北方地区地铁给排水管道防冻及保温措施

2011-08-03姚建华刘爱芳

铁道标准设计 2011年11期

姚建华，刘爱芳

(铁道第三勘察设计院集团有限公司城市轨道交通分院，天津 300251)

1 概述

沈阳地铁1号线及其延伸线工程西起十三号街车站，东至黎明文化宫车站，共设22个车站，全长28 km，是东北地区第1条地铁线。自2010年9月27日以来，已成功运营了近1年，这期间经历了沈阳寒冷的冬季，部分车站及区间的给排水、消防管道以及消火栓出现了不同程度的冻害。给水排水管道与地铁车站生产、生活用水息息相关，一旦出现冻害情况会直接影响到地铁车站的运营。水消防是地铁消防设计的重要组成部分，城市地铁由于具有客流量大、瞬时客流较为集中，且客流在一定时间内封闭于有限空间等特点，一旦出现火灾情况，而此时消防管道和消火栓出现冻害，极易造成国家财产的重大损失，而且关系到人民的生命安危。因此，加强给排水、消防管道的保温防冻措施是十分必要的。

2 设计概况

沈阳地铁1号线车站有几种形式:西延线4个站为单层车站，风道设在设备夹层;一些车站，像中街站等车站属于单层风道车站;一些车站，如张士站等属于地下双层风道车站。一般车站设有4个出入口。

沈阳地铁1号线及延伸线共设2处区间风井，洪湖北街到重工街区间1处，黎明文化宫站后区间1处。

沈阳地铁1号线及延伸线工程是我国北方寒冷地区第1条地铁线，考虑到活塞风井、机械风井、新风井、排风井、区间事故风井两端、风道、车站出入段线及车站出入口有较大的冷空气渗入量，故在此处的给水管道、污水管道及水消防管道均采取了保温措施。设计考虑到压力废水管道存在自然重力坡度，在易结冻的部位不会存在积水，故未设保温措施。

3 给排水及消防管道冻害情况及原因分析

沈阳地铁1号线及延伸线只设通风及空调系统，未设采暖系统，冬季车站内部热量主要来自于车辆运行引起的热量、设备的发热量、车站出入口的电热风幕及车站内部的人员散发热量。为防止外界冷空气进入以及车站和地铁内部热量散失，环控系统在冬季需采取闭式运营的模式(即将活塞风阀和机械风阀均关闭)。地铁内部冷量主要来源为出入口、敞口风亭、出入段线洞口、区间风井等与室外接触部位的冷空气。

冷空气通常从出入口、出入段线洞口、风井进入区间和车站。通常白天室外温度相对较高而且车站内部热量补充充足，车站及区间给排水管道在白天出现结冻的地点主要是在离室外较近的风井部分，但在夜间地铁停止运营，来自于车站内部的热量会减少，而且冷空气会进入，因而夜间是给排水管道结冻的主要时间段。管道结冻过程，首先是给排水管道外部环境温度较低，给排水管道外壁先结冻，然后通过管道外壁向管道内部的水传递冷量，水先在贴近管道外壁处结冰，然后慢慢的传向管道中心，因为冰的密度相比水的密度较小，水结成冰的过程体积会增大，此时会有张力，会将管道胀裂，镀锌钢管一般开裂处是在两端管道的连接处以及管道与阀门的连接处。球墨铸铁管承插连接处也容易出现胀裂。

通过对沈阳地铁1号线及延伸线全线几次调研的结果表明，出现冻害的主要部位有:站台层车站与区间连接处的消防管道及消火栓、风道内部压力废水管道、区间风井两端未设电伴热保温部位、风道内部消火栓栓头以及消火栓内部消防自救软管。下面针对几处典型地点的管道冻害原因进行分析。

3.1 洪湖北街—重工街区间风井(图1)

图1 洪湖北街—重工街区间风井平剖面(单位:mm)

洪湖北街—重工街区间(以下简称洪重区间)设有区间风井，风井的底部正对停车线，停车线长度约为120 m。设置此区间风井的主要目的是当列车在区间隧道发生火灾事故时，具备防灾排烟、通风功能。区间风井为密闭风井，风井尺寸为4 500 mm×4 600 mm，风井上部有三面是通风百叶，通过现场调研，通风百叶的隔热性能较差。这就会导致冷空气从通风百叶渗入，沿风井直接下沉进入停车线及区间正线，造成洪重区间停车线及区间正线冷空气聚集。通过对现场的实地温度测量，当室外温度为－20℃时，停车线内部温度从距区间风井近端的－15℃变化到远端的－5℃，平均温度达到了－9℃，而停车线消防管道的电伴热保温范围是30 m，这就致使洪重区间停车线内未加电伴热保温消防管道出现了结冻开裂的情况，见图2左;洪重区间正线消防管道也出现了冻裂的情况，见图2右。洪重区间两端正线消防管道电伴热保温的范围是50 m，而冻裂点出现在60 m处，在距离区间风井60 m处的管道外壁温度为0℃。而要保证管道不冻的温度一般需要5℃，故此处由于温度较低出现了管道的冻害。

图2 洪湖北街—重工街区间停车线及区间正线管道冻害情况

3.2 中街站端头消火栓及相邻区间消防管道

中街站车站端头消火栓及与其相邻区间连接处出现了管道结冻开裂的现象。图3为与中街车站相邻区间处出现的管道冻裂情况，其中左图为金属波纹管的拉伸，右图为消防管道管箍处被拉开。与洪重区间相同，管道的开裂同样是由于隧道环境温度低所造成的，实地测量显示，夜间温度出现了低于0℃的情况。

图3 中街隧道及相邻区间管道冻害情况

通过对各车站的现场调研，发现车站端头及与其相邻区间连接处出现温度低于0℃的情况，是由于冷风通过风亭进入风道，风道内部温度较低，然后冷风再通过活塞风阀和吊装孔(在现场发现吊装孔盖板采用的是铁盖板，铁盖板的隔热性能较差)渗入车站端头和区间端头，造成车站端头和区间端头温度降低，以至车站端头和区间端头消防管道出现结冻开裂。还有一个原因就是运营人员未按要求关闭风阀，造成冷空气渗入，热量散失，故而将管道冻裂。此外，位于车站迂回风阀处而未设废水泵房的排废水管道也出现了不同程度的结冻现象。

3.3 风道内部压力废水管道结冻

设计考虑风道内部压力废水管道可通过自然找坡将废水排回至废水泵房，故而风道内部废水管道不会被冻裂。但实际施工过程中，由于地铁内部管线多且现场情况的复杂多变，压力废水管道在安装过程中会出现与其他管线相互冲突的情况，在管线避让过程中可能会导致压力废水管道出现不良低点(下凹的管段)，积水无法排除，低温情况下造成管道结冻，还有一方面原因是止回阀前会存有一定的废水，这部分存水在温度低的情况下，也会结冻。因而建议在可能冻结处的压力废水管道也加设保温措施。

3.4 出入口和风道内部消火栓栓头冻害及消防自救软管冻害

出入口和风道内部消火栓的冻害多出现在消火栓的栓头，通过现场调研发现，出现消火栓栓头冻裂处的电伴热保温线缆均未缠绕消火栓栓头及底部短管。如果出现温度较低的情况，消火栓栓头很容易就被冻裂。消防自救软管冻坏的原因是由于现场使用的不当，有些车站工作人员或其他人员直接从消防自救软管处接水，接水完毕后又未泄空管道，这就会造成消防自救软管内部有积水的存在，温度较低时会使消防自救软管冻坏。

3.5 出入段线洞口消防管道冻害

十三号街出入段线洞口直接与罩棚相连，室内洞口处现场为防止轨道结冰在出入段线洞口处加设了大型电热风幕，经过罩棚段后为室外，通过现场温度测量，当室外温度为－20℃左右时，洞口温度一般为－16℃左右，随着进入区间内部的深入温度逐渐升高，直到车站端头的温度在4℃左右，也就是说从洞口到车站端头的消防管道均有结冻的可能。

4 地铁内部管道防冻保温措施

针对地铁内部给排水及消防管道出现的冻裂情况，采用像地上建筑常采用的保温措施，例如采用加暖气和采用空调系统供暖，从运营成本上和车站及区间的使用空间上考虑是不经济且不可行的。故而只能通过管道自身的保温来使管道达到保温的目的。通过对管道防冻方面的调查研究，目前解决管道防冻保温主要是有2种方法:(1)加设保温措施，根据实际情况决定采用常规保温还是电伴热保温;(2)采用干式消防系统，此方法主要已在天津地铁应用。

管道常规防冻保温目前通常的做法是采用50 mm厚的复合硅酸镁管壳，外包PAP复合卷材。通过计算表明，在保温层达到一定厚度时，可以保持几小时至几十小时管道内水不冻结。生产生活用水管在合理的厚度内可满足防冻要求。但在湿式消防管道系统中，消防管道内水在平时运营期间不流动，在允许的保温层厚度范围内，不能满足防冻要求，故消防管道需采用管道电伴热保温措施。

管道电伴热保温是利用安装在绝热层和管道(或设备)外壁之间的电热带通电发热，来补充输水或贮水过程中所散失的热量，以维持水温在一定的范围内，达到保温和防冻的目的。电伴热保温是通过对给水、消防、排水等管道主动式加热保温来达到管道防冻保温的目的。当管道温度低于电伴热保温系统设定温度时，系统可以对管道自动加温。

电伴热保温根据电缆形式的不同可分为自调控式发热电缆电伴热保温和恒功率发热电缆电伴热保温(表1)。

通过表1对自调控发热电缆和恒功率发热电缆的比较可以看出，2种发热电缆各有自身的优点，在地铁的使用中可根据实际情况考虑使用哪种发热电缆。

电伴热保温在地铁中应用的优缺点。优点:可主动为管道加热，可使管道温度升高，避免冻裂，为地铁安全稳定的运行提供可靠的条件，为地铁给排水及消防提供安全保障;缺点:电伴热保温会增加部分的工程投资，增加运营成本，同时也会浪费能源。

5 结论及建议

通过对沈阳地铁1号线及延伸线给排水及消防管道冻害的调研，分析了管道冻害的原因，并讨论了管道防冻保温的措施，以期对沈阳地区及北方寒冷地区后续地铁项目有所借鉴。主要得出以下结论:

(1)对北方寒冷地区，地铁车站出入口、风道内部、风井处、出入段线给排水及消防管道均应加设电伴热保温措施。加电伴热保温范围建议如下:出入口给排水及消防管道均应加设电伴热保温措施，加设至与主体结构相连的部位;风道内部给排水及消防管道均应加设电伴热保温措施;区间风井左右各150 m加电伴热保温措施，车站与区间连接处电伴热保温应延伸到区间60 m左右。