地铁区间消防管道穿越地裂缝处理技术研究

李普军

(中铁第一勘察设计院集团有限公司，西安　710043)

地铁区间消防管道穿越地裂缝处理技术研究

李普军

(中铁第一勘察设计院集团有限公司，西安710043)

摘要：针对西安地铁区间消防管道敷设穿越地区特有地质灾害(地裂缝)的现状，对目前国内给排水管道穿越沉降缝的相关技术措施进行分析，结合地裂缝活动特点、地裂缝沉降量以及管道附件的特性，经过计算得出区间消防管道穿越地裂缝适宜的伸缩量，并以此确定管道附件的规格及管道安装，确保区间消防管道安全性。

关键词：地裂缝；沉降量；区间消防管道；波纹金属软管

西安具有闻名世界的独特城市地质灾害——地裂缝，目前发育有14条。地裂缝活动时间之长、规模之大在国内外均属罕见。地裂缝所到之处，致使不少地面建筑物和地下设施遭到破坏，近20余年来， 西安市因地裂缝造成的经济损失高达1 619亿元[1]。在地表工业与民用建筑物建设时均采用避让的方法，但地铁工程无法避让，必须穿越这些地裂缝带，如果不能很好地解决穿越地裂缝问题，将会造成结构破坏、渗漏水、轨道不均匀沉降、消防管道破裂等影响运行安全的一系列问题。

西安轨道交通线网规划的线路方案由15条轨道交通线路组成，各条线路均需穿越不同地裂缝。西安地铁2号线是西安市第一条实施的线路，2号线设计时尚无在地裂缝段进行地铁建设的规范、规程可循，纵观世界地铁建设史，国内外均无地铁穿越地裂缝的先例。因此，穿越地裂缝的综合修建技术研究是西安地铁建设的关键性难题，也是国内外地铁建设中首次遇到的技术难题。

地铁消防工程为系统工程，区间消防管道站站相连，相互贯通，为确保地铁消防供水的可靠性，保证地铁运营安全，在2号线设计中，对地铁区间消防管道穿越地裂缝的处理措施就行了深入细致的研究。

1相关专业相关处理措施

地铁工程为百年大计，虽然西安地裂缝活动趋势呈下降及稳定状态，但因地质构造影响的下沉不可预计，根据中铁第一勘察设计院集团有限公司、长安大学等单位针对西安地铁 2 号线所做的《西安市轨道交通 2 号线穿过地裂缝带的结构措施专题研究》结论，各条地裂缝在地铁设计使用寿期内的最大垂直活动位移量和地铁设计最大垂直位移量[2]详见表1。

表1　地铁设计地裂缝最大垂直位移量　mm

地铁设计各相关专业根据专题研究，充分考虑各种不利因素，地裂缝沉降量均按500 mm考虑，区间结构、限界、接触网、给排水以及轨道专业均做相应处理措施。

1.1区间结构处理措施

经过地裂缝地段区间结构主要采用浅埋暗挖法施工，根据主变形区和微变形区分段处理，主变形区为每10 m设置沉降缝，微变形段按10～15 m进行分段设置沉降缝[3]。

1.2轨道处理措施

地裂缝设防处轨道采用可调式框架板整体道床，框架板下所设厚 50 mm 的调高垫板及厚100 mm 的调高垫块可与扣件调高量组合设置，从而实现从 1 ～500 mm 之间的连续调高[4-5]。

1.3接触网处理措施

为满足地裂缝设防处刚性悬挂调整高度的需要，采用垂直悬挂的可调吊柱式方案[6]。

1.4限界处理措施

扩大结构断面、预留净空，根据预测的地裂缝百年变形量预留必要的变形空间。在地裂缝处理段结构扩大断面，预留净空500 mm[7]。

地裂缝的主要活动方式是垂直错动，它具有随时间累积的特征，因此区间消防管道也应结合各条地裂缝结构处理措施、结构断面类型、结构设防段长度及结构断面预留高度进行分析研究。

2市政工程给排水管道的相关处理措施

市政给排水的管道穿越地裂缝的处理主要有以下几种措施。

(1)采用钢管浅埋方案，当给排水管道穿越地裂缝时在地裂缝两侧30 m范围内设置检修管沟，沟内埋砂处理[8]。

(2)管道材料采用PE塑料管，管顶敷设中砂至路面层[9]。

(3)采用套管通过。

(4)在地裂缝两侧6 m处设置检查井，井室内设置波纹管补偿器。

地铁区间消防管道为架空安装，宜采用金属管道，浅埋、塑料管以及套管措施均不适用用地铁区间工程。波纹补偿器具备管道轴向、横向、角向补偿，但主要用于管道及设备因温度影响而引起的热胀冷缩位移，吸收地震、地陷对管道的变形量，对地铁地裂缝较大的沉降量并不适用。

3给排水相关技术分析

消防管道穿越地裂缝的处理的终极目标就是消除地裂缝下沉造成的管道横向及纵向位移，管道安装标高在地裂缝区段即使下沉的情况下也要满足消防管道检修及消火栓口的标高要求。消防管道穿越地裂缝的处理措施基本与沉降缝相同，但地裂缝的沉降量远远大于沉降缝，活动地裂缝f7的沉降速率在1990年～1996年期间最大为35 mm/年。

国内处理给排水管道穿越沉降缝的处理措施是设置可曲挠橡胶接头和不锈钢金属软管。

3.1可曲挠橡胶接头

可曲挠橡胶接头分为单球和双球，按照目前国内产品性能较好的可曲挠单球橡胶接头横向位移14 mm，轴向位移20 mm，偏转角度为15°；双球橡胶接头横向位移35 mm，轴向位移40 mm，偏转角度为35。[9]，且常用于泵房机组管道，建筑给排水工程使用并不常见，若用于消防管道穿越地裂缝位移量仅能满足1年的沉降量，存在较大的危险性。

3.2波纹金属软管

波纹金属软管又称不锈钢金属软管，波纹金属软管具备良好的韧性、抗疲劳性，根据波纹管的波数确定管道的位移量，长度根据需要定制，目前给排水管道穿越沉降缝均采用此技术，因此针对地裂缝的特殊性拟采用设置波纹金属软管处理。

4消防管道穿越地裂缝处理

波纹金属软管利用其柔软性可自由弯曲，在沉降量较大的情况下多采用法兰连接，《波纹金属软管通用技术条件》(GB/T14525—2010)对波纹管的波距和厚度无明确规定，《给水排水设计手册》和《管道安装实用技术手册》相关内容也不统一，综合相关产品资料和设计手册内容，在区间消防管道压力不大于1.0 MPa，管径为DN150，金属软管的相关参数采取中间值，单波厚度为6 mm，波距14 mm，单波位移量为2.95 mm[9-10]。

4.1波纹金属软管长度的确定

消除地裂缝百年沉降量500 mm，《工程结构可靠性设计统一标准》规定易于替换的结构构件使用寿命为25年，考虑到地铁管道的检修对列车运营存在较大的影响，不锈钢金属软管的拉伸量按50年计算，则需按沉降量为250 mm计算波纹金属软管的拉伸量

(1)[9]

(2)[9]

式中，q为波距，DN150金属软管为14 mm；tc为单波厚度，DN150金属软管为6 mm；n为波数，n=管道拉伸长度/波距;l为刚性长度，DN150金属软管为50 mm。

软管的极限最小值按水平拉伸计算，即波纹金属软管的伸缩量应大于250 mm，则波数为84.8，取值为85，通过上式计算软管长度为1 290 mm，取值为1 300 mm，管道实际伸缩量为251 mm，波纹金属软管变形后的长度为1.51 m。

地裂缝在沉降过程中金属软管呈曲线变化，实际变化后的长度应为L3，因此应对软管设计长度复核，波纹金属软管长度计算详见图1。

图1　波纹金属软管长度计算(单位：mm)

波纹金属软管最小动态弯曲半径为1 800 mm[11]，θ为弯曲角度，则消防金属软管的实际长度为

则θ为21.58°。

1.8×2=1.35m

波纹金属软管变形后长度1.51 m大于L4的长度，满足要求。但消防管为水平安装，若消防管道按此长度实施，在消防管道充水的情况下，则势必造成金属软管下垂，软管中间位置需增设支撑支架，软管性能并不能得到充分发挥，可实施性并不强。

地裂缝沉降为渐变过程，沉降速率最大值为35 mm/年，区间结构为分段处理，主变形区为每10 m设置沉降缝，微变形段按10～15 m进行分段设置沉降缝，轨道专业采用可调式框架板整体道床，接触网采用垂直悬挂的可调吊柱式方案，根据地裂缝的变化情况调整高度，消防管道安装同时也应考虑随着地裂缝的变化更换金属软管长度方案，即软管安装长度伸缩量大于地裂缝的沉降速率，计算方法同上可知当金属软管的长度为400 mm时伸缩量为84 mm，大于地裂缝的沉降速率，因此西安地裂缝的消防软管采用500 mm长(考虑两端刚性强度管长)。

4.2区间消防管道安装高度的确定

区间消防管道安装高度受管道支架、限界、消火栓栓口以及道床面高程的影响，需统筹考虑。

地裂缝百年沉降量为500 mm，为不影响将来运营检修的要求，管道安装高度应为管道支架安装高度及沉降量之和，区间管道支架安装图详见图2。

图2　区间管道支架安装示意(单位： mm)

由图2可知，管道安装支架的高度通常为480 mm，则管道安装的高度为980 mm，但消火栓栓口距道床面的高程宜为1.1 m，DN150的异径三通采用最小尺寸也无法满足栓口的高度要求，根据《西安市轨道交通2号线穿过地裂缝带的结构措施专题研究》实际预估计值f6最大为330 mm，因此管道高程按预估计值采用，管道安装高度相距道床面为810 mm，即使地裂缝沉降量达到设计建议值也仅影响管道支架的锚栓位置，对管道检修并无影响。

地裂缝处理段对区间结构进行了加宽处理，预留一定的建筑限界和设备限界，通过限界设计分析，消防管道安装高度满足初始阶段和百年后的限界要求，消防管道安装详见图3和图4[7，12]。安装完成后的效果现场照片见图5和图6。

图3　地裂缝初始阶段限界(单位：mm)

图5　安装完成后的效果现场照片

图6　安装完成后的效果现场照片

以上处理措施在西安地铁1、2、3、4、5号线及临潼线得到应用，2号线于2011年9月开通运营，1号线于2013年6月开通运营，其他线路正在建设之中。

5结论

通过对可曲挠橡胶接头和波纹金属软管的性能分析，利用波纹金属软管的特性，合理确定消防管道穿越地裂缝的金属软管设计长度及管道安装高度，成功解决区间消防管道穿越地裂缝的工程难题。

西安地铁2号线自2010年9月开通运营至今，各系统设备运转正常、平稳，全线客流趋于稳定，运营效果较好。

“西安地铁2号线穿越地裂缝带的工程措施研究”获2009年度中国铁道建筑总公司科技进步一等奖。2号线确定的地裂缝的设计预留位移量、地裂缝带的影响宽度和地铁结构设防措施、消防管道处理技术等成果已经直接应用于西安地铁区间隧道穿越地裂缝带的工程建设中，成功解决了西安地铁建设中地裂缝问题的关键技术难题，为类似工程建设提供了示范和指导。

参考文献：

[1]中铁第一勘察设计院集团有限公司. 西安市轨道交通 2 号线(铁路北站至韦曲段)工程可行性研究报告[R].西安:中铁第一勘察设计院集团有限公司，2006.

[2]樊红卫.西安地铁2号线穿越地裂缝的技术措施[J].都市快轨交通，2008(8):19-23.

[3]李团社.西安市地铁穿越地裂缝带线路与轨道工程研究[J].铁道工程学报，2009(12):81-85.

[4]赵留辉.地下线路橡胶减震垫轨道减震性能研究[J].铁道标准设计，2014( 8):44-47.

[5]北京城建设计研究总院有限责任公司.西安市地铁2号线地裂缝地段轨道综合技术研究报告[R].北京:北京城建设计研究总院有限责任公司，2008.

[6]唐晓岚.西安地铁地裂缝带接触网技术研究[J].铁道标准设计，2012(8):101-105.

[7]倪士浩.西安地铁2号线穿越地裂缝段的限界设计[J].城市轨道交通研究，2008(4):63-67.

[8]黄延林.地裂缝活动对城市供水管网供水安全性的影响研究[J].给水排水，2011(12):109-112.

[9]上海建筑设计研究院 给水排水设计手册 材料设备 (续册1-4)[M].北京：中国建筑工业出版社，1999.

[10]郭邦海.管道安装技术实用手册[M].北京：中国建材工业出版社，1999：735-739.

[11]GB/T14525—2010波纹金属软管通用技术条件[S].中国标准出版社，2011.

[12]段立新.西安地铁2号线牵引供电制式的选择[J].铁道标准设计，2009(8):103-105.

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

中图分类号：U231+.96

文献标识码：A

DOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2015.06.025

文章编号：1004-2954(2015)06-0113-04

作者简介：李普军(1970—)，男，高级工程师。

收稿日期：2014-09-09； 修回日期：2014-10-10