地铁隧道区间内球墨铸铁管的加固措施

《地铁设计规范》(GB50157—2003)中13.2.3-1规定,“地下车站站台板下及地下区间隧道敷设的给水干管,宜采用球墨铸铁管和胶圈接口”,另外根据地下站台板的下部及隧道区间存在空气潮湿、杂散电流密布等特点,采用球墨铸铁管及胶圈接口具有以下优势:①球墨铸铁管具有高强度、高延伸率,K9级系列管道的承受压力可达6MPa;②球墨铸铁管由于电阻较大,不易产生电腐蚀,且连接采用具有绝缘作用的橡胶密封圈,因此具有耐电蚀性,在充满各种杂散电流的隧道区间中应用具有明显优势;③球墨铸铁强度高,具有较好的疲劳强度,铸造性能好,成本低廉,生产方便;④球墨铸铁管外表面采用喷锌加喷涂沥青漆,在其内部可内衬水泥,既可提高其耐腐蚀性能,又可起到保护水质的作用。因此其耐腐蚀性更能适应地下潮湿环境,延长管道的使用寿命;⑤球墨铸铁管施工灵活,管道接头可偏转一定角度,在地铁曲线段的隧道区间安装非常方便。

与镀锌钢管相比,球墨铸铁管在地铁隧道内应用具有以下缺点:a.质量大,比相同管径的镀锌钢管质量高出40%左右,增加了安装及固定难度;b.接口安装要求高,胶圈安装尺寸及螺栓紧力要求较精确,法兰面间隙要求较均匀,否则易出现接头安装不到位导致胶圈松脱造成漏水事故;c.管道承口尤其是压兰接头法兰盘较大,DN150管道外径达到313mm,在隧道(尤其是盾构区间)安装易造成侵限而影响行车安全;d.球墨铸铁管造价较高,比镀锌钢管高25%左右;e.采用柔性胶圈接头,漏水事故出现的几率比刚性接头高。

虽然球墨铸铁管在地铁隧道区间内应用具有镀锌钢管无可比拟的优势,且《地铁设计规范》也推荐使用,但上述缺点限制了其在地铁隧道内的使用,因此,解决好球墨铸铁管上述缺陷对于推广其在地铁隧道区间内的使用具有重要意义。

1 球墨铸铁管的接头及固定情况分析深圳地铁一期工程在所有的车站站台板下及隧道区间均采用了球墨铸铁管,并选用了压兰N1型接头,为国内首次将N1及S型接头用于地铁隧道区间。对于《地铁设计规范》中要求的胶圈接口形式,目前地铁隧道区间主要采用压兰连接(S、N1型接头)和普通承插连接(T型接头)两种方式,其中N1型的接口形式从结构原理上来讲,其密封性能优于T型接口。从使用用途来看,N1型接头更适于燃气管道的密封,从理论上讲封水应没问题。但深圳地铁一期工程自开通以来,已发生了多起球墨铸铁消防水管接头脱出造成的漏水事故,而采用T型接头形式连接的南京地铁却未发生过一次漏水事故。分析认为,由于地铁在隧道内运行时会产生震动,从而导致管道出现移位,加之深圳地铁采用生产、生活、消防合用的供水管网,区间球墨铸铁消防水管内的水流经常出现无规则流动,从而增加了水锤发生的几率。此外隧道内出于人防考虑还设置了人防门,导致管道转弯处较多,加大了球墨铸铁管弯头前后的管道接头处承插管脱出的几率。对于南京地铁,因其消防水与生活、生产水分网而建,故管网中水流流速波动较小,且区间管道转弯很少,同时在转弯处采取了较牢固的固定措施,因此自开通运营以来未发生过一次球墨铸铁消防水管漏水事故。根据上述调查研究及分析总结,发现管道漏水跟接头形式无必然关系,而是受管网水流形式及管道固定措施的影响较大。2 解决方案根据《室外给水排水设计规范》中“设计满流输水管道时,应考虑发生水锤的可能,必要时应采取消除水锤的措施”、“承插式管道在垂直或水平方向转弯处支墩的设置,应根据管径、转弯角度、试压标准和接口摩擦力等因素确定”。《地铁设计规范》(GB50157—2003)中13.2.5第7条说明,为防止球墨铸铁管由于长期运行震动造成给水管偏移,必须将其与主体结构和道床固定。根据北京地铁的运营经验,球墨铸铁管胶圈接口的固定方法为:每2m设一个管卡,管卡必须与主体结构一起固定,而且在转弯处必须设支墩防止试压时移动。因此,球墨铸铁管在地铁隧道内安装首要解决的问题就是固定。管道径向固定可以通过支架“拖、抱”等实现,而管道轴向固定且不产生位移,才是解决球墨铸铁管接头脱出导致漏水事故的关键。由于隧道区间内空间及位置的限制,尤其是盾构区间在转弯处设置支墩比较困难,深圳地铁很难像北京地铁隧道那样采取支墩、加密支架等做法,加之隧道区间内的球墨铸铁管道为明装,缺少管道埋地安装时可以抵消位移的土壤摩擦力,因而在接头处采取止脱措施显得尤为重要。综合上述因素,在充分考虑隧道内加固措施的前提下,在球墨铸铁管管体上接头1m范围内焊接2个焊圈,在其外侧安装管道钢抱卡(见图1,以T型接头为例),当管道受力向任意一个方向出现位移时,可通过管道抱卡及焊圈阻挡,减少及避免轴向位移的产生,可最大程度地减少球墨铸铁管接头脱出导致消防水管漏水事故的发生。管道抱卡应采用钢板制作,以增强其抵抗管道轴向推力的强度。为论证上述方案的可行性,选择在转弯较多且多次发生接头漏水事故的“购—香”盾构区间进行试验。结果表明,在球墨铸铁管上靠近接头支架内侧焊接2个挡环(高度为7mm),在放空管网、快速开启管网两侧阀门等人为制造水锤机会的情况下,管道接头没有出现松脱现象,也没有漏水事故的发生,因此基本认定该固定方式是可行的。值得注意的是,在实施该项措施前,应对焊圈高度、宽度、管道抱卡的选择、支架的形式等进行详细核算,以便最大限度地控制轴向位移,避免球墨铸铁管接头松脱而造成的漏水事故。