北方某試點城市綜合管廊工程設計

何士忠, 赫明水, 安 捷, 楊 宇, 王長祥

(中國市政工程華北設計研究總院有限公司 第一設計研究院, 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施,在我國從2015年開始試點建設,到2022年6月底,累計開工建設管廊項目1 647個、長度5 902 km。綜合管廊是21世紀新型城市市政基礎設施建設現代化的重要標志之一,避免了埋設或維修管線導致道路重復開挖的麻煩,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,還為城市發展預留了寶貴的地下空間。同時也積極響應了“一流的規劃、一流的設計、一流的建設、一流的質量”的建設要求[1]。

北方某城市于2015年4月8日,順利通過國家財政部、住房城鄉建設部組織的專家答辯,成為全國首批10個地下綜合管廊建設試點城市之一。110國道綜合管廊工程是在該城市申請國家管廊試點城市后投入設計施工的綜合管廊的一部分。該工程的建設,將起到良好的示范和推動作用。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計經驗。

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,項目總投資約11.1×108元。具有入廊管線多、建設體量大的特點,穿越河流一次,需與現狀道路、水系改造相結合,設計成果將與周邊環境達到完美融合。

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段綜合管廊各設置監控中心1座。

3 項目特點

① 本項目隨道路改造項目一并建設。地下現狀管線多,給管廊的實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,最大達到DN 1 400 mm。

4 總體設計

4.1 入廊管線的確定

110國道綜合管廊(簡稱管廊)工程中的規劃管線有給水管道、中水管道、雨水管道、污水管道、熱力管道、燃氣管道、電力電纜、通信線纜,其中電力電纜電壓為10 kV、110 kV。目前實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 管廊橫斷面設計

管廊主要包括綜合艙、高壓電力艙和熱力艙。綜合艙內敷設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。高壓電力艙內為110 kV電力電纜。為避免熱力管道事故對其他管線造成影響,將熱力管道單艙布置,熱力艙位于管廊內最右側。由于西段管廊熱力管道規格為DN 1 200 mm,東側管廊熱力管道規格為DN 1 400 mm,因此2段管廊的橫斷面設計總寬度不同,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 管廊豎向設計

4.3.1常規段覆土深度的確定

管廊最小覆土深度一般為2 m。考慮到110國道下也會有雨水管道、污水管道直埋,應預留出敷設空間,將管廊常規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高沖突處理

管廊與管廊外的市政排水管道(簡稱市政排水管道)極易出現標高上的沖突,常規處理方案如下。

方案1:管廊避讓市政排水管道。下調管廊標高,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創造了便利條件,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。該方案不會增加過多投資。

在本工程中,考慮以上2種方案相結合的方式。當有開挖條件時,采用下調管廊標高避讓市政排水管道的方式;當管廊標高下調有困難時,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

當管廊穿越河流時,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,管廊覆土深度應不小于1.0 m。

管廊在進入河道之前,沿著管廊長度方向,采用不大于15°的傾角向下調整標高至要求的穿越標高。河底部分的管廊采用不小于0.002的坡度向兩側或一側找坡,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 主要節點設計

5.1 管線分支口

為滿足管線分支出入管廊需求,需根據規劃并結合地塊性質,設置管線分支口。一般在路口兩側及兩個路口之間的位置設置,如兩個路口之間的距離較遠,則每隔200 m左右設置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。熱力管道根據熱力公司確定的位置設置管線分支口。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,并在末端預留連接井。給水管道、中水管道、熱力管道過路采用預埋過路套管的形式。

5.2 投料口

綜合管廊投料口布置,以不大于400 m設置1處投料口,投料口尺寸按照每個艙內敷設的最大管道口徑考慮。綜合艙內投料口尺寸(長×寬)為7.0 m×1.0 m,位于1.5 m寬的側分帶內,側分帶指在市政道路中,機動車道與非機動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。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。投料口頂板位于地下50 cm處,待管線安裝完畢后,綠化帶或人行道實施之前應進行封閉,封閉后頂板上用防水砂漿進行封堵。運行過程中如果再次打開,施工完畢后應進行恢復。投料口實景見圖4。

5.3 通風口

通風設計采用自然進風、機械排風相結合。在每一防火區間的兩端分別設地上式自然進風口、地上式機械排風口。地上式自然進風口和地上式機械排風口高出地面約1.5 m,布置在綜合管廊外側綠化帶內,結合景觀效果進行設計。建議采用成品通風口,美觀大方、安裝方便。

自然進風口、投料口與逃生口集中設置,見圖5。

圖5 自然進風口、投料口與逃生口集中設置

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 監控中心與管廊的連接通道

監控中心位于地面上,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。來自監控中心的人員可以分別通過廊道內的3個防火門,下樓進入管廊的3個艙室。

5.6 交叉口

管廊交叉口的設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構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構,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置輕質防火人孔及爬梯,以便維護人員上下穿越。交叉口處上層管廊底板根據需要預留孔洞,滿足管道上下穿越、連接的要求。交叉口處下層管廊最低點須設置集水坑。

6 附屬設施設計

6.1 排水系統

3個艙室內設置獨立的排水系統。在各艙室沿線設置排水溝,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,再利用集水坑內設置的潛污排水泵排至管廊外雨水系統中。

潛污排水泵的啟停由設在集水坑內的液位開關控制,高液位開泵,低液位停泵,超高液位報警。

管廊內各艙室的一側設有排水溝,艙室地面向排水溝方向有0.2%的坡度,艙室內的污水通過該坡排到排水溝內。排水區間長度不大于200 m。

6.2 消防系統

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

超細干粉滅火系統具備3種啟動方式:感溫自動啟動、手動啟動、消防控制中心聯動。

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

6.3 通風系統

通風設計采用自然進風、機械排風相結合。本管廊按200 m一個防火分區劃分通風區段。每個通風區段一端為進風口,另一端為排風口,相鄰2個通風區段的進風口設置在一起,排風口設置在一起,采用頭尾相對的布置方式,見圖6。

圖6 進排風口布置方式

6.4 供配電及照明系統

西段管廊共有27個防火分區,設有14個現場控制站;東段管廊共有32個防火分區,設有16個現場控制站。現場控制站用作管廊內用電設備的低壓配電室和控制室。

除了在東段管廊的西端頭設置了監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置了4個箱式變電站,向各段管廊的現場控制站內的低壓配電室供電。

為便于檢修維護,現場控制站內安裝配電設備處的照明照度確定為200 lx,監控中心照明照度不小于300 lx。為滿足巡視要求,管廊內人行通道上的平均照明照度不小于15 lx,應急疏散照明照度不小于5 lx。

6.5 監控系統

以約200 m長劃分為一個監控報警區間,每個監控報警區間包含對應3個艙室的3個防火分區。東段管廊、西段管廊各設置監控中心1座,消防控制中心與監控中心共址。在監控中心的中央計算機上設統一管理信息平臺。

7 結構設計

7.1 設計標準

本工程結構設計使用年限為100 a。抗震設防類別為乙類,抗震設防烈度為8度,設計基本地震加速度為0.20g,設計地震分組為第一組,結構安全等級為一級,結構構件裂縫控制等級為三級,結構構件最大裂縫寬度為0.2 mm,防水等級為二級。地基基礎設計等級為丙級,抗浮穩定性抗力系數為不低于1.05。如果管廊位于道路下,該道路的汽車荷載等級為公路Ⅰ級;如果管廊位于非道路下,該處的地面堆積最大荷載標準值為10 kN/m2。

7.2 主體結構設計

管廊結構采用以概率理論為基礎的極限狀態設計方法,以可靠度指標度量結構構件的可靠度。對承載能力極限狀態和正常使用極限狀態進行計算。

管廊標準段結構為閉合框架。管廊特殊節點包括管線分支口、投料口、通風口等,采用現澆混凝土結構。監控中心房屋采用鋼筋混凝土框架結構。

管廊結構應在縱向設置變形縫,結構縱向剛度突變處以及荷載變化處或地基軟硬變化處設變形縫,縫寬30 mm。縫內設埋入式橡膠止水帶,采用聚乙烯閉孔泡沫板填縫,采用聚硫密封膏密封。縫外周圈設一圈外貼式橡膠止水帶。

結構中鋼筋的混凝土保護層厚度:迎水面(管廊底板、外壁板、頂板外側)為50 mm,其他部位為30 mm。

8 設計特點

8.1 總體設計特點

① 入廊管線種類多,管廊斷面尺寸較大,對管廊斷面進行優化設計,對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、逃生口和通風口集中布置[2],盡量減小地面上建筑的占地面積,減少對道路和景觀設計的影響。

③ 考慮遠期發展,在綜合艙預留通信線纜、電力電纜位置,并預留一根給水管道位置。

8.2 結構設計特點

① 熱力管道與管廊同步設計,管廊施工時在對應位置預留或預埋支架,且需充分考慮支架反力對管廊本體的影響。

② 管廊本體沿管廊長度方向每隔30 m左右設伸縮縫,伸縮縫采用兩道橡膠止水帶(內埋+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,掛網噴漿防護,局部采用鋼板樁支護。

8.3 熱力管道設計特點

本工程為國內首條DN 1 200～1 400 mm供熱管道入廊項目,供熱管道敷設長度為11 km。在管徑大、管道長的特點下,產生了諸多技術難點[3]。圍繞長直管道、隨路敷設連續彎道處、熱力管道分支口、管道閥門、管廊內管道與直埋管道銜接等管道應力問題,采用有限元應力計算軟件進行計算,對由管道重力、壓力、溫度和偶然荷載作用下產生的應力進行分析計算,優化管道力系。在管道材質、保溫形式、補償器形式的選擇和管廊管道放氣及泄水的設置等方面也充分考慮,確保管道設計的安全性。

9 節省費用分析

據統計,既有的110 kV架空高壓電力電纜入廊后,在市中心區范圍內能夠騰退可利用土地約66.67×104m2,利用土地產生的直接經濟效益超過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象。據測算,城市道路每開挖1 m,城市建設費用增加1.4×104元。因此,城市建設費用也節省很多。

10 結束語

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象,是一項真正的民生工程、百姓工程、里子工程。綜合管廊敷設熱力管道是一種新興的敷設方式。本工程DN 1 200～1 400 mm超大口徑熱力管道已完成入廊,并穩定運行了逾2 a,填補了大口徑熱力管道入廊的空白,積累了豐富的設計、施工和運行經驗。