2隧道防水
根據已完工程經驗，盾構隧道滲漏小，防水效果好。礦山巷道結構漏水受地質條件、施工質量等因素影響較大。滲漏水沿隧道縱向分布不均勻，大部分滲漏水來自地質條件不良的地區[10]。不良地質條件下隧道的防水效果對隧道排水起著決定性的作用。如果該區域的堵水措施無效，將導致隧道運營過程中產生巨大的排水費用，應引起足夠的重視。中國典型水下隧道(礦山法)結構滲漏見表1。從表1可以看出，礦山法隧道由於受隧道規模、地質條件、施工質量的影響，結構性滲漏差異較大，總體規模較大，大大增加了後期運營成本。因此，在隧道設計過程中，應對結構漏水提出明確要求，通過不良地質條件地段時應檢查堵水效果，並預留註漿孔作為後期補救措施。隧道全包防水在控制結構滲漏方面有很大優勢。但目前國內工程經驗表明，礦山法全包防水往往達不到預期的防水效果。運行壹段時間後，由於缺乏有組織的排水系統，水壓上升，更容易出現與結構滲漏有關的疾病。我國已建成的盾構隧道工程具有良好的防水效果，但其效果是否會隨著運營時間的推移而發生變化，還有待實際工程的論證。隧道多為百年工程，應嚴格控制構築物滲漏水。漏水量越小，後期操作引流的成本和風險就越小。就排水而言，全包防水效果的盾構施工方式，可以大大降低後期排水的成本和風險。但是否采用這種施工方式，需要充分的理論計算和風險分析。為避免盾構管片接縫處止水老化失效，對於大型水下長隧道，應在盾構管片內部預留二次襯砌空間。壹方面可以充分發揮盾構隧道全包防水的優勢，有效控制結構滲漏，降低後期排水成本和風險。另壹方面也可以為盾構全包防水效果失效提供補救技術措施。
3泵選擇
由於長而長的水下隧道長度大、埋深大，排水泵的揚程比較高，大部分超出了普通潛汙泵的揚程範圍，給泵的選型帶來了困難。目前，青島膠州灣隧道采用德國進口的雙相不銹鋼海水泵，揚程約70m。運行實踐表明，該泵防腐性能優良，運行穩定，但已接近其單級潛汙泵的揚程極限。另外，該泵為進口定制泵，定制周期長，價格昂貴，不利於排水系統的安全穩定。多級潛水泵的揚程可以滿足排水要求，但其進水口位於泵的中部，安裝使用不方便。目前已有多級潛水泵用於跨海隧道排水系統的案例。中國某跨海隧道廢水泵房布置見圖1。本工程廢水泵房在集水坑底部有壹個圓形的泵坑，多級潛水泵沈入泵坑，使吸入口低於集水坑底部。這種設計可以滿足多級潛水泵的進水要求。但這種泵房的設計存在壹些問題:多級潛水泵的電機如果按圖示安裝會沈入泵坑。根據翔安隧道的運營經驗，排水系統運行過程中，水倉內會沈積大量淤泥。如果電機被泥沙淹沒，不利於電機散熱，影響泵的壽命。而且泵坑較深，清淤不方便。廈門翔安隧道後期采用國產316L不銹鋼潛水多級海水泵。壹方面，海水泵的揚程範圍大；另壹方面可以實現進水，方便吊裝，在不增加泵房規模的情況下，可以更好地滿足排水要求。此外，國產泵還具有制造周期短、維修更換方便等優點。
4管道系統設置
由於水下隧道的廢水泵房位於隧道最低點，整個水段沒有排水出口，排水系統管道需要延伸到兩端的陸域段，通過風井或出入口排出隧道，導致排水系統高差大，管道長，甚至長達數千米。目前我國水下隧道大多采用“壹拖二、壹拖三甚至壹拖多”的泵管模式，即1排水管承擔兩三臺甚至幾臺廢水泵的排水。泵管模式有很多弊端:如果同時啟動多臺泵，會計算出泵的揚程，導致管道流量低，沿途損失小，泵的參數偏離高效區，泵長期運行在非高效區，泵的實際功率超過額定功率。如果電控櫃容量不足，電控櫃將過載保護。如果按單泵啟動計算揚程，則多泵啟動時，管道流速增大，沿途損失增大。實際揚程遠高於泵揚程，每臺泵的流量又遠低於額定流量，會導致泵窒息。以青島膠州灣隧道排水系統為例，隧道水下最低點海水泵房實測排水量為1.90 m3/h，選用三臺進口雙相不銹鋼單級海水泵，出口與集水坑底部高差為49m，排水管長度為2000m。排水管選用DN350襯塑鋼管，以“壹拖三”的方式設置。泵的額定參數為:流量Q=280m3/h，揚程h =根據Hazen-William公式和雙相不銹鋼海水泵的性能曲線(見圖2)，估算泵在不同工況下的運行參數，估算結果見表3。水泵在三種工況下均處於高效區，可以滿足不同工況下的排水要求。但三泵啟動僅比雙泵啟動每小時多排水40m3左右，表中參數為理論估算，與實際情況有出入。其中單泵啟動時估算的電機運行功率已經達到91kW，接近95kW的極限，容易造成過流跳閘。因此，水下長隧道廢水泵房宜設置為壹拖二模式，最多不超過壹拖三模式。水下長隧道排水管管徑不僅要考慮經濟流量，還要根據泵的性能曲線計算確定，兼顧單泵啟動、多泵啟動等不同工況，使泵參數在各種工況下都落入高效區。選擇排水管道直徑時應註意以下幾點:1)原則上應將沿途損失控制在合理範圍內，使泵在不同工況下的運行參數都在泵的高效範圍內；2)小流速、大管徑有利於減少管道沿線損失和不同工況下實際揚程的差異，但會增加工程造價。流速過小，容易造成泥沙沈積，滋生微生物，特別是附著在管壁上的海水介質微生物，容易對排水管造成點腐蝕；3)流量大，管徑小，容易對管道造成沖蝕，沿途損失差異很大，泵與管道難以有效匹配。
5水錘保護
由於排水系統水頭大，管道長，水錘現象嚴重，會對排水管道產生很大影響。目前，既有隧道工程的排水系統大多采用在水泵出水管上安裝緩閉止回閥、水錘消除器等措施來消除或減小水錘對系統的影響。但個別工程實例效果並不理想，尤其是水泵停泵時，排水管道在水錘作用下產生較大噪音，不利於排水系統的安全穩定。此外，對於采用襯塑或塗塑鋼管作為排水管道的系統，水錘頻繁發生，水錘形成過程中的真空效應和水錘的沖擊作用容易造成襯塑或塗塑層剝落，影響管道的防腐效果。水錘主要分為啟泵水錘、停泵水錘和關閥水錘。其中停泵過程中的架橋水錘對排水系統的危害最大，架橋水錘的最大壓力是幾何揚程的3 ~ 5倍[12]。解決水錘問題要從兩方面入手:1)連續供水避免水氣分離現象，從水錘的形成因素上消除或減少水錘的影響；2)水錘形成後，采取措施減小水錘的作用力，減少對管道的危害[13]。目前可以采取的主要措施有:1)適當增大管徑，降低管道流速；2)增加變頻控制裝置，實現排水泵的緩慢啟動和停止；3)在水泵出水管上增加水泵多功能控制閥和水錘消除器；4)實行分級排水，降低水泵揚程；5)安裝緩沖塔。
6集水箱容積的確定
目前，我國修建的水下隧道汙水泵房集水坑的有效容積各不相同。廢水泵房的有效容積主要與隧道結構的滲漏水、水泵參數和應急備用容積有關。挪威是世界上修建水下隧道較多的國家之壹，規定水下隧道廢水泵房容積應滿足24小時結構性滲漏的要求[14]。目前國內工程案例參照此規定。國內水下隧道運營經驗表明，合理擴大汙水泵房集水坑規模，預留特殊情況應急備用容積是必要的，但是否按24小時結構滲漏預留集水坑容積仍存在較大爭議。盾構法施工的全包式防水水下隧道，因其結構滲漏較小，集水箱容積按24小時結構滲漏預留，規模可接受；對於礦山法施工的水下隧道，24小時結構漏水量小至幾千立方米，地質條件差的隧道甚至可達1萬立方米以上。如果按24小時考慮廢水泵房的有效容積，壹方面土建費用會大大增加，另壹方面如此規模的廢水泵房會給結構施工造成很大風險，不利於隧道結構的穩定。以廈門翔安隧道和青島膠州灣隧道為例，翔安隧道目前排水量約為12000 m3/d，膠州灣隧道設計之初，結構滲漏水按全隧道控制，現在實際排水量約為4000 m3/d..目前翔安隧道汙水泵房實際容積約為3500m3，青島膠州灣隧道三座汙水泵房容積約為1600m3。兩個集水池的有效容積都不是按照24小時結構滲漏設計的。廈門翔安隧道和青島膠州灣隧道都出現過水害，但都沒有造成嚴重影響。集水池中預留的應急儲備容積為上述險情的有效處置贏得了寶貴的時間，提供了必要的條件。但上述危險都與外部水源進入隧道有關，與隧道本身漏水沒有直接聯系。因此，隧道匯水應急儲備量的研究應以外部水源不進入隧道為前提，否則將難以量化隧道匯水應急儲備量。水下長隧道集水池有效容積的確定應以隧道排水系統的風險分析為基礎。廢水泵房應留有應急備用容量，以備排水系統癱瘓時使用，但不應簡單地根據24h或48h的結構滲漏來確定集水池的大小。應根據工程的具體情況分析隧道排水系統可能存在的風險，得出導致排水系統癱瘓的最不利情況及其搶修恢復時間。基於此，集水箱的最終容積應根據隧道的實際滲漏量來確定。隧道排水系統癱瘓的風險主要有以下幾個方面:1)水泵故障；2)管道破裂；3)電源故障；4)隧道內突然湧水。其中，隧道突水風險極低，是壹種不可預測的災難性事故，僅靠預留應急儲備量無法解決。水下隧道排水系統的水泵至少應壹用二備，管道應100%備用。上述設置將有效降低因維修水泵和管道而導致排水系統癱瘓的風險。因此，排水系統癱瘓的風險主要來自停電。水下隧道的主排水泵站應設置兩個獨立的電源，分別從隧道兩端引入隧道。然而，在這種配置中仍然存在功率損失的可能性。壹旦停電，整個排水系統就會癱瘓，所有排水都靠集水箱的應急儲備容積解決。因此，在保證外部水不進入隧道的前提下，為集水箱預留的應急備用容量的大小應由隧道電力系統的重聯時間或備用電源的啟動時間決定。此外，為了降低排水系統癱瘓的風險，縮短系統恢復時間，減小集水池的體積，還可以從機電設備方面采取其他輔助措施，如設置集裝箱移動儲能電站、柴油發電機等應急備用電源。
7結論和建議
根據已有工程經驗，對水下長隧道排水系統存在的主要問題進行了梳理和分析。主要問題有:1)漏水控制不好，運營成本高；2)高揚程泵選擇不合理，故障率高，可靠性低；3)泵管匹配不合理，有過流保護或泵抑制；4)水錘現象嚴重，對管道安全造成極大隱患；5)集水箱有效容積的確定沒有統壹的標準，預留的應急儲備容積不壹。針對以上問題，提出以下建議:1)水下長隧道施工過程中，應嚴格控制構築物滲漏水。在隧道初期施工方法的選擇上，如果地質條件和計算分析允許，應充分考慮盾構法全包防水，可大大降低後期排水的風險和成本；2)廢水泵應為耐腐蝕、易於維修和更換的潛水式多級潛水泵。與普通潛汙泵相比，這種泵比多級離心泵具有更高的揚程，受液位的限制更小。3)排水系統的泵管匹配應按壹比二模式設置，最多不超過壹比三模式，在特定工況下可能導致泵偏離高效區；4)除設置水錘消除器外，還應采取慢啟動、停廢水泵等水錘防護措施，以減少水錘對整個管道系統的危害；5)集水箱的容積不能簡單地由結構24小時或48小時的滲漏水來確定，而應結合隧道風險分析來確定。水下長隧道是公路、鐵路、地鐵工程過江過海的重要手段。其V形斜坡的設計決定了排水系統的重要性。因此，研究和設計壹套經濟、高效、安全、可靠的排水系統，對於水下長隧道的安全、經濟運營具有重要意義。此外，隨著新技術、新設備、新材料的應用，自動化、輕維護或免維護、少維護、高穩定性將是水下長隧道排水系統未來的發展趨勢。
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