中國市政工程西南設(shè)計(jì)研究總院 李斌 楊羅

城市地鐵軌道交通的蓬勃發(fā)展給城市綜合工程管線帶來新的挑戰(zhàn)。特別是城市燃?xì)獾钠占埃細(xì)夤艿琅c地鐵的安全距離、地鐵雜散電流的腐蝕愈來愈引起人們的重視。

1 地鐵與燃?xì)夤艿腊踩g距

1.1 基本概念

地鐵定義：在城市中修建的快速、大運(yùn)量用電力牽引的軌道交通。線路通常設(shè)在地下隧道內(nèi)，也有的在城市中心以外地區(qū)由地下轉(zhuǎn)到地面或高架橋。

地鐵線路一般規(guī)定：地鐵的線路敷設(shè)方式，應(yīng)根據(jù)城市總體規(guī)劃和地理環(huán)境條件因地制宜地選擇，一般在城市中心地區(qū)宜采用地下線，其他地區(qū)條件許可時(shí)宜采用高架線或地面線。

城鎮(zhèn)燃?xì)夤艿劳ㄟ^的地區(qū)，應(yīng)按沿線建筑物的密度程度劃分為4個管道地區(qū)等級，并依據(jù)管道地區(qū)等級做出相應(yīng)的管道設(shè)計(jì)。

地鐵主要服務(wù)對象為城市中心地區(qū)居民，管道經(jīng)過的地區(qū)等級為四級。根據(jù)《城鎮(zhèn)燃?xì)庠O(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50028—2006)規(guī)定，四級地區(qū)地下燃?xì)夤艿垒斉鋲毫Σ粦?yīng)大于4.0 MPa(表壓)。

根據(jù)地鐵在城區(qū)內(nèi)的主要建設(shè)方式和城區(qū)內(nèi)燃?xì)夤艿垒斉鋲毫壷?，本文主要探討四級地區(qū)地下敷設(shè)地鐵與不大于4.0 MPa埋地燃?xì)夤艿赖陌踩g距。

根據(jù)地鐵限界規(guī)定，地鐵限界分為車輛限界、設(shè)備限界、建筑限界。建筑限界是在設(shè)備限界基礎(chǔ)上，考慮了設(shè)備和管線安裝尺寸后的最小有效截面積。地鐵限界見圖1。因此，地鐵與燃?xì)夤艿浪健⒋怪卑踩g距即為地鐵構(gòu)筑物外壁與燃?xì)夤艿劳獗诘陌踩珒艟唷?/p>

圖1 地鐵限界示意

1.2 規(guī)范規(guī)定

《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》及相關(guān)地鐵行業(yè)規(guī)范中未對地鐵與燃?xì)夤艿浪桨踩g距進(jìn)行規(guī)定和說明。

《城鎮(zhèn)燃?xì)庠O(shè)計(jì)規(guī)范》對鐵路路堤坡腳、有軌電車鋼軌、建筑物進(jìn)行了水平、垂直間距規(guī)定。主要規(guī)定如下：

表1 地下燃?xì)夤艿琅c建筑物、構(gòu)筑物水平凈距

高壓燃?xì)夤艿啦灰诉M(jìn)入四級地區(qū)；當(dāng)受條件限制需要進(jìn)入或通過四級地區(qū)時(shí)，應(yīng)遵守下列規(guī)定：

(1)高壓A地下燃?xì)夤艿琅c建筑物外墻面之間的水平凈距不應(yīng)小于30 m (當(dāng)管道壁厚δ≥9.5 mm或?qū)θ細(xì)夤艿啦扇∮行У谋Ｗo(hù)措施時(shí)，不應(yīng)小于15 m)；

(2)高壓B地下燃?xì)夤艿琅c建筑物外墻面之間的水平凈距不應(yīng)小于16 m(當(dāng)管壁厚度δ≥9.5mm對燃?xì)夤艿啦扇∮行У谋Ｗo(hù)措施時(shí)，不應(yīng)小于10 m)；

(3)管道分段閥門應(yīng)采用遙控或自動控制。

上海地方標(biāo)準(zhǔn)《城鎮(zhèn)高壓、超高壓天然氣管道工程技術(shù)規(guī)程》規(guī)定高壓管線依據(jù)管徑的不同距地鐵水平間距為15~25 m。安全間距不能滿足要求時(shí)當(dāng)采取一定措施后，安全間距可相應(yīng)減小到5 m和8 m。

表2 地下燃?xì)夤艿琅c構(gòu)筑物之間垂直凈距

城區(qū)內(nèi)建筑密度大居民稠密，地鐵一般沿城市道路下方敷設(shè)。一般地鐵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)多采用盾構(gòu)法結(jié)構(gòu)，通風(fēng)井和站臺多采用護(hù)壁結(jié)構(gòu)。根據(jù)盾構(gòu)法施工的區(qū)間隧道的覆土厚度不宜小于隧道外輪廓直徑等相關(guān)規(guī)定，上海地區(qū)隧道覆土厚度一般為10 m左右，通風(fēng)井和站臺地下結(jié)構(gòu)覆土厚度一般為3 m左右。

城市燃?xì)夤艿涝跈C(jī)動車道管頂覆土厚度不小于0.9 m，因此燃?xì)夤艿酪话阄挥诘罔F隧道上部敷設(shè)。而表2所列間距為燃?xì)夤艿缽蔫F路或有軌電車底部敷設(shè)，因此規(guī)范未明確燃?xì)夤艿缽牡罔F隧道上部敷設(shè)的垂直間距要求。

1.3 結(jié)論

通過上述比較和分析，結(jié)合上海地區(qū)地鐵與燃?xì)夤艿缹?shí)際工程情況，地鐵與燃?xì)夤艿赖乃桨踩g距：次高壓以下管道應(yīng)控制5 m以上，次高壓管道應(yīng)控制10 m以上，高壓管道應(yīng)控制15 m以上。而位于地鐵隧道上部的燃?xì)夤艿?，由于燃?xì)夤艿缀退淼理敳烤嚯x較大，當(dāng)采取安全措施并經(jīng)相關(guān)部門同意后，燃?xì)夤艿酪话憧芍苯訌乃淼理敳糠笤O(shè)通過。

2 地鐵雜散電流對燃?xì)夤艿赖挠绊?/h2>

2.1 雜散電流的產(chǎn)生

雜散電流：在非指定回路上流動的電流。

地鐵雜散電流主要是由采用直流供電牽引方式的地鐵列車在地下鐵道運(yùn)行時(shí)泄漏到道床及其周圍土壤介質(zhì)中的電流，見圖2。

圖2 雜散電流形成示意

2.2 雜散電流的危害

雜散電流主要是對地鐵周圍的埋地金屬管道、通訊電纜以及車站和區(qū)間隧道主體結(jié)構(gòu)中的鋼筋發(fā)生電化學(xué)腐蝕，它不僅能縮短金屬管、線的使用壽命，而且還會降低地鐵鋼筋混凝土主體結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和耐久性，產(chǎn)生安全隱患。

雜散電流的對埋在土壤中的金屬的電化學(xué)腐蝕，其腐蝕過程簡單描述如下。

(1)析氫腐蝕：

陽極：2Fe=2Fe2++4e-

陰極：4H++4e-= 2H2↑ (無氧酸性環(huán)境)

4H2O+4e-=4OH-+2H2↑ (無氧環(huán)境)

(2)吸氫腐蝕

陽極：2Fe=2Fe2++4e-

陰極：O2+2H2O+4e-=4OH-(有氧堿性環(huán)境)

根據(jù)《鐵路供電手冊》，每安培雜散電流每年腐蝕掉的金屬見表3。

表3 雜散電流金屬腐蝕量

根據(jù)上述情況和以前工程案例，若地鐵絕緣不好，雜散電流會造成隧道主體結(jié)構(gòu)和周邊埋地燃?xì)饨饘俟艿栏g穿孔等現(xiàn)象。

直流雜散電流對埋地金屬管道腐蝕的特點(diǎn)：

(1)腐蝕強(qiáng)度大，危害大。埋地金屬燃?xì)夤艿涝跊]雜散電流時(shí)，只有自然腐蝕，大部分為原電池型，驅(qū)動電位差只有幾百毫伏，腐蝕電流只有幾十毫安；而雜散電流干擾腐蝕時(shí)是電解電池原理，電位可達(dá)幾伏，電流最大可能上百安。根據(jù)法拉第電解定律，1 A的電流通過鋼管表面流向土壤溶液一年可溶解約 10 kg，由此可看出直流雜散電流干擾腐蝕相對其他原因引起的腐蝕嚴(yán)重得多。

(2)范圍廣，隨機(jī)性強(qiáng)。雜散電流干擾腐蝕范圍大，特別是地鐵的雜散電流幾乎影響整個城區(qū)的地下金屬管網(wǎng)；軌道與地的絕緣電阻、管道的防腐絕緣層電阻、土壤電阻率、電流大小等都是變化的，因此雜散電流流向也是隨機(jī)的，給防護(hù)帶來一定難度。

2.3 雜散電流的防護(hù)

2.3.1 加強(qiáng)地鐵產(chǎn)生雜散電流的控制

(1)以治本為主，提高直流牽引電壓，將地鐵雜散電流減小至最低限度。

(2)提高地鐵系統(tǒng)中的絕緣措施，限制雜散電流向地鐵外部的擴(kuò)散。

2.3.2 地鐵沿線燃?xì)夤艿缿?yīng)單獨(dú)采取有效的防蝕措施

(1)避開干擾源。燃?xì)夤艿啦季€時(shí)在符合安全要求前提下，合理選擇走向，避開地鐵、電纜等雜散電流干擾源?；虿扇κ茈s散電流干擾管道增設(shè)絕緣接頭，將被干擾的管道與主干線分隔開，把干擾限制在一定范圍，減輕干線的腐蝕。

(2)增加回路電阻。根據(jù)燃?xì)獾钠焚|(zhì)和輸送壓力盡量選用聚乙烯等管材。對于金屬管材，主要是采用防腐等級高的防腐絕緣層形式，采用耐雜散電流的防腐材料等，接口處采用熱縮套管。及時(shí)觀測雜散電流，及時(shí)修補(bǔ)和更換防腐絕緣層等。

(3)采取必要的排流措施。排流保護(hù)措施不同于管道的防腐設(shè)計(jì)，需按有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行干擾源及管道現(xiàn)場數(shù)據(jù)測定，根據(jù)具體情況進(jìn)行方案確定。排流保護(hù)措施主要有4種，即直接排流、極性排流、強(qiáng)制排流和接地排流。

3 結(jié)語

地鐵的發(fā)展與燃?xì)獾钠占霸诔鞘谢M(jìn)程中發(fā)揮了巨大的作用，但地鐵與燃?xì)夤艿腊踩g距的控制、雜散電流腐蝕的預(yù)防和消除尚處于研究初期，相關(guān)數(shù)據(jù)未實(shí)現(xiàn)共享。為了將安全隱患及時(shí)消除，我們還需要相關(guān)部門的協(xié)作配合和深入研究，根據(jù)工程的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，將安全間距控制在合理的范圍內(nèi)，既促進(jìn)城市公共交通的建設(shè)，又使得燃?xì)夤艿捞幱诎踩刂浦?。同時(shí)要求地鐵和燃?xì)夤芾聿块T進(jìn)行資源共享，建立城市燃?xì)夤艿姥鼐€雜散電流數(shù)據(jù)庫，制定防護(hù)措施和應(yīng)急預(yù)案，讓城市地鐵和燃?xì)飧玫胤?wù)于城市化建設(shè)。