京张高铁八达岭长城站清污排水分离系统设计

王 婷,付博文,冯春晖,岳 岭,邢军朝,陈 静,郭治东

(1.中铁工程设计咨询集团有限公司,北京 100055；2.北京工业大学,北京 100124)

引言

八达岭长城站是京张铁路重点控制性工程之一，车站规模大、结构复杂，是目前国内埋深最深铁路地下车站。长城站所处八达岭长城景区内，有着地理位置特殊、社会影响广泛、周围环境敏感性强等特点，因此这些都对京张铁路八达岭长城站的排水系统的设计提出了更高的要求。

地下工程的排水系统设计与优化一直是国内外隧道学术界研究的热点问题之一。张忠品[1]、王欢[2]从地下结构工程排水设计角度提出优化设计的方法；周金忠[3]在青岛胶州湾海底隧道中通过隧道结构渗漏水量确定废水的排水能力；祁帆[4]依托上海地铁提出车站主体、附属及站外废水排水系统，应根据其相应的特点进行废水排水设计；李媛[5]对废水系统的流量进行研究，并提出相应措施建议；李曦淳[6]以滨海新区海河隧道为依托，对隧道进行水流特性数值模拟、理论分析、水力试验，确定了横截沟设置方式、排水泵站设备及自控附属系统。曾保国[7]认为地铁内排水泵站的设置应考虑施工方法、正常运营和事故情况下可能产生的废水量、泵站在失去工作能力时对地铁影响等因素。于航[8]、冒宏军[9]、洪青春[10]针对隧道内卫生间污水的排出系统做了方案比选，认为真空排水系统无论从社会效益、经济效益和环境效益上都与传统的污水排水系统相比有明显的优势。亢超刚[10]提出防排水设计要进行全生命周期的系统设计和规划的观点。

目前常规地下车站采用全包防水系统，少量结构渗漏水排入废水系统，污水及废水汇入污水泵房及排水泵房内，再通过排水泵提升排入城市排水系统。针对八达岭长城站的特殊性对清污排水系统进行定义，清水系统为车站结构外围岩裂隙水，由于深埋隧道水压大，为减小围岩水压力对结构的影响，将围岩裂隙水部分引入车站内；污水系统指车站站内污水及废水，污水主要为卫生间生活污水，废水包括车站冲洗水、消防废水等。该站地下水丰富，为满足结构安全及保护原有生态环境，对清污水的排水设计方案进行深入研究，探索一种站内清水排水系统与污水排水系统完全分离的系统模式。

1 工程概况

图1 八达岭地下车站平面位置示意

八达岭长城站选址于北京市延庆区八达岭长城景区内，滚天沟停车场东北部，属八达岭景区核心部位。地下车站起讫里程为DK67+825 m～DK68+275 m，车站中心里程为DK68+050 m，车站总长470 m，有效站台长450 m，车站最大埋深102.6 m。车站位置平面如图1所示。该工程地处属暖温带，春季干旱多风、夏季炎热多雨、秋季秋高气爽、冬季寒冷干燥，全年降水多集中在7～9月份。地下水主要为基岩裂隙水，勘察期间，地下水稳定水位埋深6.5～28.6 m，随地形起伏较大。由于基岩的完整性差异导致透水性的差异，造成局部地下水表现一定承压性，这些都对排水系统的设计提出了更高的要求。

八达岭长城站地下部分自上而下共分三层，分别为进站通道层、出站通道层及站台层，进、出站通道层呈叠落布置，进站通道层在下，出站通道层在上，进、出站通道分别设置4处进、出站口通往站台层，各层平面见图2～图4，剖面关系见图5、图6。每层通道除作为人行通道功能外，还设置有污水、废水等车站设备用房。

图2 出站通道层平面

图3 进站通道层平面

图4 站台层平面

图5 各层通道横断面示意

图6 各层通道纵断面示意

2 清水系统设计方案

八达岭长城站设计为排水型车站，清水系统排水设计的主要目的是使地下水经过防排水措施的有效疏导，再经过排水管路、管沟自行排出车站。本文主要研究进出站通道层、站台层及主要设备用房部分清水系统排放方案。

2.1 清水系统排水管径设计

隧道断面排水设计根据隧道运营阶段可能存在的涌水量进行计算，隧道涌水量的解析公式有很多[12]，多是以地下水动力学理论为基础，对地质模型进行了较大程度的简化，计算模型如图7所示。图中h表示隧道中心点距地下水位线的距离；d和r分别表示隧道的直径和半径；hc表示隧道所处的含水层厚度。目前常用的隧道涌水量理论解析方法有M.EI.Tani[13]公式、Goodman[14]公式、Karlsrud[15]公式、Schleiss、Lei[16]公式、Lombardi[17]公式、大岛洋志公式[18]、王建宇[19]公式及规范经验公式等。

图7 隧道涌水量计算模型

结合水文地质测绘、物探资料和区域资料综合分析，在此基础上涌水量计算采用理论解析法、经验公式法等进行预测，最后综合汇总分析预测隧道整体涌水量。由于隧道截面形状并非规则的圆形，与公式条件并不完全相同，故采用等面积法将其近似成圆形洞室进行计算[20]。计算参数见表1，各公式的计算结果见表2。

表1 涌水量计算参数

表2 各公式情况下的涌水量计算

续表2

其中通过王建宇公式计算所得涌水量最大，大岛洋志公式涌水量最小，管道设计采用王建宇公式进行设计，将表2中王建宇公式对应单延米通道涌水量乘以通道长度，得到各通道计算涌水量。根据车站位置关系可以看出，设备用房清水汇入进出站通道内，考虑排水流向得到各通道总涌水量。

(1)

(2)

将公式(2)代入公式(1)，通过车站各位置长度、水头高度及总涌水量，即可求得相应管径尺寸，结合计算管径尺寸并考虑管道后期检修、维护方便，确定排水管设计管径，如表3所示。

表3 车站各通道排水管计算管径

2.2 清水系统排水设计方案

清水系统为达到地下水引入站内并顺利排出车站的目的，结合各层结构位置及功能特点采取相应的排水形式，车站整体排水思路为通过自上而下纵向找坡排水方式，将各通道层及设备用房水汇总至站台层，再利用线路纵坡将清水排出车站。车站排水路径示意及各通道断面排水布置阐述如下。

(1)进出站通道排水

为保证通道排水顺畅，通道在二衬结构拱墙外敷设环向φ50 mm排水盲管及纵向φ80 mm透水盲管，形成环、纵向流通管道，通过底板φ100 mm横向透水盲管将水汇入至底板下中心排水管内，见图8。

进出站通道为叠层结构，结合第2节中平、剖面图进行通道排水路径设计：进出站通道以坡度30%斜行电梯向下，通过缓坡通道找坡至楼扶梯通道接至1、2、3、4进、出站口，直接排至站台层中心水沟内，结构断面变化处或30 m一处设置检查井检修，排水路径见图9、图10，排水路径为图9中蓝色虚线。

图8 进出站通道排水断面(单位：mm)

(2)设备用房排水

设备用房通道在二衬结构拱墙外设置环、纵向盲管，纵向盲管以一定间隔直接弯入侧沟内，见图11。设备用房位于出站通道层，排水利用侧沟3‰纵向找坡，将水汇入出站通道中心排水管内，排水路径如图12所示，侧沟见蓝色虚线。

图9 进出站通道排水路径平面示意

图10 整体排水路径平面示意

图11 设备用房排水断面(单位：mm)

(3)站台层排水

站台层结构排水方式与设备用房相似，环、纵向排水管将水汇入侧沟内，见图13。侧沟利用车站1‰的纵坡，将水排入车站以外区间隧道侧沟及深埋中心管内，进出站通道及设备用房清水直接汇入排至隧道中心水沟，利用纵坡排出车站，见图14蓝色虚线。

3 污水系统设计方案

3.1 生活污水排水设计

八达岭车站的生活污水仅会在卫生间出现，而车站站台层不设置卫生间，在出站通道设备区设置了值班人员卫生间，在出站通道公共区设置了公共卫生间。经过比选后采用在环保、节水和维保等方面相较于传统污水提升方式优势十分明显的真空抽排系统来解决污水排放问题。针对卫生间设置情况，采用两套真空罐式泵站，在卫生间泵房内设置真空泵站一座，负责卫生间污水的收集与排放。真空卫生系统是由真空泵站、真空排污管路、中间收集装置、真空便器、电气控制系统等组成的一个完全密闭的建筑物内排水系统。其中真空泵站是整个系统的核心部分，内置真空泵、污水泵各2台(循环使用，1用1备)，真空储污罐2个。由真空泵形成系统运行所需的真空，污水达到罐内设定液位后，污水泵自动启动，将污水排入污水泵房，通过污水提升装置将污水抽排至室外污水泄压井。整个真空卫生系统采用上排水方式，即真空便器及中间收集装置排水管路向上提升到吊顶层进入泵站。真空泵站平面如图15所示。

图12 设备用房排水路径平面示意

图13 站台层排水断面(单位：mm)

3.2 废水排水设计

八达岭车站废水一般包括消防废水、冲洗废水及结构渗漏水，分别对进出站通道和站台层的废水排放路径做了相适应的设计。

(1)进出站通道废水

进出站通道废水的排放路径设计采用3%排水坡将水汇入至楼扶梯下站台板雨水篦处，排至楼扶梯下集水坑内，再通过水泵提升至地面，进出站通道扶梯下均设置有集水坑。

图14 站台层排水路径平面示意

图15 真空泵站平面布置

(2)站台层废水

站台层废水与清水排水沟分别单独设置，以达到完全分离的效果。站台层废水通过站台板排至板下排水沟内，排水沟纵向以1%的坡度汇总于站台层废水泵房内，废水泵房位于车站最低点，通过废水提升管道将废水排至室外泄压井，站台层废水泵房见图16。站台层最大废水量出现在消防时，其中最大消防流量为270 m3/h，同时考虑流入废水池的其他废水，主要为冲洗废水，冲洗面积为13 693 m2，最大冲洗流量取30 m3/h，因此最大小时排水量取300 m3/h，八达岭站地下站台层设置2处废水泵房，每处废水泵房设置2台废水泵，1用1备，必要时可同时开启，考虑每台废水泵流量不小于最大时排水量的1/2，故本站废水泵流量为Q=150 m3/h。废水泵扬程计算见表4。

图16 站台层废水排放路径

表4 废水泵扬程计算

沿程损失/m局部损失/m静扬程/m富裕水头/m安全系数总扬程/m1.50.520.03.01.127.5

4 结论

依托京张铁路八达岭长城站工程，提出深埋复杂洞群地下车站清污分离排放的设计理念，利用常用涌水量理论解析法及流体力学经典公式进行车站排水设计，结合车站布置形式确定了合理的污废水排放方案，得出以下结论。

(1)八达岭长城站清污分离系统创新性提出一种地下车站绿色设计理念，以保护自然生态环境为宗旨，同时兼顾车站使用功能及结构安全要求。

(2)通过不同工况下隧道涌水量理论解析计算对比，最终采用王建宇公式进行各通道涌水量计算，并利用达西公式得到通道排水管计算管径大小，进行排水管管径设计。

(3)车站通过自上而下纵向找坡排水方式，将各通道层及设备用房水汇总至站台层，再利用线路纵坡将清水排出车站，清水与废水排水沟分别单独设置，以达到清污完全分离的效果。

(4)采用真空抽排系统设计解决了地下站生活污水排放问题。本文清污分离系统设计在国内无类似工程经验，对同类工程具有很好的借鉴意义。