地鐵區(qū)間消防管道穿越地裂縫處理技術(shù)研究

李普軍

(中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，西安　710043)

地鐵區(qū)間消防管道穿越地裂縫處理技術(shù)研究

李普軍

(中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，西安710043)

摘要：針對西安地鐵區(qū)間消防管道敷設(shè)穿越地區(qū)特有地質(zhì)災(zāi)害(地裂縫)的現(xiàn)狀，對目前國內(nèi)給排水管道穿越沉降縫的相關(guān)技術(shù)措施進(jìn)行分析，結(jié)合地裂縫活動特點(diǎn)、地裂縫沉降量以及管道附件的特性，經(jīng)過計(jì)算得出區(qū)間消防管道穿越地裂縫適宜的伸縮量，并以此確定管道附件的規(guī)格及管道安裝，確保區(qū)間消防管道安全性。

關(guān)鍵詞：地裂縫；沉降量；區(qū)間消防管道；波紋金屬軟管

西安具有聞名世界的獨(dú)特城市地質(zhì)災(zāi)害——地裂縫，目前發(fā)育有14條。地裂縫活動時間之長、規(guī)模之大在國內(nèi)外均屬罕見。地裂縫所到之處，致使不少地面建筑物和地下設(shè)施遭到破壞，近20余年來， 西安市因地裂縫造成的經(jīng)濟(jì)損失高達(dá)1 619億元[1]。在地表工業(yè)與民用建筑物建設(shè)時均采用避讓的方法，但地鐵工程無法避讓，必須穿越這些地裂縫帶，如果不能很好地解決穿越地裂縫問題，將會造成結(jié)構(gòu)破壞、滲漏水、軌道不均勻沉降、消防管道破裂等影響運(yùn)行安全的一系列問題。

西安軌道交通線網(wǎng)規(guī)劃的線路方案由15條軌道交通線路組成，各條線路均需穿越不同地裂縫。西安地鐵2號線是西安市第一條實(shí)施的線路，2號線設(shè)計(jì)時尚無在地裂縫段進(jìn)行地鐵建設(shè)的規(guī)范、規(guī)程可循，縱觀世界地鐵建設(shè)史，國內(nèi)外均無地鐵穿越地裂縫的先例。因此，穿越地裂縫的綜合修建技術(shù)研究是西安地鐵建設(shè)的關(guān)鍵性難題，也是國內(nèi)外地鐵建設(shè)中首次遇到的技術(shù)難題。

地鐵消防工程為系統(tǒng)工程，區(qū)間消防管道站站相連，相互貫通，為確保地鐵消防供水的可靠性，保證地鐵運(yùn)營安全，在2號線設(shè)計(jì)中，對地鐵區(qū)間消防管道穿越地裂縫的處理措施就行了深入細(xì)致的研究。

1相關(guān)專業(yè)相關(guān)處理措施

地鐵工程為百年大計(jì)，雖然西安地裂縫活動趨勢呈下降及穩(wěn)定狀態(tài)，但因地質(zhì)構(gòu)造影響的下沉不可預(yù)計(jì)，根據(jù)中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司、長安大學(xué)等單位針對西安地鐵 2 號線所做的《西安市軌道交通 2 號線穿過地裂縫帶的結(jié)構(gòu)措施專題研究》結(jié)論，各條地裂縫在地鐵設(shè)計(jì)使用壽期內(nèi)的最大垂直活動位移量和地鐵設(shè)計(jì)最大垂直位移量[2]詳見表1。

表1　地鐵設(shè)計(jì)地裂縫最大垂直位移量　mm

地鐵設(shè)計(jì)各相關(guān)專業(yè)根據(jù)專題研究，充分考慮各種不利因素，地裂縫沉降量均按500 mm考慮，區(qū)間結(jié)構(gòu)、限界、接觸網(wǎng)、給排水以及軌道專業(yè)均做相應(yīng)處理措施。

1.1區(qū)間結(jié)構(gòu)處理措施

經(jīng)過地裂縫地段區(qū)間結(jié)構(gòu)主要采用淺埋暗挖法施工，根據(jù)主變形區(qū)和微變形區(qū)分段處理，主變形區(qū)為每10 m設(shè)置沉降縫，微變形段按10～15 m進(jìn)行分段設(shè)置沉降縫[3]。

1.2軌道處理措施

地裂縫設(shè)防處軌道采用可調(diào)式框架板整體道床，框架板下所設(shè)厚 50 mm 的調(diào)高墊板及厚100 mm 的調(diào)高墊塊可與扣件調(diào)高量組合設(shè)置，從而實(shí)現(xiàn)從 1 ～500 mm 之間的連續(xù)調(diào)高[4-5]。

1.3接觸網(wǎng)處理措施

為滿足地裂縫設(shè)防處剛性懸掛調(diào)整高度的需要，采用垂直懸掛的可調(diào)吊柱式方案[6]。

1.4限界處理措施

擴(kuò)大結(jié)構(gòu)斷面、預(yù)留凈空，根據(jù)預(yù)測的地裂縫百年變形量預(yù)留必要的變形空間。在地裂縫處理段結(jié)構(gòu)擴(kuò)大斷面，預(yù)留凈空500 mm[7]。

地裂縫的主要活動方式是垂直錯動，它具有隨時間累積的特征，因此區(qū)間消防管道也應(yīng)結(jié)合各條地裂縫結(jié)構(gòu)處理措施、結(jié)構(gòu)斷面類型、結(jié)構(gòu)設(shè)防段長度及結(jié)構(gòu)斷面預(yù)留高度進(jìn)行分析研究。

2市政工程給排水管道的相關(guān)處理措施

市政給排水的管道穿越地裂縫的處理主要有以下幾種措施。

(1)采用鋼管淺埋方案，當(dāng)給排水管道穿越地裂縫時在地裂縫兩側(cè)30 m范圍內(nèi)設(shè)置檢修管溝，溝內(nèi)埋砂處理[8]。

(2)管道材料采用PE塑料管，管頂敷設(shè)中砂至路面層[9]。

(3)采用套管通過。

(4)在地裂縫兩側(cè)6 m處設(shè)置檢查井，井室內(nèi)設(shè)置波紋管補(bǔ)償器。

地鐵區(qū)間消防管道為架空安裝，宜采用金屬管道，淺埋、塑料管以及套管措施均不適用用地鐵區(qū)間工程。波紋補(bǔ)償器具備管道軸向、橫向、角向補(bǔ)償，但主要用于管道及設(shè)備因溫度影響而引起的熱脹冷縮位移，吸收地震、地陷對管道的變形量，對地鐵地裂縫較大的沉降量并不適用。

3給排水相關(guān)技術(shù)分析

消防管道穿越地裂縫的處理的終極目標(biāo)就是消除地裂縫下沉造成的管道橫向及縱向位移，管道安裝標(biāo)高在地裂縫區(qū)段即使下沉的情況下也要滿足消防管道檢修及消火栓口的標(biāo)高要求。消防管道穿越地裂縫的處理措施基本與沉降縫相同，但地裂縫的沉降量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于沉降縫，活動地裂縫f7的沉降速率在1990年～1996年期間最大為35 mm/年。

國內(nèi)處理給排水管道穿越沉降縫的處理措施是設(shè)置可曲撓橡膠接頭和不銹鋼金屬軟管。

3.1可曲撓橡膠接頭

可曲撓橡膠接頭分為單球和雙球，按照目前國內(nèi)產(chǎn)品性能較好的可曲撓單球橡膠接頭橫向位移14 mm，軸向位移20 mm，偏轉(zhuǎn)角度為15°；雙球橡膠接頭橫向位移35 mm，軸向位移40 mm，偏轉(zhuǎn)角度為35。[9]，且常用于泵房機(jī)組管道，建筑給排水工程使用并不常見，若用于消防管道穿越地裂縫位移量僅能滿足1年的沉降量，存在較大的危險性。

3.2波紋金屬軟管

波紋金屬軟管又稱不銹鋼金屬軟管，波紋金屬軟管具備良好的韌性、抗疲勞性，根據(jù)波紋管的波數(shù)確定管道的位移量，長度根據(jù)需要定制，目前給排水管道穿越沉降縫均采用此技術(shù)，因此針對地裂縫的特殊性擬采用設(shè)置波紋金屬軟管處理。

4消防管道穿越地裂縫處理

波紋金屬軟管利用其柔軟性可自由彎曲，在沉降量較大的情況下多采用法蘭連接，《波紋金屬軟管通用技術(shù)條件》(GB/T14525—2010)對波紋管的波距和厚度無明確規(guī)定，《給水排水設(shè)計(jì)手冊》和《管道安裝實(shí)用技術(shù)手冊》相關(guān)內(nèi)容也不統(tǒng)一，綜合相關(guān)產(chǎn)品資料和設(shè)計(jì)手冊內(nèi)容，在區(qū)間消防管道壓力不大于1.0 MPa，管徑為DN150，金屬軟管的相關(guān)參數(shù)采取中間值，單波厚度為6 mm，波距14 mm，單波位移量為2.95 mm[9-10]。

4.1波紋金屬軟管長度的確定

消除地裂縫百年沉降量500 mm，《工程結(jié)構(gòu)可靠性設(shè)計(jì)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定易于替換的結(jié)構(gòu)構(gòu)件使用壽命為25年，考慮到地鐵管道的檢修對列車運(yùn)營存在較大的影響，不銹鋼金屬軟管的拉伸量按50年計(jì)算，則需按沉降量為250 mm計(jì)算波紋金屬軟管的拉伸量

(1)[9]

(2)[9]

式中，q為波距，DN150金屬軟管為14 mm；tc為單波厚度，DN150金屬軟管為6 mm；n為波數(shù)，n=管道拉伸長度/波距;l為剛性長度，DN150金屬軟管為50 mm。

軟管的極限最小值按水平拉伸計(jì)算，即波紋金屬軟管的伸縮量應(yīng)大于250 mm，則波數(shù)為84.8，取值為85，通過上式計(jì)算軟管長度為1 290 mm，取值為1 300 mm，管道實(shí)際伸縮量為251 mm，波紋金屬軟管變形后的長度為1.51 m。

地裂縫在沉降過程中金屬軟管呈曲線變化，實(shí)際變化后的長度應(yīng)為L3，因此應(yīng)對軟管設(shè)計(jì)長度復(fù)核，波紋金屬軟管長度計(jì)算詳見圖1。

圖1　波紋金屬軟管長度計(jì)算(單位：mm)

波紋金屬軟管最小動態(tài)彎曲半徑為1 800 mm[11]，θ為彎曲角度，則消防金屬軟管的實(shí)際長度為

則θ為21.58°。

1.8×2=1.35m

波紋金屬軟管變形后長度1.51 m大于L4的長度，滿足要求。但消防管為水平安裝，若消防管道按此長度實(shí)施，在消防管道充水的情況下，則勢必造成金屬軟管下垂，軟管中間位置需增設(shè)支撐支架，軟管性能并不能得到充分發(fā)揮，可實(shí)施性并不強(qiáng)。

地裂縫沉降為漸變過程，沉降速率最大值為35 mm/年，區(qū)間結(jié)構(gòu)為分段處理，主變形區(qū)為每10 m設(shè)置沉降縫，微變形段按10～15 m進(jìn)行分段設(shè)置沉降縫，軌道專業(yè)采用可調(diào)式框架板整體道床，接觸網(wǎng)采用垂直懸掛的可調(diào)吊柱式方案，根據(jù)地裂縫的變化情況調(diào)整高度，消防管道安裝同時也應(yīng)考慮隨著地裂縫的變化更換金屬軟管長度方案，即軟管安裝長度伸縮量大于地裂縫的沉降速率，計(jì)算方法同上可知當(dāng)金屬軟管的長度為400 mm時伸縮量為84 mm，大于地裂縫的沉降速率，因此西安地裂縫的消防軟管采用500 mm長(考慮兩端剛性強(qiáng)度管長)。

4.2區(qū)間消防管道安裝高度的確定

區(qū)間消防管道安裝高度受管道支架、限界、消火栓栓口以及道床面高程的影響，需統(tǒng)籌考慮。

地裂縫百年沉降量為500 mm，為不影響將來運(yùn)營檢修的要求，管道安裝高度應(yīng)為管道支架安裝高度及沉降量之和，區(qū)間管道支架安裝圖詳見圖2。

圖2　區(qū)間管道支架安裝示意(單位： mm)

由圖2可知，管道安裝支架的高度通常為480 mm，則管道安裝的高度為980 mm，但消火栓栓口距道床面的高程宜為1.1 m，DN150的異徑三通采用最小尺寸也無法滿足栓口的高度要求，根據(jù)《西安市軌道交通2號線穿過地裂縫帶的結(jié)構(gòu)措施專題研究》實(shí)際預(yù)估計(jì)值f6最大為330 mm，因此管道高程按預(yù)估計(jì)值采用，管道安裝高度相距道床面為810 mm，即使地裂縫沉降量達(dá)到設(shè)計(jì)建議值也僅影響管道支架的錨栓位置，對管道檢修并無影響。

地裂縫處理段對區(qū)間結(jié)構(gòu)進(jìn)行了加寬處理，預(yù)留一定的建筑限界和設(shè)備限界，通過限界設(shè)計(jì)分析，消防管道安裝高度滿足初始階段和百年后的限界要求，消防管道安裝詳見圖3和圖4[7，12]。安裝完成后的效果現(xiàn)場照片見圖5和圖6。

圖3　地裂縫初始階段限界(單位：mm)

圖5　安裝完成后的效果現(xiàn)場照片

圖6　安裝完成后的效果現(xiàn)場照片

以上處理措施在西安地鐵1、2、3、4、5號線及臨潼線得到應(yīng)用，2號線于2011年9月開通運(yùn)營，1號線于2013年6月開通運(yùn)營，其他線路正在建設(shè)之中。

5結(jié)論

通過對可曲撓橡膠接頭和波紋金屬軟管的性能分析，利用波紋金屬軟管的特性，合理確定消防管道穿越地裂縫的金屬軟管設(shè)計(jì)長度及管道安裝高度，成功解決區(qū)間消防管道穿越地裂縫的工程難題。

西安地鐵2號線自2010年9月開通運(yùn)營至今，各系統(tǒng)設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)正常、平穩(wěn)，全線客流趨于穩(wěn)定，運(yùn)營效果較好。

“西安地鐵2號線穿越地裂縫帶的工程措施研究”獲2009年度中國鐵道建筑總公司科技進(jìn)步一等獎。2號線確定的地裂縫的設(shè)計(jì)預(yù)留位移量、地裂縫帶的影響寬度和地鐵結(jié)構(gòu)設(shè)防措施、消防管道處理技術(shù)等成果已經(jīng)直接應(yīng)用于西安地鐵區(qū)間隧道穿越地裂縫帶的工程建設(shè)中，成功解決了西安地鐵建設(shè)中地裂縫問題的關(guān)鍵技術(shù)難題，為類似工程建設(shè)提供了示范和指導(dǎo)。

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Research on Measures to Pass Fire Pipeline through Ground Fissures in Metro Section

LI Pu-jun

(China Railway First Survey and Design Institute Group Co.， Ltd.， Xi’an 710043， China)

Abstract：This study aims to address the challenges to allow fire protection pipelines passing through geological defects (ground fissures) in Xi’an metro area. The analysis of the relevant domestic technologies in passing areas with settlement joints is conducted. To calculate the proper expansion/contraction length of the water pipelines passing ground fissures and the mechanical strength of pipeline， the movement and settlement of local ground fissures are taken into account. The pipeline accessories and installation details are then determined to ensure the security and reliability of the fire protection pipeline.

Key words：Ground fissure; Settlement， Fire pipeline in tunnel section; Corrugated metal hose

中圖分類號：U231+.96

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

DOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2015.06.025

文章編號：1004-2954(2015)06-0113-04

作者簡介：李普軍(1970—)，男，高級工程師。

收稿日期：2014-09-09； 修回日期：2014-10-10