給水球墨鑄鐵管在綜合管廊中的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

張 丹

(常州市市政工程設(shè)計(jì)研究院有限公司，江蘇常州213003)

1 概況

2015年國務(wù)院辦公廳《關(guān)于推進(jìn)城市地下綜合管廊建設(shè)的指導(dǎo)意見》(國辦發(fā)〔2015〕61號 )發(fā)布后，我國的管廊建設(shè)進(jìn)入高速發(fā)展階段。截至目前，中國成為管廊建設(shè)里程最長的國家。電力、信息、燃?xì)?、給水和再生水等大部分管道均可入廊敷設(shè)，入廊的管線種類根據(jù)整個區(qū)域的規(guī)劃和工程的實(shí)際需求等確定。給水管道作為壓力管且輸送的介質(zhì)安全，往往和電力、信息管線作為入廊的首選管道。

2 總體布局

某工程位于常州市產(chǎn)城融合新區(qū)，是該區(qū)域南北向主要干道，管廊建設(shè)總長約1990 m，除雨水和污水管線外，其余管線均入管廊敷設(shè)。管廊位于道路東側(cè)的人行道下，覆土厚度約為2.5 m，位置如圖1所示。

圖1 管廊位置

入廊管線包括給水、供電、信息和燃?xì)?，單?dú)設(shè)置燃?xì)馀?，其中自來水管道管徑?段(DN600和DN300)，綜合艙管廊的管線布置斷面形式如圖2所示。

圖2 管廊管線布置斷面

3 管材與接口形式選擇

管材的選擇是給水設(shè)計(jì)的重點(diǎn)，在《城市綜合管廊工程技術(shù)規(guī)范》(GB 50838—2015)中，給水管材可選用鋼管、球墨鑄鐵管、塑料管等。管材選擇首先要滿足抗腐蝕性能、承壓性能和使用安全，其次要施工和管養(yǎng)方便且經(jīng)濟(jì)合理。針對以上3種管材的性能(表1)，其連接方式和適用范圍均不同，需通過比選決定。

表1 不同管道的性能

國內(nèi)綜合管廊的給水管道較多使用鋼管，其機(jī)械強(qiáng)度大，耐內(nèi)壓高，但耐腐蝕性能較差，壽命約在30 a左右，難以滿足綜合管廊100 a的規(guī)劃要求。鋼管可采用焊接、法蘭和溝槽連接，目前采用3PE或者涂塑復(fù)合鋼管解決了管節(jié)防腐問題，但是接口的防腐仍然存在問題，且需要設(shè)置溫度補(bǔ)償裝置。

球墨鑄鐵管因其方便的連接方式、良好的耐腐蝕性能和機(jī)械性能，在供水工程中使用最為廣泛，但是在管廊中的應(yīng)用尚在推廣中。球墨鑄鐵管有T形接口和自錨接口，T形接口抗滑脫性能較差，在轉(zhuǎn)彎和三通處需要設(shè)置支墩；自錨接口的管道整體性好，轉(zhuǎn)彎處可不設(shè)置支墩，有效地節(jié)省了地下空間，但是價格較貴。球墨鑄鐵管的熱膨脹系數(shù)小，且每節(jié)承插管軸向允許一定的位移，不需要設(shè)置溫度補(bǔ)償裝置。

PE管在管廊中使用較少，其重量輕，管廊內(nèi)運(yùn)輸施工方便，耐腐蝕性能強(qiáng)，線膨脹系數(shù)比球墨鑄鐵管、鋼管高十余倍，對溫度變化較敏感。

由于管廊長期處于封閉、高濕的環(huán)境，并且球墨鑄鐵管用于地下管廊在已有較多的實(shí)際應(yīng)用，如三亞海棠灣管廊、長沙高塘坪路綜合管廊等。本工程確定采用球墨鑄鐵管，在直線段使用普通T型承插接口，在轉(zhuǎn)彎和三通處采用自錨接口管，充分利用2種接口的優(yōu)點(diǎn)，這樣既可節(jié)省工程造價和支墩的空間，同時利用承插管可以現(xiàn)場割接的優(yōu)點(diǎn)，減少定制管，便于安裝。為了進(jìn)一步節(jié)約空間，該工程選用最新的內(nèi)自錨接口管。

4 支墩的設(shè)計(jì)

支墩的設(shè)計(jì)主要考慮管道內(nèi)水壓力對管道的推力、溫度變化應(yīng)力和管道的支撐，如果全線采用自錨式接口則支墩的設(shè)置和鋼管類似，這是因?yàn)槿€管道形成了一個整體，需在彎頭處設(shè)置抗推力支墩，在直線段設(shè)置管道支撐支墩。如果全線使用承插口球墨鑄鐵管，除了要在每節(jié)管道設(shè)置管道支撐的支墩外，還要設(shè)置轉(zhuǎn)彎、三通等抗推力支墩。

采用式(1)計(jì)算支墩 ：

P=0.785×DE2×Fs/1000

(1)

式中 DE——管道接口設(shè)計(jì)直徑，mm；

Fs——管道設(shè)計(jì)壓力，MPa；

P——管道截面外推力標(biāo)準(zhǔn)值，kN。

管道工作壓力為0.4 MPa，管道設(shè)計(jì)壓力為0.8 MPa；彎頭的推力F=2×P×sinθ/2，三通的推力F=P。

采用2種接口組合應(yīng)用的方式，在直線段T型承插口管道設(shè)置支撐支墩，在管道彎頭、三通、異徑管和堵頭等處采用內(nèi)自錨連接管道，可免支墩設(shè)置。

4.1 轉(zhuǎn)彎支墩或三通支墩

在采用雙承自錨彎頭后，可在轉(zhuǎn)彎、三通等處采用自錨接口，兩側(cè)各布置1支或數(shù)支自錨接口管，將支墩沿管道軸線設(shè)置在直管段。如圖3所示，設(shè)計(jì)中在彎頭兩側(cè)各使用一段長1.5 m的自錨短管，而在2段自錨短管上設(shè)置支墩，位于自錨短管的正中間。采用自錨接口的水平彎頭和三通處，應(yīng)在彎頭安裝完成后在其正下方砌磚垛支撐，防止彎頭在水和自重的作用下變形。

圖3 轉(zhuǎn)彎處支墩的設(shè)置

4.2 直線支墩

每節(jié)管道布置1個支墩，管道支墩應(yīng)位于靠近承口處，每根管的支撐不應(yīng)少于1個。管徑DN200～DN600支墩的位置與承口的距離Z的取值在0.4～1.1 m，DN700至DN1000的Z取值在0.5～1.2 m。

當(dāng)管道中間設(shè)置短管時，需要根據(jù)短管的長度來布置支墩，短管小于1 m不設(shè)支墩；小于3 m設(shè)置1個支墩，大于3 m設(shè)置2個支墩。

5 進(jìn)出管廊設(shè)計(jì)

給水支管出管廊的方法有側(cè)出廊、頂出廊和下出廊3種：當(dāng)給水管道位于管廊的最外側(cè)時，可以采用側(cè)出廊，但管廊兩側(cè)回填土的密實(shí)度較難達(dá)到設(shè)計(jì)要求，影響側(cè)出廊的管道安裝；下出廊由于管廊埋深深，需要通過轉(zhuǎn)換井接至上部出來；一般工程采用上出廊的方式比較多。本工程采用自錨式球墨鑄鐵管，支管出廊盡量采用直接頂部出廊，立管均采用自錨接口，如圖4所示。

圖4 支管出廊布置

在管廊起、末端管道進(jìn)出管廊采用自錨管和自錨彎頭，管廊外側(cè)設(shè)置一定長度的自錨管與管廊內(nèi)管道連成整體，從而防止管道滑脫。

6 附屬設(shè)施

6.1 管道補(bǔ)償

以球墨鑄鐵管每節(jié)長度為6 m計(jì)算，得到每節(jié)管道的最大伸縮量為0.43 cm。承插口球墨鑄鐵管在安裝時每節(jié)管道之間都預(yù)留了1 cm的間隙，因此每個承插口存在一定的伸縮量，可以滿足溫度的補(bǔ)償，不需要設(shè)置溫度補(bǔ)償器，僅在設(shè)置閥門的地方設(shè)置伸縮接頭便于閥門的安裝。

6.2 排泥

管廊在每個防火分區(qū)內(nèi)均設(shè)置集水坑，管廊采用≥2‰的縱坡，在管廊內(nèi)部設(shè)置寬0.2 m、深0.1 m的排水溝，坡向集水坑，每個集水坑設(shè)置2臺潛水排污泵，1用1備，Q=40 m3/h，H=20 m。自來水管的排泥也借助該排污泵，在管廊的最低點(diǎn)，每2個檢修閥門之間均設(shè)置排泥閥，排入集水坑后通過泵提升至外部管道，平均排泥時間不超過6 h。

6.3 閥門設(shè)置

從管廊的安全考慮，在進(jìn)、出管廊外設(shè)置手動蝶閥，在管廊內(nèi)設(shè)置電動蝶閥。每個市政道路的給水支管出廊處在管廊外設(shè)置手動蝶閥，在管廊內(nèi)設(shè)置電動蝶閥，而用于消火栓和其他用戶接出管的出廊支管僅在管廊內(nèi)設(shè)置手動蝶閥。按照檢修要求，在管廊內(nèi)每隔500～800 m設(shè)置檢修閥門，采用電動蝶閥。由于管廊的給水支管出廊均為上部，排氣閥盡量結(jié)合支管的布置設(shè)置在管廊的外部。

7 結(jié)論

① 綜合管廊給水管采用球墨鑄鐵管具有使用壽命長、施工方便等優(yōu)點(diǎn)，直線段采用T型承插接口球墨鑄鐵管，轉(zhuǎn)彎和三通處采用內(nèi)自錨接口球墨鑄鐵管，充分利用了承插口經(jīng)濟(jì)、安裝便利的特點(diǎn)，又結(jié)合了自錨管免支墩設(shè)置的優(yōu)勢，節(jié)約了安裝空間。

② 管廊的平面線型盡量采用直線型，如果需要轉(zhuǎn)彎應(yīng)盡量采用標(biāo)準(zhǔn)的球墨鑄鐵管轉(zhuǎn)彎角度如11.25°等，以方便管道的安裝。

③ 鋼支墩便于施工，混凝土支墩耐腐蝕，但管廊土建施工時預(yù)留的混凝土支墩位置存在誤差，易導(dǎo)致管道的安裝存在一定的困難。

④ 出廊給水支管的設(shè)置應(yīng)結(jié)合現(xiàn)狀和規(guī)劃進(jìn)行預(yù)留，以減少管廊外給水管的敷設(shè)長度。