強 健， 王恒棟， 祁 峰

(上海市政工程設(shè)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(dǎo)下，我國多數(shù)大中型城市都開始嘗試建設(shè)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(shè)的爆發(fā)式增長，迫切需要更多的理論，用以指導(dǎo)綜合管廊的設(shè)計、施工及運營。

王恒棟[2]針對近年來綜合管廊工程建設(shè)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(yīng)的建議； 油新華[3]論述了城市綜合管廊在建設(shè)模式、規(guī)劃設(shè)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(shè)的重大技術(shù)進展，如： 綠色建造理念、集約規(guī)劃設(shè)計理念和方法、整體模板滑移技術(shù)、預(yù)制裝配成套技術(shù)、基于BIM的智慧管理技術(shù)等，進行詳細(xì)闡述； 劉應(yīng)明[4]對綜合管廊基礎(chǔ)研究、規(guī)劃技術(shù)、工程設(shè)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(yù)制拼裝綜合管廊結(jié)構(gòu)體系，即整艙預(yù)制拼裝、疊合板式拼裝、預(yù)制板式拼裝和預(yù)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(yīng)以滿足防火分區(qū)的消防設(shè)備動作為原則，分析了綜合管廊監(jiān)控與報警系統(tǒng)的設(shè)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(fēng)系統(tǒng)的功能、設(shè)計原則、各艙室的通風(fēng)量計算方法，以及通風(fēng)系統(tǒng)的控制與運行策略。高彪[9]介紹了綜合管廊通風(fēng)系統(tǒng)的設(shè)計原則，比較分析了各類通風(fēng)方式，論述了綜合管廊通風(fēng)系統(tǒng)的設(shè)計計算、設(shè)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(xì)闡述了長沙市湘府西路綜合管廊工程的設(shè)計內(nèi)容，主要包括綜合管廊橫斷面設(shè)計、平面布置、豎向設(shè)計、結(jié)構(gòu)設(shè)計、附屬設(shè)施設(shè)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(yīng)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(dāng)前綜合管廊工程領(lǐng)域，鮮有學(xué)者和工程師關(guān)注綜合管廊總體設(shè)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(shè)計實踐，我們逐步形成了較穩(wěn)定的綜合管廊總體設(shè)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(shè)計”。

1 “區(qū)間”概念在工程中的應(yīng)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(xué)。在數(shù)學(xué)里，“區(qū)間”通常是指具備某種特征的實數(shù)集合。在社會應(yīng)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(dān)了交通管理、區(qū)間能源供給、通風(fēng)、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(fù)制性等。

以“防火區(qū)間”的概念發(fā)展為例。GB 50016—2014《建筑設(shè)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(shè)置分隔而成，能在一定時間內(nèi)防止火災(zāi)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(biāo)或一維的“長度”指標(biāo)來度量。當(dāng)以“長度”指標(biāo)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(xí)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(biāo)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(shè)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(shè)置相應(yīng)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(shè)置的幾大功能系統(tǒng)有： 消防系統(tǒng)、通風(fēng)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(shè)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(fēng)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(fēng)區(qū)間1或n個防火區(qū)間的首尾設(shè)置通風(fēng)口1或n配電區(qū)間在1個防火區(qū)間內(nèi)加設(shè)配電設(shè)備間1監(jiān)控區(qū)間在1個防火區(qū)間內(nèi)加設(shè)監(jiān)控設(shè)備間1逃生區(qū)間 1或n個防火區(qū)間內(nèi)設(shè)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(shè)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(shè)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(shè)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(fēng)區(qū)間可以按1個或多個防火區(qū)間首尾銜接后增設(shè)通風(fēng)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(shè)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(shè)對應(yīng)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(fù)合功能屬性、可復(fù)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(fēng)、配電、監(jiān)控、逃生、排水等系統(tǒng)功能，具有線性、可復(fù)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(fēng)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(fēng)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(fēng)區(qū)間 結(jié)合防火區(qū)間布置,由于風(fēng)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(fēng)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(fēng)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(shè)置排風(fēng)口與進風(fēng)口，形成通風(fēng)區(qū)間。在防火區(qū)間內(nèi)選擇合適的位置設(shè)置配電間與監(jiān)控設(shè)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(shè)置逃生口，形成逃生區(qū)間； 在防火區(qū)間內(nèi)部地面設(shè)置獨立的排水溝，在排水溝的低點設(shè)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(shè)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(shè)有通風(fēng)口(排風(fēng)口、進風(fēng)口)與逃生口，形成了基于防火區(qū)間的通風(fēng)區(qū)間和逃生區(qū)間； 在這個區(qū)間一側(cè)的上方，設(shè)有配電與監(jiān)控合建的設(shè)備間，為區(qū)間內(nèi)的附屬設(shè)施用電負(fù)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(shè)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(shè)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(dāng)前綜合管廊工程主流的系統(tǒng)布置方案。在我院承擔(dān)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(fēng)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(fēng)區(qū)間與數(shù)個防火區(qū)間合并的情況。在通風(fēng)區(qū)間內(nèi)部按防火區(qū)間的技術(shù)要求設(shè)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(shè)置配電間與監(jiān)控設(shè)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(shè)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(shè)置獨立的排水溝，在排水溝的低點設(shè)置集水坑，形成數(shù)個獨立排水區(qū)間。以通風(fēng)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(shè)置排風(fēng)口與進風(fēng)口，形成了1個通風(fēng)區(qū)間； 在這個區(qū)間兩端及中間1/3分點位置，分別設(shè)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(shè)有配電與監(jiān)控合建的設(shè)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(fēng)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(shè)有集水坑，與沿底板設(shè)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(shè)置了吊裝口與管線分支口，與相鄰?fù)L(fēng)區(qū)間設(shè)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(fēng)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(shè)計的定義

系統(tǒng)布置是綜合管廊總體設(shè)計的核心內(nèi)容之一。綜合管廊總體設(shè)計，就是對綜合管廊工程全局問題的設(shè)計。綜合管廊總體設(shè)計要素包括功能定位、管線需求、建設(shè)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(shè)計方法和原理有一定的普遍適應(yīng)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(shè)施的布置。對于特殊功能節(jié)點，在進行系統(tǒng)布置時，應(yīng)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(shè)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(fù)合功能屬性的單元區(qū)間，首尾相接進行復(fù)制串聯(lián)，布置在總圖上，就可實現(xiàn)各類系統(tǒng)功能設(shè)施的布置。

為了方便論述上述的系統(tǒng)布置設(shè)計思路，這里給出“區(qū)間設(shè)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(fù)制串聯(lián)為主要途徑，對工程應(yīng)具備的目標(biāo)功能系統(tǒng)進行概念性的創(chuàng)造活動。

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

5 區(qū)間設(shè)計的一般方法

結(jié)合綜合管廊設(shè)計實踐，區(qū)間設(shè)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(shè)備的吊裝、管線分支、消防分區(qū)、滅火系統(tǒng)、通風(fēng)、供電、照明、監(jiān)測與報警、排水、標(biāo)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(yīng)每隔200 m設(shè)置防火分隔，并應(yīng)設(shè)置自動滅火系統(tǒng)，逃生口的設(shè)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(shè)熱力管道的艙室，要求逃生口間距不應(yīng)大于400 m，當(dāng)熱力管道內(nèi)介質(zhì)為蒸汽時，逃生口間距則不應(yīng)大于100 m； 對于天然氣管道，除要求單獨成艙外，也應(yīng)每隔200 m設(shè)置防火分隔，逃生口的設(shè)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(shè)計還需考慮通風(fēng)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(shè)置的口部不利于綜合管廊自身的安全防災(zāi)，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(shè)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(shè)置綜合管廊通風(fēng)口高風(fēng)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(shè)計的核心內(nèi)容之一。“單元區(qū)間”是獨立的具有復(fù)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(fēng)、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(fù)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(shè)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(fù)合功能屬性、可復(fù)制的綜合管廊“單元區(qū)間”； 通過單元區(qū)間的復(fù)制串聯(lián)就可方便地實現(xiàn)綜合管廊總體設(shè)計的系統(tǒng)布置。

綜合管廊的“區(qū)間設(shè)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(shè)計理論和方法。通過“區(qū)間設(shè)計”，可以實現(xiàn)通風(fēng)口、吊裝口、逃生口、管線分支口、設(shè)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(biāo)準(zhǔn)段的連續(xù)長度更長，促進了綜合管廊工程的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)化，有利于暗挖綜合管廊技術(shù)的發(fā)展，也有利用于預(yù)制拼裝技術(shù)在綜合管廊工程中的應(yīng)用。