排水系统是综合管廊工程不可缺少的部分, 《城市综合管廊工程技术规范》 (GB 50838-2015, 以下简称“规范”) 7.6.1条规定:“综合管廊的排水系统主要满足排出管廊的结构渗漏水、管道检修放空水的要求, 未考虑管道爆管或消防情况下的排水要求”^[1]。现行规范中综合管廊 (以下简称“管廊”) 内的排水系统为“集水坑+排水泵”, 即通过在管廊的单侧或双侧设置排水明沟, 在管廊纵向的低点设置集水坑, 管廊内废水通过明沟流入集水坑, 之后经排水泵提升排入市政排水井, 排水区间长度不宜大于200m。

　　 “规范”对管廊内排水量、集水坑尺寸及排水泵的选择等均未作说明。目前国内管廊排水系统设计多依靠类似的工程经验。因此, 对管廊内排水对象及水量进行分析进而对常规排水系统进行对比选择十分必要。

　　 现行“规范”规定的排水对象为渗漏水、管道检修放空水, 下面对“规范”中提及的排水量进行分析计算。

　　 “规范”8.1.7条规定“综合管廊应根据气候条件、水文地质状况、结构特点、施工方法和使用条件等因素进行防水设计, 防水等级应为二级……”。另据《地下工程防水技术规范》 (GB 50108-2008) , 地下工程防水标准见表1^[2]。

　　 综合管廊防水等级为二级, 参考表1中隧道工程的平均渗漏量0.05L/ (m²·d) , 以图1所示双舱综合管廊为例, 一个排水区间 (按200m考虑) 的渗漏量Q渗=20×200×0.05=200 (L/d) =0.2 m³/d=0.008 3m³/h。

　　 管道内水管主要有给水管、中水管、空调水管及热力管等, 管径从DN300~1 500均有涉及, 因此水管的检修放空水量变化范围很大。一般来说, 相比较于直埋管道, 管廊内的敷设环境更好、运维条件也更为优越, 且管廊内给水管、再生水管等压力水管大多采用钢管 (或无缝钢管) , 钢管漏损主要发生在腐蚀穿孔焊缝处, 从“滴水、漏水”开始, 如得不到及时维护则穿孔或裂缝增大, 成为管道爆裂的隐患, 一旦管网内压力波动升高, 则易发生爆管。因此, 在施工质量得以保证的前提下, 钢管爆裂从隐患至发生存在一个变化过程。运行中可采取如下措施: (1) 加强管廊内日常巡视及维护, 把管廊内压力水管爆裂的可能性降到最低; (2) 当发现管道滴漏时, 应立即关闭相应管道进出管廊的检修闸, 并对管道进行维修。

　　 因此, 在合理的设计和运行工况下, 管道检修频率非常低, 管道的检修防水应尽量排至管廊外, 最后剩余的水量通过排水系统排放。

　　 虽然“规范”明确提出管廊内的排水系统主要满足排出管廊的结构渗漏水、管道检修放空水的要求, 但在管廊中还可能存在消防水、凝结水等, 这些水在管廊内聚集最终也需要通过管廊的排水系统排出, 因此有必要对管廊其他排水的水量进行分析计算。

　　 “规范”7.1.9条规定“干线综合管廊中容纳电力电缆的舱室, 支线综合管廊中容纳6根及以上电力电缆的舱室应设置自动灭火系统;其他容纳电力电缆的舱室宜设置自动灭火系统”。据此, 图1所示管廊的电舱应设自动灭火系统, 目前管廊可选用的自动灭火系统有高压细水雾系统和超细干粉系统等, 当采用高压细水雾系统时, 火灾消防后, 管廊内还有消防废水需要及时排出。

　　 以图1所示管廊为例, 仅考虑在电舱内设高压细水雾灭火系统, 消防分区按200m计, 保护面积为400m², 喷雾强度为1.01L/ (min·m²) , 设计流量按照开式系统最大保护区同时开启喷头数流量的1.05倍计, Q消=400×1.01×1.05=424 (L/min) =25.4m³/h。

　　 当管廊采用高压细水雾灭火系统时, 灭火后的消防水量大, 不能忽略。

　　 管廊内的凝结水是由于空气的温度和湿度差造成。我国南方地区夏季的空气温度高、湿度大, 管廊为地下工程, 管廊内的温度比室外温度低, 因此结露不可避免。例如:在华南某综合管廊工程夏季设备安装阶段, 管廊内通风段的诱导风机及其他金属设施腐蚀的速度明显比不通风段更快且管廊内壁有水珠, 下面对夏季管廊内的凝结水进行分析说明。

　　 图2是管廊标准段的通风系统示意。定义进入管廊的空气温度 (即室外温度) 为T₁, 相对湿度为R_h, 管廊内空气温度为T₀, 排风亭排出空气温度为T₂。以 (2.0m+3.0m) ×3.0m双舱断面为例, 按照换气2次/h计算, 则管廊一个200m的排水区间空气量Q_气为6 000m³/h。为简化计算, 取管廊排出空气温度等于管廊内空气温度, 相关计算参数见表2。

　　 由此可见, 相比较于管廊内的其他排水, 夏季的凝结水量极小, 工程设计时可忽略。

　　 日本道路协会出版的《共同沟设计指针》中关于集水坑中排水泵的流量规定如下, 排水泵流量Q=0.03RLF_s, 其中Q为排水泵流量, L/min;R为管廊外周长, m;L为收集距离, m;F_s为安全系数。

　　 以图1所示双舱综合管廊为例, 收集距离为200m, 安全系数取2, 则需要的泵的流量为240L/min, 即14.4m³/h。

　　 通过上述计算, 对图1所示断面的管廊一个排水区间 (按200m考虑) 的排水由如下几个部分组成 (见表3) 。

　　 根据表3可见, 综合管廊内排水水量变化明显, 且不同工程由于入廊管线及消防形式的差异, 管廊内的排水量变化也较大, 设计时应根据各自工程特点计算排水量, 为排水系统的选择提供可靠的水量基础。

　　 根据“规范”, 目前管廊内常规排水方式是在综合管廊纵向的低点设置集水坑, 管廊内废水通过明沟流入集水坑, 一般来说, 集水坑内设2台潜污泵 (见图3) , 集水坑内同时配备液位计, 根据液位控制潜污泵的开启和关闭^[1]。排水区间长度一般不大于200m, 潜污泵流量一般为30 m³/h, 其扬程根据集水坑内水位标高及排出点标高等因素确定。图3中电力舱废水接入综合舱的集水坑, 应采取水封等措施。

　　 根据上述分析计算, 目前“集水坑+排水泵”的常规排水系统可以满足管廊排水的要求, 常规排水系统的适用性和有效性在多年的管廊工程实践中也得到较好的印证, 截止目前尚未有该系统无法满足工程需求的报道, 但常规排水系统也存在一些问题, 主要如下:

　　 (1) 用电设备数量多, 且出于对水泵的安全性考虑, 集水坑内一直存有积水, 运维难度较大;

　　 (2) 由于排水区间一般不大于200m, 当管廊较长时, 排水点多且分散;

　　 (3) 考虑管廊的安全, 集水坑一般设在管廊低点或多层节点最下层底部, 但这种方式使基坑深度增加, 导致基坑支护费用增加、降水困难、施工难度加大等。

　　 真空排水 (又称负压排水) 起源于19世纪欧洲, 是重力排水的补充。真空排水是由真空泵在密闭的排水管网中形成真空条件, 通过各收集箱中的真空阀控制, 利用真空负压产生的压差来实现污水流向污水罐, 最后排至市政污水管网或污水处理设备^[3]。20世纪90年代以后, 该技术被引入国内并得到一定的发展^[4,5]。

　　 一般来说, 真空排水系统主要由收集箱、真空管道、真空罐、真空泵、排水泵和除臭生物滤池组成^[6], 见图4所示。

　　 真空排水系统更适合排水点分散、水量较小的情况。对于大水量的排除, 采用提升泵的方法更为可靠。

　　 系统优点有以下5点: (1) 受地形限制较少, 适用范围广。由于管道采用有压输送污水, 不需要保持严格的管道坡降, 易于污水提升, 管道布置灵活性。 (2) 有利于环境保护。很高的气密性管道经常保持真空状态, 可避免污染地下水和土壤;管道内污水流速远大于重力系统中的自净流速, 管道的检修防水应尽量排至管廊外, 最后剩余的水量通过排水系统排放。 (3) 系统综合费用较低。真空排污系统管径相对较小, 管道敷设无坡度要求, 能自由沿地形实现浅埋。因此, 与重力排水系统相比, 真空排水系统在管材、土方开挖量和回填量等方面费用都得到大幅度降低。 (4) 有利于减少总装机容量, 废水的排放点大幅减少。 (5) 管道负压有利于控制臭味。

　　 系统缺点有如下4点: (1) 当提升高度较大时, 真空管道一般采用锯齿形敷设方式, 两个相邻锯齿形提升弯之间的管道坡度不应小于0.2%。 (2) 真空排水主管爬坡累计高度不宜大于5m。 (3) 单个真空泵站的真空主管的长度不宜大于4km, 当收集范围较大时, 需根据情况设置多个真空泵站并配合潜水泵使用。 (4) 系统的检修维护工作量较大, 技术要求较高^[6]。

　　 自20世纪90年代真空排水系统引入我国, 已广泛应用于地铁站、高档小区、飞机及动车等诸多领域并取得良好效果^[4,5]。结合上述真空排水系统的优点和综合管廊内排水的特点, 将真空排水系统应用于综合管廊, 技术上是可行的, 经济上是合理的。

　　 在管廊每一排水区间的纵向低点的电力舱和综合舱分别设置收集坑 (收集坑尺寸及位置见图5) , 每个收集坑设探枪式真空收集器, 探枪式真空收集器主要由底部探枪 (细管与液位感应) 模块和控制与监控模块组成 (见图6) 。真空排水系统工作原理是排水沟的废水流入集水坑内, 水位达到设定高度后, 触发控制器, 真空阀启动, 将废水“吸入”真空管道, 经过设定时间后, 真空阀关闭, 完成一次排污, 见图7。

　　 目前, 综合管廊中常用排水能力为5L/s的真空阀, 考虑安全等因素, 设计时单个真空阀的排水能力按3L/s计, 因此, 考虑排水能力及安全余量, 当管廊采用高压细水雾灭火系统消防时, 每个集水坑中可设置4个真空阀 (3用1备) , 总设计排水能力为32.4 m³/h;当管廊未采用高压细水雾灭火系统消防时, 每个集水坑中可设置3个真空阀 (2用1备) , 总设计排水能力为21.6m³/h, 即可满足管廊的排水要求。一般来说综合管廊内排水比较干净、无恶臭产生, 因此真空排水系统应用于综合管廊工程时, 系统无需设置除臭生物滤池。

　　 表4是近年来我国部分采用真空排水系统的综合管廊工程案例, 说明真空排水系统在管廊工程中已经开始较大规模应用。

　　 以图1所示综合管廊收集范围2km为例, 将真空和传统排水系统从系统和设备、排放口数量、施工及投资等多个方面予以比较, 见表5。

　　 通过表5排水系统对比分析结果, 可以看出相对于常规排水方式, 真空排水系统无论是用电设备数量、施工难易程度、工程投资及系统扩容性等多个方面具有明显优势, 真空排水系统应用于管廊工程合理可行。

　　 排水系统是管廊工程不可缺少的部分。《城市综合管廊工程技术规范》对管廊工程排水系统及其除对象做了相应的规定, 但对管廊内排水量、集水坑尺寸及排水泵的选择等未作说明。本文介绍了管廊工程内排水组成和水量的分析计算, 并对常规排水方式及真空排水系统的组成和各自的优缺点做了分析, 说明了真空排水系统亦适用于管廊工程。在实际工程中, 对于具体执行而言, 可以根据项目特点来选择适宜的排水系统。