市政工程管線綜合優化問題探討

蔣文洋

貴州雙龍航空港開發投資集團有限公司

1 工程背景

某市政工程為所在地方政府重點建設的國家遺址公園保護工程，工程規劃面積20.37km2，遺址公園核心區域占地面積4.1km2。該工程建成后將與工程以南和以西既有市政設施相連接，為確保該工程建成投運后能具有良好的城市設施條件，并達到當地平均市政基礎設施建設水平，故在區內規劃出多條市政工程管線，并在空間上將各條單體管線進行了合理規劃與安排，確保其橫向排列有序，縱向交叉合理，并與西南現有市政管線順利連接。

2 市政工程管線綜合優化途徑

2.1 管線綜合設計

為進行該國家遺址公園保護工程各單體工程管線的空間位置，防止各類管線之間發生干擾和沖突，必須在工程規劃階段加強管線綜合優化設計，充分考慮各類管線屬性、用途及可能的影響，進行路徑的合理安排，盡可能使各類管線順直、簡短、集中。傳統的市政工程管線設計理論較為側重條框式定性分析，設計過程也常常將管線網絡整體布局和城市整體規劃割裂，并未進行管線網絡綜合布局的考慮，所采用的設計方法更加依賴既有經驗，也就是說在各類管線空間相對位置等的確定方面均過于依賴既有的設計實踐經驗，從而增大主觀因素對設計過程的干擾。

在進行該國家遺址公園保護工程綜合管線設計過程中，主要針對一項或幾項管線方案進行規劃模型的構建，并采用最優化方法進行模型求解，以求解的結果作為該市政工程管線綜合優化設計的依據。采用非線性規劃模型進行市政工程管線的空間管位確定，并在取值范圍內進行最優解的計算，采用定性與定量相結合的分析方法，能有效避免人為因素對管線位置確定的不利干擾，保證設計過程及結果的科學性和最優化[1]。

2.2 交叉口豎向設計

所謂市政工程管線綜合交叉口豎向設計主要是指在道路等的交叉口位置進行各類管線空間位置的合理規劃設計與布置，既保證各類管線之間間距符合設計及安全運行的要求，又能節省空間，減小土方開挖量和工程成本。交叉口往往是城市交通運輸的關鍵部位，交叉口管線設計的科學與否直接影響交通管線運行的安全性與效率，所以，管線綜合交叉口豎向設計是市政工程管線設計的重要部分，關系到管線網絡安全運行及市政工程社會效益的順利發揮。

2.2.1 設計原則

就設計原則而言，首先應嚴格控制交叉口管線埋深，既能有效減小工程量和施工規模，控制施工成本，又能避免地下水對地下管線可能的腐蝕。第二，應減小除地形制約之外不必要的彎曲設置，因為管道彎曲會導致傳輸過程中管道壓力及能量方面的損失，導致施工難度、管道運營成本及施工成本等均增大。此外，還應加強對交叉口處有限地下空間的開發利用，且管線之間水平及垂直凈距均應嚴格按照《城市工程管線綜合規劃規范》及相關規范[2]所要求的最小凈距確定，條件允許的交叉口最好設置管線敷設綜合溝，為日后維修及維護提供便利。

2.2.2 設計方法——最小埋深法

該方法是進行市政工程交叉口豎向設計的過程中必須確保雨、污排水等重力流管道嚴格根據單體管線的具體要求進行其最小埋深等參數設計，并根據設計結果順次確定市政工程交叉口空間內管線的交匯點以及雨污排水等各類管道實際埋深。在進行雨污排水之外非重力流管線交叉點埋深確定時，必須先按照設計最小埋深埋設上層管線，再據此合理確定出下層管線埋深。如果雨污排水等重力流管道和雨污排水之外非重力流管線埋深存在沖突，則應嚴格按照重力流管線優先的原則[3]進行處理。

采用該方法進行市政工程管線交叉口的豎向設計能充分利用有限的地下空間，并為市政工程其余部分的建設實施提供空間資源。采用該設計方法能有效控制市政管線的埋深，減小土方開挖和施工成本，但是為獲得最小的埋深，可能會導致部分管道彎曲數量的增加，反而導致施工難度和工程費用上升以及管網流體力學環境弱化，管道內所運輸的介質穿過交叉口后動能損失程度和能耗增大，使運行費用不降反增。

最小埋深法的實施步驟主要為：①根據市政工程設計方案確定出地下管線種類和交叉點屬性（見圖1（a））；②如果存在雨、污排水等重力流管線和重力流管線的交叉，則應根據重力流排水管段設計水力要素進行管線豎向交叉點處管底標高Z1、Z2的確定，且Z2＞Z1，根據標高值和管線交叉點處污水管管徑的取值D1進行重力路管道垂直間距的確定，即Z2-Z1-D1≥d（d為規范所規定的任意兩管線交叉的垂直凈距最小值，取值具體見表1），如果此式成立，則所對應的Z1、Z2值便是管線交叉點所對應的管底標高，返回第一步；如果此式不成立，則應返回后再次進行管段水力計算，之后再重復以上過程，直至此式成立。③如果存在非重力流管線和非重力流管線的交叉，則應在豎向空間從地表自上到下進行各類管線的排序，本工程管線序列為電力管線→電信管線→熱力管線→燃氣管線→給水管線→雨水排水→污水排水管線，且按照設計原則中所提出的優先原則進行各交叉點處管線管底標高的逐一確定：非重力流管線交叉點處管徑表示為D上和D下，根據管線次序確定其上層管線的類型，并通過相關規范確定管線的覆土深度最小值Tij，將該值與市政工程管線特定埋深最大值P進行比較，對比結果表示為M，則上層管線管底埋深應為：

表1 管線交叉處最小垂直凈距（單位：m）

下層管線管底標高應為：

④如果存在雨、污排水等重力流管線和非重力流管線的交叉，則應確定出各管線交叉點處的管徑并用Dz、Df表示，結合非重力流管線類型并根據相關規范確定出具體管線的覆土深度最小值Tij，將該值和市政工程管線特定埋深最大值P進行比較，對比結果表示為M，則兩重力流管線間距可表示為：

如果該式成立，則該交叉點非重力流管線管底標高應表示為：

若該式不成立，則：

該交叉點管底標高即為（Zi，Fi），見圖1（b）。

圖1 雨污排水管線交叉示意圖

相關規范所規定的最小埋深原則及方法在市政工程管線設計及實際操作中的應用，便形成了本市政工程管線交叉處最小垂直凈距的相對穩定結果，具體見表1所示。

3 結束語

通過對國家遺址公園保護工程管線綜合優化設計問題的分析表明，市政工程管線綜合交叉口豎向設計是管線綜合設計中的關鍵性環節，且其設計難度大，需要考慮的因素多，最小埋深法對于受到人防及地鐵等地下構筑物影響而地下空間受限的道路交叉口處管線豎向設計較為適用，能較好地解決部分管線需要下穿人防、地鐵等構筑物而導致管線埋深、施工及日常維護難度增大等問題，降低施工難度及管線日常維護成本。