楊彩玲

(廈門軌道交通集團有限公司 福建廈門 361000)

0 引言

隨著國內(nèi)諸多城市興起軌道交通建設(shè)熱潮，東南沿海城市地鐵跨海隧道建設(shè)也迎來了建設(shè)高峰，并隨著近20年來的我國隧道建設(shè)及管理水平明顯提高，對超長跨海隧道的建設(shè)、運營理論認知度趨于完善，瀕海及島嶼城市修建地鐵已經(jīng)成為可能[1]。廈門市地處沿海地區(qū)，主城區(qū)與大陸架隔海相望，因此多條地鐵線路采用了下穿海底隧道的設(shè)計方案。

當(dāng)?shù)罔F跨海區(qū)間隧道發(fā)生涌水現(xiàn)象，為保障線路運營和乘客人身安全，應(yīng)立刻進行應(yīng)急排水。因此，針對跨海工程特點(大流量、高揚程、高腐蝕和搶險難)，研究安全、可靠和方便維護的應(yīng)急排水方案顯得尤為重要。廈門市是東南沿海重要的中心城市，依據(jù)廈門市城市總體規(guī)劃和綜合交通規(guī)劃：城市軌道交通遠景年線網(wǎng)由11條線路組成。截至2020年7月，已建成1、2號線并投入運營，3號線計劃2020年底開通。但廈門地鐵線路多為跨海線路，存在較多跨海區(qū)間隧道。基此，本文以廈門地鐵跨海隧道為例，探討地鐵跨海隧道應(yīng)急排水方案。

1 工程概況

依據(jù)廈門地鐵遠景規(guī)劃(圖1),廈門軌道交通1號線工程起自廈門本島思明區(qū)南部鎮(zhèn)海路站，終至集美區(qū)后溪鎮(zhèn)巖內(nèi)站，線路長30.3km，2017年年底全線正式運營。該線路在高集海堤、集杏海堤以高架和地面方式跨海出島。

圖1 廈門地鐵遠景規(guī)劃控制網(wǎng)

廈門軌道交通2號線工程起自海滄區(qū)天竺山，終至本島東部五緣灣，線路長41.6km，其中，海郵區(qū)間(海滄灣公園-郵輪中心過海區(qū)間)為國內(nèi)首條地鐵跨海區(qū)間隧道，如圖2所示。該隧道于2014年底開工，2019年底建成并投入運營，隧道全長2.8km，穿越海域長度2.1km，為雙洞單線斷面，最大埋深55m。該隧道設(shè)置3座廢水泵房，其中：1#廢水泵房有效容積為143m3，2#廢水泵房有效容積為41.4m3，3#廢水泵房有效容積26m3,如圖3所示。

圖2 海郵區(qū)間位置平面

圖3 海郵區(qū)間隧道排水示意

廈門軌道交通3號線工程起自本島廈門火車站，終至大嶝翔安國際機場，線路長36.7km，其中，五劉區(qū)間(五緣灣站-劉五店站過海區(qū)間)是目前中國跨越海域最長的地鐵區(qū)間隧道，如圖4所示。該隧道于2016年1月開工，2019年3月雙線貫通，隧道全長4.9km，穿越海域長度約3.9km，為雙洞單線斷面，最大埋深69m。隧道設(shè)置2座廢水泵房，如圖5所示。1#泵房內(nèi)設(shè)集水坑和應(yīng)急水倉，集水坑有效容積約300m3，集水坑兩側(cè)設(shè)應(yīng)急水倉，應(yīng)急水倉總有效容積約1000m3，滿足儲存24h區(qū)間滲漏水量的要求,且預(yù)留擴挖條件。2#泵房設(shè)集水坑和應(yīng)急水倉，集水坑有效容積約350m3，集水坑一側(cè)設(shè)應(yīng)急水倉，應(yīng)急水倉有效容積約5500m3，滿足儲存24h區(qū)間滲漏水量的要求,且預(yù)留擴挖條件。

圖4 五劉區(qū)間位置平面

圖5 五劉區(qū)間隧道平面布置

2 常見隧道防排水型式

地鐵跨海區(qū)間隧道斷面形式有圓形和馬蹄形，一般盾構(gòu)隧道為圓形，礦山法隧道(暗挖)為馬蹄形。

基于防排水工程是隧道建設(shè)的有機組成部分是關(guān)系到隧道建設(shè)成敗的關(guān)鍵，因此地鐵隧道選擇何種防排水型式，使得該防排水系統(tǒng)具備多道設(shè)防、安全、可靠、經(jīng)濟的特點，同時具備后期運營期間的可維護性，顯得尤為重要。

隧道防排水型式經(jīng)歷了從單純的盲溝排水、平導(dǎo)排水、泄水洞排水的第一階段，發(fā)展到依靠混凝土自防水和排水盲溝排水的第二階段，又發(fā)展到依靠注漿加固圈、噴射混凝土、防水隔離層、混凝土自防水、排水體系排水及變形縫防水處理的綜合防排水系統(tǒng)的第三階段。對于防排水系統(tǒng)的劃分，國外一般以埋深50mm～70m為限，低于這個深度的隧道，一般采用全包防水系統(tǒng)，高于這個深度的隧道一般采用排水系統(tǒng)。國內(nèi)地鐵隧道絕大部分采用全包防水方式，小部分城市一些地鐵線路采用全(半)包排水系統(tǒng)(杭州、深圳、重慶等城市)[2]。

盾構(gòu)法隧道均采用全包防水系統(tǒng)(例如：廈門市2號線海郵區(qū)間)；淺埋水域礦山法隧道一般情況下采用全包防水型隧道(例如：廈門市2號線觀林區(qū)間和林金區(qū)間等)；由于大斷面高水頭隧道采用全水頭計算無法滿足結(jié)構(gòu)安全和裂縫控制要求，深埋水域礦山法隧道多采用排水形式，且根據(jù)底板是防水板還是排水板又分為半包排水系統(tǒng)(例如：廈門市翔安隧道、青島市膠州灣隧道II/III級圍巖段、廈門市3號線五劉區(qū)間II/III級圍巖礦山法段等)和全包排水系統(tǒng)(例如：青島市膠州灣隧道IV/V級圍巖段、廈門市3號線五劉區(qū)間IV/V級圍巖礦山法段等)。

跨海地鐵區(qū)間隧道防排水措施難點在于高水壓和隧道滲漏水量無法準(zhǔn)確計算。防排水措施應(yīng)有效控制仰拱下水頭壓力，防止仰拱病害發(fā)生；在排水設(shè)計過程，滲漏水量可參考類似工程進行確定[1]。例如：廈門市2號線海郵區(qū)間地質(zhì)條件與廣深港獅子洋隧道地質(zhì)條件類似，海郵區(qū)間的結(jié)構(gòu)滲漏水量按照其滲漏水量進行參考取值計算。

“防、排、堵、截相結(jié)合，因地制宜，綜合治理”是地鐵隧道的防水原則[2]。五劉區(qū)間為長、大過海地鐵區(qū)間隧道，結(jié)構(gòu)滲水量大，對運營排水能力要求較高。該工程遵循“以堵為主，堵排結(jié)合”設(shè)計理念，通過超前注漿等措施，嚴格控制隧道排水量；充分考慮排水系統(tǒng)可維護性，適當(dāng)增加縱向排水盲管直徑，并沿隧道縱向間隔設(shè)置檢查井，利用高壓水槍對堵塞管路進行疏通；在區(qū)間設(shè)置2座大型廢水泵房，并根據(jù)隧道施工期間涌水量量測，對泵房容量進行動態(tài)調(diào)整，使其至少能容納24h隧道滲漏水量[3]。

3 應(yīng)急排水

隧道主動排水有3個方面:結(jié)構(gòu)滲漏水、消防水及軌道清洗用水。正常運營時，地鐵區(qū)間隧道排水通過側(cè)溝或中心溝收集，匯至下游廢水泵房進行提升排水。雨水倒灌問題主要通過洞口附近雨水泵房收集。

然而，由于水土壓力長期作用，可能引起混凝土裂隙擴展和裂隙間貫通，造成區(qū)間結(jié)構(gòu)大量滲水，雨水從站外大量倒灌進入?yún)^(qū)間，區(qū)間消防管道爆管等，導(dǎo)致隧道內(nèi)發(fā)生突水現(xiàn)象。當(dāng)區(qū)間隧道內(nèi)水量超過區(qū)間廢水泵房或洞口雨水泵房的排水能力時，運營部門需及時進行應(yīng)急排水?？绾^(qū)間隧道長度長、埋深大、高水壓，且海水具有高腐蝕性等特點，應(yīng)急搶險難度大。因此，研究安全、可靠和方便維護的應(yīng)急排水方案，尤為重要。

應(yīng)急救援一般采用潛水電泵機組進行救援。水泵分為污水潛水泵、清水潛水泵、海水潛水泵3類。海水具有高腐蝕性，對潛水泵材質(zhì)提出更高要求，跨海地鐵區(qū)間隧道應(yīng)急排水需采用海水潛水泵?？绾^(qū)間隧道承受高水壓，一旦隧道出現(xiàn)突水現(xiàn)象，水量很大，應(yīng)急排水泵所需總流量高?？绾^(qū)間隧道長度長、埋深大、高程差大，造成應(yīng)急搶險所需排水泵揚程高，且揚程范圍大。

應(yīng)急排水方式，按照水泵設(shè)置型式分為單泵直排、并聯(lián)排水、串聯(lián)排水3種主要排水方式，3種排水系統(tǒng)分別具有各自優(yōu)勢和適用性。

3.1 單泵直排方案

顧名思義，單泵直排方案采用單臺水泵進行一次性強排。其中，臥式多級泵的揚程可達100m～200m。

單泵直排方案可采用軟性連接，用移動式潛水泵和水帶，如圖6所示；或者采用硬性連接，在區(qū)間隧道側(cè)壁預(yù)先敷設(shè)一根DN200球墨鑄鐵管，分段(建議50m～100m之間)設(shè)置快速接頭、橡膠軟接頭、消聲止回閥等，應(yīng)急排水工況下可根據(jù)排水點位置就近接駁排水泵和快速接頭，如圖7所示。

圖6 單泵直排方案軟性連接方式

單泵直排方案具有現(xiàn)場操作簡單、方便優(yōu)勢。然而，當(dāng)排水點靠近隧道出入口，潛水泵所需揚程較低；當(dāng)排水點在隧道中部低洼處，潛水泵所需揚程較高。若采用統(tǒng)一型號水泵，高揚程對水泵與水帶接口、水帶與水帶接口的要求較高；且當(dāng)排水點靠近隧道出入口處，出口自由水頭偏大，易發(fā)生事故，難以滿足現(xiàn)場應(yīng)急排水需求。若根據(jù)揚程分段采用不同型號潛污泵，水泵型號多樣化不利于水泵日常維保工作，且應(yīng)急搶險時頻繁換泵不能快速實現(xiàn)排水能力，嚴重影響搶險救災(zāi)效果。因此，為提高搶險效率，應(yīng)急排水泵選擇變頻泵，在滿足各種埋深條件下排水需求同時，還可以兼顧節(jié)能，且能借助軌道工程車實現(xiàn)水泵在隧道內(nèi)部快速移動。

單泵直排方案重點考慮兩個因素：①水泵應(yīng)便于搬運和現(xiàn)場安裝。傳統(tǒng)大流量潛水泵外形較大，裝備笨重，不利于搬運和現(xiàn)場安裝，拖延搶險時效。國內(nèi)某品牌首創(chuàng)的大流量便攜式潛水泵，單泵質(zhì)量約30kg、排水量100～400m3/h、揚程8m～40m，相對同流量傳統(tǒng)水泵重可減輕30km左右。②地下區(qū)間最低點往往遠離車站變電所，水泵可能因啟動電壓過低無法正常運行。因此，在工程設(shè)計之初，電源位置和預(yù)留容量應(yīng)結(jié)合排水后期運維方案設(shè)計。

工頻水泵的電機功率與流量、揚程存在以下關(guān)系式:P(電機功率)=K(系數(shù))×Q(流量)×H(揚程)，由此看出，在電機功率一定的情況下，采用單臺水泵一次性強排，提高水泵流量必然要以犧牲揚程為代價，容易造成揚程不足現(xiàn)象，需串聯(lián)排水；而提高水泵揚程必然要以犧牲流量為代價，容易造成流量不足現(xiàn)象，需增加水泵布置數(shù)量進行并聯(lián)排水[4]。

綜上，單泵直排方案適用于埋深小、距離短、滲水量小的車站和區(qū)間隧道的應(yīng)急排水工程，當(dāng)采用單泵直排方案無法取得理想的排水效果時，應(yīng)根據(jù)災(zāi)害具體情況分析對泵采用串聯(lián)、并聯(lián)等方式排水。

3.2 并聯(lián)排水方案

并聯(lián)排水為2臺及以上潛水泵并聯(lián)運行排水。在實際應(yīng)急排水工程中，并聯(lián)排水方式一般選擇3～6臺同型號潛水泵并聯(lián)以增大排水量，如圖8所示。

圖8 并聯(lián)排水方案示意

潛水泵機組由水泵、潛水電機(包括電纜)和輸水管組成。由于并聯(lián)排水系統(tǒng)泵組數(shù)量較多，需要先進、性能可靠的專用成套裝備，以保障救援效果。應(yīng)急救援裝備之間配套性好，能夠快速形成救援能力；應(yīng)急救援裝備適應(yīng)性強，可以滿足各種實際救災(zāi)需要[5]。

并聯(lián)排水適用于埋深小、距離短的地鐵車站和區(qū)間隧道的應(yīng)急排水工程。并聯(lián)排水能夠顯著提高排水量，但在實際應(yīng)用過程存在一定的限制：①隨著深度增大，排水泵揚程需要相應(yīng)提高。參考《建筑給水排水設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》(GB50015-2019)第3.4.6條，“揚程超過100m，輸水管道承壓過大，存在安全隱患”[6]，因此，單獨提高排水泵揚程存在一定限制性。②水泵并聯(lián)數(shù)量較多時為水帶敷設(shè)造成一定的不便。

綜上，并聯(lián)排水方案靈活、快速，但當(dāng)?shù)罔F跨海區(qū)間隧道埋深大、距離長時，效果并不理想。當(dāng)?shù)罔F跨海區(qū)間隧道埋深大、距離長時，所需水泵揚程大于75m，建議采用串聯(lián)排水方式。

3.3 串聯(lián)排水方案

串聯(lián)排水方案分水泵直接串聯(lián)排水和中間水池串聯(lián)排水2種方式。

(1)水泵直接串聯(lián)排水方案

水泵直接串聯(lián)排水方案，指的是2臺及以上排水泵串聯(lián)連接進行排水，串聯(lián)水泵在揚水管道均勻布置，如圖9所示。理想狀態(tài)下，兩臺水泵串聯(lián)后，排水流量不變，揚程為兩臺水泵的揚程之和。

圖9 兩臺水泵直接串聯(lián)排水方案示意

水泵直接串聯(lián)排水方案具有以下優(yōu)點：①在保證流量的同時，解決了單臺排水泵揚程不足的問題；②采用多條管線布置時，水泵直接串聯(lián)排水方式的管線布置和運行操作簡單方便，避免了修建中間水池的難題，加快了排水管線投產(chǎn)速度[4]。

水泵直接串聯(lián)排水方式適用于排水所需揚程高，而現(xiàn)場場地狹窄無法布置中間水池的工程。

但采用水泵直接串聯(lián)排水方案應(yīng)注意：串聯(lián)運行的水泵優(yōu)先采用同一型號、同一口徑的水泵；兩級水泵的額定揚程布置應(yīng)相對均勻。

(2)中間水池串聯(lián)排水方案

當(dāng)單臺排水泵揚程不能滿足排水需求，且現(xiàn)場場地滿足布置中間水池條件，可采用中間水池串聯(lián)排水方案。中間水池(即轉(zhuǎn)輸水箱)的調(diào)節(jié)容積設(shè)置參考《建筑給水排水設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》GB50015-2019第4.8.4條規(guī)定：轉(zhuǎn)輸水箱的調(diào)節(jié)容積宜按提升水泵5min的流量確定。在控制方式上，串聯(lián)水泵應(yīng)聯(lián)動運行。

中間水池串聯(lián)排水方案具有以下優(yōu)點：①在保證流量同時，解決了單臺排水泵揚程不足的問題；②與水泵直接串聯(lián)排水方案相比較，串聯(lián)前、后兩臺水泵型號及安裝方式要求較低。

(3)串聯(lián)排水方案適用性

串聯(lián)排水方案可有效解決流量和揚程需求，適用于長、大跨海區(qū)間隧道應(yīng)急排水工程。

4 應(yīng)急排水方案探討

綜上分析，廈門淺埋地鐵車站及區(qū)間隧道埋深約20m，排水揚程約30m，揚程較低，可采用單泵直排方案。

廈門深埋地鐵車站及區(qū)間隧道埋深20m以上、30m以內(nèi)，揚程約45m,揚程較高；站廳層有條件設(shè)置臨時中間水池，可采用中間水池串聯(lián)排水方案或者并聯(lián)排水方案。廈門地鐵2號線海郵區(qū)間最大埋深為55m，排水總揚程約75m，區(qū)間隧道內(nèi)空間較小，不適合設(shè)置臨時中間水池，可采用水泵直接串聯(lián)排水方案或者并聯(lián)排水方案。

廈門地鐵3號線五劉區(qū)間最大埋深69m，排水總揚程約105m，高揚程；區(qū)間隧道內(nèi)空間較小，不適合設(shè)置臨時中間水池，可采用水泵直接串聯(lián)排水；跨海地鐵區(qū)間隧道在日常排水設(shè)計中設(shè)置多座廢水泵房，應(yīng)急排水時靠近出入口的廢水泵房可作為中間水池進行串聯(lián)排水，永臨結(jié)合,如表1所示。

表1 地鐵隧道應(yīng)急排水方案探討 m

5 排水安全措施

設(shè)計施工階段，跨海區(qū)間隧道線路宜順直，以利于運營；選擇合理的防排水型式，并根據(jù)隧道施工期間的涌水量對泵房容量進行動態(tài)調(diào)整。

日常維保階段，高度重視排水安全工作，抓好隱患排查治理工作，對檢查發(fā)現(xiàn)的問題和隱患，列出清單，建立臺賬，逐條提出對策措施，嚴令限期整改；完善應(yīng)急預(yù)案，開展專項演練，切實提升應(yīng)急處置水平；嚴陣以待，充分準(zhǔn)備，建立應(yīng)急值班制度，高度重視應(yīng)急排水措施是否到位，人員到崗等。

應(yīng)急搶險階段，搶險之前，不僅要保證排水泵能夠排水，還要檢查排水能力；報OCC確認相關(guān)設(shè)備是否已停電，確認無觸電危險后，方可進入現(xiàn)場；首次進入現(xiàn)場人員須穿戴絕緣靴、絕緣手套等絕緣防護用品后，方可進入現(xiàn)場查看被淹情況；水泵運行期間應(yīng)做好電力線路維護，避免發(fā)生電擊事故；搶險人員應(yīng)穿救生衣，避免出現(xiàn)溺水事故。

6 結(jié)語

目前，國內(nèi)長大地鐵跨海區(qū)間隧道的運營系統(tǒng)理論尚不完善，長大地鐵跨海區(qū)間隧道在應(yīng)急工況下運營模式的安全性有待進一步研究，亟需研究長、大地鐵跨海區(qū)間隧道的防災(zāi)救援關(guān)鍵技術(shù)[1]。應(yīng)全面落實習(xí)近平總書記“管生產(chǎn)經(jīng)營必須管安全”的指示，在各個階段認真做好地鐵安全保障工作。