轨道交通机电安装空调水系统大管径冷冻水管施工技术

张阳

（中铁一局集团有限公司，陕西西安 710000）

1.工程概况

1.1 设计概况

武汉市轨道交通2号线南延线光谷综合体是由地铁工程、市政配套工程、东西区地下公共空间工程3部分组成。其中地铁工程包括：2号线南延线区间（光谷广场站～珞雄路站），9、11号线光谷广场站及其在广场和市政下穿通道影响范围内的区间；市政配套工程包括：珞喻路、鲁磨路下穿公路隧道；东西区地下公共空间包括：综合利用车站、隧道开挖范围内上部空间设计的地下公共空间，是集轨道交通工程、市政工程、地下公共空间于一体的综合项目。光谷广场综合体工程为地下三层车站，工程总面积为161672m2，其中地铁车站69702m2。

1.2 施工概况

中铁一局作为该项目的机电安装单位，承担着整个工程动力照明、通风空调、给排水、消防水、以及东西区地下空间的FAS/BAS、通信、气灭专业的施工及调试任务。本工程空调水系统冷源由设于本工程地下一层圆盘大厅西北角地铁冷水机房冷水机组提供，车站工程冷却塔设于西区公共空间物业开发18号风亭附近。空调水系统中大管径冷冻水管723m，其中DN350镀锌钢管168m，DN450镀锌钢管555m，水平管平行于地下一层圆盘结构板面敷设。

2.施工重难点分析

（1）合同技术条款与施工图纸中对管道材料选型的要求不一致。该工程冷冻水管在合同技术要求部分约定采用内外热镀锌钢管，施工图纸中要求管材为薄壁不锈钢管。经调查，大管径薄壁不锈钢管制作工艺复杂、市场需求量小，导致采购成本高昂；同时由于连接方式为焊接，施工难度较大，且不便于后期维修。若按照施工图纸要求选用薄壁不锈钢管，从施工企业角度出发，将增加材料采购成本，且易引发工艺质量问题。

（2）轨道交通大管径（公称直径大于300mm）空调冷冻水管的施工案例少、安全质量要求高。常见的地铁车站（含换乘站）相对于轨道交通综合体而言规模较小、供冷面积不大，在空调水系统中选用公称直径大于300mm的冷冻水管的情况很少出现，导致大管径空调水管施工几无成熟经验可循；冷冻水管为承压水管，自重较大，在冷水机组运行及地铁车辆过站时会产生振动，且管底标高距离负一层公共区地面标高超过10m，若施工环节中存在安装质量问题，将会在运营期间形成严重安全隐患。

3.采取的措施

3.1 设计优化

针对该问题项目部协调业主、监理、设计等单位召开设计优化专题会，项目部基于四方面因素的考虑，建议采用内外壁热镀锌螺旋钢管实施：

（1）内外壁热镀锌螺旋钢管内部承压等级为4Mpa，设计要求为1.4Mpa，完全满足设计要求[1]。

（2）薄壁不锈钢管需要现场进行焊接，焊接质量控制难度大；内外壁热镀锌螺旋钢管的连接方式为法兰连接，符合《GB50738-2011通风与空调工程施工规范》中第11.2.1条中约定“管径大于DN100的镀锌钢管可采用沟槽或法兰连接”的要求[2]，且相对于焊接便于后期维修。

（3）内外壁热镀锌螺旋钢管作为空调冷冻水管来使用，满足防腐要求。

（4）内外壁热镀锌螺旋钢管相对于无缝钢管、薄壁不锈钢管而言采购周期短、成本较低。

经过讨论，以上考虑得到各方认可，最终以会议纪要模式通过了该设计优化方案，按内外壁热镀锌螺旋钢管实施。

3.2 组织专项方案编制、论证及报批，规避安全、质量风险

（1）在施工准备阶段，项目部编制了大管径冷冻水管专项施工方案[3]，组织企业内部专家进行了支吊架载荷论证并出具计算书，方案严格按照要求履行报审程序。

（2）管材、支架型钢、螺栓、焊接底板等材料落实进场检验制度，对螺栓进行拉拔试验，确保材料质量过关。

（3）移动式升降作业车、手拉葫芦、电焊机等机械设备验查合格后方可使用。

（4）施工前对施工班组进行全员登高作业安全培训，对工序施工要点进行技术交底，施工过程中配备专职安全员现场盯控，同时邀请监理工程师现场旁站监督。

通过以上措施，有效规避施工安全、质量风险。

4.施工方案及工艺

4.1 支吊架设计与安装

4.1.1 支吊架设计

由于施工规范未对DN300以上管道支架水平安装间距做明确要求，因此参考DN300管道支架安装要求，结合现场实际做冗余考虑，对支架进行加密，间距缩小至3.5m。立杆和横担选择14b型槽钢，立杆顶部与固定底板通过焊接连为一体，底板外沿内侧均匀分布6个螺栓孔位，每付支架通过12枚M12膨胀螺栓与地下负一层建筑结构顶板连接固定，空调冷冻水密度按980kg/m³计算。支吊架大样图详见图1。

图1 支吊架大样图

4.2.2 载荷计算

各项已知参数详见表1。

表1 各项已知参数表

根据已知数据，可分别计算得出每付支吊需承担两条管道的架载荷情况，具体计算过程如下：

DN350：F1=M×g=320×3.5×9.8×0.001=10.98kN；

DN450：F2=M×g=471.05×3.5×9.8×0.001=16.16kN。

在结构力学计算软件中建立支架力学模型，并加载以上荷载，得到加载模型图，详见图2。

图2 加载模型图

4.2.3 验算结果

图3～图6分别为加载后得到的弯矩图、剪力图、轴力图和支座反力图：

图3 弯矩图

图4 剪力图

图5 轴力图

图6 支座反力图

通过模型计算，得出以下计算结果：

（1）立杆验算结果。

立杆承受的弯矩、剪力及轴力（拉力）如下：

弯矩：Mmax=0.68kN·m；

剪力：Qmax=0kN；

轴力（拉力）：Tmax=14.55kN。

查槽钢截面参数表，14b型槽钢的容许弯矩M（Y向）为2.07kN·m，允许轴力（拉力）为：220kN，对比后可得：

Mmax=0.68kN·m＜2.07kN·m；

Tmax=14.05kN＜220kN。

验算结果：立杆受力满足要求。

（2）横担验算结果。

横档承受的弯矩、剪力及轴力（拉力）如下：

弯矩：Mmax=3.68kN·m；

剪力：Qmax=14.55kN；

轴力（拉力）：Tmax=0kN。

查槽钢截面参数表，14b槽钢的容许弯矩M（X向）为12.79kN·m，允许剪力为：231kN，对比后可得：

Mmax=3.68kN·m＜12.79kN·m；

Qmax=14.55kN＜231kN。

验算结果：立杆受力满足要求。

（3）膨胀螺栓验算结果。

最大支座反力为14.55kN，结合膨胀螺栓设计参数，采用12枚M12螺栓满足要求。

验算结果：膨胀螺栓受力满足要求。

通过以上分析可知支吊架设计结构合理，受力满足要求，现场使用情况效果良好。

4.2 支架及管道安装

大管径冷冻水管由于自重较重，安装工序区别于普通水管，分5步完成：

（1）第一步：施工准备。应在地面加工区完成支架立杆和横担的加工、固定底板打孔以及立杆顶部与固定底板的焊接工作。

（2）第二步：待完成生根处螺栓孔位定位、打眼工作后，安装焊接好的固定底板和立杆组件，使用扭力扳手平滑缓慢锁紧螺栓，使扭矩满足设计要求。

（3）第三步：在地面加工区完成冷冻水管两端法兰片的焊接工作，后将其运送至安装位置正下方，将两套手动葫芦分别固定于结构顶板，管道两端用挂钩固定牢靠，两端倒链同时下拉提升管道，提升至横担上表面100mm处同时停止拉升。此工序施工过程中，管道正下方区域禁止人员进入。

（4）第四步：使用移动式升降作业车将施工人员提升至工作界面，完成横担与立杆的焊接工作，待焊缝处理、冷却达到技术要求后，两端倒链同时下放将冷冻水管放置于横担木垫之上，木托需做防腐处理，再用U型管卡固定冷冻水管。

（5）第五步：完成管道与管道之间通过法兰连接，连接螺栓应使用同一规格，且安装方向保持一致，螺栓应对称紧固，用力均匀，确保连接面密实无缝。

注意事项：由于冷冻水管敷设路径复杂，弯头较多，需根据实际情况在弯头处增加生根于结构顶板的吊架或地下负一层地面的支架，对弯头处进行固定保护。

4.3 静载试验

本项目相对于一般轨道交通换乘站规模较大，空调水系统管道长度较长，为确保管道施工的安全质量，在管道安装完成之后、打压调试之前，项目部对以上大管径冷冻水管支架进行静载试验。静载试验时受现场施工条件限制，不具备通水条件，因此采用下挂重物方式代替水流载重，挂重为该段水管满载水重的1.5倍。挂重之前对底板螺栓紧固处、顶板与立杆连接处以及立杆与横担连接处进行标记并拍照，静载48h后，取下挂重，对上述标记位置再次进行拍照、对比检查，施工质量可靠[4]。

5.施工总结

（1）项目进场后必须进一步深入施工调查，深刻理解设计意图，认真组织专项施工方案的编制、论证和报批工作。

（2）根据施工方案应进一步进行工序分解，明确各工序的作业标准和卡控要点，严格工序过程管控，保证安全质量。

（3）根据项目特点及难点，开展有针对性的工艺研究，积极推广新技术、新材料、新工艺，提高工程品质。

（4）机电安装项目，一般工期紧、工程量集中，必须做好超前策划，及时集中各种资源，科学组织有序施工，保证工期。

6.结语

轨道交通机电安装工程涉及众多专业，不同项目所需材料的规格、型号更是千差万别，在施工过程中经常会遇到如文中所述大管径冷冻水管等非标材料的安装。在无既有施工规范或类似施工方法的参照下，作为项目技术人员要紧密结合现场实际，在保证工程质量、安全受控的前提下，不断进行技术创新，同时兼顾施工方案的可行性、经济性，为业主交付精品工程，为城市轨道交通的发展做出贡献。