于家堡交通枢纽为我国首座大型地下交通枢纽,位于天津市滨海新区于家堡中心商务区北端,是京津城际延伸至滨海新区的终点站,集城际铁路、地铁、出租车、社会车于一体,各功能区均位于地下,共地下3层,其鸟瞰图及整体布局见图1。整个交通枢纽总建筑面积27.62万m²,分为城际站房工程和市政工程两大部分,其中城际站房工程为地下二层和地面一层,地面层为入口大厅,地下一层为候车大厅及设备管理用房层,地下二层为站台层,包括3座岛式站台和6条到发线,总设计规模8.62万m²,远期日旅客发送量5.6万人次;市政工程包含出租车库、社会车库及城市轨道交通工程,共地下3层,其中3条轨道交通线在此换乘,总建筑面积约19万m²,见图1。

　　 枢纽内卫生间产生污水量约143.8m³/d,其中城际站房部分50m³/d,配套市政部分93.8m³/d。

　　 整个枢纽的平面示意及卫生间分布见图2,共设置有15处卫生间,分布在地下一、二层,其中轨道交通部分2处为预留,不在本次实施范围,地下一层共设有11处,地下二层2处。通过分析本地下枢纽的功能布局、结构形式,总结出影响卫生间污水排放方案的主要难点有:

　　 (1)卫生间多且分散,且卫生间区域下层空间及建筑布局复杂,如城际站房工程站厅层(地下一层)卫生间下层为城际列车轨行区,布有供电接触网、停放到发列车等,不能有排水管线穿越。

　　 (2)换乘大厅(地下一层)卫生间下层为社会车辆停车场,顶部通风管道、电力管线、消防管道错综复杂,留给重力排水管道的空间很小,坡降空间有限。

　　 (3)受下层使用功能影响,如城际铁路候车站台、地下停车场等,污水泵房设置困难,有时会距离卫生间太远。

　　 (4)本工程结构板厚度为400mm,大量的预留卫生间排水孔洞会给结构安全带来隐患,且一旦结构施工出现偏差,预留孔洞位置将很难再调整。

　　 目前卫生间污水排放方案主要有传统重力排水+污水池+污水泵、重力排水+一体式密闭污水提升装置^[1] 、真空排水系统等几种形式,其中前两种形式均需要卫生间器具污水靠重力流排入污水池或污水收集箱,重力污水管道势必要穿过结构板进入下一层建筑空间,基于此特点本文暂将之统称为重力排水系统。真空排水系统利用管道内的真空直接把污水从洁具中提升吸走,不必穿越结构板。下面结合本工程特点,分析各污水排放方案应用于本工程时的优缺点。

　　 重力排水系统根据其排水横管是否穿越楼板又可分为普通重力排水系统和同层重力排水系统,其优缺点分别为:

　　 (1)普通重力排水系统。该形式设计简单,造价低,但需对应每个洁具在结构板开孔,在下层设置存水弯后汇集至排水干管,最终排入污水收集设施。采用这种形式,排水管道穿入到下层空间,对下层管道布置造成影响。例如城际站房部分排水管下方为轨行区,不允许有水管道在其上方,这就限制了卫生间污水按普通重力排放的实施。

　　 (2)同层重力排水系统。该形式各洁具的排水支管在同层布置,仅有干管穿结构板进入下层,解决了排水管道对下层空间及功能的影响。但此方案要求结构降板,由于多数卫生间面积较大,排水管坡降大,对于400mm厚的结构板来说,如此大面积大深度的降板势必增加不少土建造价。另外,由于卫生间面积大,降板区会有结构梁,这还要求在梁内预埋套管以使排水管畅通。大面积降板及梁内预埋套管均会对结构施工及安全造成影响,同时会降低下层局部层高,影响下层管线布置。另外,该方案也需要在下层就近设置污水泵房,这在本工程中较难实现。

　　 真空排水系统应用于本工程主要有以下优点:

　　 (1)排水在同层解决,排水管不需穿楼板,不需要结构板下沉,不占用下层空间。

　　 (2)管道布置灵活,允许管路提升,污水泵房与卫生间相邻布置,对其他空间无影响。

　　 (3)整个排水过程在封闭系统中完成,无渗漏,无异味,且卫生间内为微负压状态,改善了污水泵房的环境条件,可以保证枢纽内卫生环境好。

　　 (4)一次冲洗用水量小,可节约用水量。

　　 其缺点是真空排水系统整体造价高,对使用方式要求高,不允许大的杂物进入洁具,不能连续冲洗,故障率相对重力系统要高,维护成本高。

　　 通过以上分析,卫生间污水重力排水系统不适用于本工程。从地下大空间污水同层排除、减少结构降板从而降低结构风险两方面考虑,最终本工程采用了真空排水系统。

　　 真空排水系统是一个由真空机组、真空管道、真空便器(包括真空坐便器和真空蹲便器)、中间收集装置、真空地漏等设施组成的一个完全密闭的排水系统。平时管网中保持一定的真空状态,排水时利用系统内外压差将污水及几倍于污水体积的空气吸入真空管道汇入真空机组内,再排出室外。其中便器、地漏为特制真空洁具,洗脸盆、拖布池、小便池可为普通洁具,其排水重力排入中间收集装置,中间收集装置内的污水再通过真空机组排除。

　　 真空排水系统在国外已有20多年的应用经验,在国内起步较晚,但通过对国外技术的引进学习,技术也趋于成熟,设备在一些工程中也已运行多年,尤其是地铁等地下工程,效果较好^[2,3,4] 。

　　 真空排水系统分为在线式和集中式(真空罐式)2种,其示意见图3。在线式是污水不需要真空收集罐而直接被真空机组吸入和排出,仅设置一个400L蓄能罐。集中式是通过真空泵在真空收集罐中产生负压,系统利用此负压将洁具排放的污水收集至真空罐,真空罐可分离进入的气水混合物,储存污水,污水再经污水泵排出。2种方式的主要区别在于:

　　 (1)在线式真空排水系统不需对进水停留,凸轮泵同时具有将污水从洁具吸入管网并排出室外的功能,设备体积小,布置灵活,设备本身不需通气管。一般在线式系统所负责的洁具数较少,适用于1~2个卫生间用一套在线式系统,系统布置于卫生间附近。就整个建筑而言,在线式可靠性高,一套系统发生故障不影响其他卫生间的使用。

　　 (2)集中式(真空罐式)真空排水系统的特点与在线式相反,设备体积大,罐内有污水停留,真空收集罐容积根据所负责洁具数确定。由于可以负责的洁具数多,适用于多个卫生间共用一套系统的情况,系统集中布置于一处,各卫生间污水均排入此处。由于真空罐式设备集中布置,多数卫生间会距离较远,这就使真空部分的管路较长,且系统一旦发生故障,将影响所有卫生间的使用。

　　 当然,针对单个卫生间也可以选用真空罐式系统,但由于其设备配置相对于在线式较复杂,在此不做备选。考虑本工程平面面积大,总长度约648m,各卫生间相距较远,且卫生间均全天候服务于上万人次的旅客,不允许卫生间大面积故障。因此,选用布置灵活、可靠性高的在线式系统。

　　 真空便器气水比为30∶1;中间收集装置气水比为8∶1;真空便器冲水量为3L/次;真空蹲(坐)便器使用频次为40次/h(男),50次/h(女);最低真空度为-35kPa。

　　 真空排水系统在污水进入真空管路时,伴随有空气进入,在管路内形成气水混合物。系统的水量按照真空管路排出的气水混合物量(即排气量)来计算,包括排出的真空便器的排气量和除真空以外的重力器具的排气量。排气量Q_a按以下公式计算:

　　 式中Q_a———排气量,L/s;

　　 q_pt———真空便器的计算管段排水设计秒流量,L/s;

　　 a_t———真空便器的气水比;

　　 q_pg———除真空便器外,重力卫生器具的计算管段排水设计秒流量,L/s;

　　 a_g———中间收集装置的的气水比。

　　 其中,真空便器的排水流量计算是按照便器每小时使用的次数来计算的平均流量,其计算公式:

　　 式中Q₀———真空便器每次冲洗排水量,L;

　　 n———真空便器使用频次;

　　 m———同种类型真空便器的数量。

　　 而重力卫生器具的计算管段排水设计秒流量是根据《建筑给水排水设计规范》^[5] 4.4.5条计算,即:

　　 式中q_pg———计算管段排水设计秒流量,L/s;

　　 N_p———计算管段的卫生器具排水当量总数;

　　 α———根据建筑物用途而定的系统,本工程取2.5;

　　 q_max———计算管段上最大一个卫生器具的排水流量,L/s。

　　 通过以上公式,计算出每个卫生间的总排气量及各管段排气量,确定所需真空机组的参数及管段管径。

　　 经计算,枢纽内各卫生间总排气量在9.65~69.5L/s,每个卫生间根据排气量选用一台或几台真空机组。如社会停车场处29-Ⅰ/P轴卫生间设有3具真空蹲便器,2具小便器,4具洗手盆,2具拖布池,总排气量9.65L/s,配1台Q=35m³/h真空机组;而城际站房部分47-A轴卫生间设有50具真空便器,20具小便器及17具洗手盆,总排气量69.5L/s,配4台Q=70m³/h的真空机组。

　　 真空管道排泄阀前采用高密度聚乙烯(HDPE)管道及管件,电热熔连接,管道及管件材料要求为PE80、SDR11、PN10及以上等级。排泄阀后管道采用PVC-U排水管,承插粘接、橡胶直接或弯头卡箍连接。压力管道采用内外涂环氧复合钢管。洗手盆、小便器、拖布池排水接入中间收集装置的重力管道,采用PVC-U排水管道及管件承插粘接、橡胶直接卡箍连接。

　　 管道敷设需满足以下几点要求:

　　 (1)真空管道敷设应沿水流方向有坡度,坡度为0.5%,最小坡度为0.2%,见图4a。

　　 (2)分支管道与主管道的连接应采用45°斜三通,接入的分支管需高于主干管的最高点。垂直提升管道与水平管道的连接应在水平管道的顶部接入,见图4b。

　　 (3)真空管道每隔25~30m至少设提升弯,提升弯设于真空管道的水平段上,见图4c。

　　 (4)用于中间收集装置的附加吸气阀,应安装在高出洁具最高液位300mm以上处。

　　 真空便器得到排空信号后开始排水,当真空便器在真空系统中接入点的真空度未达到设定真空度值时便器不动作。中间收集装置的控制由液位传感器、控制器、排泄阀完成,当收集箱中液位达到设定值时,控制器将排泄阀打开,收集箱中污水被吸入管道,同样当中间收集装置在真空系统接入点处真空度未达到设定真空度时,中间收集装置不动作。

　　 真空机组能够自动启动以保持系统的真空度在规定范围内,并能避免凸轮泵干转,且能在断电后自动重启。监控系统能检测和显示非正常液位、非正常真空度、凸轮泵运转异常和主要设备失效等故障。整套系统的运行、故障信息在真空机组控制面板上有显示,并能够传递到远程监控中心。

　　 目前,天津于家堡交通枢纽工程真空排水系统已施工完毕,通过设计及施工过程中出现的一些问题,总结出真空排水系统设计施工过程中的注意事项。

　　 (1)真空管道的计算要准确合理,以便在正常排水的基础上能够快速形成真空。

　　 (2)受真空系统真空提升能力的影响,洁具到主管的真空提升高度最大为3m,因此,当有真空管道在吊顶内布置时,吊顶高度不能高于3m,以免真空管道外露。

　　 (3)由于真空便器的控制阀等需要装在真空便器后的夹墙内,以保持卫生间美观,因此,应提前与装修专业做好配合,确定好夹墙厚度、检修口位置及大小。

　　 (4)真空泵房内应设置500 mm×500 mm×500mm集水坑,用于收集排除故障漏水、检修排水等。

　　 (5)真空机组、管道安装要求专业性强,因此建议真空系统的供货安装均由真空设备厂家完成,这样既可以减少施工接口,也可以保证工程施工质量。

　　 大型地下交通枢纽具有建筑规模大,功能分区多,结构形式复杂,上层排水受下层空间及使用功能限制,下层结构顶板下通风空调管道、动照线缆桥架、FAS/BAS线缆桥架、给排水消防管道等排列密集等特点,这些都限制了传统重力排水系统的应用。真空排水系统可以实现洁具上排水,排水管道不必穿越结构板,很好地解决了上述问题,避免了对正常结构形式的破坏以及对下层综合管线的影响等,为解决地下大型综合性建筑排水难题提供了一种创新设计方案。