北方地區(qū)地鐵給排水管道防凍及保溫措施

姚建華，劉愛芳

(鐵道第三勘察設計院集團有限公司城市軌道交通分院，天津 300251)

1 概述

沈陽地鐵1號線及其延伸線工程西起十三號街車站，東至黎明文化宮車站，共設22個車站，全長28 km，是東北地區(qū)第1條地鐵線。自2010年9月27日以來，已成功運營了近1年，這期間經(jīng)歷了沈陽寒冷的冬季，部分車站及區(qū)間的給排水、消防管道以及消火栓出現(xiàn)了不同程度的凍害。給水排水管道與地鐵車站生產(chǎn)、生活用水息息相關，一旦出現(xiàn)凍害情況會直接影響到地鐵車站的運營。水消防是地鐵消防設計的重要組成部分，城市地鐵由于具有客流量大、瞬時客流較為集中，且客流在一定時間內封閉于有限空間等特點，一旦出現(xiàn)火災情況，而此時消防管道和消火栓出現(xiàn)凍害，極易造成國家財產(chǎn)的重大損失，而且關系到人民的生命安危。因此，加強給排水、消防管道的保溫防凍措施是十分必要的。

2 設計概況

沈陽地鐵1號線車站有幾種形式:西延線4個站為單層車站，風道設在設備夾層;一些車站，像中街站等車站屬于單層風道車站;一些車站，如張士站等屬于地下雙層風道車站。一般車站設有4個出入口。

沈陽地鐵1號線及延伸線共設2處區(qū)間風井，洪湖北街到重工街區(qū)間1處，黎明文化宮站后區(qū)間1處。

沈陽地鐵1號線及延伸線工程是我國北方寒冷地區(qū)第1條地鐵線，考慮到活塞風井、機械風井、新風井、排風井、區(qū)間事故風井兩端、風道、車站出入段線及車站出入口有較大的冷空氣滲入量，故在此處的給水管道、污水管道及水消防管道均采取了保溫措施。設計考慮到壓力廢水管道存在自然重力坡度，在易結凍的部位不會存在積水，故未設保溫措施。

3 給排水及消防管道凍害情況及原因分析

沈陽地鐵1號線及延伸線只設通風及空調系統(tǒng)，未設采暖系統(tǒng)，冬季車站內部熱量主要來自于車輛運行引起的熱量、設備的發(fā)熱量、車站出入口的電熱風幕及車站內部的人員散發(fā)熱量。為防止外界冷空氣進入以及車站和地鐵內部熱量散失，環(huán)控系統(tǒng)在冬季需采取閉式運營的模式(即將活塞風閥和機械風閥均關閉)。地鐵內部冷量主要來源為出入口、敞口風亭、出入段線洞口、區(qū)間風井等與室外接觸部位的冷空氣。

冷空氣通常從出入口、出入段線洞口、風井進入?yún)^(qū)間和車站。通常白天室外溫度相對較高而且車站內部熱量補充充足，車站及區(qū)間給排水管道在白天出現(xiàn)結凍的地點主要是在離室外較近的風井部分，但在夜間地鐵停止運營，來自于車站內部的熱量會減少，而且冷空氣會進入，因而夜間是給排水管道結凍的主要時間段。管道結凍過程，首先是給排水管道外部環(huán)境溫度較低，給排水管道外壁先結凍，然后通過管道外壁向管道內部的水傳遞冷量，水先在貼近管道外壁處結冰，然后慢慢的傳向管道中心，因為冰的密度相比水的密度較小，水結成冰的過程體積會增大，此時會有張力，會將管道脹裂，鍍鋅鋼管一般開裂處是在兩端管道的連接處以及管道與閥門的連接處。球墨鑄鐵管承插連接處也容易出現(xiàn)脹裂。

通過對沈陽地鐵1號線及延伸線全線幾次調研的結果表明，出現(xiàn)凍害的主要部位有:站臺層車站與區(qū)間連接處的消防管道及消火栓、風道內部壓力廢水管道、區(qū)間風井兩端未設電伴熱保溫部位、風道內部消火栓栓頭以及消火栓內部消防自救軟管。下面針對幾處典型地點的管道凍害原因進行分析。

3.1 洪湖北街—重工街區(qū)間風井(圖1)

圖1 洪湖北街—重工街區(qū)間風井平剖面(單位:mm)

洪湖北街—重工街區(qū)間(以下簡稱洪重區(qū)間)設有區(qū)間風井，風井的底部正對停車線，停車線長度約為120 m。設置此區(qū)間風井的主要目的是當列車在區(qū)間隧道發(fā)生火災事故時，具備防災排煙、通風功能。區(qū)間風井為密閉風井，風井尺寸為4 500 mm×4 600 mm，風井上部有三面是通風百葉，通過現(xiàn)場調研，通風百葉的隔熱性能較差。這就會導致冷空氣從通風百葉滲入，沿風井直接下沉進入停車線及區(qū)間正線，造成洪重區(qū)間停車線及區(qū)間正線冷空氣聚集。通過對現(xiàn)場的實地溫度測量，當室外溫度為－20℃時，停車線內部溫度從距區(qū)間風井近端的－15℃變化到遠端的－5℃，平均溫度達到了－9℃，而停車線消防管道的電伴熱保溫范圍是30 m，這就致使洪重區(qū)間停車線內未加電伴熱保溫消防管道出現(xiàn)了結凍開裂的情況，見圖2左;洪重區(qū)間正線消防管道也出現(xiàn)了凍裂的情況，見圖2右。洪重區(qū)間兩端正線消防管道電伴熱保溫的范圍是50 m，而凍裂點出現(xiàn)在60 m處，在距離區(qū)間風井60 m處的管道外壁溫度為0℃。而要保證管道不凍的溫度一般需要5℃，故此處由于溫度較低出現(xiàn)了管道的凍害。

圖2 洪湖北街—重工街區(qū)間停車線及區(qū)間正線管道凍害情況

3.2 中街站端頭消火栓及相鄰區(qū)間消防管道

中街站車站端頭消火栓及與其相鄰區(qū)間連接處出現(xiàn)了管道結凍開裂的現(xiàn)象。圖3為與中街車站相鄰區(qū)間處出現(xiàn)的管道凍裂情況，其中左圖為金屬波紋管的拉伸，右圖為消防管道管箍處被拉開。與洪重區(qū)間相同，管道的開裂同樣是由于隧道環(huán)境溫度低所造成的，實地測量顯示，夜間溫度出現(xiàn)了低于0℃的情況。

圖3 中街隧道及相鄰區(qū)間管道凍害情況

通過對各車站的現(xiàn)場調研，發(fā)現(xiàn)車站端頭及與其相鄰區(qū)間連接處出現(xiàn)溫度低于0℃的情況，是由于冷風通過風亭進入風道，風道內部溫度較低，然后冷風再通過活塞風閥和吊裝孔(在現(xiàn)場發(fā)現(xiàn)吊裝孔蓋板采用的是鐵蓋板，鐵蓋板的隔熱性能較差)滲入車站端頭和區(qū)間端頭，造成車站端頭和區(qū)間端頭溫度降低，以至車站端頭和區(qū)間端頭消防管道出現(xiàn)結凍開裂。還有一個原因就是運營人員未按要求關閉風閥，造成冷空氣滲入，熱量散失，故而將管道凍裂。此外，位于車站迂回風閥處而未設廢水泵房的排廢水管道也出現(xiàn)了不同程度的結凍現(xiàn)象。

3.3 風道內部壓力廢水管道結凍

設計考慮風道內部壓力廢水管道可通過自然找坡將廢水排回至廢水泵房，故而風道內部廢水管道不會被凍裂。但實際施工過程中，由于地鐵內部管線多且現(xiàn)場情況的復雜多變，壓力廢水管道在安裝過程中會出現(xiàn)與其他管線相互沖突的情況，在管線避讓過程中可能會導致壓力廢水管道出現(xiàn)不良低點(下凹的管段)，積水無法排除，低溫情況下造成管道結凍，還有一方面原因是止回閥前會存有一定的廢水，這部分存水在溫度低的情況下，也會結凍。因而建議在可能凍結處的壓力廢水管道也加設保溫措施。

3.4 出入口和風道內部消火栓栓頭凍害及消防自救軟管凍害

出入口和風道內部消火栓的凍害多出現(xiàn)在消火栓的栓頭，通過現(xiàn)場調研發(fā)現(xiàn)，出現(xiàn)消火栓栓頭凍裂處的電伴熱保溫線纜均未纏繞消火栓栓頭及底部短管。如果出現(xiàn)溫度較低的情況，消火栓栓頭很容易就被凍裂。消防自救軟管凍壞的原因是由于現(xiàn)場使用的不當，有些車站工作人員或其他人員直接從消防自救軟管處接水，接水完畢后又未泄空管道，這就會造成消防自救軟管內部有積水的存在，溫度較低時會使消防自救軟管凍壞。

3.5 出入段線洞口消防管道凍害

十三號街出入段線洞口直接與罩棚相連，室內洞口處現(xiàn)場為防止軌道結冰在出入段線洞口處加設了大型電熱風幕，經(jīng)過罩棚段后為室外，通過現(xiàn)場溫度測量，當室外溫度為－20℃左右時，洞口溫度一般為－16℃左右，隨著進入?yún)^(qū)間內部的深入溫度逐漸升高，直到車站端頭的溫度在4℃左右，也就是說從洞口到車站端頭的消防管道均有結凍的可能。

4 地鐵內部管道防凍保溫措施

針對地鐵內部給排水及消防管道出現(xiàn)的凍裂情況，采用像地上建筑常采用的保溫措施，例如采用加暖氣和采用空調系統(tǒng)供暖，從運營成本上和車站及區(qū)間的使用空間上考慮是不經(jīng)濟且不可行的。故而只能通過管道自身的保溫來使管道達到保溫的目的。通過對管道防凍方面的調查研究，目前解決管道防凍保溫主要是有2種方法:(1)加設保溫措施，根據(jù)實際情況決定采用常規(guī)保溫還是電伴熱保溫;(2)采用干式消防系統(tǒng)，此方法主要已在天津地鐵應用。

管道常規(guī)防凍保溫目前通常的做法是采用50 mm厚的復合硅酸鎂管殼，外包PAP復合卷材。通過計算表明，在保溫層達到一定厚度時，可以保持幾小時至幾十小時管道內水不凍結。生產(chǎn)生活用水管在合理的厚度內可滿足防凍要求。但在濕式消防管道系統(tǒng)中，消防管道內水在平時運營期間不流動，在允許的保溫層厚度范圍內，不能滿足防凍要求，故消防管道需采用管道電伴熱保溫措施。

管道電伴熱保溫是利用安裝在絕熱層和管道(或設備)外壁之間的電熱帶通電發(fā)熱，來補充輸水或貯水過程中所散失的熱量，以維持水溫在一定的范圍內，達到保溫和防凍的目的。電伴熱保溫是通過對給水、消防、排水等管道主動式加熱保溫來達到管道防凍保溫的目的。當管道溫度低于電伴熱保溫系統(tǒng)設定溫度時，系統(tǒng)可以對管道自動加溫。

電伴熱保溫根據(jù)電纜形式的不同可分為自調控式發(fā)熱電纜電伴熱保溫和恒功率發(fā)熱電纜電伴熱保溫(表1)。

通過表1對自調控發(fā)熱電纜和恒功率發(fā)熱電纜的比較可以看出，2種發(fā)熱電纜各有自身的優(yōu)點，在地鐵的使用中可根據(jù)實際情況考慮使用哪種發(fā)熱電纜。

電伴熱保溫在地鐵中應用的優(yōu)缺點。優(yōu)點:可主動為管道加熱，可使管道溫度升高，避免凍裂，為地鐵安全穩(wěn)定的運行提供可靠的條件，為地鐵給排水及消防提供安全保障;缺點:電伴熱保溫會增加部分的工程投資，增加運營成本，同時也會浪費能源。

5 結論及建議

通過對沈陽地鐵1號線及延伸線給排水及消防管道凍害的調研，分析了管道凍害的原因，并討論了管道防凍保溫的措施，以期對沈陽地區(qū)及北方寒冷地區(qū)后續(xù)地鐵項目有所借鑒。主要得出以下結論:

(1)對北方寒冷地區(qū)，地鐵車站出入口、風道內部、風井處、出入段線給排水及消防管道均應加設電伴熱保溫措施。加電伴熱保溫范圍建議如下:出入口給排水及消防管道均應加設電伴熱保溫措施，加設至與主體結構相連的部位;風道內部給排水及消防管道均應加設電伴熱保溫措施;區(qū)間風井左右各150 m加電伴熱保溫措施，車站與區(qū)間連接處電伴熱保溫應延伸到區(qū)間60 m左右。

表1 自調控式發(fā)熱電纜與恒功率發(fā)熱電纜的區(qū)別

(2)建議車站吊裝孔采用隔熱性能好的蓋板，以防冷空氣從吊裝孔滲入車站，造成管道結凍。

(3)電伴熱施工時應注意電伴熱線纜纏繞時應纏繞消火栓栓頭;靠近活塞風井未設專用廢水泵房的廢水管道應加設電伴熱保溫措施。

(4)對于電伴熱保溫的材料，可根據(jù)工程實際情況進行比選確定。

(5)當冬季地鐵運營時，要加強對機械和活塞風閥的管理和維修，以保證地鐵在冬季的閉式運營模式，最大程度降低冷空氣滲入的影響。

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