随着城市地铁建设的发展,敞口风井因其外形简洁、个体体量小,以绿化做陪衬易于融入城市环境中,被很多城市地铁采用。地铁设计中风井井壁往往会高出附近地面有一定高度,但敞口的部分无任何遮蔽物,在下雨尤其在暴雨情况下短时间通过风井口进入风井的雨量较大。尤其近年来受地球气候变化影响,我国多地出现非季节性或季节性超大的暴雨天气,使得地铁敞口风井的防洪防涝排水经受着较大考验,进而影响着地铁的正常运营。针对以上情况,在未来地铁敞口风井排水设计时应引起足够重视,根据实际情况,在经济合理的情况下确定最优排水方案。

　　 地铁敞口风井一般采用重力流或者设集水坑和排水泵的排水方式。目前国内文献中针对敞口风井排水的论述基本是针对常规敞口风井的排水方案^[1~3],并未体现车站风井受到规划、风道形式等因素影响采用非常规做法时,集水坑和水泵的设置方案如何选择。本文通过对不同条件下地铁敞口风井排水方案的分析,着重提出地铁车站顶出敞口风井及台阶式敞口风井排水的优化设计,以供参考。

　　 在地铁建筑设计中,风井根据通风模式要求及内外部布置条件,有的采用分散布置,有的采用集中布置,有的是单层风道风井形式,有的是双层或多层风道风井形式等。风道及风井形式确定后,需根据实际情况考虑敞口部分雨水的排放。《地铁设计规范》^[1]14.3.3条规定,地下车站的雨水不能按重力流排放时,应设排水泵提升排入城市排水系统。在有条件设置下沉集水坑的风井下部设置集水坑和排水泵,是给排水设计通常采用的做法,见图1。

　　 由图1可见,为避免窜风对通风效果的影响,不同功能的风井下部需单独设置集水坑,相同功能的风井下部可汇流集中排水。同样,对于分散布置的风井,可单独在每处风井下部最低点设置集水坑和排水泵。而对于双层或多层布置的风井,仍需按规范要求首先考虑重力流排放,至最低点后再设置集水坑和排水泵。

　　 集水坑内排水泵的设置应按照《地铁设计规范》^[1]14.3节要求执行:车站敞开风井雨水泵房应设2台排水泵,平时应1台工作,必要时应2台泵同时工作。确定了数量及位置后,集水坑与排水泵的参数可依据相关公式进行详细计算后确定。

　　 有些地铁车站往往舍弃常规模式而选择风井在主体顶出(即从车站主体顶板直接设置风井伸出地面形成风亭,见图2),主要包含以下方面的原因:①风道不具备外挂条件,如覆土厚度不够、无规划空间等;②主体顶部位置有条件设置风井,如风道刚好位于公园或绿地下部;③造价因素,主体旁管线改移投资大且缩短风道可减少投资。此外,风井顶出还需满足车站站台宽度大于10m的要求。

　　 一般认为,顶出敞口风井主要有两种排水方式。一种是在风井底部的车站中板下沉一个集水坑,坑内设置排水泵。这种方式需要局部下沉中板,侵入下层空间一定高度,但往往会因为受到站台层限界的影响而无法实施。同时,在中板下沉集水坑的做法对结构提出的要求较高,不易施工。因此,这种排水方式应用较少。

　　 第二种是在风井底部中板最低点设置防爆地漏,通过排水管排至站台层线路排水沟。《人民防空地下室设计规范》^[2]6.3.15条规定,对于乙类防空地下室和核5级、核6级、核6B级的甲类防空地下室,当收集上一层地面废水的排水管道需引入防空地下室时,其地漏应采用防爆地漏。因为地铁工程属于以上范围,且单个风井敞口面积通常在25m²以内,计算排水流量后地漏和排水管很容易选用。但是,设计者往往忽略了一个很重要的原则。规范中明确,防爆地漏收集的是上一层的地面废水,不能考虑将人防外敞口部分的雨水排入下层防护单元即站台层。《人民防空地下室设计规范》^[2]3.1.6条规定,上部建筑的生活污水管、雨水管、燃气管“不得”进入防空地下室。因此,设置防爆地漏的方式仅适用于有盖的非敞口风井排水。

　　 通过分析和调查后发现,地铁敞口风井从车站顶出时,车站长度往往比较富裕,在风井下部中板上回填出集水坑需要的空间,再设置排水泵,就可以解决此类问题。显然,人防外风井的非敞口部分废水的排除仍需设置防爆地漏,如图3所示。

　　 敞口风井井口长度为a,宽度为b,风井长度方向内壁与结构侧墙的水平距离分别为c和d(c>d),回填部分将井下通道高度分成m和n。理想状态下雨水能够侵入风井内最大范围的线路如图3b中虚线1、2所示。雨水最远范围线1产生的回填尺寸增加量为L。当L>c时,最远雨水下落受结构墙体遮挡,可沿墙面流下,然后通过回填面汇至集水坑;当L=c时,最远雨水范围与回填后的回填边和结构相交线平齐,雨水下落后通过回填面汇至集水坑;当L<c时,所有雨水直接下落至回填面范围内再汇集至集水坑。

　　 图3中风井尺寸a、b由车站通风系统确定,风井尺寸确定后根据当地暴雨强度公式可计算出雨水流量并进而确定集水坑尺寸及排水泵型号,再通过当地雨水倾斜角度核算井口落水角度α,便可确定回填参数。

　　 例如:图3中地铁顶出敞口风井井口尺寸为a×b=5m×4m。风井长度方向内壁与结构侧墙的水平距离c=2.6m、d=1.2m;宽度方向一侧靠结构墙,一侧距离人防门边e=6.9 m(人防门宽2.5m),风井顶出高度h=6.5 m,井下高度H=5.5m。当地暴雨强度公式计算选型后,集水池尺寸长×宽×高=2m×1.8m×1.5m。

　　 根据上述资料得出m=1.5m,n=5.5-1.5=4(m)。

　　 长度方向tanα=6.5/5=1.3,L=(6.5+4)/tanα-5=3.1(m),需两侧分别外扩3.1m。但L大于c与d,最远雨水下落均受结构墙体遮挡,可沿墙面流下,因此长度方向均回填至结构墙即可,即分别回填2.6m与1.2m。

　　 宽度方向tanα=6.5/4=1.625,L=(6.5+4)/tanα-4=2.46(m),需两侧分别外扩2.46m。因一侧靠墙可不用回填,另一侧回填2.46m后剩余部分长度为6.9-2.46=4.44(m),大于人防门宽度2.5m,满足要求。

　　 回填参数确定后,通过核算过风面积(或风速),可以确定人防外风井非敞口部分的调整尺寸,并最终完成敞口风井排水方案设计。

　　 通过比较不难看出,在风井下部中板上回填并预留出集水坑是顶出敞口风井情况下的最优排水方案。回填后可将整体视为常规敞口风井排水。

　　 台阶式敞口风井,即类似台阶状布置的敞口风井形式。当外挂风井受地下条件限制等原因局部减小非敞口部分埋深时,通常将风井设置为台阶式。如图4,为满足风井间距与规划要求,风井设置于出入口通道之上。

　　 规范要求,风井内的雨水不允许排入到下层人防内,而敞口风井正下方无设置集水坑的条件。因此,只能考虑雨水落入风井后,通过横向井道排至靠近人防门附近后再汇集排除。按照常规做法,可以在图4中集水池下方设置一处下沉集水坑,在集水坑内设排水泵即可。本文提出另一种做法如图4中所示,在靠近台阶处设置一处围合结构,人为砌筑一处专为排除雨水用的集水池,同时在集水池附近最低点再设置一处500mm×500mm×500mm的小坑用手提泵排除废水。这种方案较设置下沉集水坑的方案有以下优点:①施工工艺简单,集水池在风道结构完成后二次施工即可;②节约施工材料用量,降低了造价;③整体位于底板上,减小了水泵扬程,且清理维护方便。

　　 由此可见,在地铁等人防工程不具备设置下沉集水坑或重力排除雨水的情况下,设置后砌集水池是一种较好的方案。当然,后砌集水池也可采用成品集水设施来替代。采用此方案的同时也应注意一些问题,如保证水池的防水性能以及考虑好其他污废水的排除等。

　　 地铁敞口风井排水几种方案设计中,常规敞口风井下部设置下沉集水坑和排水泵是最基本的方案,而顶出敞口风井和台阶式敞口风井的排水方案最终都是通过方案设计回归到常规方案当中。不难看出,在有条件下沉时,采用下沉集水坑是造价最低、最简单有效的方式。在非常规风井排水方案设计中,利用现有条件准确选择排水方案才是设计的关键。

　　 随着地铁建设的发展,将会有更多布置形式的敞口风井被采用。当地铁风井为敞口形式时,必须要考虑好雨水的排除。无论是采用下沉集水坑、回填并预留集水坑、砌筑集水池或采用成品设备,还是采用重力流排水,都是为保证地铁运营安全服务的。设计者应该在满足设计规范和标准要求的前提下,依据工程特点选择更经济、合理、可行的排水方案。