何士忠, 赫明水, 安 捷, 楊 宇, 王長祥

(中國市政工程華北設(shè)計(jì)研究總院有限公司 第一設(shè)計(jì)研究院, 天津 300381)

1 概述

綜合管廊作為一種提升城市綜合承載能力和韌性的新型市政設(shè)施,在我國從2015年開始試點(diǎn)建設(shè),到2022年6月底,累計(jì)開工建設(shè)管廊項(xiàng)目1 647個(gè)、長度5 902 km。綜合管廊是21世紀(jì)新型城市市政基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)現(xiàn)代化的重要標(biāo)志之一,避免了埋設(shè)或維修管線導(dǎo)致道路重復(fù)開挖的麻煩,由于管線不接觸土壤和地下水,因此減輕了腐蝕,延長了使用壽命,還為城市發(fā)展預(yù)留了寶貴的地下空間。同時(shí)也積極響應(yīng)了“一流的規(guī)劃、一流的設(shè)計(jì)、一流的建設(shè)、一流的質(zhì)量”的建設(shè)要求[1]。

北方某城市于2015年4月8日,順利通過國家財(cái)政部、住房城鄉(xiāng)建設(shè)部組織的專家答辯,成為全國首批10個(gè)地下綜合管廊建設(shè)試點(diǎn)城市之一。110國道綜合管廊工程是在該城市申請(qǐng)國家管廊試點(diǎn)城市后投入設(shè)計(jì)施工的綜合管廊的一部分。該工程的建設(shè),將起到良好的示范和推動(dòng)作用。該工程也為高壓電力電纜和超大口徑(DN 1 200～1 400 mm)熱力管道入廊提供了寶貴的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)。

2 工程概況

110國道綜合管廊為3艙管廊,包含綜合艙、高壓電力艙和熱力艙,總長度11.04 km,項(xiàng)目總投資約11.1×108元。具有入廊管線多、建設(shè)體量大的特點(diǎn),穿越河流一次,需與現(xiàn)狀道路、水系改造相結(jié)合,設(shè)計(jì)成果將與周邊環(huán)境達(dá)到完美融合。

110國道綜合管廊工程分為2段:西段管廊為白云鄂博路至銀海路段,長度為5.06 km;東段管廊為勝利街至210國道段,長度為5.98km。2段綜合管廊各設(shè)置監(jiān)控中心1座。

3 項(xiàng)目特點(diǎn)

① 本項(xiàng)目隨道路改造項(xiàng)目一并建設(shè)。地下現(xiàn)狀管線多,給管廊的實(shí)施和管線入廊造成困難。

② 管廊為3艙,斷面寬度較大,為13.7～14.3 m,施工難度較大。

③ 入廊熱力管道口徑大,最大達(dá)到DN 1 400 mm。

4 總體設(shè)計(jì)

4.1 入廊管線的確定

110國道綜合管廊(簡(jiǎn)稱管廊)工程中的規(guī)劃管線有給水管道、中水管道、雨水管道、污水管道、熱力管道、燃?xì)夤艿?、電力電纜、通信線纜,其中電力電纜電壓為10 kV、110 kV。目前實(shí)際入廊管線有給水管道、中水管道、熱力管道、110 kV電力電纜、10 kV電力電纜、通信線纜。

4.2 管廊橫斷面設(shè)計(jì)

管廊主要包括綜合艙、高壓電力艙和熱力艙。綜合艙內(nèi)敷設(shè)DN 800 mm給水管道、DN 300 mm中水管道、10 kV電力電纜及通信線纜。高壓電力艙內(nèi)為110 kV電力電纜。為避免熱力管道事故對(duì)其他管線造成影響,將熱力管道單艙布置,熱力艙位于管廊內(nèi)最右側(cè)。由于西段管廊熱力管道規(guī)格為DN 1 200 mm,東側(cè)管廊熱力管道規(guī)格為DN 1 400 mm,因此2段管廊的橫斷面設(shè)計(jì)總寬度不同,西段管廊總寬13.7 m,東段管廊總寬14.3 m,總高均為4.5 m。2段管廊的橫斷面分別見圖1、2,圖內(nèi)尺寸單位均為mm。

圖1 西段管廊橫斷面

圖2 東段管廊橫斷面

4.3 管廊豎向設(shè)計(jì)

4.3.1常規(guī)段覆土深度的確定

管廊最小覆土深度一般為2 m。考慮到110國道下也會(huì)有雨水管道、污水管道直埋,應(yīng)預(yù)留出敷設(shè)空間,將管廊常規(guī)段的覆土深度控制在2.8 m左右。

4.3.2管廊與市政排水管道的標(biāo)高沖突處理

管廊與管廊外的市政排水管道(簡(jiǎn)稱市政排水管道)極易出現(xiàn)標(biāo)高上的沖突,常規(guī)處理方案如下。

方案1:管廊避讓市政排水管道。下調(diào)管廊標(biāo)高,使管廊從市政排水管道下方通過。該方案中市政排水管道位于管廊上方,給日后市政排水管道維護(hù)創(chuàng)造了便利條件,但是增加了管廊的覆土深度,投資增加。

方案2:市政排水管道采用倒虹吸方案。維持管廊標(biāo)高不變,市政排水管道采用倒虹吸形式通過管廊。該方案使市政排水管道局部位于管廊的下方,給日后市政排水管道維護(hù)帶來了不便,且倒虹吸形式也使市政排水管道的排放不順暢。該方案不會(huì)增加過多投資。

在本工程中,考慮以上2種方案相結(jié)合的方式。當(dāng)有開挖條件時(shí),采用下調(diào)管廊標(biāo)高避讓市政排水管道的方式;當(dāng)管廊標(biāo)高下調(diào)有困難時(shí),采用市政排水管道倒虹吸方式通過綜合管廊。

4.3.3管廊穿越河流的處理

當(dāng)管廊穿越河流時(shí),出于河道景觀、河道防洪以及通航要求等因素的考慮,管廊從河道底部通過。在河床范圍內(nèi),管廊覆土深度應(yīng)不小于1.0 m。

管廊在進(jìn)入河道之前,沿著管廊長度方向,采用不大于15°的傾角向下調(diào)整標(biāo)高至要求的穿越標(biāo)高。河底部分的管廊采用不小于0.002的坡度向兩側(cè)或一側(cè)找坡,以保證河底部分管廊的排水順暢。管廊穿越河流見圖3。

圖3 管廊穿越河流

5 主要節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

5.1 管線分支口

為滿足管線分支出入管廊需求,需根據(jù)規(guī)劃并結(jié)合地塊性質(zhì),設(shè)置管線分支口。一般在路口兩側(cè)及兩個(gè)路口之間的位置設(shè)置,如兩個(gè)路口之間的距離較遠(yuǎn),則每隔200 m左右設(shè)置1處管線分支口。管線分支口需滿足電力電纜、通信線纜、給水管道、中水管道、熱力管道的出入。熱力管道根據(jù)熱力公司確定的位置設(shè)置管線分支口。給水管道、通信線纜、電力電纜、中水管道從管廊側(cè)向出廊。熱力管道采用下引出,從管廊底部出廊。電力電纜采用專用防水電纜套管與外部連接,電力電纜和通信線纜引出段過路采用排管形式,并在末端預(yù)留連接井。給水管道、中水管道、熱力管道過路采用預(yù)埋過路套管的形式。

5.2 投料口

綜合管廊投料口布置,以不大于400 m設(shè)置1處投料口,投料口尺寸按照每個(gè)艙內(nèi)敷設(shè)的最大管道口徑考慮。綜合艙內(nèi)投料口尺寸(長×寬)為7.0 m×1.0 m,位于1.5 m寬的側(cè)分帶內(nèi),側(cè)分帶指在市政道路中,機(jī)動(dòng)車道與非機(jī)動(dòng)車道之間的綠化分隔帶。高壓電力艙投料口尺寸(長×寬)為1.5 m×1.5 m,位于人行道內(nèi)。西段管廊熱力艙投料口尺寸(長×寬)為7.0 m×2.0 m,東段管廊熱力艙投料口尺寸(長×寬)為7.0 m×2.2 m,均位于綠化帶內(nèi)。投料口頂板位于地下50 cm處,待管線安裝完畢后,綠化帶或人行道實(shí)施之前應(yīng)進(jìn)行封閉,封閉后頂板上用防水砂漿進(jìn)行封堵。運(yùn)行過程中如果再次打開,施工完畢后應(yīng)進(jìn)行恢復(fù)。投料口實(shí)景見圖4。

5.3 通風(fēng)口

通風(fēng)設(shè)計(jì)采用自然進(jìn)風(fēng)、機(jī)械排風(fēng)相結(jié)合。在每一防火區(qū)間的兩端分別設(shè)地上式自然進(jìn)風(fēng)口、地上式機(jī)械排風(fēng)口。地上式自然進(jìn)風(fēng)口和地上式機(jī)械排風(fēng)口高出地面約1.5 m,布置在綜合管廊外側(cè)綠化帶內(nèi),結(jié)合景觀效果進(jìn)行設(shè)計(jì)。建議采用成品通風(fēng)口,美觀大方、安裝方便。

自然進(jìn)風(fēng)口、投料口與逃生口集中設(shè)置,見圖5。

圖5 自然進(jìn)風(fēng)口、投料口與逃生口集中設(shè)置

5.4 人員出入口

人員出入口主要是方便管理檢修人員出入,該工程利用逃生口作為人員出入口。

5.5 監(jiān)控中心與管廊的連接通道

監(jiān)控中心位于地面上,通過地下一層的廊道與綜合管廊相連,廊道寬2.0 m,高2.4 m。來自監(jiān)控中心的人員可以分別通過廊道內(nèi)的3個(gè)防火門,下樓進(jìn)入管廊的3個(gè)艙室。

5.6 交叉口

管廊交叉口的設(shè)置主要需要考慮相交道路兩條綜合管廊交叉的問題,包括管廊和管廊交叉的結(jié)構(gòu)形式以及管線與管線交叉的交匯方式。管廊交叉口采用上下雙層的立體交叉結(jié)構(gòu),斷面尺寸較大的管廊(稱為上層管廊)采用直線形式,斷面尺寸較小的管廊(稱為下層管廊)采用倒虹形式下穿上層管廊。以上層管廊的底板作為下層管廊的頂板,在上層管廊的底板開孔并設(shè)置輕質(zhì)防火人孔及爬梯,以便維護(hù)人員上下穿越。交叉口處上層管廊底板根據(jù)需要預(yù)留孔洞,滿足管道上下穿越、連接的要求。交叉口處下層管廊最低點(diǎn)須設(shè)置集水坑。

6 附屬設(shè)施設(shè)計(jì)

6.1 排水系統(tǒng)

3個(gè)艙室內(nèi)設(shè)置獨(dú)立的排水系統(tǒng)。在各艙室沿線設(shè)置排水溝,利用排水溝收集滲水及檢修漏水等并排至管廊低處的集水坑中,再利用集水坑內(nèi)設(shè)置的潛污排水泵排至管廊外雨水系統(tǒng)中。

潛污排水泵的啟停由設(shè)在集水坑內(nèi)的液位開關(guān)控制,高液位開泵,低液位停泵,超高液位報(bào)警。

管廊內(nèi)各艙室的一側(cè)設(shè)有排水溝,艙室地面向排水溝方向有0.2%的坡度,艙室內(nèi)的污水通過該坡排到排水溝內(nèi)。排水區(qū)間長度不大于200 m。

6.2 消防系統(tǒng)

在設(shè)置電力電纜的綜合艙和高壓電力艙設(shè)置超細(xì)干粉滅火系統(tǒng)和干粉滅火器;在熱力艙以及管廊出入口等處設(shè)置干粉滅火器。

超細(xì)干粉滅火系統(tǒng)具備3種啟動(dòng)方式:感溫自動(dòng)啟動(dòng)、手動(dòng)啟動(dòng)、消防控制中心聯(lián)動(dòng)。

干粉滅火器采用手提式MF/ABC1型磷酸銨鹽干粉滅火器,要求每個(gè)防火分區(qū)沿線滅火器設(shè)置間距不大于40 m,且每個(gè)防火門處要設(shè)置1具。

6.3 通風(fēng)系統(tǒng)

通風(fēng)設(shè)計(jì)采用自然進(jìn)風(fēng)、機(jī)械排風(fēng)相結(jié)合。本管廊按200 m一個(gè)防火分區(qū)劃分通風(fēng)區(qū)段。每個(gè)通風(fēng)區(qū)段一端為進(jìn)風(fēng)口,另一端為排風(fēng)口,相鄰2個(gè)通風(fēng)區(qū)段的進(jìn)風(fēng)口設(shè)置在一起,排風(fēng)口設(shè)置在一起,采用頭尾相對(duì)的布置方式,見圖6。

圖6 進(jìn)排風(fēng)口布置方式

6.4 供配電及照明系統(tǒng)

西段管廊共有27個(gè)防火分區(qū),設(shè)有14個(gè)現(xiàn)場(chǎng)控制站;東段管廊共有32個(gè)防火分區(qū),設(shè)有16個(gè)現(xiàn)場(chǎng)控制站?，F(xiàn)場(chǎng)控制站用作管廊內(nèi)用電設(shè)備的低壓配電室和控制室。

除了在東段管廊的西端頭設(shè)置了監(jiān)控中心和低壓配電室(含100 kV·A變壓器)外,在東段管廊、西段管廊沿線還分別設(shè)置了4個(gè)箱式變電站,向各段管廊的現(xiàn)場(chǎng)控制站內(nèi)的低壓配電室供電。

為便于檢修維護(hù),現(xiàn)場(chǎng)控制站內(nèi)安裝配電設(shè)備處的照明照度確定為200 lx,監(jiān)控中心照明照度不小于300 lx。為滿足巡視要求,管廊內(nèi)人行通道上的平均照明照度不小于15 lx,應(yīng)急疏散照明照度不小于5 lx。

6.5 監(jiān)控系統(tǒng)

以約200 m長劃分為一個(gè)監(jiān)控報(bào)警區(qū)間,每個(gè)監(jiān)控報(bào)警區(qū)間包含對(duì)應(yīng)3個(gè)艙室的3個(gè)防火分區(qū)。東段管廊、西段管廊各設(shè)置監(jiān)控中心1座,消防控制中心與監(jiān)控中心共址。在監(jiān)控中心的中央計(jì)算機(jī)上設(shè)統(tǒng)一管理信息平臺(tái)。

7 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

7.1 設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)

本工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使用年限為100 a?？拐鹪O(shè)防類別為乙類,抗震設(shè)防烈度為8度,設(shè)計(jì)基本地震加速度為0.20g,設(shè)計(jì)地震分組為第一組,結(jié)構(gòu)安全等級(jí)為一級(jí),結(jié)構(gòu)構(gòu)件裂縫控制等級(jí)為三級(jí),結(jié)構(gòu)構(gòu)件最大裂縫寬度為0.2 mm,防水等級(jí)為二級(jí)。地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)等級(jí)為丙級(jí),抗浮穩(wěn)定性抗力系數(shù)為不低于1.05。如果管廊位于道路下,該道路的汽車荷載等級(jí)為公路Ⅰ級(jí);如果管廊位于非道路下,該處的地面堆積最大荷載標(biāo)準(zhǔn)值為10 kN/m2。

7.2 主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

管廊結(jié)構(gòu)采用以概率理論為基礎(chǔ)的極限狀態(tài)設(shè)計(jì)方法,以可靠度指標(biāo)度量結(jié)構(gòu)構(gòu)件的可靠度。對(duì)承載能力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)進(jìn)行計(jì)算。

管廊標(biāo)準(zhǔn)段結(jié)構(gòu)為閉合框架。管廊特殊節(jié)點(diǎn)包括管線分支口、投料口、通風(fēng)口等,采用現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)。監(jiān)控中心房屋采用鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)。

管廊結(jié)構(gòu)應(yīng)在縱向設(shè)置變形縫,結(jié)構(gòu)縱向剛度突變處以及荷載變化處或地基軟硬變化處設(shè)變形縫,縫寬30 mm?？p內(nèi)設(shè)埋入式橡膠止水帶,采用聚乙烯閉孔泡沫板填縫,采用聚硫密封膏密封?？p外周圈設(shè)一圈外貼式橡膠止水帶。

結(jié)構(gòu)中鋼筋的混凝土保護(hù)層厚度:迎水面(管廊底板、外壁板、頂板外側(cè))為50 mm,其他部位為30 mm。

8 設(shè)計(jì)特點(diǎn)

8.1 總體設(shè)計(jì)特點(diǎn)

① 入廊管線種類多,管廊斷面尺寸較大,對(duì)管廊斷面進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),對(duì)不同艙室采用不同的壁厚,如綜合艙頂板厚度為400 mm,高壓電力艙和熱力艙頂板厚度為600 mm,以降低施工難度和工程投資。

② 將投料口、逃生口和通風(fēng)口集中布置[2],盡量減小地面上建筑的占地面積,減少對(duì)道路和景觀設(shè)計(jì)的影響。

③ 考慮遠(yuǎn)期發(fā)展,在綜合艙預(yù)留通信線纜、電力電纜位置,并預(yù)留一根給水管道位置。

8.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特點(diǎn)

① 熱力管道與管廊同步設(shè)計(jì),管廊施工時(shí)在對(duì)應(yīng)位置預(yù)留或預(yù)埋支架,且需充分考慮支架反力對(duì)管廊本體的影響。

② 管廊本體沿管廊長度方向每隔30 m左右設(shè)伸縮縫,伸縮縫采用兩道橡膠止水帶(內(nèi)埋+外貼)防水,確保防水可靠及耐久性。

③ 基坑為深基坑,深5～8 m,大部分采用放坡開挖,掛網(wǎng)噴漿防護(hù),局部采用鋼板樁支護(hù)。

8.3 熱力管道設(shè)計(jì)特點(diǎn)

本工程為國內(nèi)首條DN 1 200～1 400 mm供熱管道入廊項(xiàng)目,供熱管道敷設(shè)長度為11 km。在管徑大、管道長的特點(diǎn)下,產(chǎn)生了諸多技術(shù)難點(diǎn)[3]。圍繞長直管道、隨路敷設(shè)連續(xù)彎道處、熱力管道分支口、管道閥門、管廊內(nèi)管道與直埋管道銜接等管道應(yīng)力問題,采用有限元應(yīng)力計(jì)算軟件進(jìn)行計(jì)算,對(duì)由管道重力、壓力、溫度和偶然荷載作用下產(chǎn)生的應(yīng)力進(jìn)行分析計(jì)算,優(yōu)化管道力系。在管道材質(zhì)、保溫形式、補(bǔ)償器形式的選擇和管廊管道放氣及泄水的設(shè)置等方面也充分考慮,確保管道設(shè)計(jì)的安全性。

9 節(jié)省費(fèi)用分析

據(jù)統(tǒng)計(jì),既有的110 kV架空高壓電力電纜入廊后,在市中心區(qū)范圍內(nèi)能夠騰退可利用土地約66.67×104m2,利用土地產(chǎn)生的直接經(jīng)濟(jì)效益超過20×108元。此外,管線入廊后,避免了停水、停電、交通中斷等馬路拉鏈現(xiàn)象。據(jù)測(cè)算,城市道路每開挖1 m,城市建設(shè)費(fèi)用增加1.4×104元。因此,城市建設(shè)費(fèi)用也節(jié)省很多。

10 結(jié)束語

綜合管廊作為城市生命線工程,能夠有效避免停水、停電、交通中斷等馬路拉鏈現(xiàn)象,是一項(xiàng)真正的民生工程、百姓工程、里子工程。綜合管廊敷設(shè)熱力管道是一種新興的敷設(shè)方式。本工程DN 1 200～1 400 mm超大口徑熱力管道已完成入廊,并穩(wěn)定運(yùn)行了逾2 a,填補(bǔ)了大口徑熱力管道入廊的空白,積累了豐富的設(shè)計(jì)、施工和運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)。