地鐵跨海隧道應急排水方案研究
——以廈門地鐵跨海隧道為例

楊彩玲

(廈門軌道交通集團有限公司 福建廈門 361000)

0 引言

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

當地鐵跨海區間隧道發生涌水現象，為保障線路運營和乘客人身安全，應立刻進行應急排水。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，依據廈門市城市總體規劃和綜合交通規劃：城市軌道交通遠景年線網由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，存在較多跨海區間隧道?；?，本文以廈門地鐵跨海隧道為例，探討地鐵跨海隧道應急排水方案。

1 工程概況

依據廈門地鐵遠景規劃(圖1),廈門軌道交通1號線工程起自廈門本島思明區南部鎮海路站，終至集美區后溪鎮巖內站，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 廈門地鐵遠景規劃控制網

廈門軌道交通2號線工程起自海滄區天竺山，終至本島東部五緣灣，線路長41.6km，其中，海郵區間(海滄灣公園-郵輪中心過海區間)為國內首條地鐵跨海區間隧道，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 海郵區間位置平面

圖3 海郵區間隧道排水示意

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，五劉區間(五緣灣站-劉五店站過海區間)是目前中國跨越海域最長的地鐵區間隧道，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。隧道設置2座廢水泵房，如圖5所示。1#泵房內設集水坑和應急水倉，集水坑有效容積約300m3，集水坑兩側設應急水倉，應急水倉總有效容積約1000m3，滿足儲存24h區間滲漏水量的要求,且預留擴挖條件。2#泵房設集水坑和應急水倉，集水坑有效容積約350m3，集水坑一側設應急水倉，應急水倉有效容積約5500m3，滿足儲存24h區間滲漏水量的要求,且預留擴挖條件。

圖4 五劉區間位置平面

圖5 五劉區間隧道平面布置

2 常見隧道防排水型式

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

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

隧道防排水型式經歷了從單純的盲溝排水、平導排水、泄水洞排水的第一階段，發展到依靠混凝土自防水和排水盲溝排水的第二階段，又發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的第三階段。對于防排水系統的劃分，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，高于這個深度的隧道一般采用排水系統。國內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(杭州、深圳、重慶等城市)[2]。

盾構法隧道均采用全包防水系統(例如：廈門市2號線海郵區間)；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號線觀林區間和林金區間等)；由于大斷面高水頭隧道采用全水頭計算無法滿足結構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，且根據底板是防水板還是排水板又分為半包排水系統(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號線五劉區間II/III級圍巖礦山法段等)和全包排水系統(例如：青島市膠州灣隧道IV/V級圍巖段、廈門市3號線五劉區間IV/V級圍巖礦山法段等)。

跨海地鐵區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確計算。防排水措施應有效控制仰拱下水頭壓力，防止仰拱病害發生；在排水設計過程，滲漏水量可參考類似工程進行確定[1]。例如：廈門市2號線海郵區間地質條件與廣深港獅子洋隧道地質條件類似，海郵區間的結構滲漏水量按照其滲漏水量進行參考取值計算。

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

3 應急排水

隧道主動排水有3個方面:結構滲漏水、消防水及軌道清洗用水。正常運營時，地鐵區間隧道排水通過側溝或中心溝收集，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，造成區間結構大量滲水，雨水從站外大量倒灌進入區間，區間消防管道爆管等，導致隧道內發生突水現象。當區間隧道內水量超過區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急排水?？绾^間隧道長度長、埋深大、高水壓，且海水具有高腐蝕性等特點，應急搶險難度大。因此，研究安全、可靠和方便維護的應急排水方案，尤為重要。

應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，對潛水泵材質提出更高要求，跨海地鐵區間隧道應急排水需采用海水潛水泵?？绾^間隧道承受高水壓，一旦隧道出現突水現象，水量很大，應急排水泵所需總流量高?？绾^間隧道長度長、埋深大、高程差大，造成應急搶險所需排水泵揚程高，且揚程范圍大。

應急排水方式，按照水泵設置型式分為單泵直排、并聯排水、串聯排水3種主要排水方式，3種排水系統分別具有各自優勢和適用性。

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，在區間隧道側壁預先敷設一根DN200球墨鑄鐵管，分段(建議50m～100m之間)設置快速接頭、橡膠軟接頭、消聲止回閥等，應急排水工況下可根據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場操作簡單、方便優勢。然而，當排水點靠近隧道出入口，潛水泵所需揚程較低；當排水點在隧道中部低洼處，潛水泵所需揚程較高。若采用統一型號水泵，高揚程對水泵與水帶接口、水帶與水帶接口的要求較高；且當排水點靠近隧道出入口處，出口自由水頭偏大，易發生事故，難以滿足現場應急排水需求。若根據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，且應急搶險時頻繁換泵不能快速實現排水能力，嚴重影響搶險救災效果。因此，為提高搶險效率，應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，還可以兼顧節能，且能借助軌道工程車實現水泵在隧道內部快速移動。

單泵直排方案重點考慮兩個因素：①水泵應便于搬運和現場安裝。傳統大流量潛水泵外形較大，裝備笨重，不利于搬運和現場安裝，拖延搶險時效。國內某品牌首創的大流量便攜式潛水泵，單泵質量約30kg、排水量100～400m3/h、揚程8m～40m，相對同流量傳統水泵重可減輕30km左右。②地下區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，在工程設計之初，電源位置和預留容量應結合排水后期運維方案設計。

工頻水泵的電機功率與流量、揚程存在以下關系式:P(電機功率)=K(系數)×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象，需串聯排水；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象，需增加水泵布置數量進行并聯排水[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間隧道的應急排水工程，當采用單泵直排方案無法取得理想的排水效果時，應根據災害具體情況分析對泵采用串聯、并聯等方式排水。

3.2 并聯排水方案

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

圖8 并聯排水方案示意

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

并聯排水適用于埋深小、距離短的地鐵車站和區間隧道的應急排水工程。并聯排水能夠顯著提高排水量，但在實際應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提高。參考《建筑給水排水設計標準》(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水泵并聯數量較多時為水帶敷設造成一定的不便。

綜上，并聯排水方案靈活、快速，但當地鐵跨海區間隧道埋深大、距離長時，效果并不理想。當地鐵跨海區間隧道埋深大、距離長時，所需水泵揚程大于75m，建議采用串聯排水方式。

3.3 串聯排水方案

串聯排水方案分水泵直接串聯排水和中間水池串聯排水2種方式。

(1)水泵直接串聯排水方案

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

圖9 兩臺水泵直接串聯排水方案示意

水泵直接串聯排水方案具有以下優點：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速度[4]。

水泵直接串聯排水方式適用于排水所需揚程高，而現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排水方案應注意：串聯運行的水泵優先采用同一型號、同一口徑的水泵；兩級水泵的額定揚程布置應相對均勻。

(2)中間水池串聯排水方案

當單臺排水泵揚程不能滿足排水需求，且現場場地滿足布置中間水池條件，可采用中間水池串聯排水方案。中間水池(即轉輸水箱)的調節容積設置參考《建筑給水排水設計標準》GB50015-2019第4.8.4條規定：轉輸水箱的調節容積宜按提升水泵5min的流量確定。在控制方式上，串聯水泵應聯動運行。

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

(3)串聯排水方案適用性

串聯排水方案可有效解決流量和揚程需求，適用于長、大跨海區間隧道應急排水工程。

4 應急排水方案探討

綜上分析，廈門淺埋地鐵車站及區間隧道埋深約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間隧道埋深20m以上、30m以內，揚程約45m,揚程較高；站廳層有條件設置臨時中間水池，可采用中間水池串聯排水方案或者并聯排水方案。廈門地鐵2號線海郵區間最大埋深為55m，排水總揚程約75m，區間隧道內空間較小，不適合設置臨時中間水池，可采用水泵直接串聯排水方案或者并聯排水方案。

廈門地鐵3號線五劉區間最大埋深69m，排水總揚程約105m，高揚程；區間隧道內空間較小，不適合設置臨時中間水池，可采用水泵直接串聯排水；跨海地鐵區間隧道在日常排水設計中設置多座廢水泵房，應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排水，永臨結合,如表1所示。

表1 地鐵隧道應急排水方案探討 m

5 排水安全措施

設計施工階段，跨海區間隧道線路宜順直，以利于運營；選擇合理的防排水型式，并根據隧道施工期間的涌水量對泵房容量進行動態調整。

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，對檢查發現的問題和隱患，列出清單，建立臺賬，逐條提出對策措施，嚴令限期整改；完善應急預案，開展專項演練，切實提升應急處置水平；嚴陣以待，充分準備，建立應急值班制度，高度重視應急排水措施是否到位，人員到崗等。

應急搶險階段，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確認相關設備是否已停電，確認無觸電危險后，方可進入現場；首次進入現場人員須穿戴絕緣靴、絕緣手套等絕緣防護用品后，方可進入現場查看被淹情況；水泵運行期間應做好電力線路維護，避免發生電擊事故；搶險人員應穿救生衣，避免出現溺水事故。

6 結語

目前，國內長大地鐵跨海區間隧道的運營系統理論尚不完善，長大地鐵跨海區間隧道在應急工況下運營模式的安全性有待進一步研究，亟需研究長、大地鐵跨海區間隧道的防災救援關鍵技術[1]。應全面落實習近平總書記“管生產經營必須管安全”的指示，在各個階段認真做好地鐵安全保障工作。