综合管廊的区间设计

强 健， 王恒栋， 祁 峰

(上海市政工程设计研究总院(集团)有限公司, 上海 200092)

0 引言

综合管廊建造技术在国内已有几十年的发展历史。最近几年，在国家政策的有力引导下，我国多数大中型城市都开始尝试建设综合管廊。在大量的实践中，我国的地下综合管廊工程技术得到迅速发展[1]，但也存在一些问题。城市地下综合管廊建设的爆发式增长，迫切需要更多的理论，用以指导综合管廊的设计、施工及运营。

王恒栋[2]针对近年来综合管廊工程建设中存在的问题，分析综合管廊系统规划、入廊管线、施工方法、安全保障、投资与收费等方面的问题，并提出相应的建议； 油新华[3]论述了城市综合管廊在建设模式、规划设计、施工及运营管理等方面的发展现状，对目前我国综合管廊建设的重大技术进展，如： 绿色建造理念、集约规划设计理念和方法、整体模板滑移技术、预制装配成套技术、基于BIM的智慧管理技术等，进行详细阐述； 刘应明[4]对综合管廊基础研究、规划技术、工程设计、管理体制进行了系统地介绍。薛伟辰等[5]介绍了4 类典型的预制拼装综合管廊结构体系，即整舱预制拼装、叠合板式拼装、预制板式拼装和预制槽型拼装，较为系统地介绍了其构造特点与适用范围； 张浩[6-7]提出综合管廊供配电系统应以满足防火分区的消防设备动作为原则，分析了综合管廊监控与报警系统的设置原则，阐述了综合管廊统一管理平台的功能需求。唐志华[8]结合工程实践，探讨了城市综合管廊通风系统的功能、设计原则、各舱室的通风量计算方法，以及通风系统的控制与运行策略。高彪[9]介绍了综合管廊通风系统的设计原则，比较分析了各类通风方式，论述了综合管廊通风系统的设计计算、设备选择与布置、系统控制模式等问题。向帆等[10]从道路坡度、规划排向以及规划管道高程等方面综合分析了雨污水管道入廊后的排水可行性。张建兵等[11]从道路快速化改造工程实施需求和综合管廊本身功能定位出发，详细阐述了长沙市湘府西路综合管廊工程的设计内容，主要包括综合管廊横断面设计、平面布置、竖向设计、结构设计、附属设施设计及施工方法。施有志等[12]研究了综合管廊动力边界条件对地震动力响应的影响，提出综合管廊地震动力分析的优化动力边界组合方法。

在当前综合管廊工程领域，鲜有学者和工程师关注综合管廊总体设计范畴的理论与创新。近年来，通过对数百项综合管廊工程的规划与设计实践，我们逐步形成了较稳定的综合管廊总体设计系统布置思路与方法。通过提炼，作者结合“区间”概念，提出以“功能区间”及“单元区间”作为综合管廊各种功能系统的物理实现形式，并进一步研究了一种新的综合管廊系统布置方法——综合管廊的“区间设计”。

1 “区间”概念在工程中的应用

广义来说，“区间”是指一定距离范围和空间范围。“区间”概念最早起源于数学。在数学里，“区间”通常是指具备某种特征的实数集合。在社会应用中，“区间”被广泛运用于与交通运行有关的概念中，如区间公交车、区间测速、区间隧道等。在我国城市轨道交通高速发展的背景下，城市轨道交通中的区间隧道概念为社会大众所熟知。一般，区间隧道是指城市轨道交通中2个站点之间的隧道。

综合管廊工程作为城市道路下的附属构筑物，在平面布置上具备与城市道路相同的“线性”特征。从工程角度，具备 “线性”特征的工程如城市轨道交通、综合管廊等，被工程师们分为了“节(站)点”与“区间”2个部分。“节(站)点”的特征在于综合性，如地铁车站除具备地铁停站、上下客等交通功能外，还承担了交通管理、区间能源供给、通风、消防排水、人员逃生、平战结合出入口、施工期暗挖井等功能； “区间”的特征在于断面单一、线性、可复制性等。

以“防火区间”的概念发展为例。GB 50016—2014《建筑设计防火规范》[13]给出了“防火分区”的规范定义：“在建筑内部采用防火墙、楼板及其他防火分隔设置分隔而成，能在一定时间内防止火灾向同一建筑的其余部分蔓延的局部空间。”这个“局部空间”一般以二维的“面积”指标或一维的“长度”指标来度量。当以“长度”指标来度量空间时，尤其是在轨道交通、公路隧道、综合管廊等具备“线性”特征的工程中，工程师们习惯将“分区”改称为“区间”，如以“长度”度量的综合管廊防火分区，工程师们更多地称之为“防火区间”。

2 综合管廊的功能区间

功能区间是指赋予某种功能属性的“区间”，以一维的长度指标来度量。

综合管廊是指建于城市地下用于容纳2类及以上城市工程管线的构筑物及附属设施[14]。从土建角度，综合管廊属于地下隧道类构筑物。为了保障入廊管线的安装、检修与运营，综合管廊需要设置相应的功能系统。依据GB 50838—2015《城市综合管廊工程技术规范》[14]，综合管廊工程需要设置的几大功能系统有： 消防系统、通风系统、配电系统(供配电与照明)、监控与报警系统、排水系统等。此外，综合管廊还需具备紧急情况下的人员逃生功能、管线与设备安装所需的吊装功能、管线分支引出功能等。那么，综合管廊的功能区间可分为： 防火区间、通风区间、配电区间、监控区间、逃生区间、吊装区间、排水区间及管线分支区间等。本文分析了综合管廊功能系统的技术要求和实现形式，综合管廊各功能区间的定义、特征物和长度要求如表1所示。

表1 综合管廊的功能区间

在这些功能区间中，防火区间是基本的功能区间之一，其他功能区间可以通过防火区间的功能扩充来实现，如表2所示。

表2综合管廊各功能区间与防火区间的关系

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

区间名称与防火区间的关系与防火区间长度的倍数关系防火区间1通风区间1或n个防火区间的首尾设置通风口1或n配电区间在1个防火区间内加设配电设备间1监控区间在1个防火区间内加设监控设备间1逃生区间 1或n个防火区间内设置1或n个逃生口1或n或1/n排水区间 1个防火区间内设置1或n个独立排水沟1或1/n吊装区间1或n个防火区间内设置吊装口1或n管线分支区间 1或n个防火区间内设置1或n个管线分支口1或n或1/n

由表2可以看到，通风区间可以按1个或多个防火区间首尾衔接后增设通风功能后实现； 配电区间、监控区间、排水区间可以直接依托于1个防火区间增设功能属性实现； 逃生区间、吊装区间、管线分支区间则可依托1个或多个防火区间增设对应功能节点而实现。

3 综合管廊的单元区间

通过前述对综合管廊各个功能区间的定义与分析可知，综合管廊的各种功能系统在物理形式上可以通过赋予功能属性的区间来实现。反言之，在综合管廊系统布置中，合适的安排好各类功能区间，也就满足了综合管廊的各类功能需求。从这个思路出发，综合管廊的系统布置也就简化成了各类功能区间的组合。本节的主要内容，就是寻求一种具备复合功能属性、可复制的“单元区间”，既能满足综合管廊的各种功能需求，又能作为综合管廊工程的基本单元。

单元即由组件或零件、分组件装配在一起，通常在不同的环境中能独立工作的组合体，在样本中自为一体或自成系统的独立部分，不可再分。参考这个定义，综合管廊“单元区间”可定义为在综合管廊工程中，自成一体或自成系统的独立区间，这个区间具备独立的消防、通风、配电、监控、逃生、排水等系统功能，具有线性、可复制性等特点。

为了进一步探索综合管廊单元区间的构建，本文进一步分析了综合管廊各功能区间对于系统布置的重要性，如表3所示。

可以看到，防火区间和通风区间在综合管廊的系统布置中起到了基础性的重要作用。对于一个综合管廊工程来说，处理好防火区间与通风区间的相互关系，就可方便地建立起综合管廊的单元区间。因而，可按如下2种方法建立单元区间。

表3功能区间在系统布置中的重要性程度分析

Table 3 Analysis of importance of function section in system layout

区间名称重要性分析重要性程度防火区间 配电、监控、逃生、排水均依托于此区间重要通风区间 结合防火区间布置,由于风井需出露地面,受外部制约条件影响大重要配电区间配电为必备功能,依托于防火区间次要监控区间监控为必备功能,依托于防火区间次要逃生区间 逃生为必备功能,可依托于防火区间或通风区间次要排水区间 排水为必备功能,可依托于防火区间次要吊装区间可不依托于其他区间,可自由布置一般管线分支区间可不依托于其他区间,可自由布置一般

3.1 以防火区间为基础建立单元区间

此种情况适用于1个防火区间与1个通风区间合并的情况。在防火区间两端的防火分隔处分别设置排风口与进风口，形成通风区间。在防火区间内选择合适的位置设置配电间与监控设备间，形成配电间区间和监控区间； 在防火区间两端或中间设置逃生口，形成逃生区间； 在防火区间内部地面设置独立的排水沟，在排水沟的低点设置集水坑，形成排水区间。1个以防火区间为基础建立的单元区间案例见图1。

在这个案例中，以≤200 m的长度范围为单元区间，两端设置防火隔断，形成了1个防火区间； 在防火隔断上方，分别设有通风口(排风口、进风口)与逃生口，形成了基于防火区间的通风区间和逃生区间； 在这个区间一侧的上方，设有配电与监控合建的设备间，为区间内的附属设施用电负荷提供配电，为区间建立监控与报警系统，形成了配电区间和监控区间； 区间内部的低点设有集水坑，通过沿底板的排水沟收集积水和渗漏水，形成排水区间； 靠近防火隔断的位置分别设置了吊装口和管线分支口，与相邻的另一区间相同位置的吊装口和管线分支口组成吊装区间和管线分支区间。这种区间布置方案也是当前综合管廊工程主流的系统布置方案。在我院承担的数百条综合管廊工程中，90%以上的项目采用了这种方案。

图1 防火区间为基础的单元区间纵向示意图

3.2 以通风区间为基础建立单元区间

此种情况适用于1个通风区间与数个防火区间合并的情况。在通风区间内部按防火区间的技术要求设置防火隔断，形成数个独立的防火区间。在防火区间内选择合适的位置设置配电间与监控设备间，形成数个独立的配电区间和监控区间。在防火区间两端或中间设置数个逃生口，形成数个独立的逃生区间。在防火区间内部地面设置独立的排水沟，在排水沟的低点设置集水坑，形成数个独立排水区间。以通风区间为基础建立的单元区间案例见图2。

在这个布置方案里，以≤600 m(200 m×3)为单元区间，两端分别设置排风口与进风口，形成了1个通风区间； 在这个区间两端及中间1/3分点位置，分别设置4道防火隔断，形成了3个防火区间； 在防火区间的上方，设有配电与监控合建的设备间，形成了依托于防火区间的3个配电区间与监控区间； 在临近防火隔断的位置，分别与通风口或吊装口合建了逃生口，形成了依托于防火区间的3个逃生区间； 每个防火区间内部的低点设有集水坑，与沿底板设置的排水沟一起，形成了3个排水区间； 另外，临近防火隔断位置设置了吊装口与管线分支口，与相邻通风区间设置的吊装口及管线分支口，形成了3个吊装区间与管线分支区间。广东省肇庆市肇庆新区政文组团市政道路(1期)项目凤凰大道与新区环路综合管廊试验段采用了此种系统布置方案。

图2 以通风区间为基础的单元区间纵向示意图

4 综合管廊区间设计的定义

系统布置是综合管廊总体设计的核心内容之一。综合管廊总体设计，就是对综合管廊工程全局问题的设计。综合管廊总体设计要素包括功能定位、管线需求、建设条件、三维控制、安全与运营管理、系统布置等。其中，系统布置可称为一般性要素，其设计方法和原理有一定的普遍适应性。

综合管廊的系统布置，主要包括特殊功能节点的布置和各类系统功能设施的布置。对于特殊功能节点，在进行系统布置时，应根据周边条件及功能的要求，相对独立地在综合管廊总图上布置。对于综合管廊各类系统功能设施，我们可以利用第3节所述的单元区间理念，将具备复合功能属性的单元区间，首尾相接进行复制串联，布置在总图上，就可实现各类系统功能设施的布置。

为了方便论述上述的系统布置设计思路，这里给出“区间设计”的定义。即以功能分析为出发点，在分析周边关联条件的基础上，以满足某些功能要求的单元区间为基本元素，以单元区间的复制串联为主要途径，对工程应具备的目标功能系统进行概念性的创造活动。

“区间设计”概念的来源于综合管廊工程总体设计，也可衍生到地铁隧道、公路隧道等工程设计领域。

5 区间设计的一般方法

结合综合管廊设计实践，区间设计的方法为： 分析综合管廊的基本功能需求、入廊管线的功能需求及外部条件的制约因素，给出具备完善系统功能的综合管廊单元区间，将单元区间首尾相接进行串联，辅以特殊功能节点，形成综合管廊的系统布置。

5.1 分析综合管廊的功能需求

综合管廊的基本功能需求是指综合管廊运营、入廊管线安装检修与维护等的必要条件。这些功能需求包括： 人员出入、逃生、管线与设备的吊装、管线分支、消防分区、灭火系统、通风、供电、照明、监测与报警、排水、标识等。除消防分区、灭火系统等外，这些功能需求都是综合管廊工程必备的。同时，这些条件也会根据入廊管线的不同种类有着不同的具体要求。

5.2 分析入廊管线的功能需求

不同的管线对综合管廊的功能要求各有不同。如规范要求容纳电力电缆的综合管廊舱室应每隔200 m设置防火分隔，并应设置自动灭火系统，逃生口的设置间距不宜大于200 m； 通信管线的管线分支需求高，一般为120～200 m，管线分支区间不宜过大； 敷设热力管道的舱室，要求逃生口间距不应大于400 m，当热力管道内介质为蒸汽时，逃生口间距则不应大于100 m； 对于天然气管道，除要求单独成舱外，也应每隔200 m设置防火分隔，逃生口的设置间距不宜大于200 m。

5.3 分析外部制约条件

综合管廊的外部制约条件主要指对工程实施有影响的地下建(构)筑物、未入廊的地下管线、地面道路交通及道路附属构筑物等周边环境。此外，综合管廊工程设计还需考虑通风口、逃生口、吊装口等各类口部与地面道路交通、道路景观绿化的关系。频繁设置的口部不利于综合管廊自身的安全防灾，也会对道路交通及景观产生较大的影响。如CJJ152—2010《城市道路交叉口设计规程》[15]就规定，在城市道路平面交叉口视距三角形范围内不得有任何高出路面1.2 m的妨碍驾驶员视线的障碍物，明确给出了在道路交叉口部位设置综合管廊通风口高风井的限制性条件。

5.4 构建综合管廊的“单元区间”

“单元区间”理念是综合管廊区间设计的核心内容之一。“单元区间”是独立的具有复合功能系统的综合管廊基本单元。这个基本单元既具备综合管廊自身的基本功能，也能满足所容纳管线的技术要求。更深入地说，这个基本单元具备独立的通风、供电、照明、监控、报警、排水等系统，也具有人员出入、逃生、吊装、管线分支等功能。在综合考虑外部制约条件的前提下，综合管廊的系统布置就是这些“单元区间”的复制与串联排列。

5.5 形成系统布置

综合管廊的各类特殊功能节点主要包括(不限于)： 1)变电所，实现综合管廊区域供电； 2)交叉口，管廊交叉时的节点； 3)人员出入口，方便运维人员进出的构筑物； 4)控制中心连接段，实现综合管廊与控制中心相连的构筑物； 5)变电站连接段，实现综合管廊高压舱与高压变电站连接的构筑物； 6)倒虹，综合管廊避让垂直相交障碍物的构筑物； 7)端井，综合管廊的终端处用以引出管线的构筑物。根据外部条件确定好上述特殊功能节点后，将其“镶嵌”组合布置在“单元区间”串联排列的大系统中，就形成了完整的综合管廊工程系统。

6 结论与讨论

本文给出了综合管廊“区间设计”的定义和方法。通过综合管廊功能需求和入廊管线技术要求，提出综合管廊各类“功能区间”的定义、特征； 通过功能区间可以构建具备复合功能属性、可复制的综合管廊“单元区间”； 通过单元区间的复制串联就可方便地实现综合管廊总体设计的系统布置。

综合管廊的“区间设计”是在工程实践的基础上，总结出的一种新的综合管廊总体设计理论和方法。通过“区间设计”，可以实现通风口、吊装口、逃生口、管线分支口、设备间等综合管廊特殊节点的集中布置和整合，使综合管廊的标准段的连续长度更长，促进了综合管廊工程的设计标准化，有利于暗挖综合管廊技术的发展，也有利用于预制拼装技术在综合管廊工程中的应用。