刘宗洲 张正军

（1.中铁二院华东勘察设计有限责任公司，浙江 杭州 310009；2.杭州聚川环保科技股份有限公司，浙江 杭州 310009）

0 引言

轨道交通地下区间废水泵房一般结合联络通道设置在区间的最低点，主要是为了排除区间结构渗漏水、消防废水等。目前，为减少隧道内开挖土方量，降低施工风险和缩短建设工期，天津、宁波、杭州、广州等城市的地铁项目中取消了联络通道下的集水坑，将废水泵房改设于盾构区间的轨道下方，左右线隧道设立独立道床排水泵房。但这些泵房内的排水泵均安装在集水坑内，控制柜一般就近安装，当出现水泵堵塞、泵体故障、失电或控制箱故障时，运营时段内的人员无法进入隧道进行故障排查，集水坑内的积水会逐渐漫延进入隧道甚至越过轨面。按照《城市轨道交通行车组织管理办法》第三十二条之三，“线路积水超过轨面时，列车不得通过。”该文以某一车站和区间作为实例，在车站端部设置汽水混合真空排水泵房，在区间最低点集水坑内设置真空提升器，通过真空排水管路将区间废水吸至车站端头，再压力排至室外。如技术可行，则可避免上述问题，即使在运营期间设备发生故障，维修人员也能在车站端头检修排除故障，操作排水设备排水，避免发生停运事故。

1 系统设置

所选区间隧道左线长1300m，右线长1316m，区间采用盾构法施工。区间废水泵房离车站端头的距离为左线长650m，右线长658m。将区间废水泵房处轨面标高设为±0.00m，联络通道下集水坑底相对标高为-2.5m，车站废水泵房中心里程处站台板相对标高为+5.5m。真空排水泵房的设计思路是，在区间最低点集水坑内设置真空提升器，真空提升器由真空隔膜阀、机械控制器、感应管等组成。随着液位不断上升，感应管内的空气压力也随之增加，当空气压力达到足以触发机械控制器的设定值后，控制器启动，开启真空隔膜阀，污废水进入负压管道。当感应管内压力下降，机械控制器内预先设定时间允许阀开启一段时间，并保持进气。到达预定时间，机械控制器中断负压供应，阀关闭完成一次排污。真空提升器完全由液位变化的机械力驱动，不需要电力，不会受到失电的影响。

从集水坑至车站端头真空泵组之间的真空排水管网采用分段波浪形敷设，每段的上升段由2个45°弯头和1根直短管组成。水平管的安装位置由限界专业确定，一般为沿行车方向右侧敷设，安装高度为轨面标高+0.2m，支线段管道坡度同区间隧道坡度。车站端头的真空泵组由真空罐、真空泵、排水泵等主要设备组成。真空泵、排水泵运行的可靠性是决定整个系统正常运行的关键。真空排水系统运行时，由真空泵提供和维持真空管道及真空罐内保持真空，区间废水在管内通过负压差的作用被输送到真空罐内，当真空罐内水位达到预定水位时，排水泵启动，排出罐内污水。真空排水系统的布置如图1所示。

图1 真空排水系统示意图

2 区间排水量计算

区间隧道内的废水主要为结构渗漏水、隧道和道床冲洗水和消防废水。同时作用的最不利工况为结构渗漏水和区间消防废水。按地下区间防水标准的要求，区间隧道及连接通道等附属的隧道结构防水等级应为二级，隧道工程中漏水的平均渗漏量不应大于0.05L/（㎡·d），任意100㎡防水面积渗漏量不大于0.15L/（㎡·d）。但从实际情况看，隧道的施工技术水平、盾构管片自身的质量和抗渗能力等因素往往会导致渗漏水量偏离设计值，因此需要考虑一定的安全系数，盾构区间结构渗漏水量按0.05L/（㎡·d）计算，盾构内径按5.5m计算，双线区间结构渗漏水量为（1300+131）×3.14×5.5×0.05/24/1000=0.09m³/h。

消防排水量按10L/s计算，即为36m³/h。

区间计算排水量为=36+0.09=36.09m³/h。

区间集水坑最低点距污水泵房真空机组真空主管高度按5.5m，长度按658m计算。

3 真空管材的选取和流态分析

真空管路选用的管材和管件材质应耐腐蚀耐磨损，摩擦阻力小，公称压力不应低于1.0MPa。真空管道的连接方式应可靠，不得出现跑、冒、漏、滴等现象。地下区间一般选择镀锌钢管、钢塑管或不锈钢管，卡箍连接或法兰连接。管道中气液两相的流动型态大致分为7种。如果管道中液体的流量不变，而气体的流量由小到大，则其发生的顺序是：泡状流、团状流、层状流、波状流、冲击流（又称段塞流）、环状流、雾状流。真空排水运行状态下根据气液比和负压度的不同一般处于层状流、冲击流、环状流和雾状流的一种或多种，可以根据计算雷诺数进行判定。

4 水力计算

4.1 流动阻力计算

真空管路中为气液两相流，其水力计算与单相液体或气体的计算方法有较大的区别。根据洛克哈特-马蒂内利计算方法，如果气液两相间无相互作用，则气液两相流动的压差可以按照单相液体或单相气体单独流过该相在两相流中所占的过流断面时的压差计算，水力光滑管气液两相沿程压降公式可为公式（1）。

式中：Δp为气液两相流在整个管路中流动的压差，Δp为假设只有单相液体在整个管路中流动的压差，Δp为假设只有单相气体在整个管路中流动的压差，为气液两相，其处于液相层流-气相层流时，取值20；处于液相层流-气相紊流时，取值12；处于液相紊流-气相层流时，取值10；处于液相紊流-气相紊流时，取值5。根据柯列勃洛可（C.F.Colebrook）公式，单相流体的计算如公式（2）～公式（6）所示。

式中：为单位长度管道沿程水头损失（MPa/m）；为管道的内径（m）；为管道内水的平均流速（m/s）；为流体密度（kg/m³）；为沿程损失阻力系数；为当量粗糙度（m）；为雷诺系数，无量纲；为水的动力黏滞系数（Pa/s）；为水的运动黏滞系数（㎡/s）；为水的温度，宜取10℃。

公式（3）适用范围较广，但计算难度大，需借助计算机辅助求解，也可以利用excel进行单变量求解。计算出阻力系数后，再根据公式（2）计算单位长度沿程损失。首先，计算单相液体的沿程损失，取水量=36.09m/h，取真空主管DN150，管材采用镀锌钢管，计算结果见表1。其次，计算单相气体的沿程损失，气水比取3，则输送气体量为108.27m/h，取真空主管DN150，管材采用镀锌钢管，计算结果见表2。

表1 液相流水力计算表

表2 气相流水力计算表

代入公式（1），根据计算的Re值，可知气液两相处于液相紊流-气相紊流，取5，带入公式（1）计算出沿程阻力：Δp=1.875+5×0.21+0.023=2.95m。

4.2 重力压降计算

对气液混合流，重力压降按照公式（7）计算。

计算可得重力压降为Δp=9.5×0.25×1000×9.8/10000=2.32m。

4.3 总压降计算

总压降按照公式（8）计算。

计算可得总压降为Δp=2.95+2.32=5.27m。

真空机组工作真空度一般为-0.04MPa～-0.07MPa，即4m～7m的吸程，5.27m总压降计算满足真空机组工作真空度要求。

当计算的重力压降超过4m～7m的范围时，可以考虑放大真空管径到DN200；或者设置两根DN150的真空管，从上下行两个区间各敷设1根到车站端头的废水泵房。

5 设备选型

真空泵组的真空罐、真空泵、排水泵均应由计算选定。可参考CECS 316-2012《室外真空排水系统工程技术规程》对真空泵组进行计算并选型。

5.1 空气量计算

真空泵组空气量按公式（9）计算。

式中：q为最大小时空气量（在标准状况下20℃1个标准大气压下）（m³/h）；

q为最大小时污水流量（m³/h）；

为平均气水比。

计算可得真空量为q=36.09×3=108.27 m/h。

5.2 真空泵组最大小时吸入气体量计算

真空泵组最大小时吸入气体总体积按公式（10）计算。

式中：q为真空泵组最大小时吸人气体总体积（m³/h）；为环境气压（kPa），取100kPa；为真空罐内最大的绝对压力（kPa），为真空泵启泵压力，应根据样本选择，本次计算取60kPa；为真空罐内最小的绝对压力（kPa），为真空泵停泵压力，应根据样本选择，本次计算取30kPa；为安全系数，取1.2～1.5。

计算可得真空泵组最大小时吸入气体总体积为q=108.27×1.25×100/[（60+30）/2]=305.75m/h。

5.3 真空泵数量计算

真空泵数量按公式（11）计算。

式中：n为真空泵的数量；q为单台真空泵最大小时吸入气体体积（m³/h）。

应根据真空泵样本选择，当参考样本选择单台q=160m³/h的真空泵时，计算可得真空泵数量为n≥300.75/160+1=2.88台，取3台。

5.4 真空罐的容积计算

真空罐中最小气体体积应按公式（12）计算。

式中：V为真空罐最小气体体积（m³）；为排水泵在1h内的最大开启次数，不大于12次/h。

计算可得真空罐中最小气体体积V=0.25×160×1/2×（30+60）/[（30+60）×（3-1）×12]=0.83m³。

真空罐中最小储水体积按公式（13）计算。

式中：V为真空罐最小储水体积（m³）；q为单台排水泵的排水量（m³/h）。

排水泵将真空罐中收集的废水排至室外，选择2台排水泵，一用一备，必要时同时工作。两台泵同时工作时排水量不应小于36.09m³/h，选择两台q=25m³/h排水泵。

计算可得真空罐最小储水体积V=0.25×25/12=0.52m³。

空罐总容积应按公式（14）计算，且不应小于真空罐最小储水体积的3倍。

式中：为真空罐总容积（m）。

计算可得=0.83+0.52=1.35m³，真空罐最小储水体积的3倍为0.52×3=1.56m³。二者比较取大值，因此取=1.56m³。经过计算，选择1台不小于1.56m³的真空罐。

6 优缺点分析

分析如下。1） 安全性更高。传统废水泵房将排水设备和控制设备设置在末端，当末端出现设备故障、失电时，运营期间维修人员无法进入区间隧道进行排查。采用真空泵房时，末端真空提升器不需要电动力，靠液位驱动；动力设备（真空泵和提升泵）设在车站站台，出现设备故障或失电时，车站维修人员可快速抵达，不影响列车运营。2） 流速更快，冲淤能力更强。排水量为36.09m³/h，选用DN150管道时，流速为=0.59m/s，小于《室外排水设计标准》要求的最小设计流速0.7m/s。当采用真空泵房时，气水比取3，流速达到=2.36m/s，有利于管道冲淤。3） 末端设备应用场所更广。泵站末端真空提升器的吸水高度最小为50mm，远小于潜污泵的最小停泵液位，因此集水坑内积水更低。此外，当集水坑无法设置，需要结合道床设置道床泵站时，采用真空提升器更能满足排水要求。4） 设备投资较高。和传统泵房相比，真空排水泵站在末端设了真空提升器，真空泵组内多了真空泵和真空罐，设备造价比传统泵房要高。5） 规范有不利影响。《地铁设计规范》GB 50157-2013第14.3.5～9要求，“与区间联络通道合建的区间泵站应采用潜污泵”。真空排水泵站所选用的泵组型式为真空泵组，与规范要求不一致。规范主要针对按常规采用的泵站型式，随着技术的发展，特别是郑州地铁5号线水灾事故发生后，运营单位对区间排水的安全性要求更高，采用真空泵站更能满足区间排水安全性要求。

7 结论

真空排水泵房能满足将区间废水的排水要求，设计方案可行。该文选取的真空提升高度为8m、排水管径为DN150、排水长度为658m，并进行了选型计算，当提升高度和排水长度发生变化时，排水管径可以在DN100～DN200进行选择计算。真空排水泵房不仅能应用于传统区间废水泵房，也能应用于设置于道床上的道床排水泵房，应用范围广，前景更佳。当受规范影响时，可以将真空泵站作为区间排水的补充措施或应急措施，或对排水管网进行适当改造，例如在排水管网增加止回阀，还可以利用该设备的高流速对淤积的排水管进行冲洗清淤。因此，地下区间真空排水泵站安全可靠，检修维护方便，提高运营安全，可以作为一种地下区间隧道的排水选择方案。