郭佳奇，錢 源，王珍珍，頓志林，劉希亮

(1.河南理工大學(xué) 土木工程學(xué)院,河南 焦作 454000；2.河南理工大學(xué) 城市地下綜合管廊研究所，河南 焦作 454000)

城市地下綜合管廊是指在城市地下用于集中敷設(shè)兩類及以上市政工程管線的公共隧道[1]。1832年法國(guó)巴黎建造了世界上第一條綜合管廊，隨后英國(guó)、德國(guó)、西班牙、美國(guó)等也相繼建設(shè)了少量，20世紀(jì)，日本和我國(guó)臺(tái)灣地區(qū)的綜合管廊建設(shè)走在了世界前列[2]。我國(guó)大陸地區(qū)起步較晚，于1958年在天安門廣場(chǎng)下修建了第一條；之后一直未得到大的發(fā)展。近年來(lái)，鑒于綜合管廊在解決各類管網(wǎng)設(shè)施能力不足，實(shí)現(xiàn)城市節(jié)能降耗和資源共享等方面具有突出優(yōu)勢(shì)，國(guó)務(wù)院與住建部先后出臺(tái)了一系列推動(dòng)其健康發(fā)展的指導(dǎo)意見和方針政策。據(jù)初步統(tǒng)計(jì)，截至2016年12月底，我國(guó)內(nèi)地已有147個(gè)城市正在開工建設(shè)，綜合管廊的建設(shè)真正迎來(lái)了發(fā)展的春天[3]。

相較于傳統(tǒng)直埋或架空鋪設(shè)的各種市政管線，集中設(shè)置于綜合管廊內(nèi)的市政管線，雖可抵御地震、臺(tái)風(fēng)、冰凍、侵蝕等災(zāi)害[4]，但由于高危管線大量入廊，極易產(chǎn)生諸如電力通訊線纜火災(zāi)、天然氣管道泄露火災(zāi)等危害綜合管廊安全的事故；此外，各種管線集中放置在同一空間內(nèi)，相互之間產(chǎn)生干擾，在內(nèi)、外部致災(zāi)因素聯(lián)合作用下，誘發(fā)多災(zāi)種耦合災(zāi)害。隨著2015年確定的首批10個(gè)試點(diǎn)城市的綜合管廊逐步投入運(yùn)營(yíng)，以及未來(lái)大量綜合管廊運(yùn)維關(guān)鍵時(shí)期的到來(lái)，如何保障綜合管廊這個(gè)城市重要“生命線”集合體的安全，防控各類運(yùn)維災(zāi)害，保障人民群眾生命財(cái)產(chǎn)安全和城市良好運(yùn)行秩序，是一個(gè)迫切需要關(guān)注的嚴(yán)峻問(wèn)題。

本文全面統(tǒng)計(jì)分析了國(guó)內(nèi)外城市地下綜合管廊運(yùn)營(yíng)維護(hù)期間的災(zāi)害事故；結(jié)合其他在役地下工程的災(zāi)害特征，系統(tǒng)劃分了其運(yùn)維期災(zāi)害類型，并提出防災(zāi)減災(zāi)基本原則?；诖?，重點(diǎn)研究了火災(zāi)和震害兩大綜合管廊運(yùn)維災(zāi)害的機(jī)理及防治對(duì)策，還就人為災(zāi)害、滲漏水、不均勻沉降和環(huán)境安全問(wèn)題等幾類災(zāi)害進(jìn)行了分析。研究成果對(duì)我國(guó)城市地下綜合管廊安全運(yùn)維具有重要意義。

1 綜合管廊事故統(tǒng)計(jì)及其災(zāi)害分類

本文對(duì)公開報(bào)道的綜合管廊運(yùn)維災(zāi)害事故進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)(表1)。據(jù)表1，共有17次事故，其中7次火災(zāi)(1次引發(fā)了爆炸)，9次地震(1次引發(fā)了爆炸)和1次洪水。據(jù)此得出綜合管廊運(yùn)維期間的災(zāi)害主要集中在火災(zāi)和地震；這些災(zāi)害雖未引起重大的人員傷亡事故，但造成了停水、停電、停氣、通信中斷和道路臨時(shí)封閉等不良后果。而且這些災(zāi)害仍具有巨大的危險(xiǎn)性，一旦從災(zāi)害發(fā)生到救援的任何環(huán)節(jié)出現(xiàn)失誤，就很可能釀成巨大的災(zāi)難。

綜合管廊內(nèi)部環(huán)境和外部環(huán)境一直處于動(dòng)態(tài)的變化中，使得其運(yùn)維災(zāi)害致災(zāi)因素復(fù)雜多樣，給災(zāi)害的防控帶來(lái)了困難，也增加了災(zāi)害發(fā)生后救援過(guò)程中出現(xiàn)失誤或不當(dāng)?shù)母怕?，?zāi)害事故后果風(fēng)險(xiǎn)將隨之增大。結(jié)合與綜合管廊災(zāi)害具有一定程度相似性的傳統(tǒng)地下管線和各種在役隧道已發(fā)生的災(zāi)害類型，根據(jù)綜合管廊內(nèi)外部環(huán)境孕育的致災(zāi)因素，可以預(yù)測(cè)城市地下綜合管廊運(yùn)維期間可能出現(xiàn)如圖1所示的災(zāi)害形式。

為明晰綜合管廊運(yùn)維期災(zāi)害致災(zāi)因素、歸納不同類型災(zāi)害發(fā)生的頻率、劃分災(zāi)害等級(jí)、預(yù)測(cè)可能的破壞程度和后果，進(jìn)而制定具有針對(duì)性的災(zāi)害防控對(duì)策，十分有必要對(duì)圖1中所列舉的綜合管廊運(yùn)維期間的常見災(zāi)害形式進(jìn)行分類。本文提出一種基于災(zāi)害成因的分類方法，把城市地下綜合管廊運(yùn)維期災(zāi)害分為綜合管廊自然災(zāi)害、綜合管廊人為災(zāi)害和綜合管廊技術(shù)災(zāi)害三大類型，如圖1所示，每一大類型災(zāi)害又分為若干種亞型災(zāi)害，甚至亞型災(zāi)害進(jìn)一步細(xì)分為數(shù)量不等的小類型。綜合管廊自然災(zāi)害是由于客觀自然條件變異引發(fā)的，包括氣象災(zāi)害(如暴雨或高溫)、水文災(zāi)害(如洪水)和地質(zhì)災(zāi)害(如地震)，它們破壞管廊結(jié)構(gòu)，影響其正常功能，危害人類生活環(huán)境。具有以下特點(diǎn)：①?gòu)V泛性，當(dāng)自然災(zāi)害發(fā)生時(shí)，該地區(qū)幾乎所有綜合管廊都要承受這種災(zāi)害；②不確定性，自然災(zāi)害發(fā)生的時(shí)間、區(qū)域及頻度難以精確預(yù)測(cè)；③連鎖性，綜合管廊自然災(zāi)害中可能誘發(fā)另外兩種災(zāi)害的發(fā)生。

表1 城市地下綜合管廊事故統(tǒng)計(jì)

圖1 城市地下綜合管廊災(zāi)害分類

綜合管廊人為災(zāi)害是由人的故意行為或操作不當(dāng)引起，主要包括管理人員操作不當(dāng)、人或其他動(dòng)物的蓄意入侵和意外入侵，具有隱伏性和可防范性的特點(diǎn)，即該類型災(zāi)害致災(zāi)因素多處于隱伏狀態(tài)，但可通過(guò)有效的措施提前防止這類災(zāi)害的形成。綜合管廊技術(shù)災(zāi)害是由于技術(shù)失當(dāng)或管理失誤引起的，致災(zāi)因素最多，存在最為廣泛，具有顯著地技術(shù)性和區(qū)域性的特點(diǎn)。綜合管廊的建設(shè)和運(yùn)營(yíng)涉及到多種技術(shù)的應(yīng)用，不同技術(shù)的使用兼顧不同的方面和不同區(qū)域，而某種技術(shù)災(zāi)害通常只會(huì)影響它所控制的區(qū)域，較難擴(kuò)散到綜合管廊的所有艙室和綜合管廊全部長(zhǎng)度范圍。

2 綜合管廊防災(zāi)減災(zāi)原則

綜合管廊防災(zāi)減災(zāi)工作的順利開展，需要把契合其特點(diǎn)的防災(zāi)減災(zāi)原則滲透到規(guī)劃、設(shè)計(jì)、施工和運(yùn)營(yíng)的全生命周期，以達(dá)到控制災(zāi)害出現(xiàn)幾率最小化和災(zāi)害損失最小化。廣泛的調(diào)研發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有管廊工程和科研成果蘊(yùn)含有災(zāi)害防治思想，可總結(jié)為如下三條綜合管廊防災(zāi)減災(zāi)原則。

(1) 發(fā)展、減災(zāi)，齊頭并進(jìn)

綜合管廊的發(fā)展和減災(zāi)本質(zhì)上是正相關(guān)的，兩者相輔相成、不可分割。“減災(zāi)”的意義可以從兩個(gè)方面表述，既可表述為通過(guò)建設(shè)管廊并發(fā)揮它協(xié)調(diào)管道、監(jiān)控預(yù)測(cè)等功能來(lái)減少由于地面盲目開挖和管線陳舊等問(wèn)題帶來(lái)的災(zāi)害，減少城市功能受損的幾率，實(shí)現(xiàn)地下空間的可持續(xù)利用并抵抗一定的自然災(zāi)害[5]；又可表述為在管廊內(nèi)部和周圍采取必要的消防措施來(lái)保障其內(nèi)部管線的安全運(yùn)營(yíng)，防止管廊成為“隱蔽的定時(shí)炸彈”。也就是說(shuō)“減災(zāi)”意味著管廊建設(shè)的目的之一是減少城市中人為災(zāi)害和部分自然災(zāi)害，另外也要采取必要的措施減輕管廊自身可能帶來(lái)的災(zāi)害。管廊對(duì)于城市的減災(zāi)作用是城市的需要，這也正是促使管廊發(fā)展的原因之一；而管廊做好自身的減災(zāi)是其為城市減災(zāi)的前提。因此管廊事業(yè)的發(fā)展需要管廊對(duì)自身和對(duì)城市“減災(zāi)”，正是由于其具有減災(zāi)效果，才使之有用武之地并得到蓬勃發(fā)展。

(2) 預(yù)防為主，防患未然

防災(zāi)減災(zāi)的基本原則是“災(zāi)前防、災(zāi)中抗、災(zāi)后救”，在這三個(gè)階段中要做到“預(yù)防為主、抗救相結(jié)合”[6]。在這種思想的指導(dǎo)下，綜合管廊防災(zāi)形成了以降低災(zāi)害誘因?yàn)橹鞯乃悸?。即提前把握致?zāi)因子，采取預(yù)防措施盡量降低災(zāi)害發(fā)生的可能性，而不把重點(diǎn)放到災(zāi)后救援與重建上?！冻鞘芯C合管廊工程技術(shù)規(guī)范》[1]中規(guī)定了“天然氣管道應(yīng)在獨(dú)立艙室內(nèi)敷設(shè)”、“熱力管道不應(yīng)與電力電纜同艙敷設(shè)”、“天然氣管道應(yīng)采用無(wú)縫鋼管”……此類規(guī)定要求綜合管廊在設(shè)計(jì)階段就必須起到預(yù)防運(yùn)維期災(zāi)害的作用。仲崇軍[7]結(jié)合廣州知識(shí)城KS1路綜合管廊不采用自動(dòng)滅火系統(tǒng)的消防設(shè)計(jì)方案，提出盡可能在防火措施上考慮完善，而不把大部分費(fèi)用用在事后消防設(shè)備上來(lái)，從而節(jié)約工程造價(jià)。孫磊等[8]通過(guò)廣泛的調(diào)研分析提出在規(guī)模較小、覆蓋面積較小、電壓等級(jí)低的電力電纜綜合管廊，可采取有效的工程措施而不設(shè)置自動(dòng)滅火系統(tǒng)裝置。

(3) 抗、救為輔，亡羊補(bǔ)牢

現(xiàn)實(shí)中災(zāi)害預(yù)防很難做到萬(wàn)無(wú)一失，況且像地震這樣的自然災(zāi)害不能提前預(yù)測(cè)，因此在災(zāi)害發(fā)生時(shí)綜合管廊需要有完善的抗災(zāi)策略和及時(shí)有效的救災(zāi)措施?；馂?zāi)在剛形成時(shí)需要信息化智能化消防系統(tǒng)及時(shí)報(bào)警和盡快滅火；管廊滲漏水和不均勻沉降需要在日常巡檢中及時(shí)發(fā)現(xiàn)，并盡快采取措施抵抗災(zāi)害，保證管廊的正常工作。通過(guò)這些措施控制災(zāi)害蔓延減少災(zāi)害帶來(lái)的損失并降低二次災(zāi)害發(fā)生的可能性，亡羊補(bǔ)牢，猶未遲也。

3 綜合管廊火災(zāi)事故及應(yīng)對(duì)措施

3.1 火災(zāi)發(fā)生機(jī)理

可燃物的類型和數(shù)量是引起綜合管廊火災(zāi)的主要因素[9]。綜合管廊中可能會(huì)誘發(fā)火災(zāi)的管線主要有電力電纜、天然氣管道和污水管。

(1)電力電纜引起的火災(zāi)。電力電纜發(fā)生火災(zāi)的一個(gè)必要條件是溫度到達(dá)電纜保護(hù)層的著火點(diǎn)。通常有三個(gè)方面的因素夠滿足這一條件：①廊內(nèi)通風(fēng)降溫效果不明顯引起熱量消散延遲，包括通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)不合理、部分通風(fēng)設(shè)備發(fā)生故障；②電力電纜自身起火，分別包括：電纜相間短路、電纜對(duì)地短路、電纜接觸不良和電纜線路過(guò)載，其中前三者造成局部火災(zāi)，而電纜線路過(guò)載會(huì)引起整條電纜多起火災(zāi)；③外來(lái)火源，主要指維修人員帶來(lái)的火源和其他無(wú)意或故意縱火[10]。

(2)燃?xì)夤艿酪鸬幕馂?zāi)。管道內(nèi)運(yùn)輸?shù)娜細(xì)庑孤┖螅葍?nèi)形成爆燃性氣體環(huán)境才會(huì)發(fā)生此類火災(zāi)，沒(méi)有泄漏的燃?xì)馀搩?nèi)缺乏可燃物質(zhì)較難形成火災(zāi)。燃?xì)庑孤┖?，泄露的燃?xì)夂凸芾葍?nèi)的空氣形成混合物，隨著燃?xì)鉂舛鹊闹饾u增加，并達(dá)到爆炸濃度下限，形成了爆燃性環(huán)境。如果此時(shí)管廊內(nèi)溫度升高到一定程度或有火星出現(xiàn)，可燃物(燃?xì)?、助燃物(氧氣)和引火源燃燒三要素能得到滿足即形成火災(zāi)，某些情況下會(huì)引起爆炸。這類火災(zāi)常發(fā)生在通風(fēng)條件不良的區(qū)域[11]。

(3)污水管道引起的火災(zāi)。此類火災(zāi)和燃?xì)夤艿阑馂?zāi)相似，主要區(qū)別是可燃物質(zhì)及其來(lái)源不同。排放的污水既包括生活污水也有工業(yè)廢水，采用管道排放使管內(nèi)污水處于無(wú)氧環(huán)境中。這種環(huán)境下，生活污水中的有機(jī)物容易被產(chǎn)甲烷細(xì)菌分解生成甲烷；工業(yè)廢水中可能存在蛋白質(zhì)、油脂、有機(jī)酸、碳水化合物等有機(jī)物，在微生物分解作用下產(chǎn)生硫化氫、一氧化碳等可燃?xì)怏w[12]。它們從管道內(nèi)泄漏出去，在合適的條件下會(huì)引起火災(zāi)。

3.2 消防措施

廣義上講綜合管廊的消防措施可以分為“兩道防線”，“第一道防線”是管廊結(jié)構(gòu)和入廊管線的防火設(shè)計(jì)，這是管廊防災(zāi)的第一要?jiǎng)?wù)；“第二道防線”是管廊的信息化智能化消防系統(tǒng)。

3.2.1 管廊結(jié)構(gòu)和入廊管線的防火設(shè)計(jì)

在管廊結(jié)構(gòu)和入廊管線設(shè)計(jì)中常用的防火設(shè)計(jì)方法主要有：

(1)管線分艙布局。危險(xiǎn)性高的管道(如天然氣管道)要在獨(dú)立艙內(nèi)敷設(shè)；相互影響而發(fā)生火災(zāi)的管道(如熱力管道和電力電纜)不能同艙敷設(shè)[1]。

(2)使用耐火材料。天然氣管道要采用無(wú)縫鋼管；電力電纜采用阻燃電纜或不燃電纜；除鑲嵌材料外，管廊內(nèi)裝修材料采用不燃材料等[1]。

(3)采用防爆電氣。防爆電氣的使用減少了火源出現(xiàn)的幾率。

(4)設(shè)置防火分區(qū)。防火分區(qū)的設(shè)置有利于阻止火災(zāi)的蔓延，使之控制在一定的區(qū)域內(nèi)。

(5)合理設(shè)計(jì)通風(fēng)系統(tǒng)。合適的通風(fēng)條件不但能降低管廊內(nèi)空氣溫度還可以降低艙內(nèi)可燃?xì)怏w濃度防止出現(xiàn)爆燃性環(huán)境。綜合管廊內(nèi)宜采用自然進(jìn)風(fēng)和機(jī)械排風(fēng)相結(jié)合的方式，其中在天然氣管道艙和含有污水管道的艙室內(nèi)應(yīng)采用機(jī)械進(jìn)風(fēng)、機(jī)械排風(fēng)的方式[1]。

3.2.2 智能化信息化消防系統(tǒng)

一旦火災(zāi)形成并突破災(zāi)前預(yù)防的“第一道防線”，智能化信息化消防措施得以大顯身手。管廊內(nèi)消防聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)是火災(zāi)探測(cè)報(bào)警系統(tǒng)+消防控制中心+滅火系統(tǒng)，分別執(zhí)行發(fā)現(xiàn)火情、指揮滅火和實(shí)施滅火的任務(wù)。

(1)火災(zāi)探測(cè)報(bào)警系統(tǒng)。最為關(guān)鍵的是天然氣探測(cè)系統(tǒng)和火災(zāi)探測(cè)系統(tǒng)。

天然氣泄漏根據(jù)泄漏量的大小可分為微孔泄漏、小孔泄漏和斷裂暴露。同時(shí)根據(jù)探頭的安裝位置把氣體泄漏探測(cè)分為內(nèi)部探測(cè)和外部探測(cè)，前者把探測(cè)器安裝在管道上，后者則安裝在管道周圍[13]。甲烷泄漏時(shí)最先向最高空間擴(kuò)散，且濃度沿高度層狀分布[14]，因此微孔泄漏由于泄漏量小只能采用外部探測(cè)，且探測(cè)器宜安裝在距離頂板較近的位置；靠近管道壁面甲烷濃度有所增加，因此小孔泄漏和斷裂暴露因泄漏量較大適合采用內(nèi)部探測(cè)；甲烷摩爾組分濃度沿管廊軸向隨距離增加而迅速下降，鑒于此探測(cè)器需每隔一段距離進(jìn)行安裝。實(shí)際工程中為減少漏報(bào)，需采用外部探測(cè)和內(nèi)部探測(cè)相結(jié)合的全面探測(cè)[13]。

火災(zāi)的表現(xiàn)形式是火焰出現(xiàn)、溫度大幅升高、大量煙霧產(chǎn)生和氣體急劇膨脹，因此常用的火災(zāi)探測(cè)器有紅外火焰探測(cè)器、感煙火災(zāi)報(bào)警器、感溫火災(zāi)報(bào)警器等，應(yīng)依據(jù)管線特點(diǎn)針對(duì)不同的廊道采用合適的報(bào)警器。電力纜線管廊內(nèi)不宜采用感煙火災(zāi)報(bào)警器和感溫火災(zāi)報(bào)警器，因?yàn)榇祟惱|線容易發(fā)熱，在沒(méi)有著火時(shí)已經(jīng)產(chǎn)生了黑煙霧和易燃?xì)怏w，而可以采用紅外火焰探測(cè)報(bào)警器，但它的視野可能會(huì)被管線遮擋，因此安裝地點(diǎn)的選擇需尤為慎重。Hiromitsu Ishii等提出了一種光導(dǎo)纖維火災(zāi)探測(cè)系統(tǒng)，此系統(tǒng)可在30 s內(nèi)檢測(cè)長(zhǎng)達(dá)2 km的管廊，且能在誤差5 m內(nèi)定位火源，所測(cè)點(diǎn)溫度誤差不超過(guò)5℃，具有較高的準(zhǔn)確性和實(shí)效性[15]。近期用于管廊安全監(jiān)控的機(jī)器人也得到了較大的發(fā)展，其中集成了紅外測(cè)溫、氣體檢測(cè)、煙霧檢測(cè)以及圖像識(shí)別技術(shù)，改被動(dòng)防范為主動(dòng)防范。能夠完成日常巡檢、可疑點(diǎn)復(fù)查、特殊任務(wù)、數(shù)據(jù)分析、分析報(bào)警等任務(wù)。

(2)消防控制中心。分為總控中心和分控中心，它們和探測(cè)系統(tǒng)、滅火系統(tǒng)協(xié)調(diào)工作進(jìn)行消防。管廊內(nèi)的探測(cè)系統(tǒng)把感知的天然氣濃度、溫度、煙霧等信息傳輸?shù)椒挚刂行?，分控中心采集管廊環(huán)境與設(shè)備信息、安防與消防信息、管線狀態(tài)信息、報(bào)警信息及應(yīng)急響應(yīng)信息等實(shí)時(shí)信息，并將信息上傳到本地服務(wù)器或視頻矩陣，供總控中心監(jiān)控程序連接訪問(wèn)?？偪刂行膶?duì)接受的信息進(jìn)行分析與處理，生成并發(fā)布控制信息給分控中心。分控中心再對(duì)管廊內(nèi)的設(shè)備和設(shè)施等進(jìn)行控制實(shí)施滅火[16]。這一過(guò)程實(shí)現(xiàn)了以云計(jì)算、云存儲(chǔ)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為核心的集中一體化監(jiān)控。

(3)滅火系統(tǒng)。主要包括消防站點(diǎn)和自動(dòng)滅火系統(tǒng)。消防站點(diǎn)中需安裝消火栓和滅火器，只有在工作者進(jìn)入管廊中才能發(fā)揮作用。自動(dòng)滅火系統(tǒng)具有較高的時(shí)效性，收到消防控制中心的指揮后能立即實(shí)施滅火。常用的自動(dòng)滅火系統(tǒng)有二氧化碳滅火系統(tǒng)、氣溶膠滅火系統(tǒng)、水噴霧滅火系統(tǒng)和泡沫滅火系統(tǒng)。通過(guò)理論分析和對(duì)已運(yùn)營(yíng)的管廊案例進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)水噴霧滅火系統(tǒng)和s型氣溶膠滅火系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)最明顯，前者可帶電消防、設(shè)備簡(jiǎn)單、降溫有效、適應(yīng)性強(qiáng)而且造價(jià)低廉，適合固體、可燃液體和電氣火災(zāi)，后者設(shè)置方便、滅火效率高、占用空間小、造價(jià)低而且可帶電消防特別適用于電氣火災(zāi)[17]。

4 綜合管廊地震及應(yīng)對(duì)措施

1970年代之前，學(xué)者們普遍認(rèn)為地震對(duì)地下建筑物影響有限，然而近幾十年調(diào)查發(fā)現(xiàn)位于地下的綜合管廊在強(qiáng)震中損壞也時(shí)有發(fā)生[18]。絕大多數(shù)綜合管廊是典型的箱形淺埋鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，因其埋深較淺，地震的毀壞程度會(huì)比深埋結(jié)構(gòu)嚴(yán)重得多。為保障管廊安全，有必要弄清其在地震作用下的破壞機(jī)理并采取應(yīng)對(duì)措施。

4.1 綜合管廊地震破壞機(jī)理

地震波包括縱波(P波)、橫波(S波)、瑞利波(R波)和勒夫波(Q波)，綜合管廊對(duì)其響應(yīng)特征各不相同，總體上可從四個(gè)方面進(jìn)行分析。

(1)震動(dòng)響應(yīng)。橫波(主要指垂直偏振橫波)引起綜合管廊水平震動(dòng)，縱波和瑞利波引起垂直震動(dòng)。

(2)變形響應(yīng)。作為一種地下結(jié)構(gòu)的綜合管廊符合地震波作用下地下結(jié)構(gòu)的變形特征，其變形可分為軸向拉壓變形，如圖2a；軸向彎曲變形，如圖2b；截面橢圓變形(圓形截面)或擠壓變形(矩形截面)，如圖2c、圖2d，前兩種變形是波沿結(jié)構(gòu)軸向傳播引起的；后一種是波入射方向垂直于結(jié)構(gòu)引起的[19]。其中，綜合管廊彎曲變形最為常見，它主要由橫波和瑞利波引起，但兩者區(qū)別較大，在橫波作用下，結(jié)構(gòu)上下表面對(duì)應(yīng)點(diǎn)應(yīng)變幅值大小相差不大；而在瑞利波作用下，結(jié)構(gòu)頂面的應(yīng)變幅值比對(duì)應(yīng)底面的應(yīng)變幅值大得多，大約是前者的2倍[20-21]。而且彎曲變形的最大應(yīng)變分布呈現(xiàn)出中間大兩頭小的特征，且隨著加速度峰值的增大而增大[20]。

圖2 地震作用下地下結(jié)構(gòu)的主要變形形式

(3)位移響應(yīng)。體波(包括縱波和橫波)引起綜合管廊橫向位移，瑞利波引起豎向位移，且三種波中瑞利波能產(chǎn)生自由面的最大位移[22]-[23]。

(4)液化土中的響應(yīng)。松散沙質(zhì)沉積地基在地下水位較高的情況下發(fā)生地震常伴隨砂土液化發(fā)生，液化土中結(jié)構(gòu)的震害與地基失效密切相關(guān)。場(chǎng)地液化引起結(jié)構(gòu)的上浮，是綜合管廊在地震中破壞的原因之一[24]。液化后的土體一方面產(chǎn)生很大的側(cè)向擴(kuò)展，另一方面使上覆土體有效應(yīng)力急劇減小，直接導(dǎo)致綜合管廊產(chǎn)生很大的上浮位移和側(cè)向位移[25]。

綜合管廊在地震作用下的各種響應(yīng)達(dá)到一定程度后必然導(dǎo)致破壞。管廊廊體總體表現(xiàn)為彎剪破壞，且脆性明顯，混凝土裂縫從腋角邊緣開始出現(xiàn)。綜合管廊節(jié)點(diǎn)破壞形態(tài)為受彎破壞，且主要集中在壁板下部和變截面附近區(qū)域；腋角變截面處首先出現(xiàn)彎曲裂縫，逐漸發(fā)展為剪切裂縫[26]。此外，綜合管廊中的管線和支架也會(huì)被地震破壞[27]，經(jīng)常表現(xiàn)為管線從支座或扣環(huán)掉落、管線接頭扭傷或拉傷、管道破裂、管線支架脫落等。

4.2 應(yīng)對(duì)措施

為減弱地震的不利影響需在綜合管廊廊體結(jié)構(gòu)接頭和構(gòu)造方面采取措施，通常在接頭處采用柔性接頭，能降低震動(dòng)，減輕縱向應(yīng)變，同時(shí)對(duì)溫度變化引起的熱脹冷縮進(jìn)行補(bǔ)償；接頭還應(yīng)宜采用預(yù)應(yīng)力筋、螺栓或承插式接頭。在構(gòu)造上需滿足管廊主承重側(cè)壁的厚度不宜小于250 mm，非承重墻和隔墻等構(gòu)件的厚度不宜小于200 mm；混凝土保護(hù)層厚度迎水面不宜小于50 mm；角部配筋須加強(qiáng)加密，減少初始裂縫的出現(xiàn)。

為減少地震中管道的損傷，Aiping Tang等設(shè)計(jì)了一種用于綜合管廊管道的鉛芯隔震橡膠裝置。它是在普通橡膠隔震支座中開孔注鉛，充分利鉛芯的彈塑性性能，使鉛充當(dāng)阻尼，發(fā)揮鉛芯耗散地震能量的作用，減小地震震害。通過(guò)振動(dòng)臺(tái)實(shí)驗(yàn)和有限元數(shù)值模擬證明這種裝置可以使管道地震響應(yīng)減少50%～60%[18]。抗震支吊架也能減弱管道地震響應(yīng)，它由錨固體、加固吊桿、抗震連接構(gòu)件及抗震斜撐組成，通過(guò)抗震支吊架連接管線與廊體，將管線承受的地震作用傳遞到廊體上，可降低震動(dòng)減少位移，為管線提供可靠的保護(hù)。因抗震支吊架把地震對(duì)管線的作用傳到了廊體，廊體的抗震性能必須有充分的保證。

5 其他災(zāi)害及應(yīng)對(duì)措施

5.1 人為災(zāi)害

綜合管廊內(nèi)集中的大量市政管線是城市的“生命線”，一旦遭受破壞將使城市面臨癱瘓，因此很容易成為蓄意破壞和恐怖襲擊的目標(biāo)。有可能進(jìn)行這一破壞活動(dòng)的主要有刻意入侵者(包括極端主義者、犯罪分子、暴力的激進(jìn)分子、故意破壞者、城市探險(xiǎn)家)和從事管廊工作的失意員工。在這種人為災(zāi)害中，人的主觀思想是誘導(dǎo)災(zāi)害的重要原因，對(duì)其防治需要在注重技術(shù)手段的基礎(chǔ)上強(qiáng)調(diào)非技術(shù)手段。通常采用的技術(shù)手段是在出入口處采用智能電子井蓋，它能監(jiān)控井蓋是否為異常打開，并及時(shí)向控制中心匯報(bào)；也可以在出入口安裝紅外入侵報(bào)警器，進(jìn)行非法入侵探測(cè)和報(bào)警。非技術(shù)手段是制定綜合管廊防入侵方案，一種以上述人員作為分析對(duì)象，基于彩色標(biāo)度、德爾菲法和層次分析法(AHP)的綜合管廊安全策略規(guī)劃專家系統(tǒng)，能為綜合管廊防入侵方案提供思路[28]。

5.2 滲漏水問(wèn)題

綜合管廊像其他地下工程一樣，易遭到滲漏水問(wèn)題的困擾。通常混凝土結(jié)構(gòu)施工缺陷、外界水壓過(guò)高、地表車輛震動(dòng)荷載都是引起管廊滲漏水的原因，此外，必須指出的是，管廊內(nèi)的熱力管線、電纜線等管線會(huì)使廊內(nèi)溫度明顯高于外界，管廊由于內(nèi)外部溫差產(chǎn)生劣化，進(jìn)而出現(xiàn)裂縫發(fā)生滲漏水。滲漏水部位主要集中在管廊結(jié)構(gòu)面混凝土缺陷處、拼裝接縫、變形縫、沉降縫等。根據(jù)滲水量的不同應(yīng)采取相應(yīng)的方法進(jìn)行維修堵水，通常采用防水涂料修補(bǔ)裂縫結(jié)合注漿背襯的方法，其中注漿常用化學(xué)注漿、固體注漿、帷幕注漿、回填注漿相結(jié)合。除傳統(tǒng)注漿外，王復(fù)明院士提出的滲漏涌水快速治理復(fù)合注漿技術(shù)采用發(fā)泡聚氨酯類非水反應(yīng)高聚物作為注漿材料，能夠快速防滲堵涌，具有早強(qiáng)、高效、經(jīng)濟(jì)的優(yōu)點(diǎn)，工程實(shí)踐效果極好[29]。

5.3 不均勻沉降問(wèn)題

相比施工期間綜合管廊發(fā)生的沉降，運(yùn)維期管廊內(nèi)因有大量管線其沉降更應(yīng)引起關(guān)注。運(yùn)維期間管廊會(huì)因地下水劇烈變化、周圍基坑開挖等因素發(fā)生沉降，管廊不均勻沉降不但會(huì)引起廊體結(jié)構(gòu)開裂、滲漏水，還會(huì)造成廊內(nèi)管道變形、斷裂，從而誘發(fā)更大的災(zāi)害。為及時(shí)控制沉降，保持管廊正常工作，常用對(duì)管廊底部土體進(jìn)行跟蹤注漿保護(hù)的方法。對(duì)下沉段管廊底部土體進(jìn)行分層疊加注漿，多次注漿，每次少量，嚴(yán)格控制管廊抬升量，避免注漿施工加劇土層擾動(dòng)[30]。

5.4 環(huán)境安全問(wèn)題

綜合管廊檢修維護(hù)目前主要依靠人力，工作人員深入管廊內(nèi)施工作業(yè)期間必須保證管廊內(nèi)的氣體環(huán)境不危害人身安全。而管廊內(nèi)部空氣中可能存在的潛在威脅主要有：溫度過(guò)高、濕度過(guò)大、氧氣濃度不足、有毒有害氣體濃度超標(biāo)和危險(xiǎn)物質(zhì)堆積(危險(xiǎn)物包括致癌物質(zhì)、細(xì)菌等)，如圖1所示。前四種威脅對(duì)人體的傷害顯而易見，以石棉纖維為代表的致癌物質(zhì)和以軍團(tuán)菌為代表的細(xì)菌威脅易被忽視[11]。石棉具有較好的耐火性、絕緣性、絕熱性和耐化學(xué)腐蝕性，在一些國(guó)家的綜合管廊內(nèi)中被采用。然而它易分裂成極細(xì)的元纖維懸浮在空氣中，在管廊這種封閉場(chǎng)所內(nèi)遷移困難，被吸入會(huì)誘發(fā)肺部疾病和癌癥。為降低管廊內(nèi)氣體環(huán)境帶來(lái)的傷害，在進(jìn)入管廊之前必須穿戴足夠的保護(hù)設(shè)備且不能單獨(dú)進(jìn)入，在進(jìn)入沒(méi)有通風(fēng)設(shè)備的管廊之前還必須進(jìn)行氣體測(cè)試；最好留有一個(gè)穿戴同樣保護(hù)措施的人員在入口外以防不測(cè)[11]。此外管廊內(nèi)有臟水或者濕度很高的部位很可能滋生細(xì)菌群落，尤其是給排水管附近引發(fā)軍團(tuán)病的軍團(tuán)菌。在管廊內(nèi)要減少與冷水直接接觸，必要時(shí)帶上安全眼鏡，穿戴合適的呼吸防護(hù)，并在工作后清洗身體暴露部位。

6 結(jié)論

本文對(duì)城市地下綜合管廊常見災(zāi)害及其應(yīng)對(duì)措施的研究進(jìn)行了系統(tǒng)的分析和總結(jié)。主要涉及綜合管廊事故統(tǒng)計(jì)及其災(zāi)害分類、防災(zāi)減災(zāi)原則、火災(zāi)和地震等災(zāi)害發(fā)生機(jī)理及其應(yīng)對(duì)措施等，得出以下結(jié)論：

(1)綜合管廊運(yùn)維期間常見災(zāi)害基于成因可分為綜合管廊自然災(zāi)害、綜合管廊人為災(zāi)害和綜合管廊技術(shù)災(zāi)害。自然災(zāi)害源于自然變異，其防治依靠技術(shù)手段，后兩種災(zāi)害和人的行為密切相關(guān)，其防治需技術(shù)手段和非技術(shù)手段聯(lián)合采用。

(2)綜合管廊火災(zāi)發(fā)生的幾率最大，其防治需要兩道“防線”相結(jié)合，既要在管廊設(shè)計(jì)上減少致災(zāi)因子，又要采取信息化智能化消防聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)。地震中管廊破壞主要是由地震波的作用和場(chǎng)地破壞引起，其中接頭破壞最為嚴(yán)重，可通過(guò)改變結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來(lái)改善，管線抗震可通過(guò)安裝抗震支吊架來(lái)實(shí)現(xiàn)。

(3)提出了“發(fā)展、減災(zāi)，齊頭并進(jìn)”、“預(yù)防為主，防患未然”和“抗、救為輔，亡羊補(bǔ)牢”三條綜合管廊防災(zāi)減災(zāi)原則，對(duì)我國(guó)綜合管廊發(fā)展和防災(zāi)減災(zāi)具有參考意義。

(4)目前綜合管廊災(zāi)害的機(jī)理研究和措施的提出只局限于特定災(zāi)害，實(shí)際上在管廊內(nèi)部各類災(zāi)害具有耦合、共生、伴生的災(zāi)害鏈?zhǔn)教卣?，多?zāi)種耦合事故致災(zāi)機(jī)理的研究和綜合安全防控平臺(tái)的構(gòu)建有待進(jìn)一步開展。