青岛胶州湾海底隧道北起青岛市主城区的团岛, 南接黄岛区的薛家岛, 下穿胶州湾湾口海域;线路全长9.85km, 分为陆地和海底两部分, 海底隧道段长约7.8km, 见图1。

　　 该隧道为城市快速道路隧道, 为双向六车道, 纵剖面为V型坡;海底段还设有服务隧道, 其内设有电力电信管道、高压电缆、消防管道及从青岛向黄岛的供水管道, 是国内第二条大型海底隧道, 也是我国最长的海底隧道, 采用矿山法施工。

　　 该海底隧道废水排水系统为分段收集分级提升方案;在隧道最低点的横通道内设置海底废水泵房1座, 以排除2个风井之间的废水;此外, 还在隧道2号风井 (青岛端风井) 、3号风井 (黄岛端风井) 附近的横通道内分别设置风井废水泵房各一座, 以排除隧道进出口到风井间的废水。海底废水泵房的排水扬水管沿服务隧道下管廊敷设, 将废水提升到3号风井废水泵房集水池内, 再由3号风井废水泵提升到地面压力消能井, 排入大海;2、3号风井废水泵房的排水扬水管沿风井壁敷设, 将废水提升到地面压力消能井, 再排入大海;见图2。

　　 厦门翔安海底隧道是连接厦门市本岛和翔安区陆地的重要通道, 是国内第一座大型海底隧道, 线路全长8.695km, 两岸接线长2.747km, 隧道段长6.05km, 跨越海域宽约4.2km;采用三孔隧道形式, 双向6车道, 两侧为单向行车主洞, 中间一孔为服务隧道, 隧道沿线设通风竖井两座。也采用矿山法施工, 是我国第一座大断面海底隧道, 见图3。

　　 该海底隧道废水排水系统为一级提升方案;在隧道最低点处设置海底废水泵房1座, 以排除整个隧道内的废水, 泵房设置2根DN400的扬水管, 后来再增加1根, 分别接往厦门岸及翔安岸, 泄压后排入大海, 详见图4。

　　 两座海底隧道基本上是同期实施、同种类型、同种工法、规模相当的海底交通隧道, 其废水排水系统具有一定的可比性;为此, 笔者对它们进行了现场调研和深入思考, 把自己的看法和想法表达出来, 以期对今后类似工程有一定的指导作用。

　　 在整个设计过程中, 设计者对这两座海底隧道废水系统的功能定位基本一致的, 即为排除隧道结构渗漏水、消防废水及冲洗水;但具体设计思路及处理方法上差别还是很大, 下面就该部分内容进行详述。

　　 相对准确地确定各类废水量, 是合理设计废水排水系统的基础。海底隧道内废水一般包括隧道结构渗漏水、消防及冲洗废水;上述两座海底隧道内均设有市政供水管, 故废水还应包括供水管爆管产生的废水;冲洗废水量较小可以忽略不计, 消防废水可以精确计算, 详见“废水泵流量及台数的确定”;供水管爆管产生的废水量目前争议较大, 笔者将在“海底隧道供水管爆管理念”中详细表达。在此, 先重点探讨隧道结构渗漏水量的确定。

　　 首先, 矿山法施工对地质基岩扰动较大, 导致隧道结构渗漏水发育;且海底隧道结构渗漏水承压水头大及补给复杂;故海底隧道结构渗漏水量一般均比较大。其次, 它受海底地质条件、隧道埋深、二衬施工情况、防排水技术以及施工质量等多种因素影响, 不同的海底隧道其结构渗漏水量反差很大。最后, 这两座海底隧道长度长、横断面面积大且埋深深, 上述特点就更加明显。所以, 在设计过程中, 海底隧道结构渗漏水量不能简单地根据规范资料的数据来计算, 也不能参考类似的工程来确定, 而是应该以实测和预测相结合的方法, 相对准确地确定隧道结构渗水量。

　　 青岛胶州湾海底隧道在设计过程中, 对隧道结构渗漏水量进行了3次测量, 即隧道开挖至通风竖井时, 隧道开挖至海底废水泵房前一定距离时, 设备招标前;并且, 是按主隧道、服务隧道及各种不同匝道分别测量, 整理得到隧道结构渗漏水量的基础数据为:青岛端陆地段 (青岛入口到2号风道) 为600m³/d, 海底段隧道 (2、3号竖井之间) 为3 000m³/d, 黄岛端陆地段 (3号风道到薛家岛出口) 为320m³/d;整个隧道为3 920m³/d。这些实测的隧道结构渗水量资料, 是合理设计废水排水系统的重要基础数据, 否则, 无法设计出合理的废水排水系统。

　　 青岛胶州湾海底隧道的消防系统分近期、远期两期实施, 近期仅设置消火栓系统, 远期加设泡沫喷雾灭火系统。根据规范要求:隧道内消火栓系统用水量为20L/s, 隧道洞口外消火栓系统用水量为30L/s, 泡沫喷雾灭火系统消防废水量为75L/s;即近期消防废水量为180 m³/h, 远期消防废水量为450m³/h。平时没有消防废水, 火灾时应及时排除消防废水。废水排水系统设计时, 废水池有效容积按远期废水量考虑, 但水泵数量应按近期废水量配置, 同时预留远期设备的安装位置。考虑到各种不可见因素及安全需要^[1], 将不可预见水量定为结构渗漏水量的50%, 结合隧道结构渗漏水量情况, 各个废水泵房应承担的排水量见表1。

　　 为了合理设计泵站内水泵台数及废水泵流量, 笔者从下面几个方面来考虑: (1) 隧道结构渗漏水是常流水, 所以, 应尽量保证1台或2台废水泵的排水能力与其匹配, 争取在水泵高效区将它排放到隧道外, 保证了废水泵稳定运行, 不会频繁启动。 (2) 虽然火灾是小概率事件, 但消防废水流量却不小, 所以, 一定要保证废水排水系统总排水能力应和总废水量相匹配, 以实现安全可靠地将其排放到隧道外。 (3) 3号风道废水泵房排水量应和海底废水泵房排水量匹配, 从而保证两级提升安全。 (4) 每个废水泵房内水泵规格应统一, 数量不应小于2台, 也不宜大于6台。这也是保证水泵在高效区运营的第一个要求。 (5) 尽量使近期和远期的水泵参数一致。根据各种废水流量, 结合上面几条要求, 本隧道废水泵房内水泵合理配置如下:近期平时1用2备, 消防时2用1备。远期平时1用3备, 消防时3用1备;即近期废水泵备用率为33%, 远期废水泵备用率为25%。再经适当整合后, 得出各废水泵房内单台废水泵流量参数见表2。

　　 厦门翔安海底隧道施工设计思路是:“泵房设计流量暂定Q=400m³/h, 待土建基本结束后进行水量检测”;设备招标要求为:“主泵为不锈钢多级潜水泵 (卧式安装) , 共3台, 2用1备, 型号为350QCJ250-46×3, 流量Q=250 m³/h, 设计扬程H=138m”。即必要时可变更水泵流量以适应实际的隧道结构渗水量。实际上, 到2010年初设备安装时, 就增加了3台日本U-Flo水泵, 废水泵总排水流量增加到220%见表3。

　　 2012年12月开始, 又陆续用3台大流量360m³/h的天津百利溢通水泵更换3台小流量 (Q=250m³/h) 的美国ITT水泵, 其废水泵总排水流量又增加了20%, 见表4。

　　 由此可见, 2010年初安装的废水泵总排水流量, 满足不了隧道结构渗漏水量, 为此, 不得不第二次增加废水泵总排水量。排水能力是最初设计排水能力的2.64倍, 可见设计之初未认真测算隧道结构渗漏水量。现将厦门翔安海底隧道废水泵数量、总流量变化情况整理成表5。

　　 笔者在厦门翔安海底隧道现场调研时发现, 隧道结构渗漏水量非常大, 根据废水泵房一周运行记录表显示:隧道结构渗漏水量超过14 000m³/d。

　　 如果按青岛胶州湾海底隧道设计思路来分析厦门翔安海底隧道, 那么, 需要排水量为1 337.5m³/h;首先, 施工图纸中, 废水泵排水量能力为750m³/h, 根本不能满足需要, 必须增加废水排水能力;其次, 2010年设备安装时实际每小时排水能力为1 650m³/h, 水泵的备用率为19%, 应该还是偏小的;最后, 2012年第二次水泵调整后, 实际排水量能力增加到为1 980m³/h, 水泵的备用率增加到33%, 和青岛胶州湾海底隧道一样, 达到2用1备的标准。废水泵房排水能力比较合理。所以, 从目前2座海底隧道运营情况看:排水泵的备用率25%~33%是比较合理的。

　　 从上述厦门翔安海底隧道2次增加废水泵总流量的情况看来:实测隧道结构渗水量是合理设计废水泵房的基础, 否则, 会产生一系列问题。如该项目当初设计时, 没有实测隧道结构渗水量, 导致废水泵总流量设计偏小, 只好连续变更设计, 增加废水泵流量以适应隧道结构渗水量, 各水泵之间流量自然反差也很大, 就无法满足“水泵在高效区运营的第一个要求”, 废水排水系统整体工作效率大大下降;还有, 水泵厂家不一, 对管理造成不便, 如目前废水泵运行均靠手动操作, 现场管理人员只能根据废水池水位情况, 手动控制水泵的启停, 工作量加大, 工作环境差。

　　 青岛胶州湾海底隧道采用德国KSB系列潜污泵排除废水, 采用自动控制, 运行数据及时上传至隧道监控中心。到目前为止, 各废水泵房运行良好, 整个废水排水系统均未出现较大故障。青岛胶州湾隧道初步设计时, 也做过井用潜水泵排放废水的方案, 下面谈谈笔者对井用潜水泵方案的看法。

　　 井用潜水泵扬程较高, 为多级离心泵, 一般用来输送固体杂质总含量不大于0.01% (质量比) 的清水^[4], 安装要求较为苛刻。其中有两条要求为: (1) 第一级叶轮至少浸入动水位以下2 m; (2) 机组底部距井底不得小于5 m;且必须为垂直安装。当此类水泵安装在大废水池中时, 可以用静水位代替动水位;但对第二个要求理解反差较大;笔者的理解是:机组底部距井底不得小于5 m, 且必须为垂直安装。其实是为了保证水质, 即输送固体杂质总含量不大于0.01%;水质条件特好时, 水池中机组底部距井底可以取为0m。因为这种多级离心泵, 流道小, 流程长而曲折, 不适应排放固体颗粒较多的废水;特别是扬程高、多级数时, 因为泵内高压水容易将固体颗粒带入水泵的轴封装置, 日积月累, 会抱轴严重, 烧坏电机。其中, 当井用潜水泵卧式安装时, 水泵进水口低, 污泥更容易进入水泵的进水口;斜式安装、立式安装时, 进水水质会相对好一些, 但为了使进水水质达到标准, 就必须提高机组底部到井底的距离, 但这样就会提高水池深度要求;所以, 青岛胶州湾海底隧道废水排水设计时, 就放弃了选用井用潜水泵方案, 而采用QW型潜污泵方案。

　　 厦门翔安海底隧道选用井用潜水泵排除废水。施工设计图纸要求为:“选用美国ITT泵井用潜水泵, 卧式安装, 共3台, 2用1备”;到2010年初设备安装时却变更为:“选用3台美国ITT井用潜水泵和3台日本U-Flo井用潜水泵, 均为卧式安装”;而到2012年又改为“用天津百利溢通井用潜水泵 (均为立式安装) , 替换3台美国ITT井用潜水泵, 同时, 将3台日本U-Flo井用潜水泵由卧式安装改为斜式安装”。其前后变化过程大致如下:首先, 3台美国ITT井用潜水泵, 先用到隧道施工排水中, 等隧道开通后, 再安装在海底废水泵房内, 在隧道正式通车2年后, 3台ITT水泵相继出现故障, 最后彻底坏掉了, 用天津百利溢通国产水泵代替。笔者认为:施工废水水质比运营期间废水水质差, 它含有大量的水泥砂浆细颗粒, 这种颗粒对井用潜水泵来说是致命的, 最后导致水泵提早损坏;由此可以看出:将井用泵用于排除杂质含量大于0.01%的隧道施工废水是不合适的;采用井用泵应当遵守“输送固体杂质总含量不大于0.01% (质量比) 的清水”这条要求。其次, 到2010年初设备安装时, 废水泵进行了第一次设计变更, 在原有3台ITT水泵的基础上, 增加3台日本U-Flo井用潜水泵;具体原因, 应该是实际产生的结构渗漏水量远大于设计排水能力。笔者认为:增加的废水泵不再采用美国ITT井用潜水泵, 就说明它们在该工程中故障频出, 以致使业主对美国ITT井用潜水泵产生失望心里, 因此选择了3台日本U-Flo井用潜水泵。最后, 到2012年底进行了第二次水泵调整, 这次调整应该有废水泵的实际排水能力不够的原因, 但最重要的原因是美国ITT井用潜水泵坏掉了。但有意思的是, 这次增加的水泵却不是日本U-Flo井用潜水泵, 而是天津百利溢通井用潜水泵, 并且改为立式安装, 同时, 将原有的日本的U-Flo井用潜水泵, 从卧式安装改装成斜式安装。据了解选用天津百利溢通井用潜水泵的理由是, 进口水泵配件难以购买, 不便于维修;由此可以推测日本U-Flo井用潜水泵在使用时也出了不少故障, 同时, 业主对井用潜水泵的卧式安装产生怀疑。所以, 笔者认为, 水泵型号前后调整主要有两个目的: (1) 通过安装方式调整来弥补井用潜水泵本身先天不足; (2) 采用国产设备比较容易得到及时服务。目前, 天津百利溢通废水泵运行基本正常, 但运行时间相对较短, 长期效果需继续观察。

　　 据调查一般普通水泵正常使用寿命均在10年以上, 国际品牌应在20年以上;但在厦门翔安海底隧道中所选择的国际品牌井用潜水泵却几年就坏, 笔者认为其主要问题还是泵的选型不合理。井用潜水泵毕竟是清水泵, 要想成功地应用于隧道废水排放中, 那么, 必须保证废水的水质满足清水要求, 即“输送固体杂质总含量不大于0.01% (质量比) 的清水”。首先, 井用潜水泵不宜应用于海底隧道废水排放, 更不能应用于隧道施工废水排放;其次, 当条件限制必须采用井用潜水泵时, 也不应采用卧式安装, 且必须满足水质要求;最后, 立式安装、斜式安装是否适用, 还有待于时间来验证。

　　 青岛胶州湾海底隧道有关污泥排放设计思路是:废水主要是结构渗漏水, 密度明显比水大的固体颗粒一般分散沉淀在水沟、集水池等地方, 用污泥泵去抽不方便, 效率也不高, 人工清淤比较方便。密度和水相差不大的漂浮物, 在动态的水流中一般和水很难分离;而潜水排污泵 (WQ型) 不怕污泥, 能排除直径小于20 mm的固体颗粒。所以, 未设计泥浆泵, 到目前为止未出现因淤泥导致的设备故障。

　　 厦门翔安海底隧道有关污泥排放设计思路是:“设计了3台移动式潜水泥浆泵, 用于排污泥, 流量Q=36m³/h, 设计扬程H=25m, ”;从实际调研中了解到, 3台潜水泥浆泵并没有使用过, 平时采用人工清淤。

　　 从投资角度来说, 扬水管越少越经济;从安全角度来说, 至少需设置2根。为了保证废水泵能在高效区运行, 最好2台废水泵配1根扬水管, 尽量不要超过3台废水泵;否则1台废水泵运行时扬程浪费严重。如青岛胶州湾海底隧道废水泵房配泵标准为:近期平时1用2备, 消防时2用1备;远期平时1用3备, 消防时3用1备。即无论是近期还是远期, 最大概率是1台泵运行。故采用2台废水泵配1根扬水管, 每个废水泵房均设2根扬水管。当每台废水泵流量一样, 1根扬水管配的废水泵数量明确 (如2台) , 且扬水管管径已明确时, 即废水泵的扬程参数其实已经确定;即为2台废水泵运行工况所对应的扬程。最后, 应根据该流量、扬程去对照废水泵效率曲线, 选泵时一定要保证1台泵运行工况在高效区内, 尽量让两台泵运行工况也在高效区内。这是保证水泵在高效区运行的第3个要求。

　　 青岛海底隧道的海底废水泵房, 其两根扬水管均排向3号风井废水泵房, 其理由如下: (1) 两根DN350扬水管安全度就较高; (2) 如果向两个方向各设1根扬水管, 由于它们长度相差较大 (约400m) , 且两边静扬程相差也较大 (约7 m) , 而设计水泵参数时, 必须按不利方向确定废水泵扬程, 就会导致能量浪费、设计不合理。厦门翔安隧道目前共设3根DN400的扬水管, 两根连接厦门方向洞口, 1根连接翔安方向洞口;这种做法可以往两个方向排放废水, 以提高安全度;但性价比差。

　　 由于海底隧道废水主要成分是隧道结构渗漏水 (即海水) , 而海水是弱碱性水, 且氯离子含量较高。所以, 对水泵及扬水管的材质有特殊的要求。青岛胶州湾海底隧道施工设计要求为:“采用双向不锈钢水泵”;厦门翔安海底隧道设备招标要求为:“316L不锈钢卧式潜水泵”。对水泵材质的基本要求是一致的, 都要求是不锈钢, 但对不锈钢具体要求有差别, 目前从现场运营情况来看, 两种材质都没有问题。

　　 对于扬水管的材质要求有所不同, 青岛胶州湾海底隧道施工设计要求为:扬水管采用衬塑钢管;厦门翔安海底隧道施工图中要求采用经防腐技术处理的高承压复合防腐钢管, 优质的耐腐蚀材料, 且需为高承压的钢塑复合管材或采用贝尔佐纳表面防腐技术涂层工艺处理。但在现场调研时发现泵房内是经过外处理的钢管, 并且表面生锈严重。

　　 笔者认为海底隧道排水管材必须满足两方面要求: (1) 强度要求:必须满足废水提升的压力要求; (2) 抗腐蚀要求:结构渗漏水对管材腐蚀严重。所以, 海底废水泵房的扬水管采用内衬塑钢管比较合适, 但对外侧防腐要求可以适当降低。通过厦门翔安海底隧道现场调研发现:泵房内钢管表面生锈严重, 特别是管道连接部件处。笔者认为这和废水泵房内的工作环境有关;管道外部腐蚀严重的真正原因是:废水泵房和废水池之间敞口面积过大, 导致废水泵房内空气湿度太大, 即管材的外部腐蚀是空气中水蒸气与氧气共同作用的结果。如果将水池和泵房隔开, 泵孔采用密闭条件较好的土建盖板、钢板, 即设计成青岛胶州湾海底隧道的废水泵房一样, 把废水泵房和集水池完全分隔, 那么, 外处理后的钢管表面腐蚀现象将会很轻。另外, 采用两级提升方案, 水泵扬程相对较低, 扬水管的承压较低。

　　 海底隧道一般长度长, 埋深深, 隧道最低点在海平面以下50~100m处, 如青岛胶州湾海底隧道最低点在海平面以下82.81 m, 厦门翔安海底隧道最低点在海面以下80.986 m;另一方面, 隧道最低点废水泵房距两端洞口距离较长, 导致废水排水管路很长;所以, 如果废水排水方案采用单级提升方案, 那么水泵扬程肯定会很高。

　　 青岛胶州湾海底隧道的废水泵采用潜水排污泵 (WQ型) , 这种泵为单级离心泵, 其优点是能输送杂质含量较高的污水或废水, 非常适合输送隧道废水;其缺点是扬程低, 当时笔者对国内外水泵厂家调查显示:对如此大流量的潜水排污泵, 其成熟扬程一般在60m以内, 也有达到80 m的;如果扬程要超过80m, 那么水泵必须特制, 其价格会明显上扬。为此, 隧道废水排水系统就采用两级提升的排水方案。海底部分废水采用分段收集分级提升方案, 从海底废水泵房提升45m净高到3号风井废水泵房, 再从3号风井废水泵房提升45净高到隧道外;2号风井废水泵房提升50净高到隧道外, 见表6。

　　 由于在设计过程中采用常规潜污泵, 且扬程都不超过80m, 因此, 水泵选择范围较广, 且便于维修及更换。通过现场调研及多年来运行情况看, 废水泵房运行良好, 运行以来尚未出现故障。控制方式为自动控制启停。由于废水泵扬程低, 对水泵设备、扬水管材质等各方面要求会明显减低, 从而大大减少了设备管材采购费用和安装难度。由于是矿山法施工, 废水排水泵房、集水池就结合横通道或者风井设置, 所以, 采用两级提升方案时, 因增加泵房而增加的土建投资费用很少, 几乎可以忽略。

　　 单级提升方案中, 隧道结构渗漏水必须全部汇集到隧道最低点的废水泵房内, 再通过废水泵一次性提升到隧道外;而两级提升方案中, 只是两个风井之间部分隧道结构渗漏水汇集到最低点废水泵房内, 再通过废水泵提升到2号风井废水泵房内, 其他部分隧道结构渗漏水只汇集到风井废水泵房, 和中转部分废水一起, 通过风井废水泵提升到隧道外;所以, 两级提升方案很适用于隧道废水排水, 达到高水高排、低水低排的节能目的。正常工况下, 隧道结构渗漏水是源源不断的常流水, 其节能的效果就很明显。青岛胶州湾海下隧道工程中, 两种提升方案能耗见表7, 两级提升方案相对折算系数为0.9。

　　 青岛胶州湾海底隧道内有1根600的市政供水管, 厦门翔安海底隧道内也有1根1 000的市政供水管;对于该类海底隧道, 其废水排水设计时, 应考虑供水管的爆管废水;而对于爆管废水量的大小及如何排除等问题, 目前尚没有统一的定论。

　　 青岛胶州湾海底隧道废水排水设计中, 为了解决这个问题, 笔者认为应该从研究爆管废水的特点出发;爆管废水有3个特点: (1) 爆管是小概率事件, 爆管废水出现的可能性是很小的; (2) 不同材质的供水管爆管、不同水压的供水管爆管以及不同管理条件下的供水管爆管, 其产生的爆管废水量反差很大, 故爆管废水量很难量化; (3) 一旦发生爆管, 隧道运营管理部门必须及时对爆管进行处理, 不容许爆管废水持续长流。因此, 为了解决爆管废水问题, 设计就会产生两难选择:如果设计大废水池或大幅度提高废水泵排水能力, 那么会产生投资的巨大浪费, 爆管毕竟是小概率事件;反之, 一旦发生严重爆管, 后果就将不堪设想, 因为毕竟供水管直径大, 其内部水压高。同时, 设计还必须保证及时控制供水管爆管, 让爆管废水量不持久长流。为了解决上述问题, 笔者的设计思路为:火灾和供水管爆管同属于小概率事件, 几乎不可能同时发生;所以, 如果能从技术上将爆管废水量控制到小于消防废水量时, 那么, 隧道废水排水量就可按隧道结构渗漏水和消防废水之和考虑, 而不必考虑爆管废水量;即不必因为供水管爆管而增加排水设施的排水能力或增加废水池体积。因此, 笔者的设计理念是:通过相应的控制措施, 将爆管废水量控制在某个范围内, 即小于消防废水量, 从而解决供水管爆管问题。

　　 厦门翔安海底隧道设计中, 以隧道内2 000 m长Ø1 000市政给水管内的水量为依据确定废水泵房废水池有效容积 (约1 570m³) 。笔者认为这种处理思路欠妥。首先, 这种仅以某一段管内静态水量, 来代表随时间动态变化的爆管废水量思路, 逻辑上显然是说不通的。其次, 海底隧道内供水管通常压力较大 (隧道最低点压力超过1 MPa) , 爆管时流量大, 若不考虑及时排除, 那么, 靠1 500m³的废水池容积去容纳爆管废水量, 这种思路是值得怀疑的。由此可见, 只考虑增大废池子容积, 而不考虑及时排出爆管废水, 显然是不妥的。因此, 笔者认为应该从控制爆管技术出发, 来解决爆管废水问题。

　　 青岛胶州湾海底隧道废水排水设计中, 对供水管爆管控制技术的主要思路如下:首先, 把供水管爆管后产生的废水量控制到最小。即服务隧道内600的供水管, 须采用给水球墨铸铁管等优质管材, 连接方式须采用法兰连接;这样即使供水管爆管, 也可以把影响降低到最小。其次, 对隧道内的供水管加装爆管预警及控制装置, 尽可能减小给水管爆管的可能性。

　　 该预警装置由3部分组成:预警控制中心、供水管监测及控制系统、废水排水信息监测系统。

　　 (1) 预警控制中心, 包括显示器、预警控制中心主机、预警装置等;其作用为:接收从供水管监测系统、废水排水信息监测系统发来的供水管流量、废水泵启泵频率及单位排水周期内累计排出废水总量等信息, 再经控制中心主机处理, 根据处理结果, 通过预警装置预警, 或通过控制信号传输给供水管控制系统实现实时控制。

　　 (2) 供水管监测及控制系统, 包括隧道出入口处供水管上手电动一体碟阀、控制流量计;其作用为:即时测量隧道出入口处供水管的流量, 并将信息传输到预警控制中心, 在接受到预警控制中心控制信息时, 能及时关闭相应的电动阀门。

　　 (3) 废水排水信息监测系统, 包括废水泵房出水总管上的频率计数器、累计流量监测设备;其作用为:即时测量废水泵启泵频率及单位排水周期内累计排出废水总量, 并将信息传输到预警控制中心。该爆管预警及控制装置工作原理为:供水管监测系统通过对隧道出入口处供水管流量监测, 或者废水排水信息监测系统通过对废水泵启泵频率及单位排水周期内累计排出废水总量的监测, 分别将信息传输到预警控制中心, 中心主机根据信息计算出供水管渗漏量;当供水管渗漏达到一定流量时, 中心主机的智能信息处理系统, 通过预警装置预警提醒运营管理人员;当供水管渗漏情况严重到一定程度时, 智能信息处理系统会通过供水管控制系统, 强制关闭隧道出入口处供水管上的电动蝶阀, 以便管理人员及时处理, 防止爆管现象的发生, 从而有效地控制爆管废水量。给水管监测系统与废水排水信息监测系统, 二者既是相互独力监测, 又相互补充确认, 确保供水管爆管预警的可靠性。例如青岛胶州湾海底隧道废水排水设计中, 一旦供水管渗漏量达到一定数值 (如5L/s) , 预警装置就预警;流量达到一较大数值 (如10L/s) , 供水管控制系统就强制关闭隧道进出口供水管上的电动蝶阀;所以, 爆管可能性几乎为零。也就变相地保证了及时控制供水管爆管, 让爆管废水量不持久长流。

　　 厦门翔安隧道初步设计时对1 000供水管要求为:合理选用管材及管道接口型式, 以满足管道在高压工况下的工作要求;在隧道进口及隧道内每隔2 000m设置一自动阀门, 每500m设置一手动阀门, 并实施远程监视控制, 以防突发意外时, 能立时知晓并切断水源;加强养护管理, 日常维修, 将隐患的发生控制在最小范围内。写得较笼统, 不好操作。

　　 青岛胶州湾隧道废水池设计时, 因为已采用了海底隧道内供水管爆管控制技术, 废水池容积只需满足规范要求即可;《室外排水设计规范》要求, “集水池容积不应小于最大一台水泵5min的出水量”, 且“水泵机组为自动控制时, 每小时开动水泵不得超过6次”。该设计中最大水泵流量为220m³/h。所以, 设计水池有效容积50~80m³完全可以满足要求。但综合考虑各种因素^[2], 将安全系数定为2, 2号风井废水泵房、海底废水泵房、3号风井废水泵房的废水池有效容积分别为120m³、160m³、160m³。

　　 厦门翔安海底隧道废水排水设计采用一级提升, 仅在隧道最低点设计废水泵房。根据施工设计要求, 废水泵房水池有效容积为1 570m³。但在现场调研及图纸资料显示, 其废水池在隧道最低点呈十字交叉布置, 两个水池尺寸分别为31.6 m×7m×5.5m和48.7m×7m×5.5m, 有效容积为2 500m³。相比胶州湾明显偏大。

　　 目前《公路水下隧道设计规范》 (JTG D71—2014报批稿) 12.2.2条要求:“对洞内集水池的有效容积, 宜按下列原则确定:洞内污水集水池有效容积可取排水分区内一次性消防水量。洞内清水集水池有效容积可取排水分区内24~48h结构渗水量总和”。其条文说明为:“洞内污水的主要来源为清洗污水和消防污水, 清水来源主要为结构渗漏水。按清污分排原则, 清水设计流量取结构渗漏水量”。

　　 通过对两个矿山法海底隧道的调研, 笔者认为规范对水池定位原则, 有值得探讨的地方:首先, 火灾是小概率事件, 按清污分排原则投资太浪费, 水池合建会更经济。其次, 如果按该规范要求计算, 那么, 青岛胶州湾海底隧道洞内清水集水池有效容积为540~810m³, 厦门翔安海底隧道清水集水池为效容积为14 200~28 400 m³, 笔者认为明显太大了。

　　 有一些专家认为:海底隧道废水泵房有效容积应能够容纳48h的隧道结构渗水量, 目的是为了保证多台废水泵故障时, 废水池还能容纳48h的隧道结构渗水量, 以确保隧道安全。因为, 厦门翔安海底隧道运行初期, 曾出现过多台水泵同时发生故障的尴尬局面;庆幸的是, 废水池容积较大, 在结构渗漏水灌满集水池之前, 排水系统恢复了正常, 未造成运行事故。因此, 他们认为集水池容积越大越安全。

　　 对此笔者认为:首先, 废水排水设计中, 应当坚持“废水泵及时排除废水为主, 废水池储存废水为辅”的原则, 隧道结构渗漏水是常流水, 不是特发水, 储存不能从根本上解决问题, 储存到最后, 还是要通过废水泵来排除。当时厦门翔安海底隧道废水总排水量严重不足, 水泵备用率只有19%, 并且, 不同水泵之间流量反差较大, 也就是说实际水泵备用率还不到19%;所以, 当务之急应该是加大废水泵的排水的能力, 而不是扩大废水池。其次, 只要水泵选型合适、安装合理, 几台水泵同时出故障的概率几乎为零, 没必要一味加大废水池有效容积。同时还应合理确定水泵的备用率。

　　 另一方面, 关于供水管爆管产生的废水问题, 关键在于及时预警和强制关闭隧道进出口供水管上的电动阀门, 从源头上控制爆管的发生;否则, 废水泵再多、废水池再大也可能于事无补。所以, 笔者认为:在完善运用海底隧道内供水管爆管控制技术后, 只要废水泵的选型合适、安装合理, 水泵设计流量参数合理, 那么, 废水池有效容积只要满足一般规范要求即可, 通常情况下150~200m³就完全足够了。

　　 青岛胶州湾海底隧道设计中, 海底废水泵房是利用最低点的人行横道布置, 风井处泵房是利用通风道布置, 这样就避免了为废水泵房而专门开挖横向通道, 从而降低了土建费用 (见图5) 。从图5中可以看出这种布置型式对泵房净空要求为不小于4m即可, 可以利用连通道和风道布置。

　　 厦门翔安海底隧道设计中, 在最低点设置废水泵房 (见图6) 。

　　 对废水泵房净空要求比较高, 须在隧道最低点专门为废水泵房开挖一个很大的洞室, 这将增加不少土建费用。

　　 笔者认为:造成上述废水池位置不合理的原因, 应该和水池有效容积偏大有一定关系, 因为废水池有效容积大必然导致废水池长度长, 净高高, 为了让主隧道和水池保持一定距离, 以满足结构的安全要求, 必然导致水池比合理位置深6m。其次, 为了将主隧道废水排入到废水池, 设计了4根300的排水立管, 它们下穿隧道结构底板与废水池之间的6m地质结构层, 这种设计思路有一定的风险, 因为这相当在海下70多m处钻四口直径为300、深度为6m的井, 此举产生的结构渗漏水量将很难预测, 为实现排水的目的而采取打井的措施, 难免顾此失彼。笔者认为, 之所以这样处理, 可能也与废水池体积太大有关;如果在水池上方设计连通道来排水, 结构风险会很大。但无论如何, 必须合理地设计废水池的进水方式, 否则可能会增加隧道结构渗水量, 从而引起废水池的被动加大, 从而产生一系列不利后果。最后, 从土建施工角度来讲, 在隧道最低点开挖一个有效容积为2 500m³的水池, 本身就是一个高风险的施工过程, 水池体积愈大, 风险愈大。总之, 应尽量要减少废水池容积, 从而降低土建的投资、设备的运营费用及提高施工的安全性。

　　 通过对青岛胶州湾海底隧道、厦门翔安海底隧道的现场调研、设计思路及运营现状对比与分析, 笔者认为矿山法施工的长大海底隧道废水排水系统设计时, 对于“海底隧道废水量确定、废水泵流量及台数的确定”部分应注意: (1) 废水量是废水排水系统设计的基础, 必须实地测定隧道结构渗漏水量, 应坚持“边施工、边测量、边设计”的原则, 否则会造成一系列不良后果; (2) 应根据隧道结构渗漏水量、消防废水量关系, 合理配置废水泵台数, 以保证废水泵能高效排除隧道结构渗漏水, 并且能安全地排除包括消防废水在内的所有废水; (3) 结合近、远期废水量情况, 尽量使各个废水泵房内水泵规格统一, 这也是保证水泵在高效区运营的第一个要求。同时, 也方便废水泵的维修与保养。4排水泵备用率尽量在25%~33%。

　　 对于“海底隧道对废水泵选型、安装方式、水泵管材材质要求, 扬水管数量确定以及对废水泵提升级方案讨论”部分应注意: (1) 合理的水泵选型、安装方式及材质是废水排水设计的核心, 应采用潜水排污泵 (WQ型) , 不宜采用井用潜水泵。 (2) 由于条件限制确实需要采用井用潜水泵时, 应采用立式安装, 不应采用卧式安装, 且必须保证进水水质要求;施工排水中应禁止运用井用潜水泵。 (3) 由于隧道结构渗漏水是海水, 所以水泵及扬水管的材质必须满足对海水的防腐要求。 (4) 合理确定废水泵流量, 合理确定废水扬水管数量, 选择性能曲线能满足“一台泵运行工况一定在高效区内”的水泵, 以确保证水泵在高效区运行。 (5) 必须选用合理的废水泵提升方案, 从而保证整个隧道废水排水系统安全节能。两级提升方案很适用于隧道废水排水, 达到高水高排、低水低排的节能目的;同时, 对水泵设备、扬水管材质等要求也会明显减低, 有利于排水系统的高效、安全运行。

　　 对于“海底隧道供水管爆管理念、爆管控制技术及废水池大小的确定”部分应注意: (1) 当隧道内设有市政供水管时, 为降低爆管风险, 保证排水安全, 供水管必须采用有质量保证的给水球墨铸铁管等优质管材, 连接方式必须采用法兰连接, 并且, 应对隧道内的供水管加装爆管预警及控制装置。 (2) 在完善运用海底隧道内供水管爆管控制技术后, 只要废水泵的选型合适、安装合理, 水泵设计流量参数合理, 那么, 废水池有效容积只要在满足一般规范要求基础上, 考虑适当的安全系数即可, 通常情况下150~200m³就完全足够了。 (3) 废水泵房及水池设计时, 应结合联络通道、风道等土建结构设计, 以节约投资及减少土建风险。同时, 废水池不要无条件、无原则的盲目扩大, 否则, 不但会产生一系列浪费, 而且还会增加土建风险。

　　 总之, 设计海底隧道废水泵房的目标是:在满足排除废水功能、保证安全的前提下, 设计出投资较低和运营费较省的高性价比的废水排水系统。