綜合管廊的區間設計

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

綜合管廊建造技術在國內已有幾十年的發展歷史。最近幾年，在國家政策的有力引導下，我國多數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得到迅速發展[1]，但也存在一些問題。城市地下綜合管廊建設的爆發式增長，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，分析綜合管廊系統規劃、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、規劃設計、施工及運營管理等方面的發展現狀，對目前我國綜合管廊建設的重大技術進展，如： 綠色建造理念、集約規劃設計理念和方法、整體模板滑移技術、預制裝配成套技術、基于BIM的智慧管理技術等，進行詳細闡述； 劉應明[4]對綜合管廊基礎研究、規劃技術、工程設計、管理體制進行了系統地介紹。薛偉辰等[5]介紹了4 類典型的預制拼裝綜合管廊結構體系，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，較為系統地介紹了其構造特點與適用范圍； 張浩[6-7]提出綜合管廊供配電系統應以滿足防火分區的消防設備動作為原則，分析了綜合管廊監控與報警系統的設置原則，闡述了綜合管廊統一管理平臺的功能需求。唐志華[8]結合工程實踐，探討了城市綜合管廊通風系統的功能、設計原則、各艙室的通風量計算方法，以及通風系統的控制與運行策略。高彪[9]介紹了綜合管廊通風系統的設計原則，比較分析了各類通風方式，論述了綜合管廊通風系統的設計計算、設備選擇與布置、系統控制模式等問題。向帆等[10]從道路坡度、規劃排向以及規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，詳細闡述了長沙市湘府西路綜合管廊工程的設計內容，主要包括綜合管廊橫斷面設計、平面布置、豎向設計、結構設計、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化動力邊界組合方法。

在當前綜合管廊工程領域，鮮有學者和工程師關注綜合管廊總體設計范疇的理論與創新。近年來，通過對數百項綜合管廊工程的規劃與設計實踐，我們逐步形成了較穩定的綜合管廊總體設計系統布置思路與方法。通過提煉，作者結合“區間”概念，提出以“功能區間”及“單元區間”作為綜合管廊各種功能系統的物理實現形式，并進一步研究了一種新的綜合管廊系統布置方法——綜合管廊的“區間設計”。

1 “區間”概念在工程中的應用

廣義來說，“區間”是指一定距離范圍和空間范圍。“區間”概念最早起源于數學。在數學里，“區間”通常是指具備某種特征的實數集合。在社會應用中，“區間”被廣泛運用于與交通運行有關的概念中，如區間公交車、區間測速、區間隧道等。在我國城市軌道交通高速發展的背景下，城市軌道交通中的區間隧道概念為社會大眾所熟知。一般，區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(站)點”與“區間”2個部分。“節(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、區間能源供給、通風、消防排水、人員逃生、平戰結合出入口、施工期暗挖井等功能； “區間”的特征在于斷面單一、線性、可復制性等。

以“防火區間”的概念發展為例。GB 50016—2014《建筑設計防火規范》[13]給出了“防火分區”的規范定義：“在建筑內部采用防火墻、樓板及其他防火分隔設置分隔而成，能在一定時間內防止火災向同一建筑的其余部分蔓延的局部空間。”這個“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”改稱為“區間”，如以“長度”度量的綜合管廊防火分區，工程師們更多地稱之為“防火區間”。

2 綜合管廊的功能區間

功能區間是指賦予某種功能屬性的“區間”，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。依據GB 50838—2015《城市綜合管廊工程技術規范》[14]，綜合管廊工程需要設置的幾大功能系統有： 消防系統、通風系統、配電系統(供配電與照明)、監控與報警系統、排水系統等。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，綜合管廊的功能區間可分為： 防火區間、通風區間、配電區間、監控區間、逃生區間、吊裝區間、排水區間及管線分支區間等。本文分析了綜合管廊功能系統的技術要求和實現形式，綜合管廊各功能區間的定義、特征物和長度要求如表1所示。

表1 綜合管廊的功能區間

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

表2綜合管廊各功能區間與防火區間的關系

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

區間名稱與防火區間的關系與防火區間長度的倍數關系防火區間1通風區間1或n個防火區間的首尾設置通風口1或n配電區間在1個防火區間內加設配電設備間1監控區間在1個防火區間內加設監控設備間1逃生區間 1或n個防火區間內設置1或n個逃生口1或n或1/n排水區間 1個防火區間內設置1或n個獨立排水溝1或1/n吊裝區間1或n個防火區間內設置吊裝口1或n管線分支區間 1或n個防火區間內設置1或n個管線分支口1或n或1/n

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

3 綜合管廊的單元區間

通過前述對綜合管廊各個功能區間的定義與分析可知，綜合管廊的各種功能系統在物理形式上可以通過賦予功能屬性的區間來實現。反言之，在綜合管廊系統布置中，合適的安排好各類功能區間，也就滿足了綜合管廊的各類功能需求。從這個思路出發，綜合管廊的系統布置也就簡化成了各類功能區間的組合。本節的主要內容，就是尋求一種具備復合功能屬性、可復制的“單元區間”，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，通常在不同的環境中能獨立工作的組合體，在樣本中自為一體或自成系統的獨立部分，不可再分。參考這個定義，綜合管廊“單元區間”可定義為在綜合管廊工程中，自成一體或自成系統的獨立區間，這個區間具備獨立的消防、通風、配電、監控、逃生、排水等系統功能，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間的構建，本文進一步分析了綜合管廊各功能區間對于系統布置的重要性，如表3所示。

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

表3功能區間在系統布置中的重要性程度分析

Table 3 Analysis of importance of function section in system layout

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

3.1 以防火區間為基礎建立單元區間

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

在這個案例中，以≤200 m的長度范圍為單元區間，兩端設置防火隔斷，形成了1個防火區間； 在防火隔斷上方，分別設有通風口(排風口、進風口)與逃生口，形成了基于防火區間的通風區間和逃生區間； 在這個區間一側的上方，設有配電與監控合建的設備間，為區間內的附屬設施用電負荷提供配電，為區間建立監控與報警系統，形成了配電區間和監控區間； 區間內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，與相鄰的另一區間相同位置的吊裝口和管線分支口組成吊裝區間和管線分支區間。這種區間布置方案也是當前綜合管廊工程主流的系統布置方案。在我院承擔的數百條綜合管廊工程中，90%以上的項目采用了這種方案。

圖1 防火區間為基礎的單元區間縱向示意圖

3.2 以通風區間為基礎建立單元區間

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

在這個布置方案里，以≤600 m(200 m×3)為單元區間，兩端分別設置排風口與進風口，形成了1個通風區間； 在這個區間兩端及中間1/3分點位置，分別設置4道防火隔斷，形成了3個防火區間； 在防火區間的上方，設有配電與監控合建的設備間，形成了依托于防火區間的3個配電區間與監控區間； 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間的3個逃生區間； 每個防火區間內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，與相鄰通風區間設置的吊裝口及管線分支口，形成了3個吊裝區間與管線分支區間。廣東省肇慶市肇慶新區政文組團市政道路(1期)項目鳳凰大道與新區環路綜合管廊試驗段采用了此種系統布置方案。

圖2 以通風區間為基礎的單元區間縱向示意圖

4 綜合管廊區間設計的定義

系統布置是綜合管廊總體設計的核心內容之一。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、系統布置等。其中，系統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。

綜合管廊的系統布置，主要包括特殊功能節點的布置和各類系統功能設施的布置。對于特殊功能節點，在進行系統布置時，應根據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功能設施，我們可以利用第3節所述的單元區間理念，將具備復合功能屬性的單元區間，首尾相接進行復制串聯，布置在總圖上，就可實現各類系統功能設施的布置。

為了方便論述上述的系統布置設計思路，這里給出“區間設計”的定義。即以功能分析為出發點，在分析周邊關聯條件的基礎上，以滿足某些功能要求的單元區間為基本元素，以單元區間的復制串聯為主要途徑，對工程應具備的目標功能系統進行概念性的創造活動。

“區間設計”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域。

5 區間設計的一般方法

結合綜合管廊設計實踐，區間設計的方法為： 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，給出具備完善系統功能的綜合管廊單元區間，將單元區間首尾相接進行串聯，輔以特殊功能節點，形成綜合管廊的系統布置。

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、滅火系統、通風、供電、照明、監測與報警、排水、標識等。除消防分區、滅火系統等外，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，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，當熱力管道內介質為蒸汽時，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)筑物、未入廊的地下管線、地面道路交通及道路附屬構筑物等周邊環境。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生較大的影響。如CJJ152—2010《城市道路交叉口設計規程》[15]就規定，在城市道路平面交叉口視距三角形范圍內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 構建綜合管廊的“單元區間”

“單元區間”理念是綜合管廊區間設計的核心內容之一。“單元區間”是獨立的具有復合功能系統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、監控、報警、排水等系統，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，綜合管廊的系統布置就是這些“單元區間”的復制與串聯排列。

5.5 形成系統布置

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

6 結論與討論

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

綜合管廊的“區間設計”是在工程實踐的基礎上，總結出的一種新的綜合管廊總體設計理論和方法。通過“區間設計”，可以實現通風口、吊裝口、逃生口、管線分支口、設備間等綜合管廊特殊節點的集中布置和整合，使綜合管廊的標準段的連續長度更長，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的發展，也有利用于預制拼裝技術在綜合管廊工程中的應用。