地铁跨海隧道应急排水方案研究<br/>——以厦门地铁跨海隧道为例

地铁跨海隧道应急排水方案研究
——以厦门地铁跨海隧道为例

2020-12-08杨彩玲

福建建筑 2020年11期

杨彩玲

(厦门轨道交通集团有限公司福建厦门 361000)

0 引言

随着国内诸多城市兴起轨道交通建设热潮，东南沿海城市地铁跨海隧道建设也迎来了建设高峰，并随着近20年来的我国隧道建设及管理水平明显提高，对超长跨海隧道的建设、运营理论认知度趋于完善，濒海及岛屿城市修建地铁已经成为可能[1]。厦门市地处沿海地区，主城区与大陆架隔海相望，因此多条地铁线路采用了下穿海底隧道的设计方案。

当地铁跨海区间隧道发生涌水现象，为保障线路运营和乘客人身安全，应立刻进行应急排水。因此，针对跨海工程特点(大流量、高扬程、高腐蚀和抢险难)，研究安全、可靠和方便维护的应急排水方案显得尤为重要。厦门市是东南沿海重要的中心城市，依据厦门市城市总体规划和综合交通规划：城市轨道交通远景年线网由11条线路组成。截至2020年7月，已建成1、2号线并投入运营，3号线计划2020年底开通。但厦门地铁线路多为跨海线路，存在较多跨海区间隧道。基此，本文以厦门地铁跨海隧道为例，探讨地铁跨海隧道应急排水方案。

1 工程概况

依据厦门地铁远景规划(图1),厦门轨道交通1号线工程起自厦门本岛思明区南部镇海路站，终至集美区后溪镇岩内站，线路长30.3km，2017年年底全线正式运营。该线路在高集海堤、集杏海堤以高架和地面方式跨海出岛。

图1 厦门地铁远景规划控制网

厦门轨道交通2号线工程起自海沧区天竺山，终至本岛东部五缘湾，线路长41.6km，其中，海邮区间(海沧湾公园-邮轮中心过海区间)为国内首条地铁跨海区间隧道，如图2所示。该隧道于2014年底开工，2019年底建成并投入运营，隧道全长2.8km，穿越海域长度2.1km，为双洞单线断面，最大埋深55m。该隧道设置3座废水泵房，其中：1#废水泵房有效容积为143m3，2#废水泵房有效容积为41.4m3，3#废水泵房有效容积26m3,如图3所示。

图2 海邮区间位置平面

图3 海邮区间隧道排水示意

厦门轨道交通3号线工程起自本岛厦门火车站，终至大嶝翔安国际机场，线路长36.7km，其中，五刘区间(五缘湾站-刘五店站过海区间)是目前中国跨越海域最长的地铁区间隧道，如图4所示。该隧道于2016年1月开工，2019年3月双线贯通，隧道全长4.9km，穿越海域长度约3.9km，为双洞单线断面，最大埋深69m。隧道设置2座废水泵房，如图5所示。1#泵房内设集水坑和应急水仓，集水坑有效容积约300m3，集水坑两侧设应急水仓，应急水仓总有效容积约1000m3，满足储存24h区间渗漏水量的要求,且预留扩挖条件。2#泵房设集水坑和应急水仓，集水坑有效容积约350m3，集水坑一侧设应急水仓，应急水仓有效容积约5500m3，满足储存24h区间渗漏水量的要求,且预留扩挖条件。

图4 五刘区间位置平面

图5 五刘区间隧道平面布置

2 常见隧道防排水型式

地铁跨海区间隧道断面形式有圆形和马蹄形，一般盾构隧道为圆形，矿山法隧道(暗挖)为马蹄形。

基于防排水工程是隧道建设的有机组成部分是关系到隧道建设成败的关键，因此地铁隧道选择何种防排水型式，使得该防排水系统具备多道设防、安全、可靠、经济的特点，同时具备后期运营期间的可维护性，显得尤为重要。

隧道防排水型式经历了从单纯的盲沟排水、平导排水、泄水洞排水的第一阶段，发展到依靠混凝土自防水和排水盲沟排水的第二阶段，又发展到依靠注浆加固圈、喷射混凝土、防水隔离层、混凝土自防水、排水体系排水及变形缝防水处理的综合防排水系统的第三阶段。对于防排水系统的划分，国外一般以埋深50mm～70m为限，低于这个深度的隧道，一般采用全包防水系统，高于这个深度的隧道一般采用排水系统。国内地铁隧道绝大部分采用全包防水方式，小部分城市一些地铁线路采用全(半)包排水系统(杭州、深圳、重庆等城市)[2]。

盾构法隧道均采用全包防水系统(例如：厦门市2号线海邮区间)；浅埋水域矿山法隧道一般情况下采用全包防水型隧道(例如：厦门市2号线观林区间和林金区间等)；由于大断面高水头隧道采用全水头计算无法满足结构安全和裂缝控制要求，深埋水域矿山法隧道多采用排水形式，且根据底板是防水板还是排水板又分为半包排水系统(例如：厦门市翔安隧道、青岛市胶州湾隧道II/III级围岩段、厦门市3号线五刘区间II/III级围岩矿山法段等)和全包排水系统(例如：青岛市胶州湾隧道IV/V级围岩段、厦门市3号线五刘区间IV/V级围岩矿山法段等)。

跨海地铁区间隧道防排水措施难点在于高水压和隧道渗漏水量无法准确计算。防排水措施应有效控制仰拱下水头压力，防止仰拱病害发生；在排水设计过程，渗漏水量可参考类似工程进行确定[1]。例如：厦门市2号线海邮区间地质条件与广深港狮子洋隧道地质条件类似，海邮区间的结构渗漏水量按照其渗漏水量进行参考取值计算。

“防、排、堵、截相结合，因地制宜，综合治理”是地铁隧道的防水原则[2]。五刘区间为长、大过海地铁区间隧道，结构渗水量大，对运营排水能力要求较高。该工程遵循“以堵为主，堵排结合”设计理念，通过超前注浆等措施，严格控制隧道排水量；充分考虑排水系统可维护性，适当增加纵向排水盲管直径，并沿隧道纵向间隔设置检查井，利用高压水枪对堵塞管路进行疏通；在区间设置2座大型废水泵房，并根据隧道施工期间涌水量量测，对泵房容量进行动态调整，使其至少能容纳24h隧道渗漏水量[3]。

3 应急排水

隧道主动排水有3个方面:结构渗漏水、消防水及轨道清洗用水。正常运营时，地铁区间隧道排水通过侧沟或中心沟收集，汇至下游废水泵房进行提升排水。雨水倒灌问题主要通过洞口附近雨水泵房收集。

然而，由于水土压力长期作用，可能引起混凝土裂隙扩展和裂隙间贯通，造成区间结构大量渗水，雨水从站外大量倒灌进入区间，区间消防管道爆管等，导致隧道内发生突水现象。当区间隧道内水量超过区间废水泵房或洞口雨水泵房的排水能力时，运营部门需及时进行应急排水。跨海区间隧道长度长、埋深大、高水压，且海水具有高腐蚀性等特点，应急抢险难度大。因此，研究安全、可靠和方便维护的应急排水方案，尤为重要。

应急救援一般采用潜水电泵机组进行救援。水泵分为污水潜水泵、清水潜水泵、海水潜水泵3类。海水具有高腐蚀性，对潜水泵材质提出更高要求，跨海地铁区间隧道应急排水需采用海水潜水泵。跨海区间隧道承受高水压，一旦隧道出现突水现象，水量很大，应急排水泵所需总流量高。跨海区间隧道长度长、埋深大、高程差大，造成应急抢险所需排水泵扬程高，且扬程范围大。

应急排水方式，按照水泵设置型式分为单泵直排、并联排水、串联排水3种主要排水方式，3种排水系统分别具有各自优势和适用性。

3.1 单泵直排方案

顾名思义，单泵直排方案采用单台水泵进行一次性强排。其中，卧式多级泵的扬程可达100m～200m。

单泵直排方案可采用软性连接，用移动式潜水泵和水带，如图6所示；或者采用硬性连接，在区间隧道侧壁预先敷设一根DN200球墨铸铁管，分段(建议50m～100m之间)设置快速接头、橡胶软接头、消声止回阀等，应急排水工况下可根据排水点位置就近接驳排水泵和快速接头，如图7所示。

图6 单泵直排方案软性连接方式

单泵直排方案具有现场操作简单、方便优势。然而，当排水点靠近隧道出入口，潜水泵所需扬程较低；当排水点在隧道中部低洼处，潜水泵所需扬程较高。若采用统一型号水泵，高扬程对水泵与水带接口、水带与水带接口的要求较高；且当排水点靠近隧道出入口处，出口自由水头偏大，易发生事故，难以满足现场应急排水需求。若根据扬程分段采用不同型号潜污泵，水泵型号多样化不利于水泵日常维保工作，且应急抢险时频繁换泵不能快速实现排水能力，严重影响抢险救灾效果。因此，为提高抢险效率，应急排水泵选择变频泵，在满足各种埋深条件下排水需求同时，还可以兼顾节能，且能借助轨道工程车实现水泵在隧道内部快速移动。

单泵直排方案重点考虑两个因素：①水泵应便于搬运和现场安装。传统大流量潜水泵外形较大，装备笨重，不利于搬运和现场安装，拖延抢险时效。国内某品牌首创的大流量便携式潜水泵，单泵质量约30kg、排水量100～400m3/h、扬程8m～40m，相对同流量传统水泵重可减轻30km左右。②地下区间最低点往往远离车站变电所，水泵可能因启动电压过低无法正常运行。因此，在工程设计之初，电源位置和预留容量应结合排水后期运维方案设计。

工频水泵的电机功率与流量、扬程存在以下关系式:P(电机功率)=K(系数)×Q(流量)×H(扬程)，由此看出，在电机功率一定的情况下，采用单台水泵一次性强排，提高水泵流量必然要以牺牲扬程为代价，容易造成扬程不足现象，需串联排水；而提高水泵扬程必然要以牺牲流量为代价，容易造成流量不足现象，需增加水泵布置数量进行并联排水[4]。

综上，单泵直排方案适用于埋深小、距离短、渗水量小的车站和区间隧道的应急排水工程，当采用单泵直排方案无法取得理想的排水效果时，应根据灾害具体情况分析对泵采用串联、并联等方式排水。

3.2 并联排水方案

并联排水为2台及以上潜水泵并联运行排水。在实际应急排水工程中，并联排水方式一般选择3～6台同型号潜水泵并联以增大排水量，如图8所示。

图8 并联排水方案示意

潜水泵机组由水泵、潜水电机(包括电缆)和输水管组成。由于并联排水系统泵组数量较多，需要先进、性能可靠的专用成套装备，以保障救援效果。应急救援装备之间配套性好，能够快速形成救援能力；应急救援装备适应性强，可以满足各种实际救灾需要[5]。

并联排水适用于埋深小、距离短的地铁车站和区间隧道的应急排水工程。并联排水能够显著提高排水量，但在实际应用过程存在一定的限制：①随着深度增大，排水泵扬程需要相应提高。参考《建筑给水排水设计标准》(GB50015-2019)第3.4.6条，“扬程超过100m，输水管道承压过大，存在安全隐患”[6]，因此，单独提高排水泵扬程存在一定限制性。②水泵并联数量较多时为水带敷设造成一定的不便。

综上，并联排水方案灵活、快速，但当地铁跨海区间隧道埋深大、距离长时，效果并不理想。当地铁跨海区间隧道埋深大、距离长时，所需水泵扬程大于75m，建议采用串联排水方式。

3.3 串联排水方案

串联排水方案分水泵直接串联排水和中间水池串联排水2种方式。

(1)水泵直接串联排水方案

水泵直接串联排水方案，指的是2台及以上排水泵串联连接进行排水，串联水泵在扬水管道均匀布置，如图9所示。理想状态下，两台水泵串联后，排水流量不变，扬程为两台水泵的扬程之和。

图9 两台水泵直接串联排水方案示意

水泵直接串联排水方案具有以下优点：①在保证流量的同时，解决了单台排水泵扬程不足的问题；②采用多条管线布置时，水泵直接串联排水方式的管线布置和运行操作简单方便，避免了修建中间水池的难题，加快了排水管线投产速度[4]。

水泵直接串联排水方式适用于排水所需扬程高，而现场场地狭窄无法布置中间水池的工程。

但采用水泵直接串联排水方案应注意：串联运行的水泵优先采用同一型号、同一口径的水泵；两级水泵的额定扬程布置应相对均匀。

(2)中间水池串联排水方案

当单台排水泵扬程不能满足排水需求，且现场场地满足布置中间水池条件，可采用中间水池串联排水方案。中间水池(即转输水箱)的调节容积设置参考《建筑给水排水设计标准》GB50015-2019第4.8.4条规定：转输水箱的调节容积宜按提升水泵5min的流量确定。在控制方式上，串联水泵应联动运行。

中间水池串联排水方案具有以下优点：①在保证流量同时，解决了单台排水泵扬程不足的问题；②与水泵直接串联排水方案相比较，串联前、后两台水泵型号及安装方式要求较低。

(3)串联排水方案适用性

串联排水方案可有效解决流量和扬程需求，适用于长、大跨海区间隧道应急排水工程。

4 应急排水方案探讨

综上分析，厦门浅埋地铁车站及区间隧道埋深约20m，排水扬程约30m，扬程较低，可采用单泵直排方案。

厦门深埋地铁车站及区间隧道埋深20m以上、30m以内，扬程约45m,扬程较高；站厅层有条件设置临时中间水池，可采用中间水池串联排水方案或者并联排水方案。厦门地铁2号线海邮区间最大埋深为55m，排水总扬程约75m，区间隧道内空间较小，不适合设置临时中间水池，可采用水泵直接串联排水方案或者并联排水方案。

厦门地铁3号线五刘区间最大埋深69m，排水总扬程约105m，高扬程；区间隧道内空间较小，不适合设置临时中间水池，可采用水泵直接串联排水；跨海地铁区间隧道在日常排水设计中设置多座废水泵房，应急排水时靠近出入口的废水泵房可作为中间水池进行串联排水，永临结合,如表1所示。

表1 地铁隧道应急排水方案探讨 m

5 排水安全措施

设计施工阶段，跨海区间隧道线路宜顺直，以利于运营；选择合理的防排水型式，并根据隧道施工期间的涌水量对泵房容量进行动态调整。

日常维保阶段，高度重视排水安全工作，抓好隐患排查治理工作，对检查发现的问题和隐患，列出清单，建立台账，逐条提出对策措施，严令限期整改；完善应急预案，开展专项演练，切实提升应急处置水平；严阵以待，充分准备，建立应急值班制度，高度重视应急排水措施是否到位，人员到岗等。

应急抢险阶段，抢险之前，不仅要保证排水泵能够排水，还要检查排水能力；报OCC确认相关设备是否已停电，确认无触电危险后，方可进入现场；首次进入现场人员须穿戴绝缘靴、绝缘手套等绝缘防护用品后，方可进入现场查看被淹情况；水泵运行期间应做好电力线路维护，避免发生电击事故；抢险人员应穿救生衣，避免出现溺水事故。