哈尔滨地铁集团有限公司 黑龙江省哈尔滨市 150000
摘要：地铁给排水系统作为地铁工程重要的机电设备系统之一，其供水安全性直接关系到地铁的正常运行、乘客和国家财产的安全。在北方严寒地区，地铁车站的给排水管道易受冬季低温冻害影响，一旦发生管道冻裂，会在极大程度上影响系统供水的正常运行及安全。本文通过对哈尔滨地铁1号线车站给排水管道冻害影响因素分析，提出了一种安全可靠的地铁车站给排水管道电气绝缘设计方案，以实现冬季给排水系统安全、可靠供水的目的。同时，通过改善方式研究可为地铁内电绝缘系统的控制方式和选型提供参考，对后期地铁运营的能耗分析和成本控制提供参考意见。
关键词：严寒地区；地铁；给排水；管道
1严寒地区地铁给排水管道冻害及影响因素分析
1.1方案设计的影响
哈尔滨地铁1号线车站为实现安全运营，同时方便给水管线接入，设计时车站给水管线均由各站出入口、新风井、排风井以及活塞风井附近就近引入，给水管线引入车站后在站内分为生活及消防用水，系统管道均通过设备区走廊或公共区连接到各用水集中点。地铁车站排水系统通过污水一体化提升装置、地漏、区间等管线收集，后通过设备区、风道、风井或入口侧墙，利用提升设备和压力排水管道就近排入市政排水系统。
地铁车站出入口、风亭等建筑设计时，为实现装修美观并充分体现哈尔滨地域特色，车站出入口均采用玻璃幕形式。虽然该种形式设计简单优雅，与城市周边环境协调性好。但各车站出入口大厅存在进深同时由于并被透明的玻璃墙包围，虽然在入口处安装了防寒门帘，以及热空气幕来隔绝冷空气。但由于哈尔滨冬季严寒，冷空气的传导和对流交换巨大且冷风渗透压过大，使得冷空气由出入口侵袭至车站内部，出入口及站内温度过低，容易造成出入口给水及排水管线冻结开裂。
1.2管道埋深不足的影响
哈尔滨的最大冻土深度为2.05 m，车站结构顶板埋深一旦过小，极易造成结构顶板上给水管埋深不足，超过冻结深度，发生水管冻结冻裂。水管穿过风井并埋在风道的顶部，此时管线穿过风井后距风井钢筋混凝土顶板较小，有时局部仅2 m，埋设深度小于冻土深度，当冬季温度较低时，冷能通过结构顶传递到土壤甚至管道，导致水管冻结并影响其使用。
1.3车站环境控制系统运行方式的影响
根据设计要求，地铁站内部公共区域采用内循环通风，设备区域采用小新风预热通风，夏季排风，冬季内循环，排风改为送风模式。除车站入口处环境温度低影响水管冻结外，室外冷空气通过风井、风道与站台层轨道区域活塞风道下方中板与水平活塞气阀之间的间隙进入车站区间，同时空气在站内迂回风道内部流动，最终车站区间风井附近温度较低，易发生冬季给排水管线冻结现象。
1.4运营管理因素的影响
上述三种因素虽然可以在设计及施工阶段通过各专业配合并采取有效措施，尽量避免冻结损坏水管。但由于哈尔滨冬季气温极低，冰雪覆盖，大风冷害，虽然通过调整运行管理手段，在出入口增加防寒门帘，以及热空气幕，在风道加装防寒卷帘，用棉毡覆盖气门缝隙、乘客进出车站时管道保温或风道打开等多种措施，在一定程度上可以有效降低冻害发生频率，并在管道冻害方面取得了明显的改善。但由于冬季冷风侵袭过于严重，必须在后期运营管理阶段采取更加行之有效的措施，方可使严寒对地铁给排水管道造成的冻害危害降到最低。
2给排水管道的设计参数和电气绝缘的选择
在设计及实践过程中，通过采取有效的电气绝缘设计，可以有效改善严寒地区地铁给排水管道冻害影响，实现冬季给排水系统安全、可靠供水的目的，具体设计情况如下文所述。
2.1系统工作原理
电气绝缘系统由加热电缆、控制箱、温度传感器、加热电缆供电导线及铝槽胶带等组成。温度传感器放置在管道内的适当位置，温度控制模块设置在控制箱内。工作时当系统管道温度低于设定温度时，伴热系统自动启动，伴热电路开始工作，即管道被加热，管道温度上升；当管道温度上升到设定温度时，伴热系统自动停止加热。该伴热程序反复进行，使管道的温度始终保持恒定，从而对管道起到主动伴热保温的作用，实现冬季给排水管道正常运行。同时，在设计中电气绝缘控制系统可满足手动控制、自动控制、站内控制室远程监控三级控制，同时通过设置火灾自动报警功能，有效实现启停时间自动化和智能温度监控。设计中选用了低能耗的材料和产品，通过对系统的全面监控，实现了系统的能耗管理，提高了运行维护管理水平，降低了运行维护成本。
2.2参数选择
哈尔滨极端平均最低温度为-33。4 "C，设计保持温度为5 ~ 100℃，设计高温报警温度为15℃，低温报警温度为2℃，设计环境修正系数需选为1.3。设计选用50毫米厚复合硅酸镁作为外保温材料，其导热系数为0.047瓦/（米•摄氏度），同时，在保温材料外部保护包裹0.6毫米厚铝合金板，其耐火性均为不燃类。系统工作时，选取工作电压为220V，所选用的加热电缆为双导体恒功率，其绕组系数选择为：DN150—2，DN100—1.5，DN80—1.3，DN70—1.1。
2.3系统设计计算结果
以标准地下两层岛式站为例，通过站场给排水管道的布置和各专业管道综合设计，确定管道的平面位置、标高和伴热带布线。根据国家标准图集《管道和设备的保温、防结露和电伴热》（03S401）中提出的计算方法，对每根加热电缆进行了选择和计算，结果见表1。
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表1 电伴热选型计算表
续表1 电伴热选型计算表
3结论
综上，经过系统分析，上述研究成果在我国北方严寒地区的轨道交通行业设计领域得到了有效的推广和应用，同时也可为其他严寒城市的地铁设计、施工以及后续地铁运营的能耗分析和成本控制提供参考。
（1）哈尔滨地铁采用电气绝缘系统作为车站给排水系统冬季保温装置总体可行。同时，该电气绝缘系统可通过自动控制，有效协调防冻绝缘和节电之间关系，实现电气绝缘系统的综合监控和能源管理，便于维护和管理，降低运行成本。
（2）未来在严寒地区地铁设计时，建议加强建筑和环境控制系统防冻措施，通过专业间的协调，加强运行维护管理，防止站内给排水系统管道冻结事故发生，提高运行安全性。
（3）在严寒地区，尤其应注意地铁结构渗漏引起的冬季冻胀在设计时全面考虑区间轨行区废水的有组织排放，充分考虑环境温度较低时，排水沟结冰是否会对车站结构及系统使用造成二次危害。
（4）在保温材料选择时，注意应选用甲级不燃材料。同时，应加强地
铁给排水系统管道保温的施工监督，保温材料和外保护层的安装必须牢固耐用。
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