水下长大隧道排水系统设计问题探讨

吕青松, 贺维国, 方祖磊, 程士好

(中铁隧道勘测设计院有限公司， 天津 300133)



水下长大隧道排水系统设计问题探讨

吕青松, 贺维国, 方祖磊, 程士好

(中铁隧道勘测设计院有限公司， 天津 300133)

为了使水下长大隧道排水系统设计更加合理可靠，以目前国内已建成且最为典型的水下长大隧道青岛胶州湾隧道和厦门翔安隧道为例，采用理论分析和数值计算等方法对水下长大隧道排水系统存在的问题进行梳理，并对隧道防水、水泵选型、管道系统设置、水锤防护、集水池容积确定等关键排水系统设计提出以下建议： 水下长大隧道应严格控制结构渗漏水量，充分考虑盾构法全包防水在后期运营排水上的优势； 废水泵宜选择便于检修、更换的耐腐蚀下进水式多级潜水泵； 排水系统泵管匹配宜按一拖二模式设置，至多不宜超过一拖三； 除设置水锤消除器外，还应采取废水泵缓起缓停等水锤防护措施； 废水泵房集水池的有效容积应根据风险分析确定。

水下长大隧道; 排水系统; 高扬程潜水泵; 水锤防护; 集水池容积; 全包防水

0 引言

随着我国经济的发展，人们对交通的需求不断增加，水下隧道因具有保护环境、节约土地、能够全天候通行以及施工、运营对航道干扰少等优点[1]，正逐渐成为穿江过海交通工程的趋势。水下隧道防排水问题作为影响隧道安全的关键因素之一，一直是隧道领域的研究热点。文献[2-4]研究了隧道结构防排水的施工技术；文献[5]研究了山岭隧道施工过程中的注浆止水技术；文献[6-8]研究了隧道结构防排水体系的系统及其耐久性设计，这些文献主要针对的是隧道结构自身防排水技术的研究。在隧道运营排水方面的相关研究较少，但根据已建成的青岛胶州湾隧道及厦门翔安隧道的运营经验来看，目前水下长大隧道排水系统设计还有待完善。为了使水下长大隧道排水系统设计更加合理可靠，本文在青岛胶州湾隧道设计工程实践的基础上，结合青岛胶州湾隧道及厦门翔安隧道的实际运营经验，对目前国内水下长大隧道排水系统设计存在的主要问题进行梳理分析，并提出相关建议，以期为今后水下长大隧道排水系统设计提供参考。

1 概述

目前国内已建成的水下长大隧道以青岛胶州湾隧道与厦门翔安隧道最为典型。青岛胶州湾隧道采用“分级收集、多级提升”排水系统，系统共设3座废水泵房，分别收集上游废水，实行分级收集，最低点废水泵房将废水排至两端的废水泵房，由两端废水泵房接力排出隧道，实现多级提升[9]； 厦门翔安隧道采用“单级收集、一次提升”排水系统，隧道最低点设置废水泵房，收集整条隧道的废水，一次提升排出隧道。运营实践证明，以上隧道排水系统运行稳定，能够满足隧道日常排水的需求，但在隧道防水、水泵选型、管道系统设置、水锤防护以及集水池容积确定等方面存在一定的问题。

2 隧道防水

根据已建成工程经验，盾构法隧道渗漏水量较小，防水效果较好。矿山法隧道结构渗漏水量受地质条件、施工质量等因素影响较大，渗漏水量沿隧道纵向分布不均，大部分渗漏水来自于不良地质条件区域[10]。不良地质条件处的隧道防水效果对隧道排水量大小具有决定性的作用，若该区域堵水措施不力，将导致隧道运营期间产生巨大的排水费用，应引起足够的重视。 国内典型水下隧道(矿山法)结构渗漏水量见表1，由表1可知： 矿山法隧道受隧道规模、地质条件及施工质量等影响，结构渗漏水量差异较大，且总体规模较大，大大增加了后期运营成本。因此，隧道在设计过程中应对结构渗漏水量设置明确要求，在通过不良地质条件区域时，复核堵水效果，并预留注浆孔等为后期补救留取措施。

表1 国内典型水下隧道(矿山法)结构渗漏水量

Table 1 Water leakage of structure of typical underwater tunnels constructed by mining method in China

隧道全包防水在结构渗漏水控制上具有较大优势，但目前国内工程经验表明，采用矿山法全包防水的工程，往往无法达到预期的防水效果，隧道在运营一段时间后，由于没有有组织的排水系统，水压上升，较易出现与结构渗漏水有关的病害。国内已建成的盾构法隧道工程，全包防水效果较好，但其效果是否会随运营时间的推移而发生变化，有待实际工程论证。

隧道多为百年工程，在结构渗漏水上应严格控制，渗漏水量越小，后期运营排水产生的费用及风险越小。就排水而言，具有全包防水效果的盾构工法可大大降低后期运营排水产生的费用及风险，但是否采用该工法，还需充分进行理论计算及风险分析，且为避免盾构管片衔接处的止水条老化失效，对于规模较大的水下长大隧道，宜在盾构管片内部预留施作二次衬砌的空间，一方面可发挥盾构隧道全包防水的优势，有效控制结构渗漏水量，降低后期运营的排水费用及风险；另一方面还可为盾构全包防水效果失效提供补救的技术措施。

3 水泵选型

水下长大隧道由于长度和埋深大，所以其排水泵扬程较高，多数超出普通潜污泵的扬程范围，致使水泵选型困难。目前青岛胶州湾隧道采用的是德国进口双相不锈钢海水泵，扬程约为70 m，运营实践表明，该水泵防腐性能优良，运行稳定，但已接近其单级潜污泵扬程极限。另外，该水泵为进口定制泵，定制周期长，价格昂贵，不利于排水系统的安全稳定。

多级潜水泵扬程能够满足排水要求，但其进水口设置在水泵中部，安装应用不便。目前已有过海隧道排水系统采用多级潜水泵的案例。国内某过海隧道废水泵房布置见图1，该工程废水泵房在集水池底部设置圆形泵坑，将多级潜水泵沉入泵坑，使吸水口低于池底，这种设计能够满足多级潜水泵的进水要求。但该种泵房设计也存在一定的问题： 由于多级潜水泵电机下置，如按图中形式安装，电机将沉入泵坑，根据翔安隧道的运营经验，排水系统在运行期间，集水池内会沉积大量淤泥，如电机被淤泥浸没，将不利于电机散热，影响水泵寿命，且泵坑较深，清淤不便。

图1 国内某过海隧道废水泵房示意图

Fig. 1 Sketch diagram of waste water pump room of a subsea tunnel in China

厦门翔安隧道后期采用了国产316L不锈钢下进水式多级海水泵，该海水泵一方面具有较高的扬程范围； 另一方面能够实现下进水，吊装方便，能在不增加泵房规模的前提下较好地满足排水要求。此外，国产水泵还具有制造周期短、便于检修和更换等优势。

4 管道系统设置

由于水下隧道废水泵房位于隧道最低点，整个水域段无排水出口，排水系统管路需伸至两端陆域段，通过风井或出入口排出隧道，因此导致排水系统高差大、管路长，管路甚至长达数千米。目前国内水下隧道多采用一拖二、一拖三甚至是一拖多的泵管模式，即1条排水管道承担两三台甚至数台废水泵的排水。一拖多的泵管模式存在很大的弊端： 如按照水泵同起，计算水泵扬程，将导致单泵启动时，管道流速较低，沿程损失较小，实际扬程远低于水泵扬程，流量增大，水泵参数偏离高效区，水泵长期运行在非高效区间内，水泵实际功率超出额定功率，如电控柜容量不足，将造成电控柜发生超负荷保护性断路现象； 如按照单泵启动，计算水泵扬程，将导致多泵启动时管道流速变大，沿程损失变大，实际扬程远高于水泵扬程，每台水泵的流量远低于额定流量，存在憋泵现象。

水泵扬程主要由排水高差与管道沿程损失2部分组成。沿程损失可按海曾-威廉公式计算，即

h=10.67q1.852l/(C1.852·D4.87)。

式中： l为管段长度，m； D为管径，m； q为流量，m3/s； C为海曾-威廉公式系数，其值见表2。

表2 海曾-威廉公式系数C[11]

以青岛胶州湾隧道排水系统为例，该隧道水下最低点海水泵房实测承担排水量为190 m3/h，选用3台进口双相不锈钢单级海水泵，排出口与集水池底高差为49 m，排水管长2 000 m，选用DN350衬塑钢管作为排水管材，按一拖三模式设置，水泵额定参数： 流量 Q=280 m3/h，扬程H=65 m，功率N=95 kW。

根据海曾-威廉公式及双相不锈钢海水泵性能曲线(见图2)，估算不同工况下水泵运行参数，估算结果见表3。水泵在3种工况下均处于高效区，能够满足不同工况的排水要求，但三泵启动仅比双泵启动每小时多排水约40 m3，且表中参数为理论估算，与实际存在偏差，其中单泵启动时估算电机运行功率已达到91 kW，接近95 kW限值，易出现过流跳闸现象。因此,水下长大隧道废水泵房宜按一拖二模式设置，最多不宜超过一拖三模式。

(a) 扬程

(b) 轴功率

(c) 汽蚀余量

(d) 效率

Fig. 2 Performance curves of duplex stainless steel sea water pump

表3 水泵参数估算表

水下长大隧道排水管道管径不应单纯考虑经济流速，应根据水泵性能曲线，兼顾单泵启动、多泵启动等不同工况计算决定，使各种工况下水泵参数均能落入高效区。其排水管道管径选择时，应注意以下几点：1)原则上要控制沿程损失在合理的区间范围内，使不同工况下的水泵运行参数均能处于水泵高效区间内； 2)小流速大管径有利于减小管道沿程损失，降低不同工况下水泵实际扬程差异，但会增加工程造价，流速过小容易造成泥沙淤积，滋生微生物，尤其是海水介质微生物附着管壁容易对排水管材造成点状腐蚀; 3)大流速小管径容易对管材造成冲蚀，沿程损失差异巨大，泵管难以有效匹配。

5 水锤防护

由于排水系统扬程大、管路长，其水锤现象严重，会对排水管道造成较大的影响。目前既有隧道工程排水系统多采取在水泵出水管上加装缓闭止回阀、水锤消除器等措施来消除或降低水锤对系统的影响。但个别工程实例效果并不理想，尤其是水泵停泵时，排水管道在水锤作用下，发出巨大声响，不利于排水系统的安全和稳定。另外，对于采用衬塑或涂塑钢管作为排水管材的系统，频繁发生弥合水锤，水锤形成过程中的真空作用加上水锤的撞击作用，容易造成衬塑或涂塑层发生剥离，影响管材的防腐效果。

水锤按形成原因主要分为启泵水锤、停泵水锤及关阀水锤等。其中，停泵过程中发生的弥合水锤对排水系统的危害最大，弥合水锤的最大压力值为几何扬程的3～5倍[12]。解决弥合水锤问题应从2方面入手： 1)持续供水，避免产生水气分离的现象，从水锤形成因素上消除或降低水锤作用； 2)水锤形成后，采取措施降低水锤的作用力，减小对管道的危害[13]。

目前可采取的措施主要有： 1)适当增大管径，降低管道流速； 2)加装变频控制装置，实现排水泵缓启缓停； 3)在水泵出水管上加装水泵多功能控制阀、水锤消除器等； 4)实行分级排水，减小水泵扬程； 5)加装调压塔。

6 集水池容积确定

目前国内已建成的水下隧道，其废水泵房集水池有效容积大小不一。废水泵房有效容积主要与隧道结构渗漏水量、水泵参数以及应急储备容积有关。挪威是世界上建造水下隧道较多的国家之一，规定水下隧道废水泵房的容积需满足24 h结构渗漏水量的要求[14]，目前国内已有工程案例参照该规定执行。国内水下隧道运营经验表明，合理扩大废水泵房集水池规模，为特殊情况预留应急储备容积是十分必要的，但是否按24 h结构渗漏水量来预留集水池容积，仍存在较大的争议。

对于采用盾构法等施工的全包防水型水下隧道，因其结构渗漏水量较小，按24 h结构渗漏水量，预留集水池容积，规模可以接受； 对于采用矿山法等施工的防排结合型水下隧道，24 h结构渗漏水量小则数千立方米，地质条件较差的隧道甚至可达1万多立方米，如按24 h考虑废水泵房有效容积，一方面将大大增加土建成本，另一方面如此规模的废水泵房将对结构施工造成较大风险，不利于隧道结构的稳定。以厦门翔安隧道及青岛胶州湾隧道为例，翔安隧道目前排水量约12 000 m3/d，胶州湾隧道设计之初，结构渗漏水量按全隧约8 000 m3/d进行防水控制，现实际排水量约4 000 m3/d。目前翔安隧道废水泵房实际容积约3 500 m3，青岛胶州湾隧道3座废水泵房容积之和约1 600 m3，两者集水池有效容积均未按24 h结构渗漏水量设计。厦门翔安隧道及青岛胶州湾隧道均出现过水害险情，但未造成严重影响。集水池预留应急储备容积为上述险情的有效处理争取了宝贵时间，提供了必要条件。但上述险情均与隧道外部水源进入隧道有关，与隧道自身结构渗漏水量的大小无直接联系。因此，研究隧道集水池预留应急储备容积的大小，应建立在外部水源不进入隧道的前提之下，否则隧道集水池应急储备容积的大小将难以量化。

水下长大隧道集水池有效容积的确定应建立在隧道排水系统的风险分析之上。废水泵房应为排水系统瘫痪等情况预留应急储备容积，但不应单纯按24 h或48 h结构渗漏水量来确定集水池规模。应结合项目具体情况对隧道排水系统可能存在的风险进行分析，得出导致排水系统瘫痪的最不利情况及其抢修恢复时间，以此为依据，结合隧道实际渗漏水量确定集水池的最终容积。

隧道排水系统瘫痪的风险主要有以下方面： 1)水泵故障； 2)管道破裂； 3)电力故障； 4)隧道突涌水。其中，隧道突涌水风险极低，且为不可预估的灾难性事故，单靠预留应急储备容积无法解决。

水下隧道排水系统水泵应至少按一用两备考虑，管道应按100%备用，上述设置将有效降低水泵及管道检修造成排水系统瘫痪的风险。因此，排水系统的瘫痪风险主要来自电力故障。水下隧道主排水泵站均应按2路独立电源设置，自隧道两端引入隧道，但该种配置仍存在失电的可能性，一旦失电，整个排水系统将面临瘫痪，所有排水均靠集水池应急储备容积解决。因此，在保证外水不进入隧道的前提下，集水池预留应急储备容积的大小应由隧道电力系统的复通时间或者备用电源的启动时间决定。

此外，为减少排水系统瘫痪的风险，缩短系统恢复的时间，减小集水池容积，可从机电设备方面采取其他辅助措施，如设置集装箱式移动蓄能电站、柴油发电机等应急备用电源。

7 结论与建议

本文根据目前已建工程经验，对水下长大隧道排水系统存在的主要问题进行了梳理和分析，主要问题如下： 1)渗漏水量控制不佳，运营成本较高； 2)高扬程水泵选型不合理，故障率高，可靠性低； 3)泵管匹配不合理，存在过流保护或憋泵现象； 4)水锤现象严重，对管路的安全性造成较大隐患； 5)集水池有效容积的确定无统一标准，预留应急储备容积大小不一。

针对上述问题提出以下相关建议： 1)水下长大隧道在施工过程中要严格控制结构渗漏水量，在隧道初期工法的选择上，如地质条件及计算分析允许的前提下，应充分考虑盾构法全包防水，盾构法全包防水可大幅降低后期运营排水风险及成本； 2)废水泵宜选择便于检修、更换的耐腐蚀下进水式多级潜水泵，该种水泵相对于普通潜污泵扬程更高，相对于多级离心泵进水受液位限制更小； 3)排水系统泵管匹配宜按一拖二模式设置，至多不宜超过一拖三模式，泵管匹配超过一拖三模式，有可能造成水泵在特定工况下偏离高效区； 4)除设置水锤消除器外，还应采取废水泵缓起缓停等水锤防护措施，降低水锤对整个管道系统的危害； 5)集水池容积不应单纯按24 h或48 h结构渗漏水量确定，而应结合隧道风险分析来确定。

水下长大隧道是公路、铁路及地铁工程穿江过海的一种重要手段，其V型坡设计决定了排水系统的重要性，因此，研究设计一套经济高效、安全可靠的排水系统对水下长大隧道安全、经济运营具有重要意义。此外，随着新技术、新设备和新材料的应用，自动化、轻维护或免维护、少检修、高稳定性将是水下长大隧道排水系统未来的发展趋势。

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Discussion on Design of Drainage System of Long Underwater Tunnels

LYU Qingsong, HE Weiguo, FANG Zulei, CHENG Shihao

(China Railway Tunnel Survey & Design Institute Co., Ltd., Tianjin 300133, China)

The problems of existing long underwater tunnels, i.e. Jiaozhou Bay Tunnel in Qingdao and Xiang’an Tunnel in Xiamen, are studied by theoretical analysis method and numerical calculation method. The designs of keys of drainage system, i.e. tunnel waterproofing, pump selection, pipe system arrangement, water hammer protection and sump volume, are analyzed. Suggestions are given as follows: 1) The water leakage of long underwater tunnel structure should be controlled strictly, and the full waterproofing method should be used. 2) The submersible pump with high corrosion resistance should be used as waste water pump. 3) The “one pipe two pumps” scheme for drainage system is the best; and there should not be more than 3 pumps in one pipe. 4) The water hammer eliminator should be used, and water hammer protection methods should be adopted as well. 5) The effective volume of sump should be decided according to risk analysis.

long underwater tunnel; drainage system; high-lift submersible pump;water hammer protection;sump volume; full waterproofing method

2016-04-19;

2016-07-28

吕青松(1985—)，男，山东青岛人，2011年毕业于兰州交通大学，环境工程专业，硕士，工程师，现从事地下工程给排水消防设计工作。E-mail： aodong0532@126.com。

10.3973/j.issn.1672-741X.2016.11.012

U 453.6

A

1672-741X(2016)11-1361-05