级提升方案，技术上是有问题的，经济上是不合理的。废水排水系统提升方案是否合理，将直接关系到系统的投资大小和运行成本的高低，特别是废水量很大、埋深大的水下交通隧道，提升方案的选择是废水排水系统设计成功与否的关键。为此，提出了“分段收集分级提升排放”的废水系统提升方式。下文从水泵选取、隧道特点、投资费用及运营费用比较等方面，来阐述选择这种工艺的主要思路。

3.1 废水泵的选型

3.1.1 井用潜水泵

井用潜水泵一般用在矿山给排水，也有用在隧道里排水，这种泵扬程较高，比较适用于隧道1级提升方案，为多级离心泵。井用潜水泵安装要求如图3所示。

图3 井用潜水泵安装要求

一般用来输送固体杂质总含量不大于0.01%(质量比)的清水，安装要求较为苛刻，其中有2项要求：1)第1级叶轮至少浸入动水位以下2 m，如图3中L1所示。2)机组底部距井底不得小于5 m，如图3中L2所示，且必须为垂直安装。当此类水泵安装在大废水池中时，可以用静水位代替动水位，但对第2个要求理解反差较大。为了保证水质，即输送固体杂质总含量不大于0.01%，水质条件特好时水池中L2可以取为0。因为这种多级离心泵流道小，流程长且曲折，不适应排放固体颗粒，特别是扬程高、多级数时，泵内高压水容易将固体颗粒带入水泵的轴封装置，日积月累，会抱轴严重、烧坏电机。泵用机械密封主体材质往往需要抵御固体颗粒的冲刷撞击、高转速带来的密封面高温磨蚀、高压力带来的密封参数不稳定及基体结构件被腐蚀等不利因素的影响，对机械密封材质要求较高。当井用潜水泵卧式安装时，水泵进水口低，污泥更容易进入水泵的进水口；斜式安装、立式安装时，进水水质会相对好一些。为了使进水水质达到标准，必须提高机组底部到井底的距离，但这样会提高对水池深度的要求。

3.1.2 潜水排污泵

潜水排污泵(QW型)为1级离心泵，其优点是能输送杂质含量较高的污水或废水，非常适合输送隧道废水，其缺点是扬程低。对国内外水泵厂家调查显示：大流量的潜水排污泵，其成熟扬程一般为60 m以内，也有达到80 m的。如果扬程超过80 m，水泵必须特制，其价格会明显上涨。

青岛胶州湾海底隧道最低点离隧道排水出口处距离大、高差大，如果废水排水方案采用1级提升方案，水泵扬程达120多m。在青岛胶州湾海底隧道废水排水设计中，放弃了选用井用潜水泵，采用具有耦合装置的QW型潜污泵；同时，隧道废水排水系统采用2级提升的排水方案。具体思路如下： 结合纵断面的实际情况，从海底废水泵房提升45 m净高到3号风井废水泵房，再从3号风井废水泵房提升45 m净高到隧道外； 2号风井废水泵房提升50 m净高到隧道外。在设计过程中采用常规潜污泵，且扬程都不超过80 m，水泵选择范围较广，同时便于维修及更换。

3.1.3 运行现状

通过现场调研及多年来运行数据来看，废水泵房运行良好，运行以来尚未更换水泵。由于废水泵扬程低，对水泵设备及扬水管材质等各方面要求会明显降低，从而大大减少了设备管材采购费用和安装难度；另一方面，由于是矿山法施工，废水排水泵房可以结合横通道或者风井设置。综上，采用2级提升方案时因增加泵房而增加的土建投资费用很少。

3.2 节能分析

在1级提升方案中，隧道废水必须全部汇集到隧道最低点的废水泵房内，再通过废水泵一次性提升到隧道外。在2级提升方案中，只是2个风井之间部分废水汇集到最低点废水泵房内，再通过废水泵提升到2号风井废水泵房内，其他部分隧道结构渗漏水只汇集到风井废水泵房，和中转部分废水一起，通过风井废水泵提升到隧道外。2级提升方案很适用于大型水下交通隧道废水排水，达到高水高排、低水低排的节能目的。特别是矿山法隧道，结构渗漏水是源源不断的常流水，其节能效果更明显。针对青岛胶州湾海下隧道排水工程，单纯从理论角度分析来比较2种提升方案能耗，得出2级提升方案相对1级提升方案能量折算系数为0.75～0.9，即平均节省18%。折算系数和很多因素有关，如各段水量、泵的位置及效率等。青岛胶州湾隧道现在每年废水排水用电费大约112万元，相较于1级提升方案，每年节省电费约24.5万元。

由上述分析可知： 对于埋深较大的大型水下交通隧道而言，从投资大小、运行费高低及设备技术安全性等方面看，废水排水系统2级提升方案均优于1级提升方案。

3.3 提升方案对比

提升方案优缺点对比如表1所示。

表1提升方案优缺点对比

Table 1 Comparison of advantages and disadvantages between two lifting schemes

提升方案泵房数量/座优点缺点适用范围1级1 泵房数量少,管理方便 不安全,如果最低点废水泵房发生故障,整个废水排水系统将无法工作;不节能,隧道内所有的废水均需要自流至最低点废水池,再由废水泵提升至室外,能量浪费 埋深较小(<40 m)的隧道2级3 安全,分区排水,满足高水高排、低水低排;节能,运营费用较1级提升节能约18% 泵房数量多,运营管理较1级提升方案复杂 长距离、埋深大(>50 m)的隧道

4 废水泵房优化设计

4.1 废水池有效容积优化

4.1.1 容积优化的背景

废水泵房优化设计中，宜先进行废水泵的选型及数量确定，进而确定集水池有效容积。青岛胶州湾海底隧道内有1根直径600 mm的市政供水管，对于这类隧道，其废水排水设计时，应考虑供水管爆管产生的废水(简称为爆管废水)。对于如何考虑爆管废水量的大小及排除等问题，目前尚没有统一的认识，国内传统的设计思路通常采用增大废水池有效容积方法来解决，增加部分容积和隧道内市政给水管内体积相同。

这种仅以某一段管内静态水量来代表随时间动态变化的爆管废水量思路，逻辑上是说不通的。海底隧道内供水管通常压力较大(隧道最低点压力超过1 MPa)，爆管时流量大，若不考虑及时排除，仅靠有限的废水池容积去容纳爆管废水量，这种思路是有疑问的。由此可见，只考虑增大废水池容积，而不考虑及时排出爆管废水，显然是不妥的。笔者认为应该从控制爆管理念出发，运用控制爆管技术来解决爆管废水问题。

4.1.2 容积优化的技术保障

在青岛胶州湾海底隧道废水排水设计中，从爆管废水的特点进行考虑，爆管废水特点如下。

1)给水管道爆管的概率比较小，属于小概率事件，爆管废水出现的可能性是很小的。

2)爆管废水的废水量与管道材料、施工质量有关，不同材质的供水管爆管、不同水压的供水管爆管以及不同管理条件下的供水管爆管，其产生的爆管废水量各不相同，故爆管废水量比较难以量化。

3)出现爆管现象时，隧道运营部门或供水管理部门及时对爆管进行处理，切断供水水源或关闭供水管道的总阀，爆管废水不持续长流。

为了解决爆管废水问题，废水泵房的设计会产生2种选择： 如果设计大废水池或大幅度提高废水泵排水能力，会产生投资的巨大浪费，因为爆管毕竟是小概率事件；反之，一旦发生严重爆管，后果将不堪设想，因为供水管直径大，其内部水压高。同时，设计还必须保证“及时控制供水管爆管，让爆管废水量不持久长流”。为了解决上述问题，设计思路如下： 1)火灾和供水管爆管同属于小概率事件，几乎不可能同时发生； 2)如果能从技术上将爆管废水量控制到小于消防废水量时，隧道废水排水量就可按隧道结构渗漏水和消防废水之和考虑，而不必考虑爆管废水量； 3)不必因为供水管爆管而增加排水设施的排水能力或增加废水池体积。综上，设计理念为： 通过相应的控制措施，将爆管废水量控制在某个范围内，即小于消防废水量，从而解决供水管爆管问题。

4.1.3 容积优化的应用情况

青岛胶州湾海底隧道废水排水设计中，对供水管爆管控制技术的主要思路如下。

1)把供水管爆管后产生的废水量控制到最小，即服务隧道内直径600 mm的供水管，采用有质量保证的给水球墨铸铁管等优质管材，采用法兰连接。这样即使供水管爆管，也可以把爆管后果的严重性降低到最低。

2)对隧道内的供水管加装爆管预警及控制装置，将给水管爆管的可能性控制到零。该预警装置包括预警控制中心、供水管监测及控制系统和废水排水信息监测系统。

①预警控制中心。包括显示器、预警控制中心主机、预警装置、打印机等，其作用为： 接受从供水管监测系统、废水排水信息监测系统发来的供水管流量、废水泵启泵频率及单位排水周期内累计排出废水总量等信息，再经控制中心主机处理，根据处理结果，将通过预警装置预警，或通过控制信号传输给供水管控制系统，实现实时控制。

②供水管监测及控制系统。包括隧道出入口处供水管上手电动一体碟阀、电磁流量计，其作用为： 即时测量隧道出入口处供水管的流量，并将信息传输到预警控制中心，并在接受到预警控制中心控制信息时，能及时关闭相应的电动阀门。

③废水排水信息监测系统。包括废水泵房出水总管上的频率计数器、累计流量监测设备，其作用为： 即时测量废水泵启泵频率及单位排水周期内累计排出废水总量，并将信息传输到预警控制中心。

该爆管预警及控制装置工作原理为： 供水管监测系统通过对隧道出入口处供水管流量监测，或者废水排水信息监测系统通过对废水泵启泵频率及单位排水周期内累计排出废水总量的监测，分别将信息传输到预警控制中心，其中心主机根据信息计算出供水管渗漏量。当供水管渗漏达到一定流量时，中心主机的智能信息处理系统通过预警装置预警提醒运营管理人员；当供水管渗漏情况严重到一定程度时，智能信息处理系统会通过供水管控制系统，强制关闭隧道出入口处供水管上的电动蝶阀，以便管理人员及时处理，防止爆管现象的发生，从而有效地控制爆管废水量。给水管监测系统与废水排水信息监测系统二者既是相互独立监测，又相互补充确认，确保供水管爆管预警的可靠性。青岛胶州湾海底隧道废水排水设计中，一旦供水管渗漏量达到一定数值(如5 L/s)，预警装置就预警；流量达到一较大数值(如10 L/s)，供水管控制系统就强制关闭隧道进出口供水管上的电动蝶阀。所以，爆管可能性为零，也就变相地保证了“及时控制供水管爆管，让爆管废水量不持久长流”。

青岛胶州湾隧道废水池设计时，因为已采用了“海底隧道内供水管爆管控制技术”和“海底隧道内消防管爆管控制技术”，废水池大小只需满足规范要求即可。GB 50014—2006《室外排水设计规范》[12]要求，“集水池容积不应小于最大1台水泵5 min的出水量”，且“水泵机组为自动控制时，每小时开动水泵不得超过6次”。该设计中最大水泵流量为220 m3/h，故设计水池有效容积50～80 m3完全可以满足要求。综合考虑各种因素，将安全系数定为2.0，2号风井废水泵房、海底废水泵房、3号风井废水泵房的废水池有效容积分别为120、160、160 m3，比国内传统设计废水池有效容积节省3 000 m3左右。

4.2 结构设计优化

青岛胶州湾海底隧道设计中，废水池体积小，废水泵房可以利用人行横道布置，这样避免了为废水泵房而专门开挖横向通道，从而降低了很多土建费用。青岛胶州湾隧道海底泵房横剖面如图4所示。可以看出： 采用了潜水排污泵(QW型)，对泵房净空要求不小于4 m即可，完全可以利用联络通道和风道布置，对水池深度要求3.5 m即可，废水池顶板和服务隧道底板共用一个结构板。

图4 青岛胶州湾隧道海底废水池横剖面图

反之，如国内某海底隧道设计中，废水池偏大，废水池长度大，它在平面上和主隧道正交，立面上要求和主隧道高差必须在6 m以上(以保证施工安全)。为此，必须专门为废水泵房开挖1个大洞室，增加了不少土建费用；同时，废水池底加深超过了6 m，将浪费大量电费。对于大型矿山法水下交通隧道而言，废水池设计过大本身就具有很大的结构风险。应尽量减少废水池容积，从而降低土建的投资、设备的运营费用，提高施工的安全性。国内某海下隧道海底废水池横剖面如图5所示。

图5 国内某海下隧道海底废水池横剖面图

4.3 检修维护优化

废水流量大，废水泵质量大。为了更好地进行水泵维修和清淤工作，采用了“局部动态干式废水泵房”，即： 将原废水池分为多格，每格互不连通，但均与配水廊道经配水孔相连，配水孔上设置可启闭闸板，每格内均设置1台或2台废水泵，各废水泵可独立运行，亦可同时运行，当其中1台废水泵需要检修时，可关闭相应配水孔上的配水闸板，用临时泵抽干该格内废水，使之变为干式，便于检修人员检修，同时不影响整个废水泵房的排水。在青岛胶州湾海底隧道设计中，成功地将局部动态干式废水泵房理念应用到废水排水设计中。局部动态干式废水泵房布置平面如图6所示。局部动态干式废水泵房横剖面如图7所示。

目前国内外海底隧道废水泵房按常规方法设计，即废水池为单格水池，即使水泵出现小问题，也必须将它提升到地面上进行维修，同时清淤比较困难。青岛海底隧道采用了创新性的废水泵房布置形式，检修流程为： 水泵出现故障信号—切断水泵所在的单格废水池进水闸板—用移动泵将废水抽至相邻废水池—检修人员进入水池进行水泵检修，其方便性、安全性均得到较大提高。

图6 局部动态干式废水泵房布置平面图

图7 局部动态干式废水泵房横剖面图

5 结论与建议

5.1 结论

1)在海底隧道废水排水系统设计过程中，相对准确地确定隧道结构渗漏水量，是确定隧道排水系统排水能力的关键。实践证明： 青岛胶州湾海底隧道结构渗漏水量不能简单地根据规范资料的数据来计算；受水压、地质条件及施工质量等因素影响，不能参考类似的海底隧道工程，必须在合适的时间、选择合适的测量点，经实际测量后确定结构渗漏水量。

2)废水提升方案关系到排水的经济性和安全性，核心在于选取安全可靠的水泵类型。水泵选型方面，深井泵并不适用于海底隧道工程，应以潜污泵为主；提升方案方面，2级提升节能优于1级提升。

3)废水泵房优化应从有效容积优化、结构设计优化及日常设备维护检修等方面综合考虑。废水池有效容积优化的重点在于控制爆管废水量，而非加大废水池容积；废水池结构设计时，结合联络通道设置更为合理；局部动态干式废水泵房设计，使日常检修维护、清淤更加方便，效果优于常规的废水泵房。

5.2 建议

1)建议对海底隧道的结构渗漏水量进行实际测量，坚持“边施工、边测量、边设计”的原则，采用实测和预测相结合的方法，相对准确地确定隧道结构渗漏水量。

2)建议采用潜水排污泵(QW型)，不宜采用井用潜水泵。分段收集分级提升方案比较适用于隧道废水排水，达到高水高排、低水低排的节能目的；同时，对水泵设备、扬水管材质等要求也会明显降低，有利于排水系统的高效、安全运行。

3)当隧道内设有市政供水管时，建议对隧道内的供水管加装爆管预警及控制装置。在完善运用海底隧道内供水管爆管控制技术后，只要废水泵的选型合适、安装合理，水泵设计流量参数正确，则废水池有效容积在满足一般规范要求基础上，考虑适当的安全系数即可。通常情况下，150～200 m3就足够了。废水泵房设计应结合联络通道，以节约投资，减少土建风险。废水池不要无条件、无原则地盲目扩大，否则会产生一系列浪费，还会增加土建风险。

4)建议优化常规的废水池，即采用“局部动态干式废水泵房”，以方便日常的水泵检修和废水池清淤等工作。