城市生态综合管廊的探析

赵子成

(中铁二院工程集团有限责任公司，成都 610031)

综合管廊亦称“市政共同沟”，主体结构是建设在地面之下的混凝土壳，用于容纳两种或两种以上的城市工程管线[1]，也即在一定的地下空间范围内集中布置城市的给水、排水、燃气、热力、电力、通信等管线，以形成集约化、规范化的管理。由于综合管廊处于地下，是一个封闭的空间，通风条件不好，导致管廊内部空气质量差，同时现有的管廊都不够美观，很影响进入的人员在管廊内部时的视觉感受，同时管廊内部给水或排水管道渗漏水、清扫冲洗水、外部进入水进一步造成空间环境差、钢筋腐蚀严重等，给检修人员维护和管线敷设带来不好的影响[2-3]。同时，如果分布在综合管廊中的给水或排水管道发生渗漏水，严重时发生爆管，管道内的水流到管廊中，因管廊内还设置有电力、通信等管线，将会带来严重的财产损失，甚至造成人员伤亡，所以对综合管廊中给水或排水管道的运行状况进行准确的监控与监测也是十分必要的。

图1 生态综合管廊示意

通过调研国内外研究现状，发现相关研究的成果不多，仅有个别学者提出问题，但并未给出有效的具体措施[4-5]。本文从生态角度出发，提出“生态综合管廊”。生态综合管廊能补充外界自然阳光，改善空气环境，对污水等进行过滤净化处理，美化了管廊内的环境，最大限度保障检修人员在管廊内的舒适性，准确检测管道漏水或爆管，大大提高了综合管廊的安全性。

1 生态综合管廊组成

生态综合管廊，包括管廊结构、光照系统、绿化人行走廊、生态海绵系统、管廊监控监测系统、管道水体监控系统，如图1—3所示。

图2 生态综合管廊的左下角部分示意

图3 生态综合管廊的右下角部分示意

下面针对每个系统详细介绍。

2 生态综合管廊结构及优势

目前钢筋混凝土结构存在各类问题，如：体积大、笨重，预制与施工都比较复杂；建设成本高；抗腐蚀性差，混凝土接口漏水严重；技术已经比较成熟，但钢筋混凝土管廊本身的结构、材料及其制备无法实现足够的创新等。针对这些问题提出一种采用竹缠绕、玄武岩聚合物等复合材料作为管廊主体结构，内部支墩、支架、电力通信排管、给水管道均采用此生态复合材料构造的生态综合管廊。此结构形式具有以下优点。

2.1 技术可靠性

复合材料具有很高的技术可靠性和力学性能，目前国内使用的复合材料管道的最高使用压力已达25 MPa；具有优异的耐腐蚀能力和抗冻涨性能，在国外已得到广泛使用和认可；具有良好的防污抗蛀性能，由于其化学惰性，不会被微生物粘浮、滋生，长期使用洁净如初；具有良好的电、热绝缘性能，复合材料是非导体，使用寿命长，抗老化性能优良。

2.2 工程可靠性

承插双“O”形圈接口设计可靠，检验方便，确保接口无渗漏。单根管道长度可达12 m，接口数量比传统管材减少一半以上，大大降低了接口渗漏概率。管道规格生产灵活，自重轻，对地基产生的附加应力小，可适应地形起伏和地质变化。质量轻，安装施工方便，调整容易。不需大型机械，简化施工道路和临建设施，避免意外事故发生。

由此可见，复合材料综合管廊比常规混凝土或者钢管综合管廊绿色低碳环保、防腐蚀强、保温防冻、抗震抗沉降等。此外，还具备施工简便、质量轻、安装方便等显著特点，综合造价较混凝土低10%～30%，使用寿命长、具有较大的应用推广价值。

3 光照系统

如图1所示，光照系统主要包括阳光导入系统和太阳能系统，另外还包括若干个照明灯。照明灯固定连接在管廊的内侧壁上，间隔设置。

阳光导入系统包括采光装置和导光装置。采光装置设置在地面上，包括传感器、微电脑、驱动器、微电机、传动系统、透镜组阵列等。它通过传感器感知太阳方位，微电脑发出指令驱动透镜组精准跟踪太阳，将阳光汇聚一万多倍，耦合进入导光装置光纤中。导光装置包括导光光纤，光纤连接采光装置和导投光装置，将采光装置中的光传到导投光装置中。采光装置每天自动唤醒、跟踪、复位，完全不需人为干预。导投光装置有3个，分别固定在生态综合管廊内顶壁中间和两内侧壁上，中间的导投光装置可以对整个生态综合管廊照明，两内侧壁上的导投光装置给生态综合管廊内植物提供阳光进行光合作用，产生氧气，净化生态综合管廊内的空气，调节二氧化碳与氧气的浓度。

太阳能系统中的太阳能光伏板设置在地面上，白天将光能转化为电能并在太阳能存储器中存储起来，用于晚上或者白天光照不强时提供电源给照明灯。同时，阳光导入系统和太阳能系统都与照明灯连接，照明灯为光电照明灯，每个支架旁边的管廊内侧壁上均设置有一个光电照明灯，用于给各种电缆照明，方便维修人员检查和维修。

同时设置管廊照明控制器，控制阳光导入系统和太阳能系统。照明控制器通过对舱内光线的实时监测，当阳光照明不足时可以定向控制启动太阳能系统，使舱内光照强度总体上维持在一个舒适和稳定的状态。同时，通过后续监听器测定的人员定位系统，管廊照明控制器实时自动开启和关闭人员在舱内位置处的照明灯光照强度，同时保障这部分的光照强度。

4 绿化人行走廊

如图1—3所示，绿化人行走廊包括人行走道板、绿色生态支架、绿色生态装饰板。人行走道板设置在管廊内底壁的中间，采用绿色生态铺装，给人自然的感觉，在人行走道板的左右两侧竖直间隔设置绿色生态支架，绿色生态支架采用玄武岩制成，其上有绿色攀岩植物缠绕；同时在人行走道板的右侧竖直间隔设置了绿色生态装饰板，位于支墩正前方，完全遮挡住支墩，绿色生态装饰板采用景观石切片做成，其上设置有体现当地人文特色的图案，整个绿化人行走廊采用绿色生态装饰。同时，支墩采用原生态石头或绿色材料制成的支墩，增强美观效果。

5 生态海绵系统

根据阳光导入系统理念，导入太阳光谱与光谱形态基本一致，实时把纯正的阳光导入到管廊内部，中间不发生能量的转换，也不改变光谱的形态，导入的纯正阳光大大改善了管廊潮湿阴暗的不良环境，能及时保证管廊内部的干燥度，因此提出了一种生态海绵系统概念。如图1—3所示，生态海绵系统包括植草沟和集水池，均设置在管廊内底壁上，管廊控制室设置在管廊沿线上。

本实例的植草沟有2个，分别设置在管廊内底壁的左侧和右侧，集水池设置在管廊内底壁的左侧，位于左侧的植草沟和人行走道板中间，如图2、图3所示。

植草沟的上层是种植土，种植土中种植有植被，植被高度在5～20 cm，下层是砂砾石层，采用的砂砾石颗粒较大，颗粒直径为1.5～3 mm，可以除去和过滤净化给水管漏水、污水和地面冲洗水。在植草沟的内壁上设有防水层，防水层为防渗土工布，在砂砾石层的底部埋设有排水盲管，排水盲管上有很多小孔，过滤净化处理后的多余水从小孔进入排水盲管，左右两侧植草沟的砂砾石层中均有水平设置的排水盲管，排水盲管可将多余水排到集水池中。

集水池包括种植层、过滤层和排水层，种植层内有种植土，种植层内种植有长青植物，长青植物间隔2～4 m种植，可以吸收CO2，同时给管廊内人员输送氧气；过滤层采用碎石组成，碎石的颗粒直径为0.5～2 mm；在排水层中设置有潜污泵，可以将过滤净化处理后的多余水排出管廊。在集水池还设置有溢水管，当植草沟表面或集水池表面有大量的水，无法全部都通过植草沟或集水池过滤净化时可通过溢水管将水直接引入集水池的排水层中，再通过潜污泵排出管廊，防止水过多，不能及时排出而溢出到管廊内。

如图3所示，生态排水沟系统还包括滴灌系统，用于给生态综合管廊中的植物浇灌使用。滴灌系统包括滴灌管、湿度传感器、滴灌管控制器。滴灌管沿线设置在植草沟内；湿度传感器也设置在植草沟内，用于测试植草沟内土壤湿度，间距1～2 m；滴灌管控制器设置在管廊控制室内，当湿度传感器检测到种植土的湿度不足时，开启滴灌管，实现自动化控制。

6 管廊监控监测系统

生态综合管廊还设置有监控监测系统，包括感应器系统、传输系统、空气质量控制系统。感应器系统间隔设置在管廊沿线内侧壁上，传输系统连接感应器系统和空气质量控制系统，空气质量控制系统设置在管廊控制室。

感应器系统为多合一气体传感器，可检测管廊内氧气、二氧化碳、甲烷、硫化氢的气体浓度。传输系统将检测到的每种气体浓度传输给位于管廊控制室的空气质量控制系统。空气质量控制系统将每种气体浓度与预先设定的阈值对比，判断气体浓度是否达到要求并显示，同时将判断结果反馈到位于管廊内的第一气体报警器和第二气体报警器上。第一气体报警器和第二气体报警器是间隔设置在管廊沿线内侧壁上的，会根据管廊内的空气质量显示不同的颜色，这样方便进入管廊内的人员看到。第一气体报警器用于氧气和二氧化碳的浓度警报，第二气体报警器用于甲烷和硫化氢的浓度警报。当氧气浓度不足或二氧化碳浓度偏高时第一气体报警器显示红光，氧气浓度临界或偏低时第一气体报警器显示黄光，氧气浓度或二氧化碳浓度满足要求时第一气体报警器显示正常白光。当甲烷或硫化氢浓度超标时第二气体报警器显示红光，甲烷或硫化氢浓度临界和偏高时第二气体报警器显示黄光，甲烷或者硫化氢浓度正常时第二气体报警器显示正常白光，当同时检测到甲烷和硫化氢超标时，管廊控制室需自动控制关闭管廊内的太阳能系统，只采用阳光导入系统，以保证管廊和人员安全，防止爆炸灾害发生。

7 管道水体监控系统

管道水体监控系统包括传感器模块、传输模块、监测模块，用于监测水管漏水或爆管，同时也可以用于人员定位。传感器模块设置在管廊沿线上，如图1所示，包括水压传感器、水流量传感器、声音监听器、振动监听器、湿度传感器、漏水传感器，用于收集管廊中的水管状况信息；传输模块用于向监控模块传输传感器模块采集的水管状况信息；监测模块设置在管廊控制室内，对水管状况信息进行处理，判断水管是正常、漏水或爆管，并给出水管出现漏水或爆管的位置，当监测到水管状况信息存在异常时还能进行报警，同时控制相关设备关闭水管阀门。

水体监控系统对传感器模块中的各种感应器的位置建立了(x，y，z)的数据库，清晰显示每个感应器的位置。

如图3所示的湿度传感器和漏水传感器设置在滴灌管正下方的种植土中，根据土壤内部传感器湿度变化范围和湿度变化速度可以准确判断出给水管是漏水或爆管。湿度传感器和漏水传感器检测到湿度和漏水信息，通过传输模块传输给监控模块，监控模块根据接收到的信息计算漏水量Q。

在判断漏水或爆管过程中，因为生态综合管廊中设置了滴灌系统，开启滴灌系统会引起湿度传感器的变化，这样会干扰监控模块的判断。为了区分，若全部湿度传感器湿度都上升，则是浇灌，若个别湿度传感器湿度上升，则是水管漏水或爆管。

水管的两个出线井设为一个区间，在这个区间水管道两端的法兰上均设置水压传感器和水流量传感器。当管道发生漏水或爆管时，管道上测得的压力和流量会下降，与管道正常运行时进行对比，从而判断是漏水或爆管。

在监测模块判断漏水或爆管时，通过计算水管的漏水量Q、管道压力参数h，分别与设定值进行对比，然后对两个计算结果进行综合判断，当Q和h计算结果相同时，才确认判断结果并显示异常结果；如果两个判断结果不一致，将两个计算结果取并集作为最终结果排查。通过这种彼此验证的判断方式，极大地提高了水管漏水或爆管判断的准确性，防止了误报信息的发生，也有效地提高了判断的效率。在监控模块判断水管出现漏水或爆管的异常情况后，并进行报警。

在生态综合管廊内设置声音监听器、振动监听器，可以收集给水管道出现漏水或爆管时的信息，并及时收集传输给监控模块，得到给水管出现漏水或爆管的具体位置。

7.1 通过声音监听器信息确定漏水或爆管位置

声音监听器设置在生态综合管廊的右侧内侧壁上，如图1所示，每个声音监听器的位置和坐标是明确的，间隔为L均匀布置，用于检测漏水、爆管从空气中传来的声音信息，漏水或爆管出现在监听到声音最大的两个声音监听器之间。若漏水或爆管位置出现在声音监听器1和声音监听器2之间，因水管漏水或爆管位置与声音监听器位置之间存在高度差z，漏水或爆管位置与声音监听器1在同一水平面上的距离为B1，漏水或爆管位置与声音监听器2在同一水平面上的距离为B2，根据B1、B2、声音监听器1和声音监听器2的位置坐标可确定漏水或爆管位置，B1，B2可根据式(1)计算。

(1)

式中：n为漏水或爆管位置到声音监听器1和声音监听器2所在直线在水管所在平面的投影直线的垂直距离；v为漏水或爆管声音在空气中传播的速度；Δt1为声音监听器1和声音监听器2检测到漏水或爆管声音的时间间隔。

7.2 通过振动监听器信息确定漏水或爆管位置

振动监听器设置在给水管的表面，如图1所示，漏水或爆管时管道会发出声音而且会发出振动，振动监听器可以监听漏水或爆管从固体管道中传来的声音。每个振动监听器的位置和坐标是明确的，振动监听器间隔为G均匀布置，漏水或爆管出现在两个最先接收到振动的振动监听器之间，忽略漏水或爆管位置与振动监听器位置之间的高度差，若漏水或爆管出现在振动监听器1和振动监听器2之间，漏水或爆管位置距离振动监听器1的距离为G1，漏水或爆管位置距离振动监听器2的距离为G2，根据G1、G2、振动监听器1和振动监听器2的位置坐标可确定漏水或爆管位置，G1，G2可根据式(2)计算。

(2)

式中：v1为漏水或爆管的声音振动在管道固体中传播的速度；Δt为振动监听器1和振动监听器2检测到漏水或爆管的声音振动的时间间隔。

在监控模块通过前面两种方式计算得到水管漏水或爆管位置后，根据两种方式计算的位置可以相互标定，相互确定准确性，最终得到给水管的漏水位置或爆管位置，并通知维修人员前去检修。

7.3 人员定位

声音监听器也可以用于人员定位功能，声音监听器可以监听人员脚步声和说话的声音，人员会出现在监听到的声音最大的两个监听器之间，从而对人员进行准确定位。因人员位置与声音监听器位置之间存在高度差，高度差为a，若人员位于声音监听器1和声音监听器2之间，人员位置与声音监听器1位置在同一水平面上的距离为L1，人员位置与声音监听器2位置在同一水平面上的距离为L2，根据L1、L2、声音监听器1和声音监听器2的位置坐标可确定漏水或爆管位置，L1，L2可根据式(3)计算。

(3)

式中：m为人员位置到声音监听器1和声音监听器2所在直线在人员位置所在平面的投影直线的垂直距离；v为人员的脚步声或说话的声音在空气中传播的速度；Δt2为声音监听器1和声音监听器2检测到人员的脚步声或说话的声音的时间间隔。

8 结论

生态综合管廊采用竹缠绕、玄武岩聚合物等复合材料作为管廊主体结构和支墩、支架，与常规混凝土综合管廊相比具有明显的绿色、低碳、环保、经济、施工方便等特点。光照系统补充外界自然阳光、改善空气环境，引入海绵城市的概念对污水等进行过滤净化处理，保障了管廊的干燥度、美化了管廊内的环境，最大限度保障检修人员在管廊内的舒适性。此外，生态综合管廊设置了空气质量监控系统，用于对管廊内的空气质量进行监控和预警，同时还设置了水体监控系统用于对管廊内水管的运行状态进行监控和自动化控制，对水管出现漏水或爆管的异常情况采用声音监听器和振动监听器等方法进行判断并确定漏点或爆点位置，并在存在异常时进行报警和控制，同时也可用于人员定位。空气质量监控系统和水体监控系统的设置大大提高了生态综合管廊的智能化和可靠性。

以上各系统相互配合，共同组成城市生态综合管廊系统。但是采用竹缠绕、玄武岩聚合物等复合材料作为管廊主体结构目前还存在一定的问题，比如还需要就火灾对结构的耐火分析论证等，还要在实践中不断地创新，才能保证生态管廊的可持续发展。