城市生態(tài)綜合管廊的探析

趙子成

(中鐵二院工程集團有限責任公司，成都 610031)

綜合管廊亦稱“市政共同溝”，主體結構是建設在地面之下的混凝土殼，用于容納兩種或兩種以上的城市工程管線[1]，也即在一定的地下空間范圍內(nèi)集中布置城市的給水、排水、燃氣、熱力、電力、通信等管線，以形成集約化、規(guī)范化的管理。由于綜合管廊處于地下，是一個封閉的空間，通風條件不好，導致管廊內(nèi)部空氣質(zhì)量差，同時現(xiàn)有的管廊都不夠美觀，很影響進入的人員在管廊內(nèi)部時的視覺感受，同時管廊內(nèi)部給水或排水管道滲漏水、清掃沖洗水、外部進入水進一步造成空間環(huán)境差、鋼筋腐蝕嚴重等，給檢修人員維護和管線敷設帶來不好的影響[2-3]。同時，如果分布在綜合管廊中的給水或排水管道發(fā)生滲漏水，嚴重時發(fā)生爆管，管道內(nèi)的水流到管廊中，因管廊內(nèi)還設置有電力、通信等管線，將會帶來嚴重的財產(chǎn)損失，甚至造成人員傷亡，所以對綜合管廊中給水或排水管道的運行狀況進行準確的監(jiān)控與監(jiān)測也是十分必要的。

圖1 生態(tài)綜合管廊示意

通過調(diào)研國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，發(fā)現(xiàn)相關研究的成果不多，僅有個別學者提出問題，但并未給出有效的具體措施[4-5]。本文從生態(tài)角度出發(fā)，提出“生態(tài)綜合管廊”。生態(tài)綜合管廊能補充外界自然陽光，改善空氣環(huán)境，對污水等進行過濾凈化處理，美化了管廊內(nèi)的環(huán)境，最大限度保障檢修人員在管廊內(nèi)的舒適性，準確檢測管道漏水或爆管，大大提高了綜合管廊的安全性。

1 生態(tài)綜合管廊組成

生態(tài)綜合管廊，包括管廊結構、光照系統(tǒng)、綠化人行走廊、生態(tài)海綿系統(tǒng)、管廊監(jiān)控監(jiān)測系統(tǒng)、管道水體監(jiān)控系統(tǒng)，如圖1—3所示。

圖2 生態(tài)綜合管廊的左下角部分示意

圖3 生態(tài)綜合管廊的右下角部分示意

下面針對每個系統(tǒng)詳細介紹。

2 生態(tài)綜合管廊結構及優(yōu)勢

目前鋼筋混凝土結構存在各類問題，如：體積大、笨重，預制與施工都比較復雜；建設成本高；抗腐蝕性差，混凝土接口漏水嚴重；技術已經(jīng)比較成熟，但鋼筋混凝土管廊本身的結構、材料及其制備無法實現(xiàn)足夠的創(chuàng)新等。針對這些問題提出一種采用竹纏繞、玄武巖聚合物等復合材料作為管廊主體結構，內(nèi)部支墩、支架、電力通信排管、給水管道均采用此生態(tài)復合材料構造的生態(tài)綜合管廊。此結構形式具有以下優(yōu)點。

2.1 技術可靠性

復合材料具有很高的技術可靠性和力學性能，目前國內(nèi)使用的復合材料管道的最高使用壓力已達25 MPa；具有優(yōu)異的耐腐蝕能力和抗凍漲性能，在國外已得到廣泛使用和認可；具有良好的防污抗蛀性能，由于其化學惰性，不會被微生物粘浮、滋生，長期使用潔凈如初；具有良好的電、熱絕緣性能，復合材料是非導體，使用壽命長，抗老化性能優(yōu)良。

2.2 工程可靠性

承插雙“O”形圈接口設計可靠，檢驗方便，確保接口無滲漏。單根管道長度可達12 m，接口數(shù)量比傳統(tǒng)管材減少一半以上，大大降低了接口滲漏概率。管道規(guī)格生產(chǎn)靈活，自重輕，對地基產(chǎn)生的附加應力小，可適應地形起伏和地質(zhì)變化。質(zhì)量輕，安裝施工方便，調(diào)整容易。不需大型機械，簡化施工道路和臨建設施，避免意外事故發(fā)生。

由此可見，復合材料綜合管廊比常規(guī)混凝土或者鋼管綜合管廊綠色低碳環(huán)保、防腐蝕強、保溫防凍、抗震抗沉降等。此外，還具備施工簡便、質(zhì)量輕、安裝方便等顯著特點，綜合造價較混凝土低10%～30%，使用壽命長、具有較大的應用推廣價值。

3 光照系統(tǒng)

如圖1所示，光照系統(tǒng)主要包括陽光導入系統(tǒng)和太陽能系統(tǒng)，另外還包括若干個照明燈。照明燈固定連接在管廊的內(nèi)側壁上，間隔設置。

陽光導入系統(tǒng)包括采光裝置和導光裝置。采光裝置設置在地面上，包括傳感器、微電腦、驅動器、微電機、傳動系統(tǒng)、透鏡組陣列等。它通過傳感器感知太陽方位，微電腦發(fā)出指令驅動透鏡組精準跟蹤太陽，將陽光匯聚一萬多倍，耦合進入導光裝置光纖中。導光裝置包括導光光纖，光纖連接采光裝置和導投光裝置，將采光裝置中的光傳到導投光裝置中。采光裝置每天自動喚醒、跟蹤、復位，完全不需人為干預。導投光裝置有3個，分別固定在生態(tài)綜合管廊內(nèi)頂壁中間和兩內(nèi)側壁上，中間的導投光裝置可以對整個生態(tài)綜合管廊照明，兩內(nèi)側壁上的導投光裝置給生態(tài)綜合管廊內(nèi)植物提供陽光進行光合作用，產(chǎn)生氧氣，凈化生態(tài)綜合管廊內(nèi)的空氣，調(diào)節(jié)二氧化碳與氧氣的濃度。

太陽能系統(tǒng)中的太陽能光伏板設置在地面上，白天將光能轉化為電能并在太陽能存儲器中存儲起來，用于晚上或者白天光照不強時提供電源給照明燈。同時，陽光導入系統(tǒng)和太陽能系統(tǒng)都與照明燈連接，照明燈為光電照明燈，每個支架旁邊的管廊內(nèi)側壁上均設置有一個光電照明燈，用于給各種電纜照明，方便維修人員檢查和維修。

同時設置管廊照明控制器，控制陽光導入系統(tǒng)和太陽能系統(tǒng)。照明控制器通過對艙內(nèi)光線的實時監(jiān)測，當陽光照明不足時可以定向控制啟動太陽能系統(tǒng)，使艙內(nèi)光照強度總體上維持在一個舒適和穩(wěn)定的狀態(tài)。同時，通過后續(xù)監(jiān)聽器測定的人員定位系統(tǒng)，管廊照明控制器實時自動開啟和關閉人員在艙內(nèi)位置處的照明燈光照強度，同時保障這部分的光照強度。

4 綠化人行走廊

如圖1—3所示，綠化人行走廊包括人行走道板、綠色生態(tài)支架、綠色生態(tài)裝飾板。人行走道板設置在管廊內(nèi)底壁的中間，采用綠色生態(tài)鋪裝，給人自然的感覺，在人行走道板的左右兩側豎直間隔設置綠色生態(tài)支架，綠色生態(tài)支架采用玄武巖制成，其上有綠色攀巖植物纏繞；同時在人行走道板的右側豎直間隔設置了綠色生態(tài)裝飾板，位于支墩正前方，完全遮擋住支墩，綠色生態(tài)裝飾板采用景觀石切片做成，其上設置有體現(xiàn)當?shù)厝宋奶厣膱D案，整個綠化人行走廊采用綠色生態(tài)裝飾。同時，支墩采用原生態(tài)石頭或綠色材料制成的支墩，增強美觀效果。

5 生態(tài)海綿系統(tǒng)

根據(jù)陽光導入系統(tǒng)理念，導入太陽光譜與光譜形態(tài)基本一致，實時把純正的陽光導入到管廊內(nèi)部，中間不發(fā)生能量的轉換，也不改變光譜的形態(tài)，導入的純正陽光大大改善了管廊潮濕陰暗的不良環(huán)境，能及時保證管廊內(nèi)部的干燥度，因此提出了一種生態(tài)海綿系統(tǒng)概念。如圖1—3所示，生態(tài)海綿系統(tǒng)包括植草溝和集水池，均設置在管廊內(nèi)底壁上，管廊控制室設置在管廊沿線上。

本實例的植草溝有2個，分別設置在管廊內(nèi)底壁的左側和右側，集水池設置在管廊內(nèi)底壁的左側，位于左側的植草溝和人行走道板中間，如圖2、圖3所示。

植草溝的上層是種植土，種植土中種植有植被，植被高度在5～20 cm，下層是砂礫石層，采用的砂礫石顆粒較大，顆粒直徑為1.5～3 mm，可以除去和過濾凈化給水管漏水、污水和地面沖洗水。在植草溝的內(nèi)壁上設有防水層，防水層為防滲土工布，在砂礫石層的底部埋設有排水盲管，排水盲管上有很多小孔，過濾凈化處理后的多余水從小孔進入排水盲管，左右兩側植草溝的砂礫石層中均有水平設置的排水盲管，排水盲管可將多余水排到集水池中。

集水池包括種植層、過濾層和排水層，種植層內(nèi)有種植土，種植層內(nèi)種植有長青植物，長青植物間隔2～4 m種植，可以吸收CO2，同時給管廊內(nèi)人員輸送氧氣；過濾層采用碎石組成，碎石的顆粒直徑為0.5～2 mm；在排水層中設置有潛污泵，可以將過濾凈化處理后的多余水排出管廊。在集水池還設置有溢水管，當植草溝表面或集水池表面有大量的水，無法全部都通過植草溝或集水池過濾凈化時可通過溢水管將水直接引入集水池的排水層中，再通過潛污泵排出管廊，防止水過多，不能及時排出而溢出到管廊內(nèi)。

如圖3所示，生態(tài)排水溝系統(tǒng)還包括滴灌系統(tǒng)，用于給生態(tài)綜合管廊中的植物澆灌使用。滴灌系統(tǒng)包括滴灌管、濕度傳感器、滴灌管控制器。滴灌管沿線設置在植草溝內(nèi)；濕度傳感器也設置在植草溝內(nèi)，用于測試植草溝內(nèi)土壤濕度，間距1～2 m；滴灌管控制器設置在管廊控制室內(nèi)，當濕度傳感器檢測到種植土的濕度不足時，開啟滴灌管，實現(xiàn)自動化控制。

6 管廊監(jiān)控監(jiān)測系統(tǒng)

生態(tài)綜合管廊還設置有監(jiān)控監(jiān)測系統(tǒng)，包括感應器系統(tǒng)、傳輸系統(tǒng)、空氣質(zhì)量控制系統(tǒng)。感應器系統(tǒng)間隔設置在管廊沿線內(nèi)側壁上，傳輸系統(tǒng)連接感應器系統(tǒng)和空氣質(zhì)量控制系統(tǒng)，空氣質(zhì)量控制系統(tǒng)設置在管廊控制室。

感應器系統(tǒng)為多合一氣體傳感器，可檢測管廊內(nèi)氧氣、二氧化碳、甲烷、硫化氫的氣體濃度。傳輸系統(tǒng)將檢測到的每種氣體濃度傳輸給位于管廊控制室的空氣質(zhì)量控制系統(tǒng)?？諝赓|(zhì)量控制系統(tǒng)將每種氣體濃度與預先設定的閾值對比，判斷氣體濃度是否達到要求并顯示，同時將判斷結果反饋到位于管廊內(nèi)的第一氣體報警器和第二氣體報警器上。第一氣體報警器和第二氣體報警器是間隔設置在管廊沿線內(nèi)側壁上的，會根據(jù)管廊內(nèi)的空氣質(zhì)量顯示不同的顏色，這樣方便進入管廊內(nèi)的人員看到。第一氣體報警器用于氧氣和二氧化碳的濃度警報，第二氣體報警器用于甲烷和硫化氫的濃度警報。當氧氣濃度不足或二氧化碳濃度偏高時第一氣體報警器顯示紅光，氧氣濃度臨界或偏低時第一氣體報警器顯示黃光，氧氣濃度或二氧化碳濃度滿足要求時第一氣體報警器顯示正常白光。當甲烷或硫化氫濃度超標時第二氣體報警器顯示紅光，甲烷或硫化氫濃度臨界和偏高時第二氣體報警器顯示黃光，甲烷或者硫化氫濃度正常時第二氣體報警器顯示正常白光，當同時檢測到甲烷和硫化氫超標時，管廊控制室需自動控制關閉管廊內(nèi)的太陽能系統(tǒng)，只采用陽光導入系統(tǒng)，以保證管廊和人員安全，防止爆炸災害發(fā)生。

7 管道水體監(jiān)控系統(tǒng)

管道水體監(jiān)控系統(tǒng)包括傳感器模塊、傳輸模塊、監(jiān)測模塊，用于監(jiān)測水管漏水或爆管，同時也可以用于人員定位。傳感器模塊設置在管廊沿線上，如圖1所示，包括水壓傳感器、水流量傳感器、聲音監(jiān)聽器、振動監(jiān)聽器、濕度傳感器、漏水傳感器，用于收集管廊中的水管狀況信息；傳輸模塊用于向監(jiān)控模塊傳輸傳感器模塊采集的水管狀況信息；監(jiān)測模塊設置在管廊控制室內(nèi)，對水管狀況信息進行處理，判斷水管是正常、漏水或爆管，并給出水管出現(xiàn)漏水或爆管的位置，當監(jiān)測到水管狀況信息存在異常時還能進行報警，同時控制相關設備關閉水管閥門。

水體監(jiān)控系統(tǒng)對傳感器模塊中的各種感應器的位置建立了(x，y，z)的數(shù)據(jù)庫，清晰顯示每個感應器的位置。

如圖3所示的濕度傳感器和漏水傳感器設置在滴灌管正下方的種植土中，根據(jù)土壤內(nèi)部傳感器濕度變化范圍和濕度變化速度可以準確判斷出給水管是漏水或爆管。濕度傳感器和漏水傳感器檢測到濕度和漏水信息，通過傳輸模塊傳輸給監(jiān)控模塊，監(jiān)控模塊根據(jù)接收到的信息計算漏水量Q。

在判斷漏水或爆管過程中，因為生態(tài)綜合管廊中設置了滴灌系統(tǒng)，開啟滴灌系統(tǒng)會引起濕度傳感器的變化，這樣會干擾監(jiān)控模塊的判斷。為了區(qū)分，若全部濕度傳感器濕度都上升，則是澆灌，若個別濕度傳感器濕度上升，則是水管漏水或爆管。

水管的兩個出線井設為一個區(qū)間，在這個區(qū)間水管道兩端的法蘭上均設置水壓傳感器和水流量傳感器。當管道發(fā)生漏水或爆管時，管道上測得的壓力和流量會下降，與管道正常運行時進行對比，從而判斷是漏水或爆管。

在監(jiān)測模塊判斷漏水或爆管時，通過計算水管的漏水量Q、管道壓力參數(shù)h，分別與設定值進行對比，然后對兩個計算結果進行綜合判斷，當Q和h計算結果相同時，才確認判斷結果并顯示異常結果；如果兩個判斷結果不一致，將兩個計算結果取并集作為最終結果排查。通過這種彼此驗證的判斷方式，極大地提高了水管漏水或爆管判斷的準確性，防止了誤報信息的發(fā)生，也有效地提高了判斷的效率。在監(jiān)控模塊判斷水管出現(xiàn)漏水或爆管的異常情況后，并進行報警。

在生態(tài)綜合管廊內(nèi)設置聲音監(jiān)聽器、振動監(jiān)聽器，可以收集給水管道出現(xiàn)漏水或爆管時的信息，并及時收集傳輸給監(jiān)控模塊，得到給水管出現(xiàn)漏水或爆管的具體位置。

7.1 通過聲音監(jiān)聽器信息確定漏水或爆管位置

聲音監(jiān)聽器設置在生態(tài)綜合管廊的右側內(nèi)側壁上，如圖1所示，每個聲音監(jiān)聽器的位置和坐標是明確的，間隔為L均勻布置，用于檢測漏水、爆管從空氣中傳來的聲音信息，漏水或爆管出現(xiàn)在監(jiān)聽到聲音最大的兩個聲音監(jiān)聽器之間。若漏水或爆管位置出現(xiàn)在聲音監(jiān)聽器1和聲音監(jiān)聽器2之間，因水管漏水或爆管位置與聲音監(jiān)聽器位置之間存在高度差z，漏水或爆管位置與聲音監(jiān)聽器1在同一水平面上的距離為B1，漏水或爆管位置與聲音監(jiān)聽器2在同一水平面上的距離為B2，根據(jù)B1、B2、聲音監(jiān)聽器1和聲音監(jiān)聽器2的位置坐標可確定漏水或爆管位置，B1，B2可根據(jù)式(1)計算。

(1)

式中：n為漏水或爆管位置到聲音監(jiān)聽器1和聲音監(jiān)聽器2所在直線在水管所在平面的投影直線的垂直距離；v為漏水或爆管聲音在空氣中傳播的速度；Δt1為聲音監(jiān)聽器1和聲音監(jiān)聽器2檢測到漏水或爆管聲音的時間間隔。

7.2 通過振動監(jiān)聽器信息確定漏水或爆管位置

振動監(jiān)聽器設置在給水管的表面，如圖1所示，漏水或爆管時管道會發(fā)出聲音而且會發(fā)出振動，振動監(jiān)聽器可以監(jiān)聽漏水或爆管從固體管道中傳來的聲音。每個振動監(jiān)聽器的位置和坐標是明確的，振動監(jiān)聽器間隔為G均勻布置，漏水或爆管出現(xiàn)在兩個最先接收到振動的振動監(jiān)聽器之間，忽略漏水或爆管位置與振動監(jiān)聽器位置之間的高度差，若漏水或爆管出現(xiàn)在振動監(jiān)聽器1和振動監(jiān)聽器2之間，漏水或爆管位置距離振動監(jiān)聽器1的距離為G1，漏水或爆管位置距離振動監(jiān)聽器2的距離為G2，根據(jù)G1、G2、振動監(jiān)聽器1和振動監(jiān)聽器2的位置坐標可確定漏水或爆管位置，G1，G2可根據(jù)式(2)計算。

(2)

式中：v1為漏水或爆管的聲音振動在管道固體中傳播的速度；Δt為振動監(jiān)聽器1和振動監(jiān)聽器2檢測到漏水或爆管的聲音振動的時間間隔。

在監(jiān)控模塊通過前面兩種方式計算得到水管漏水或爆管位置后，根據(jù)兩種方式計算的位置可以相互標定，相互確定準確性，最終得到給水管的漏水位置或爆管位置，并通知維修人員前去檢修。

7.3 人員定位

聲音監(jiān)聽器也可以用于人員定位功能，聲音監(jiān)聽器可以監(jiān)聽人員腳步聲和說話的聲音，人員會出現(xiàn)在監(jiān)聽到的聲音最大的兩個監(jiān)聽器之間，從而對人員進行準確定位。因人員位置與聲音監(jiān)聽器位置之間存在高度差，高度差為a，若人員位于聲音監(jiān)聽器1和聲音監(jiān)聽器2之間，人員位置與聲音監(jiān)聽器1位置在同一水平面上的距離為L1，人員位置與聲音監(jiān)聽器2位置在同一水平面上的距離為L2，根據(jù)L1、L2、聲音監(jiān)聽器1和聲音監(jiān)聽器2的位置坐標可確定漏水或爆管位置，L1，L2可根據(jù)式(3)計算。

(3)

式中：m為人員位置到聲音監(jiān)聽器1和聲音監(jiān)聽器2所在直線在人員位置所在平面的投影直線的垂直距離；v為人員的腳步聲或說話的聲音在空氣中傳播的速度；Δt2為聲音監(jiān)聽器1和聲音監(jiān)聽器2檢測到人員的腳步聲或說話的聲音的時間間隔。

8 結論

生態(tài)綜合管廊采用竹纏繞、玄武巖聚合物等復合材料作為管廊主體結構和支墩、支架，與常規(guī)混凝土綜合管廊相比具有明顯的綠色、低碳、環(huán)保、經(jīng)濟、施工方便等特點。光照系統(tǒng)補充外界自然陽光、改善空氣環(huán)境，引入海綿城市的概念對污水等進行過濾凈化處理，保障了管廊的干燥度、美化了管廊內(nèi)的環(huán)境，最大限度保障檢修人員在管廊內(nèi)的舒適性。此外，生態(tài)綜合管廊設置了空氣質(zhì)量監(jiān)控系統(tǒng)，用于對管廊內(nèi)的空氣質(zhì)量進行監(jiān)控和預警，同時還設置了水體監(jiān)控系統(tǒng)用于對管廊內(nèi)水管的運行狀態(tài)進行監(jiān)控和自動化控制，對水管出現(xiàn)漏水或爆管的異常情況采用聲音監(jiān)聽器和振動監(jiān)聽器等方法進行判斷并確定漏點或爆點位置，并在存在異常時進行報警和控制，同時也可用于人員定位?？諝赓|(zhì)量監(jiān)控系統(tǒng)和水體監(jiān)控系統(tǒng)的設置大大提高了生態(tài)綜合管廊的智能化和可靠性。

以上各系統(tǒng)相互配合，共同組成城市生態(tài)綜合管廊系統(tǒng)。但是采用竹纏繞、玄武巖聚合物等復合材料作為管廊主體結構目前還存在一定的問題，比如還需要就火災對結構的耐火分析論證等，還要在實踐中不斷地創(chuàng)新，才能保證生態(tài)管廊的可持續(xù)發(fā)展。