轨道交通隧道区间常规泵房与内置式泵房应用分析

蔡慧静

(浙江省宁波市建设工程安全质量管理服务总站，浙江 宁波 315040)

0 引 言

轨道交通工程地下区间的废水泵房通常与区间联络通道合建(常规废水泵房)，位置通常在联络通道下方3～5 m深处设废水泵房基坑，施工工艺采用冻结法+矿山法施工。宁波地区属于典型的软土地区，广泛分布着厚层状软土，水系发达，河流众多，具有“地下水位高，土层含水率高，压缩性高，强度低，灵敏度高，透水性低”等特点。轨道地下车站和区间隧道都在高压缩性和易流变软黏土中开挖，部分地段存在流沙，施工难度和风险极高。存在很高的复杂性和不可预测性，特别是施工质量较难控制。全国在类似地质条件下施工发生安全事故的案例也不少，严重者会导致整个轨道交通的损坏，带来重大经济和社会损失[1，2]。

目前，宁波已对改建方案可行性进行了试验研究，并且从轨道交通3号线开始，陆续将常规废水泵房改建在隧道区间内轨道道床下(内置式废水泵房)。笔者结合实际施工案例，对两种泵房从施工工期、造价、风险管控等多方面进行了对比分析。

1 常规废水泵房施工案例

以宁波市轨道交通3号线一期工程某区间内与联络通道合建的常规废水泵房为例，该主体隧道区间长818.618 m，联络通道长为11.241 m。废水泵房长3.2 m，宽2.2 m，深4.15 m。泵站为矩形结构，均采用二次支护方式。初期支护层采用型钢架结合素喷C20早强混凝土，厚度不小于175 mm，初期支护层和结构层之间安装防水层。二次支护结构层采用现浇钢筋混凝土，混凝土强度等级为C40，抗渗等级为P12。二衬厚度为500 mm、底板厚为1 000 mm，两侧墙厚500 mm。

1.1 施工工艺

采取“隧道内钻孔，冻结临时加固土体，矿山法暗挖构筑”的施工工艺，即在隧道内利用水平孔和倾斜孔+冷冻排管冻结加固地层，使联络通道及泵站外围土体冻结，形成一个按设计轮廓的冻土墙或密闭的冻土体，用以抵抗土体压力、隔绝地下水，并在冻土墙的保护下，采用矿山法进行通道及废水泵房的开挖构筑施工。

1.2 施工流程

施工准备→冻结孔施工和冻结站安装→冻结→安装预应力支架→探孔检验和试挖→通道开挖并临时支护、开挖、结构施工全过程维护冻结→通道结构层施工→泵房集水井开挖与临时支护→泵房集水井结构层施工→停冻、冻结系统拆除→地层跟踪注浆。

图1 联络通道开挖顺序图

1.3 施工工期

施工各环节所需的时间见表1。

表1 施工时间计算

由表1可见，括号内为因泵房施工增加的工时，纯联络通道施工的时间比联络通道内设置废水泵房的施工时间，缩短了23天，近1个月。

此外，在低温(负温)条件下，由于土中的原位水以及未冻区的水分迁移到冻结区的水结冰造成体积膨胀，引起土体膨胀的现象。冻结影响区域内土体的冻胀和融降会引起较大的土层位移，因此须加强施工监测，待通道结构施工结束后，跟踪监测待地层稳定后结束监测，监测周期长达5个月。

1.4 冰冻法施工风险

采用冻结法施工的暗挖通道，有发现过制冷量不足、冻土帷幕恶化、冻土强度不足，开挖后管片失稳、设备异常停机、帷幕缺陷、冻土变形和泵站开挖涌水等现象[3]。

1.5 造 价

联络通道(含常规废水泵房)的总体施工费用约为260万，其中常规废水泵房的总施工费用约为33万。

2 内置式废水泵房

内置式废水泵房取消联络通道下方的废水泵房，在上、下行区间隧道内线路实际最低点处分别设置。主要利用轨道下方道床及隧道结构空间设置长条形的集水坑，消防废水和结构渗漏水由区间隧道道床排水沟收集后，排入内置式废水泵房的集水坑。

2.1 设计思路

宁波常规的盾构区间隧道管片采用预制装配式钢筋混凝土管片，管片内径5 500 mm，外径为6 200 mm；管片拼装采用楔形环错缝拼装；管片为通用型，厚度为350 mm，管片环宽为1.2 m。由于5 500 mm内径的盾构区间道床高度有限，集水坑的高度不能满足水位控制及水泵安装要求，由常规的混凝土管片改成钢管片，利用钢管片纵横向加劲肋之间的空腔作为吸水坑的空间。钢管片采用Q235B钢，由背板、端板、环向加劲板、纵向加劲板焊接而成,厚度为350 mm。

2.1.1 轨道交通盾构区间用水量计算

《轨道交通设计规范》第28.3.3条规定：地下区间轨道交通消火栓给水用水量应为10 L/s。《消防给水及消火栓系统技术规范》中的表3.6.2规定：地下建筑、轨道交通车站火灾延续时间为2.0 h。综上：地下区间轨道交通消防用水量为36 m3/h。

《地铁设计规范》第14.3.5条规定：区间排水泵站应设2台排水泵，平时应1台工作，必要时应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。而结构渗漏水量较小，水量计算时按消防水量校核即可。

轨道交通盾构区间废水泵房集水池有效容积按《地铁设计规范》第14.3.6条的规定计算：区间排水泵站的集水池有效容积不应小于最大1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。

根据上述分析，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。同时，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。

综上，轨道交通盾构区间废水泵房选用2台20 m3/h潜污泵。

2.1.2 集水池尺寸计算

在轨道交通盾构区间线路实际最低点设置一处800 mm(W)×600 mm(D)(集水池水深为轨道沟沟底至池底最低点)集水坑。为同时满足集水池有效容积不应小于最大1台排水泵15 min的出水量，集水坑的有效容积需最小为5 m3。

集水坑有效容积为：二泵启泵水位与停泵水位差(0.75-0.30=0.45 m)×集水坑长×集水坑宽(0.8m)

集水坑沿轨道方向长=5÷(0.8×0.45)=13.9 m。

考虑部分管道安装空间，以及轨道横梁占用空间，集水坑长为14.4 m。集水坑尺寸14 400 mm(L)×800 mm(W)×600 mm(D)。

考虑到集水池底部需要有10%的坡度坡向水泵吸水坑，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。

2.1.3 排水管路布置

潜污泵排水管通过轨下空间至区间侧壁，之后沿区间侧壁排入车站。

2.1.4 轨道道床

最低点集水坑处轨道结构为短枕式整体道床，集水坑长度14.4 m，宽度800 mm，深度直到管片表面。

集水坑范围每间隔1.2 m设置一根横撑，横撑尺寸200 mm×200 mm，上表面低于道床面50 mm，并安装盖板，满足道床面疏散要求。

2.1.5 区间结构

内置式泵房长度为14.4 m，共12环管片，在泵坑部位底部管片布置钢管片，泵坑均匀布置，两泵坑间隔4环普通混凝土管片。水泵下方钢管片空间：吸水坑尺寸为800 mm×460 mm×240 mm。

在宁波轨道交通工程3号线中选取一个有内置式废水泵房的区间，其区间长度约为1 020 m。泵房集水坑长为14.4 m，集水坑尺寸为14 400 mm(长)×800 mm(宽)×600 mm(高)。吸水坑尺寸为800 mm×460 mm×240 mm。

2.2 施工工艺及流程

厂家加工钢管片(废水泵房的一部分)→盾构掘进过程中进行钢管片的安装→填充泵坑处管片→遇水膨胀聚氨酯止水胶施工→道床钢筋模板安装→混凝土浇筑。

2.3 废水泵房施工

泵房长度为14.4 m，共12环管片，在泵坑部位底部管片布置钢管片，泵坑两侧均匀布置，两泵坑间隔4环普通混凝土管片，如图2、图3所示。

图2 内置式废水泵房平面布置图

图3 内置式废水泵房集水坑剖面图

主隧道铺设钢管片后，首先填充泵坑处管片。采用填充C40混凝土对泵坑两侧的管片内隔腔进行回填，待泵坑施工完成后，根据线路中心桩确定止水胶的施工区域，保持此地段的盾构壁干燥，确保止水胶与盾构壁、混凝土与盾构壁有效连接。

为防止泵房内废水、结构渗漏水及道床排水沟内的水进入管片与道床结合面，应在集水井两侧各设置2道聚氨酯止水胶。止水胶施工时管片表面砂浆抹平，清扫管片表面，再进行止水胶施工，待其硬化养生后，设置道床钢筋、模板，最后浇筑道床混凝土。

道床中心水沟宽度为800 mm，每处内置式泵房处设置11个横撑，其中低于道床面50 mm的横撑共有7个，截面尺寸为200 mm×200 mm；高于道床面50 mm的横撑共有4个(设置于泵坑两侧)，截面尺寸为200 mm×290 mm。

2.4 施工时间

钢管片安装是在主隧道掘进时安装完成的，其施工时间与普通混凝土管片时间相等，没有额外增加工时。但是由于该泵房混凝土结构施工后期由铺设道床的施工单位施工完成，根据设计要求，需额外完成填充泵坑处管片、防水施工、集水坑钢筋模板安装等工序，需增加3～4 d的工时。

2.5 施工风险

内置式泵房施工中钢管片安装与普通的混凝土管片安装一致，施工风险相对较小，但对钢管片要求较高，如焊缝、防腐等。对钢管片运输、堆放以及施工安装水平的要求也有所提高，混凝土管片稍有破损不影响使用，钢管片若有破损，其防腐层势必被破坏，也就意味着不满足防腐要求了。

2.6 造 价

隧道区间上、下行线对称设置废水泵房，工程造价主要为钢管片的费用约为15万(为已减去混凝土管片价格的差价)以及集水坑钢筋模板额外增加的费用2万，因而总体费用约为17万。

3 两种类型泵房的比对

两种类型的泵房，工期上而言，根据表1所示，取消联络通道内废水泵房，可节省24个工作日，但由于道床内泵房的施工会额外增加3～4个工作日，因而最后可节约20个工作日。内置式废水泵房与常规的废水泵房相比，总体工期将近缩短了266天，造价大约减少了16万，因冰冻法产生的施工安全风险也大大降低。

4 结 论

综上所述，通过应用于宁波市轨道交通3号线的两种类型的废水泵房实际施工案例对比分析可以得出，常规的废水泵房与内置式废水泵房从施工工艺、总体造价、施工风险等方面相比，后者施工工期更短、造价更低、施工过程更安全，只是运营维护相对烦琐，综合比较后认为采用内置式废水泵房更有优势。

但是由于内置式废水泵房部分是钢管片，发现其在运输、堆放及施工中难免会破坏其外防腐层，因而在地下水丰富的宁波地区其实际寿命是否能满足100年设计使用年限还有待考证。其次，有其他设置内置式废水泵房的城市显示，该泵房段存在钢轨及扣件等部件锈蚀、浮置板道床内隔振器被水浸泡、潜污泵故障次数多导致更换较频繁、道床表面出现破碎掉块等问题[4]。