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规划设计;
干管;
电缆沟;
支管;
电磁电力干扰防护;
特殊断面
前言
都市地下空间之利用近年來于国内已引起相当之关注。
于人口密集之都市内,各种地下管线之设置与维修,甚至灾后之復建,常因主管机关不同,财务狀况不一,缺乏相互间协调及完善之长期营运计划,造成城市道路经常处于施工狀态下。
因施工时造成之市容影响及交通不便所引致之无形损失,对都市长期发展及市民生活皆产生负面影响。
此外于城市大众运输及地铁建设时,亦常因地下管线之布设狀况复杂与纪錄不全,增加施工困难度,及因地下管线问题引致之工程灾变可能性。
如何解决上述地下管线引致之问题,已逐渐引起工程界之注意。
共同沟(综合管廊、共同管道)系统将都市维生管线及其它地下管线作一系统化之合并与管理,收纳之管线包括电力、电信、上水(自來水)、下(污)水、瓦斯(天然气)、油管等。
由主管机关提供道路上方及下方设置共同沟所需之空间,构筑结构体容纳兩种以上之地下管线并根据都市长期发展预估提前投资,预留发展空间及维修所需之空间,使作业时减少影响地面活动,维持市容之美观及提升市民之生活质量。
虽然共同沟有众多优点,但是设置时所可能遭遇之困难仍不可轻忽。
由于共同沟建设费用庞大,且效益非明显立即可期,可能造成都市发展时之重大财务负担及投资时之考量。
此外地下管线之特性各異,工程及设置所需之条件不尽相同,共同置于同一管道内可能相互影响,如电力线产生之磁场可能对电信讯号产生干扰,或如下水管线为顺向收集至终端处理,一般皆采重力流之设置,考虑水力坡降于下游段埋深较大,对于非水力管线如电信或电力管线是否适宜合并,仍需视个案考量,于规划设计之初即需将此類问题解决,方可发挥共同沟之预定功能。
共同沟之设置亦可降低天灾时管道内各种管线之损害,减少灾后復旧之之费用及缩短工期。
近年來国内各大都市皆有地铁建设之计划,于地铁建设时同时考虑进行共同沟之设置或与地铁共构应为都市发展之方向。
历史简述
共同沟之应用最早源于十九世纪,法国巴黎于市区内之主要道路下设置圆形下水道,并将上水、电信及压缩空气等管线纳入其中(图一)。
其后于1861年英国倫敦设置半圆形之共同沟,同时收纳瓦斯管、上水管、污水管、电力及电信管线等(图二)。
德国汉堡市于1890年设置矩形共同沟,收容电力、电话、上下水道及瓦斯与暖气管(图三)。
然初期因技术尚未臻成熟,容易发生问题,发展受到限制。
二十世纪间美国、苏俄与日本亦开始发展,尤其苏俄采用预铸构件方式,施工快速。
1995年日本阪神地震,造成灾区停水断电,日本政府全力抢修,仍歷经一至二月方才恢復大部分地区之供电供水。
唯有当时该区内长度约有八公里之共同沟及四公里之供给管道内之管线几乎没有损伤。
仅共同沟结构体壁面发现裂缝与于接缝处产生漏水现象。
共同沟于地震期间提供内含管线之防灾及都市减灾功能可見一斑。
台湾地区于1990年代开始进行共同沟建设工作,至今于台北及高雄地区已完成數条路线,并有其它數个都会区已开始进行规划设计中。
系统规划及调查
共同沟系统之组成包括干管(图四)与供给管,供给管又分为支管、电缆沟与C.C.Box(Community,Communication,Compact-Cable-CommunicationBox)(图五),干管一般设置于道路下方,供给管则位于人行道下方。
于规划之初需先进行一系列之调查,收集所需之资料以供规划參考。
一般必要之调查包括地形、地质、地下水、沿线之地下结构物及管线外,土地使用情形及道路交通量调查亦需一并进行。
共同沟系统主要是配合都市发展与管线发展而布设,可为大区域之网路系统或局部地区之封闭系统,而各种地下管线均已有其独立之系统网路,共同沟系统系将现有及未來将布设之管线系统经由科学方法整合,求得最佳化之设计。
故系统规划之第一步为界定管道收容之对象,从技术、经济、财务与管理上寻求最佳化之规划结果,工作流程图详图六。
局部地区之封闭系统由于影响范围较小,收容管线之目标较为明确,于规划时期所需之工作项目及范围一般较大区域之网路系统少,共同沟网路系统规划作业环节之工作方法重点如下:
1.现况调查
除前述一般必要之调查项目外,规划区域及附近相关之都市计划与发展计划、道路交通之使用与施工挖掘情形、与道路下方之设施皆需进行调查与整理,提供路网方案研拟之參考。
2.需求预测
根据现况调查所得之资料研拟规划区域内管线需求预测,协调各管线之主管机关及事业单位參与共同沟系统设置之意愿,及了解各管线未來之发展计划,根据未來都市发展之规划,订定管线短、中及长期之需求与未來可能发生之困难与解决方法。
3.基本(路网)方案
基本方案首要需先决定系统之基本目标,收容型式及管线類别与设置条件。
共同沟之设置条件内容如表一所示。
共同沟系统规划之原则可就干管之共同沟与支管之共同沟分别进行,其评估之项目如表二所示。
就个别评估项目设定评估指针进行量化之评估。
4.路网方案研拟
根据以上资料收集及项目评估之结果,选择可行路线进行路网方案之研拟,依据各方案之效益评估结果,拟定路网方案及替代方案。
效益评估之重点包括交通之延滞、道路维护、及管线更新维修等。
路网方案研拟时应注意是否就可行路线加以选择串聯、干管与供给管系统之整合、及系统与相关计划之整合和干管与新市镇之整合等。
作业时之评估指针建议如表三所示,并将各指标以量化方式进行总体评估,选出最佳及可行之替代方案。
于路网方案研拟同时,亦可进行方案经济效益与投资方式之评估,将所有相关之參數评估综整以收益与成本方式(益本比)加以比较,作为方案选择之參考。
5.概念设计
根据以上所决定之路网方案及管线收容之对象与型式,进行共同沟之概念设计。
概念设计之主要内容包括干管及供给管之线形大样(平面及纵剖面),标准断面之基本构想(管线之种類及數量),及施工方式之建议(盾构、场铸箱涵、预铸方式)(图七)。
6.分期计划与实施计划
根据路网建设之规模、重要性与急迫性,配合重大市政建设、管线需求及路段串聯,拟定建设之短、中、长期计划,并配合分期建设计划,订定实施计划,其内容包括建设之财源及经费分摊方式、管理维护办法、实施步骤、施工构想、信息系统之建立、及定期之系统检讨。
设计重点
经由完善之系统规划及经济效益分析,决定路线(网)分布及收纳之管线种類及數量后即可开始进行共同沟之设计。
共同沟主体为一箱涵或隧道结构收容特定之管线,除了主体结构之标准部(一般断面)外,为了管线之功能、配置及营运与安全之需求,必须配合设置许多设备及特殊部(断面变化及标准部以外之部分)设施(图八),这些设施设备与结构体于地质与地下水之环境下,需特别考虑与注意之狀况即为共同沟之设计重点。
此外于营运期间为降低或避免不同管线间之相互影响,维持管线之功能,亦为设计时需特别注意之处。
就结构设计部份,应考虑下列重点:
1.软弱地盘之长期沉降
由于共同沟为一线形(网狀)结构,沉降可能造成线形坡度变化,对于重力流之管线(如污水管)产生影响。
此外结构接头或伸缩缝处亦可能因差異沉降产生错位,导致渗水甚或管道内之管线挫屈。
对于可能产生造成较大沉降之软弱地盘区域应特别注意。
2.地下水位引致之上浮力
共同沟为一箱型(管狀)中空结构体,于地下水位较高,覆土较浅之区域需进行浮力检核,尤其于地下水位变化较大处,应特别注意。
3.地震
由1995日本阪神地震之经验可知,共同沟于有地震威胁之区域,其耐震设计为不可或缺之重要因素。
进行耐震设计时除需考量当地之耐震设计规范外,由于管道为一较大区域之线型(网狀)结构且深度较接近地表,其破坏原因较一般结构物不同之处,一为强烈之地震波引致之力学破坏,一为因地表破坏(变形),如地表断裂、滑动、不均匀沉降及液化等。
于分析上之基本考量除地质条件外,一为垂直地表方向传递之剪力波所造成管道横断面之剪力变形(Racking),一为与管道轴向成45度交角传递之水平剪力波所造成结构体之挠曲及轴向变形。
此外可以具可挠性之接头设计降低地表变形对管道结构产生之影响。
4.液化
由于共同沟之埋深一般而言皆位于液化可能发生之深度内(地表下20公尺),在经过疏松砂层且地下水位较高时,应对地层之液化潜能进行评估,根据当地耐震设计规范所规定之液化评估方式,对于具有液化可能之地层,进行地盘改良,避免因液化造成管道之破坏如结构体上浮,地盘承载力降低,或地表变位等现象。
5.伸缩缝与防水
共同沟之线形结构应于规范之长度内设置伸缩缝,以因应管道结构因温度变化、混凝土收缩、及不均匀沉降等因素可能导致之变形,此外于特殊段、断面变化、及弯折处皆须设置伸缩缝。
对于预计变形量可能较大处应考虑设置可挠性伸缩缝如软弱地盘、地质变化复杂及破碎带、潜在液化区等。
伸缩缝之构造于管道之侧墙、中墙、顶版及底版处设置伸缩钢棒,并于该处管道外围设置钢筋混凝土框条,以利剪力之传递及防水,并设置止水带止水。
管道结构应采用水密性混凝土并控制裂缝发生,外表使用防水膜或防水材料保护,伸缩缝之止水带设计及施工应特别注意
6.特殊断面
特殊断面之设置为方便管线之布设与运作,包括管道分岔或交会部分、材料搬运口及通风口、电缆或管线接头、管類伸缩装置室、阀制装置室、集水井等处需设置此類一般较标准断面为大之特殊断面。
应注意设置之目的及功能需求,如结构体之转角应符合管线之最小曲率半径,材料搬运口处应设置斜角避免损伤电缆,逃生口之安全考量,开口部应设于设计洪水位之上并设防止入侵与破坏设施,及人孔盖之设计必须防水等。
必须外露于地表设施亦须注意美观效果。
就设施与设备部分考量
1.出入口、材料搬运口及通风口
为管道内所收纳之管线之维修、检查或施工,需于共同沟适当间隔与地区设置人员进出与机具料件出入所需之出入口及材料搬运口(图九)。
此外为排出共同沟内有害气体,补充新鲜空气及降温,共同沟内需交互设置自然通风口及强制通风口(图十)。
开口之设置高程需满足设计规范内对于洪水高程之规定,以避免洪水进入损害管线。
2.排水
为排出共同沟内壁面之渗漏水,与由通风口及人员进出口进入之雨水及消防用水,需于共同沟内设置排水设施以避免造成管线之损害及人员作业时之危险。
于管道内划分排水区段,选择最低点设置集水井及安装交互运转之沉水式泵浦排水。
3.防灾及安全
为预防或降低管道内设备发生火灾或其它灾害之可能性,以保护工作人员之安全,以及防止人为蓄意之破坏,需于管道内设置防火、防爆及防破坏设施。
一般项目包括自动火警警报设备、瓦斯检知设备、異常进水警报设备、人员入侵监视设备、CO及CO2浓度检知设备(图十一)、消防设备、紧急电话及广播设备、紧急避难指示设备、与其它设施如防火门、防火壁等。
4.通风、照明、给水及受配电设备
管线如电力或电信设备运转时将产生热量,污水管内之生化反应亦可能使周围温度升高及产生有害气体,或因其它原因产生之有害气体,皆须藉由通风设备排除及降温。
此外为管道内人员作业需要及供应清扫及消防用水需设置照明与给水设备,照度一般而言需15Lux以上,接水点一般设置于人员出入口附近。
受配电设备则为供应管道内之泵浦、风机、照明及插座等电力负载而设,可采用网路方式配电,分电盘设置于人员进出口,并设置柴油发电机或不断电系统,供紧急照明、排水泵浦、风机及监控设备使用。
5.警报设备、
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