強 健， 王恒棟， 祁 峰

(上海市政工程設計研究總院(集團)有限公司, 上海 200092)

0 引言

綜合管廊建造技術(shù)在國內(nèi)已有幾十年的發(fā)展歷史。最近幾年，在國家政策的有力引導下，我國多數(shù)大中型城市都開始嘗試建設綜合管廊。在大量的實踐中，我國的地下綜合管廊工程技術(shù)得到迅速發(fā)展[1]，但也存在一些問題。城市地下綜合管廊建設的爆發(fā)式增長，迫切需要更多的理論，用以指導綜合管廊的設計、施工及運營。

王恒棟[2]針對近年來綜合管廊工程建設中存在的問題，分析綜合管廊系統(tǒng)規(guī)劃、入廊管線、施工方法、安全保障、投資與收費等方面的問題，并提出相應的建議； 油新華[3]論述了城市綜合管廊在建設模式、規(guī)劃設計、施工及運營管理等方面的發(fā)展現(xiàn)狀，對目前我國綜合管廊建設的重大技術(shù)進展，如： 綠色建造理念、集約規(guī)劃設計理念和方法、整體模板滑移技術(shù)、預制裝配成套技術(shù)、基于BIM的智慧管理技術(shù)等，進行詳細闡述； 劉應明[4]對綜合管廊基礎(chǔ)研究、規(guī)劃技術(shù)、工程設計、管理體制進行了系統(tǒng)地介紹。薛偉辰等[5]介紹了4 類典型的預制拼裝綜合管廊結(jié)構(gòu)體系，即整艙預制拼裝、疊合板式拼裝、預制板式拼裝和預制槽型拼裝，較為系統(tǒng)地介紹了其構(gòu)造特點與適用范圍； 張浩[6-7]提出綜合管廊供配電系統(tǒng)應以滿足防火分區(qū)的消防設備動作為原則，分析了綜合管廊監(jiān)控與報警系統(tǒng)的設置原則，闡述了綜合管廊統(tǒng)一管理平臺的功能需求。唐志華[8]結(jié)合工程實踐，探討了城市綜合管廊通風系統(tǒng)的功能、設計原則、各艙室的通風量計算方法，以及通風系統(tǒng)的控制與運行策略。高彪[9]介紹了綜合管廊通風系統(tǒng)的設計原則，比較分析了各類通風方式，論述了綜合管廊通風系統(tǒng)的設計計算、設備選擇與布置、系統(tǒng)控制模式等問題。向帆等[10]從道路坡度、規(guī)劃排向以及規(guī)劃管道高程等方面綜合分析了雨污水管道入廊后的排水可行性。張建兵等[11]從道路快速化改造工程實施需求和綜合管廊本身功能定位出發(fā)，詳細闡述了長沙市湘府西路綜合管廊工程的設計內(nèi)容，主要包括綜合管廊橫斷面設計、平面布置、豎向設計、結(jié)構(gòu)設計、附屬設施設計及施工方法。施有志等[12]研究了綜合管廊動力邊界條件對地震動力響應的影響，提出綜合管廊地震動力分析的優(yōu)化動力邊界組合方法。

在當前綜合管廊工程領(lǐng)域，鮮有學者和工程師關(guān)注綜合管廊總體設計范疇的理論與創(chuàng)新。近年來，通過對數(shù)百項綜合管廊工程的規(guī)劃與設計實踐，我們逐步形成了較穩(wěn)定的綜合管廊總體設計系統(tǒng)布置思路與方法。通過提煉，作者結(jié)合“區(qū)間”概念，提出以“功能區(qū)間”及“單元區(qū)間”作為綜合管廊各種功能系統(tǒng)的物理實現(xiàn)形式，并進一步研究了一種新的綜合管廊系統(tǒng)布置方法——綜合管廊的“區(qū)間設計”。

1 “區(qū)間”概念在工程中的應用

廣義來說，“區(qū)間”是指一定距離范圍和空間范圍。“區(qū)間”概念最早起源于數(shù)學。在數(shù)學里，“區(qū)間”通常是指具備某種特征的實數(shù)集合。在社會應用中，“區(qū)間”被廣泛運用于與交通運行有關(guān)的概念中，如區(qū)間公交車、區(qū)間測速、區(qū)間隧道等。在我國城市軌道交通高速發(fā)展的背景下，城市軌道交通中的區(qū)間隧道概念為社會大眾所熟知。一般，區(qū)間隧道是指城市軌道交通中2個站點之間的隧道。

綜合管廊工程作為城市道路下的附屬構(gòu)筑物，在平面布置上具備與城市道路相同的“線性”特征。從工程角度，具備 “線性”特征的工程如城市軌道交通、綜合管廊等，被工程師們分為了“節(jié)(站)點”與“區(qū)間”2個部分?！肮?jié)(站)點”的特征在于綜合性，如地鐵車站除具備地鐵停站、上下客等交通功能外，還承擔了交通管理、區(qū)間能源供給、通風、消防排水、人員逃生、平戰(zhàn)結(jié)合出入口、施工期暗挖井等功能； “區(qū)間”的特征在于斷面單一、線性、可復制性等。

以“防火區(qū)間”的概念發(fā)展為例。GB 50016—2014《建筑設計防火規(guī)范》[13]給出了“防火分區(qū)”的規(guī)范定義：“在建筑內(nèi)部采用防火墻、樓板及其他防火分隔設置分隔而成，能在一定時間內(nèi)防止火災向同一建筑的其余部分蔓延的局部空間?！边@個“局部空間”一般以二維的“面積”指標或一維的“長度”指標來度量。當以“長度”指標來度量空間時，尤其是在軌道交通、公路隧道、綜合管廊等具備“線性”特征的工程中，工程師們習慣將“分區(qū)”改稱為“區(qū)間”，如以“長度”度量的綜合管廊防火分區(qū)，工程師們更多地稱之為“防火區(qū)間”。

2 綜合管廊的功能區(qū)間

功能區(qū)間是指賦予某種功能屬性的“區(qū)間”，以一維的長度指標來度量。

綜合管廊是指建于城市地下用于容納2類及以上城市工程管線的構(gòu)筑物及附屬設施[14]。從土建角度，綜合管廊屬于地下隧道類構(gòu)筑物。為了保障入廊管線的安裝、檢修與運營，綜合管廊需要設置相應的功能系統(tǒng)。依據(jù)GB 50838—2015《城市綜合管廊工程技術(shù)規(guī)范》[14]，綜合管廊工程需要設置的幾大功能系統(tǒng)有： 消防系統(tǒng)、通風系統(tǒng)、配電系統(tǒng)(供配電與照明)、監(jiān)控與報警系統(tǒng)、排水系統(tǒng)等。此外，綜合管廊還需具備緊急情況下的人員逃生功能、管線與設備安裝所需的吊裝功能、管線分支引出功能等。那么，綜合管廊的功能區(qū)間可分為： 防火區(qū)間、通風區(qū)間、配電區(qū)間、監(jiān)控區(qū)間、逃生區(qū)間、吊裝區(qū)間、排水區(qū)間及管線分支區(qū)間等。本文分析了綜合管廊功能系統(tǒng)的技術(shù)要求和實現(xiàn)形式，綜合管廊各功能區(qū)間的定義、特征物和長度要求如表1所示。

表1 綜合管廊的功能區(qū)間

在這些功能區(qū)間中，防火區(qū)間是基本的功能區(qū)間之一，其他功能區(qū)間可以通過防火區(qū)間的功能擴充來實現(xiàn)，如表2所示。

表2綜合管廊各功能區(qū)間與防火區(qū)間的關(guān)系

Table 2 Relationship between fire prevention section and other functional sections in utility tunnel

區(qū)間名稱與防火區(qū)間的關(guān)系與防火區(qū)間長度的倍數(shù)關(guān)系防火區(qū)間1通風區(qū)間1或n個防火區(qū)間的首尾設置通風口1或n配電區(qū)間在1個防火區(qū)間內(nèi)加設配電設備間1監(jiān)控區(qū)間在1個防火區(qū)間內(nèi)加設監(jiān)控設備間1逃生區(qū)間 1或n個防火區(qū)間內(nèi)設置1或n個逃生口1或n或1/n排水區(qū)間 1個防火區(qū)間內(nèi)設置1或n個獨立排水溝1或1/n吊裝區(qū)間1或n個防火區(qū)間內(nèi)設置吊裝口1或n管線分支區(qū)間 1或n個防火區(qū)間內(nèi)設置1或n個管線分支口1或n或1/n

由表2可以看到，通風區(qū)間可以按1個或多個防火區(qū)間首尾銜接后增設通風功能后實現(xiàn)； 配電區(qū)間、監(jiān)控區(qū)間、排水區(qū)間可以直接依托于1個防火區(qū)間增設功能屬性實現(xiàn)； 逃生區(qū)間、吊裝區(qū)間、管線分支區(qū)間則可依托1個或多個防火區(qū)間增設對應功能節(jié)點而實現(xiàn)。

3 綜合管廊的單元區(qū)間

通過前述對綜合管廊各個功能區(qū)間的定義與分析可知，綜合管廊的各種功能系統(tǒng)在物理形式上可以通過賦予功能屬性的區(qū)間來實現(xiàn)。反言之，在綜合管廊系統(tǒng)布置中，合適的安排好各類功能區(qū)間，也就滿足了綜合管廊的各類功能需求。從這個思路出發(fā)，綜合管廊的系統(tǒng)布置也就簡化成了各類功能區(qū)間的組合。本節(jié)的主要內(nèi)容，就是尋求一種具備復合功能屬性、可復制的“單元區(qū)間”，既能滿足綜合管廊的各種功能需求，又能作為綜合管廊工程的基本單元。

單元即由組件或零件、分組件裝配在一起，通常在不同的環(huán)境中能獨立工作的組合體，在樣本中自為一體或自成系統(tǒng)的獨立部分，不可再分。參考這個定義，綜合管廊“單元區(qū)間”可定義為在綜合管廊工程中，自成一體或自成系統(tǒng)的獨立區(qū)間，這個區(qū)間具備獨立的消防、通風、配電、監(jiān)控、逃生、排水等系統(tǒng)功能，具有線性、可復制性等特點。

為了進一步探索綜合管廊單元區(qū)間的構(gòu)建，本文進一步分析了綜合管廊各功能區(qū)間對于系統(tǒng)布置的重要性，如表3所示。

可以看到，防火區(qū)間和通風區(qū)間在綜合管廊的系統(tǒng)布置中起到了基礎(chǔ)性的重要作用。對于一個綜合管廊工程來說，處理好防火區(qū)間與通風區(qū)間的相互關(guān)系，就可方便地建立起綜合管廊的單元區(qū)間。因而，可按如下2種方法建立單元區(qū)間。

表3功能區(qū)間在系統(tǒng)布置中的重要性程度分析

Table 3 Analysis of importance of function section in system layout

區(qū)間名稱重要性分析重要性程度防火區(qū)間 配電、監(jiān)控、逃生、排水均依托于此區(qū)間重要通風區(qū)間 結(jié)合防火區(qū)間布置,由于風井需出露地面,受外部制約條件影響大重要配電區(qū)間配電為必備功能,依托于防火區(qū)間次要監(jiān)控區(qū)間監(jiān)控為必備功能,依托于防火區(qū)間次要逃生區(qū)間 逃生為必備功能,可依托于防火區(qū)間或通風區(qū)間次要排水區(qū)間 排水為必備功能,可依托于防火區(qū)間次要吊裝區(qū)間可不依托于其他區(qū)間,可自由布置一般管線分支區(qū)間可不依托于其他區(qū)間,可自由布置一般

3.1 以防火區(qū)間為基礎(chǔ)建立單元區(qū)間

此種情況適用于1個防火區(qū)間與1個通風區(qū)間合并的情況。在防火區(qū)間兩端的防火分隔處分別設置排風口與進風口，形成通風區(qū)間。在防火區(qū)間內(nèi)選擇合適的位置設置配電間與監(jiān)控設備間，形成配電間區(qū)間和監(jiān)控區(qū)間； 在防火區(qū)間兩端或中間設置逃生口，形成逃生區(qū)間； 在防火區(qū)間內(nèi)部地面設置獨立的排水溝，在排水溝的低點設置集水坑，形成排水區(qū)間。1個以防火區(qū)間為基礎(chǔ)建立的單元區(qū)間案例見圖1。

在這個案例中，以≤200 m的長度范圍為單元區(qū)間，兩端設置防火隔斷，形成了1個防火區(qū)間； 在防火隔斷上方，分別設有通風口(排風口、進風口)與逃生口，形成了基于防火區(qū)間的通風區(qū)間和逃生區(qū)間； 在這個區(qū)間一側(cè)的上方，設有配電與監(jiān)控合建的設備間，為區(qū)間內(nèi)的附屬設施用電負荷提供配電，為區(qū)間建立監(jiān)控與報警系統(tǒng)，形成了配電區(qū)間和監(jiān)控區(qū)間； 區(qū)間內(nèi)部的低點設有集水坑，通過沿底板的排水溝收集積水和滲漏水，形成排水區(qū)間； 靠近防火隔斷的位置分別設置了吊裝口和管線分支口，與相鄰的另一區(qū)間相同位置的吊裝口和管線分支口組成吊裝區(qū)間和管線分支區(qū)間。這種區(qū)間布置方案也是當前綜合管廊工程主流的系統(tǒng)布置方案。在我院承擔的數(shù)百條綜合管廊工程中，90%以上的項目采用了這種方案。

圖1 防火區(qū)間為基礎(chǔ)的單元區(qū)間縱向示意圖

3.2 以通風區(qū)間為基礎(chǔ)建立單元區(qū)間

此種情況適用于1個通風區(qū)間與數(shù)個防火區(qū)間合并的情況。在通風區(qū)間內(nèi)部按防火區(qū)間的技術(shù)要求設置防火隔斷，形成數(shù)個獨立的防火區(qū)間。在防火區(qū)間內(nèi)選擇合適的位置設置配電間與監(jiān)控設備間，形成數(shù)個獨立的配電區(qū)間和監(jiān)控區(qū)間。在防火區(qū)間兩端或中間設置數(shù)個逃生口，形成數(shù)個獨立的逃生區(qū)間。在防火區(qū)間內(nèi)部地面設置獨立的排水溝，在排水溝的低點設置集水坑，形成數(shù)個獨立排水區(qū)間。以通風區(qū)間為基礎(chǔ)建立的單元區(qū)間案例見圖2。

在這個布置方案里，以≤600 m(200 m×3)為單元區(qū)間，兩端分別設置排風口與進風口，形成了1個通風區(qū)間； 在這個區(qū)間兩端及中間1/3分點位置，分別設置4道防火隔斷，形成了3個防火區(qū)間； 在防火區(qū)間的上方，設有配電與監(jiān)控合建的設備間，形成了依托于防火區(qū)間的3個配電區(qū)間與監(jiān)控區(qū)間； 在臨近防火隔斷的位置，分別與通風口或吊裝口合建了逃生口，形成了依托于防火區(qū)間的3個逃生區(qū)間； 每個防火區(qū)間內(nèi)部的低點設有集水坑，與沿底板設置的排水溝一起，形成了3個排水區(qū)間； 另外，臨近防火隔斷位置設置了吊裝口與管線分支口，與相鄰通風區(qū)間設置的吊裝口及管線分支口，形成了3個吊裝區(qū)間與管線分支區(qū)間。廣東省肇慶市肇慶新區(qū)政文組團市政道路(1期)項目鳳凰大道與新區(qū)環(huán)路綜合管廊試驗段采用了此種系統(tǒng)布置方案。

圖2 以通風區(qū)間為基礎(chǔ)的單元區(qū)間縱向示意圖

4 綜合管廊區(qū)間設計的定義

系統(tǒng)布置是綜合管廊總體設計的核心內(nèi)容之一。綜合管廊總體設計，就是對綜合管廊工程全局問題的設計。綜合管廊總體設計要素包括功能定位、管線需求、建設條件、三維控制、安全與運營管理、系統(tǒng)布置等。其中，系統(tǒng)布置可稱為一般性要素，其設計方法和原理有一定的普遍適應性。

綜合管廊的系統(tǒng)布置，主要包括特殊功能節(jié)點的布置和各類系統(tǒng)功能設施的布置。對于特殊功能節(jié)點，在進行系統(tǒng)布置時，應根據(jù)周邊條件及功能的要求，相對獨立地在綜合管廊總圖上布置。對于綜合管廊各類系統(tǒng)功能設施，我們可以利用第3節(jié)所述的單元區(qū)間理念，將具備復合功能屬性的單元區(qū)間，首尾相接進行復制串聯(lián)，布置在總圖上，就可實現(xiàn)各類系統(tǒng)功能設施的布置。

為了方便論述上述的系統(tǒng)布置設計思路，這里給出“區(qū)間設計”的定義。即以功能分析為出發(fā)點，在分析周邊關(guān)聯(lián)條件的基礎(chǔ)上，以滿足某些功能要求的單元區(qū)間為基本元素，以單元區(qū)間的復制串聯(lián)為主要途徑，對工程應具備的目標功能系統(tǒng)進行概念性的創(chuàng)造活動。

“區(qū)間設計”概念的來源于綜合管廊工程總體設計，也可衍生到地鐵隧道、公路隧道等工程設計領(lǐng)域。

5 區(qū)間設計的一般方法

結(jié)合綜合管廊設計實踐，區(qū)間設計的方法為： 分析綜合管廊的基本功能需求、入廊管線的功能需求及外部條件的制約因素，給出具備完善系統(tǒng)功能的綜合管廊單元區(qū)間，將單元區(qū)間首尾相接進行串聯(lián)，輔以特殊功能節(jié)點，形成綜合管廊的系統(tǒng)布置。

5.1 分析綜合管廊的功能需求

綜合管廊的基本功能需求是指綜合管廊運營、入廊管線安裝檢修與維護等的必要條件。這些功能需求包括： 人員出入、逃生、管線與設備的吊裝、管線分支、消防分區(qū)、滅火系統(tǒng)、通風、供電、照明、監(jiān)測與報警、排水、標識等。除消防分區(qū)、滅火系統(tǒng)等外，這些功能需求都是綜合管廊工程必備的。同時，這些條件也會根據(jù)入廊管線的不同種類有著不同的具體要求。

5.2 分析入廊管線的功能需求

不同的管線對綜合管廊的功能要求各有不同。如規(guī)范要求容納電力電纜的綜合管廊艙室應每隔200 m設置防火分隔，并應設置自動滅火系統(tǒng)，逃生口的設置間距不宜大于200 m； 通信管線的管線分支需求高，一般為120～200 m，管線分支區(qū)間不宜過大； 敷設熱力管道的艙室，要求逃生口間距不應大于400 m，當熱力管道內(nèi)介質(zhì)為蒸汽時，逃生口間距則不應大于100 m； 對于天然氣管道，除要求單獨成艙外，也應每隔200 m設置防火分隔，逃生口的設置間距不宜大于200 m。

5.3 分析外部制約條件

綜合管廊的外部制約條件主要指對工程實施有影響的地下建(構(gòu))筑物、未入廊的地下管線、地面道路交通及道路附屬構(gòu)筑物等周邊環(huán)境。此外，綜合管廊工程設計還需考慮通風口、逃生口、吊裝口等各類口部與地面道路交通、道路景觀綠化的關(guān)系。頻繁設置的口部不利于綜合管廊自身的安全防災，也會對道路交通及景觀產(chǎn)生較大的影響。如CJJ152—2010《城市道路交叉口設計規(guī)程》[15]就規(guī)定，在城市道路平面交叉口視距三角形范圍內(nèi)不得有任何高出路面1.2 m的妨礙駕駛員視線的障礙物，明確給出了在道路交叉口部位設置綜合管廊通風口高風井的限制性條件。

5.4 構(gòu)建綜合管廊的“單元區(qū)間”

“單元區(qū)間”理念是綜合管廊區(qū)間設計的核心內(nèi)容之一?！皢卧獏^(qū)間”是獨立的具有復合功能系統(tǒng)的綜合管廊基本單元。這個基本單元既具備綜合管廊自身的基本功能，也能滿足所容納管線的技術(shù)要求。更深入地說，這個基本單元具備獨立的通風、供電、照明、監(jiān)控、報警、排水等系統(tǒng)，也具有人員出入、逃生、吊裝、管線分支等功能。在綜合考慮外部制約條件的前提下，綜合管廊的系統(tǒng)布置就是這些“單元區(qū)間”的復制與串聯(lián)排列。

5.5 形成系統(tǒng)布置

綜合管廊的各類特殊功能節(jié)點主要包括(不限于)： 1)變電所，實現(xiàn)綜合管廊區(qū)域供電； 2)交叉口，管廊交叉時的節(jié)點； 3)人員出入口，方便運維人員進出的構(gòu)筑物； 4)控制中心連接段，實現(xiàn)綜合管廊與控制中心相連的構(gòu)筑物； 5)變電站連接段，實現(xiàn)綜合管廊高壓艙與高壓變電站連接的構(gòu)筑物； 6)倒虹，綜合管廊避讓垂直相交障礙物的構(gòu)筑物； 7)端井，綜合管廊的終端處用以引出管線的構(gòu)筑物。根據(jù)外部條件確定好上述特殊功能節(jié)點后，將其“鑲嵌”組合布置在“單元區(qū)間”串聯(lián)排列的大系統(tǒng)中，就形成了完整的綜合管廊工程系統(tǒng)。

6 結(jié)論與討論

本文給出了綜合管廊“區(qū)間設計”的定義和方法。通過綜合管廊功能需求和入廊管線技術(shù)要求，提出綜合管廊各類“功能區(qū)間”的定義、特征； 通過功能區(qū)間可以構(gòu)建具備復合功能屬性、可復制的綜合管廊“單元區(qū)間”； 通過單元區(qū)間的復制串聯(lián)就可方便地實現(xiàn)綜合管廊總體設計的系統(tǒng)布置。

綜合管廊的“區(qū)間設計”是在工程實踐的基礎(chǔ)上，總結(jié)出的一種新的綜合管廊總體設計理論和方法。通過“區(qū)間設計”，可以實現(xiàn)通風口、吊裝口、逃生口、管線分支口、設備間等綜合管廊特殊節(jié)點的集中布置和整合，使綜合管廊的標準段的連續(xù)長度更長，促進了綜合管廊工程的設計標準化，有利于暗挖綜合管廊技術(shù)的發(fā)展，也有利用于預制拼裝技術(shù)在綜合管廊工程中的應用。