城市二类交通隧道排水消防系统设计

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摘要:通过对比分析各消防系统，结合城市交通隧道设计案例，得出城市二类隧道内消防系统采用固定式水成膜消防系统、消火栓系统、灭火器三种消防灭火系统组合的消防系统，工作井设备用房设气体灭火系统及灭火器，并阐述了消防系统设计参数。对隧道排水系统进行了探讨，提出了最低点废水泵房废水通过工作井废水泵房转输的方案，分析归纳了雨水泵房设计参数。

关键词:交通隧道；排水系统；消防系统；重现期

引言

在快速发展的经济带动下，我国城市隧道交通工程也突飞猛进。但与之配套的给排水、消防系统的设计，国内尚无具体的规范规定。关于城市二类隧道给排水及消防研究较少，而该类工程又很多，设计合理、经济、完善的排水及消防系统对隧道交通运营至关重要。笔者结合某城市交通隧道设计案例，对城市二类交通隧道排水及消防系统方案、关键参数进行探讨。

1工程概况

该城市隧道东西走向，长1980m，属二类城市交通隧道，单层双孔，盾构施工，分别在东西两端各设一座工作井，盾构段长1260m，盾构直径11．3m，隧道设计车速为60km/h，仅限通行非危险化学品等机动车。隧道盾构段两侧设明挖暗埋段与道路衔接。隧道平面示意图见图1。

2隧道消防系统设计

2．1消防系统方案分析

汽车油箱、驾驶室、行李或货物等是城市交通隧道发生火灾的主要部位，火灾类型一般为A，B类［1］。火灾特点主要表现为:行驶中的车辆导致火灾发生的时间和地点均具有随机性;因隧道密闭，火灾时升温快，大部分火灾在起火后10min即可达到很高的温度;火灾时，因燃烧缺氧产生的有毒有害气体，可能会导致司乘人员窒息、死亡;隧道横断面小、狭长，救援人员疏散困难。结合火灾特点，以下对各类可用于隧道的消防系统进行分析，以确定适用于城市二类隧道的合理、经济、可行的消防灭火系统。

2．1．1水成膜泡沫灭火系统火灾时水成膜除具有一般泡沫灭火剂的冷却和窒息作用外，还能在燃烧体表面形成一种水膜，水膜与泡沫层共同封闭燃烧液体表面，隔绝空气，阻止可燃液体继续燃烧。对油类火灾，水成膜泡沫灭火系统能较好的控火、灭火。固定式水成膜泡沫系统与消火栓系统联合工作，泡沫喷枪、泡沫容器、比例混合器等水成膜设施与消火栓设在同一个箱内，水成膜用水取自消火栓，与消火栓共用消防给水干管及消防泵。火灾时，水成膜泡沫灭火剂通过泡沫混合装置与水混合后，输出的泡沫混合液经泡沫喷枪产生灭火泡沫，靠泡沫和保护膜双重作用，达到快速灭火的效果，水成膜泡沫不与水混合时有效期可长达8年。固定水成膜泡沫系统管理简单、操作简便，一般司乘人员就能使用。若采用该系统，仅需在消火栓箱内放入水成膜设施，通过一根DN25金属管与消火栓连接，消防干管、消防泵、报警设施等均与消火栓共用，工程投资少、管理简单、维护运行费用低。隧道内火灾多以汽车油类火灾居多，城市二类隧道内宜设置固定式水成膜泡沫灭火系统，以便及时扑灭初期火灾。

2．1．2消火栓系统水是一种常用、廉价且经济的灭火剂，可用于扑灭A类火灾。水在温度升高时，可以吸收大量的热，能有效地降低燃烧物质和周围物质的温度，扑灭火焰、阻止燃烧。对于二类及以上隧道，《建筑设计防火规范》［2］和《公路隧道设计规范第二册交通工程与附属设施》［3］规定消火栓是必备的消防设施。故城市二类隧道内应设消火栓系统，用于扑灭初期火灾，防止火灾扩大。

2．1．3泡沫—水喷雾消防系统泡沫—水喷雾消防系统是由泡沫系统和水喷雾系统组成、喷头为共用喷洒装置的系统，火灾时，先喷洒一定时间的泡沫灭火，然后再喷水雾冷却。除泡沫水喷雾阀组箱至喷头段为泡沫系统与水喷雾系统共用外，其余部分完全独立，泡沫系统和水喷雾系统均各自设有独立的泡沫干管、泡沫泵及水喷雾干管、水喷雾泵，两套系统的干管平行沿隧道纵向贯通，且在隧道内成环。该系统需较大空间布置管道系统，管道多、泵多，所需投资大，且管理维修费用高。平时泡沫干管内充满水成膜，须定期更换。水成膜具有腐蚀性，滴、漏及消防时有腐蚀给排水管道的风险。该系统自动操作，需配置监测、报警、自动响应启动等复杂的自控系统。现该系统多用于江、湖、海等的水底隧道［4-6］，如南京长江隧道、武汉东湖隧道、扬州瘦西湖隧道等水底隧道设置了泡沫—水喷雾消防系统。鉴于城市二级隧道位于城市内，以扑灭初期火灾自救为主，同时考虑经济性，不推荐采用此系统。

2．1．4水喷淋系统水喷淋灭火系统是由开式或闭式喷头、传动装置、喷水管网、湿式报警阀等组成。发生火灾时，启动喷淋泵喷水灭火。隧道相对封闭、空间小，初期火灾一般发生在车厢内部、下部，在顶部喷水灭火效果不佳。在高温火焰上喷水，不但不会扑灭火焰，还有可能使烟雾层向下移动，降低隧道内能见度，影响现场人员的救援、疏散。因而城市交通隧道不建议采用此消防系统。

2．1．5灭火器［7］灭火器操作简单、使用方便、灭火性能可靠，一般司乘人员就会使用，是扑灭初期小规模火灾的重要工具。《建筑设计防火规范》《公路隧道设计规范第二册交通工程与附属设施》规定城市隧道需设置灭火器，并对灭火器的设置作了原则规定。磷酸铵盐干粉灭火剂，可用于扑救除活泼金属外的其他各类火灾，因而城市二级隧道内推荐采用手提式磷酸铵盐灭火器。

2．2消防系统设计

由于城市二类隧道位于城市内，发生火灾时消防队接到报警赶赴现场时间短，同时根据隧道火灾特点，消防系统设计立足于以司乘人员可以使用灭火设施来控制、扑灭初期火灾为目的。火灾中期或大火灾时以城市专业消防队员和消防车为主体进行消防。结合以上消防系统分析，城市二类隧道消防灭火系统采用固定式水成膜消防系统、消火栓系统、灭火器三种消防系统组合的消防系统。

2．2．1固定式水成膜、消火栓消防系统1)系统设置。隧道消防水源采用城市自来水，市政供水管径、供水压力不能满足隧道消防直供用水要求，需设消防加压泵房。该隧道两孔，消防管道沿隧道纵向铺设，管线长，为减少管道沿程损失，以降低消防泵扬程及节省能耗、降低部分消防管道压力，保证消防供水安全，在东、西工作井内各设一座消防泵房。东工作井消防泵房设消火栓泵(Q=21L/s，H=53m，N=30．0kW)2台(互为备用)、西工作井消防泵房设消火栓泵(Q=21L/s，H=56m，N=30．0kW)2台(互为备用)，每座消防泵房内设稳压设备一套。紧邻消防泵房各设一座有效容积300m3消防水池，储存消火栓与水成膜一次消防最大用水量。固定式水成膜系统依附于消火栓系统取水，沿每孔隧道单侧间隔45m设一座水成膜与消火栓共用的消防箱，箱内设单阀单头DN65消火栓2个、DN19水枪2支、30L泡沫液罐1个、泡沫喷枪、负压式比例混合器、报警按钮1个、水带及报警器。自隧道两端的工作井消防泵房内各引出两根DN150消防干管与隧道内消防环状管网连接。隧道内DN150消防干管沿隧道明挖暗埋段及盾构段管廊铺设，敞开段埋地铺设。消防干管在两孔隧道贯通且在隧道两端连接成环，消火栓通过DN65支管与隧道内DN150消防干管连接，消防环状管网每隔5个消防箱设1个检修阀，管网最高点设排气阀、最低点设排泥阀，遇隧道结构缝处设伸缩节，消防管道采用镀锌钢管。2)设计参数。固定式水成膜泡沫混合液流量不小于30L/min，射程不小于6m，泡沫混合液连续供给时间20min，水成膜泡沫灭火装置用水量为1L/s;隧道内消火栓系统用水量为20L/s，隧道洞口外消火栓用水量为30L/s，火灾延续时间3h;最不利点消火栓水枪充实水柱不小于10m;消火栓栓口距车行道高度1．1m。消火栓、水成膜消防箱示意图见图2，消火栓、水成膜系统图见图3。

2．2．2灭火器配置在每孔隧道行车道两侧每隔50m设一只灭火器箱，交错布置，每只箱内设置4具4kg装的磷酸铵盐灭火器，供扑灭初期火灾使用。

2．2．3工作井内设备用房灭火系统工作井内通风机房、弱电机房、民用通信机房、变电所、消防泵房内设气体灭火系统，采用全淹没柜式超细干粉灭火装置，超细干粉灭火设计浓度C=0．12kg/m3，单位体积超细干粉设计量为:M=(1+δ1)CK1K2。其中，δ1=0．1，C=0．12kg/m3，K1=1．5，K2=1．1，则M=0．2178kg。根据《建筑灭火器配置设计规范》，工作井内风机房、弱电设备室、民用通信设备室、变电所及消防泵房均属于E类火灾场所，设手提式磷酸铵盐灭火剂;城市隧道属于中危险级，最大保护距离20m(A类)，单具灭火器最小配置灭火级别为2A，单位灭火级别最大保护面积为75m2。

3隧道排水系统设计

3．1废水排水系统

1)系统设置。隧道内废水主要来源:正常情况下为冲洗废水、结构渗漏水、雨天车辆行驶带进隧道内的雨水等;在发生火灾时废水的主要来源为消防废水，即隧道内水成膜废水和消火栓消防废水。由于消防时废水中含有泡沫液，废水泵房废水须排入市政污水管网，经市政污水处理厂处理后排放。根据高水高排、低水低排的原则，隧道最低点设废水泵房，东、西工作井内各设一座废水泵房。最低点废水泵房排水有两种设计方案，方案一:最低点废水泵房直接将废水抽升出隧道，排至地面污水管网;方案二:最低点废水泵房的废水就近排入东工作井废水泵房，经工作井废水泵房转输至地面的污水管网。综合分析，方案二较优:这样最低点废水泵房潜污泵扬程小、能低耗、节省了工作井至地面雨水检查井之间的压力排水管长度。故该隧道设计采用方案二。隧道最低点废水泵房内设自动搅匀潜污泵(Q=40m3/h，H=43m，N=15kW)3台，2用1备;东、西工作井废水泵房内均各设自动搅匀潜污泵(Q=40m3/h，H=28m，N=7．5kW)3台，2用1备。废水泵房控制方式采用集水池内水位控制、手动启动、控制室远程启动。2)设计参数。盾构段结构渗入水为5．7m3/d，明挖段结构渗漏水:10．0m3/d(1号)、8．5m3/d(2号)、9m3/d(3号)、6．0m3/d(4号)、消火栓与水成膜废水21L/s。

3．2雨水排水系统

1)系统设置。雨水排水系统是确保隧道雨天安全运营的保障。该隧道由敞开段、明挖暗埋段和盾构段三部分组成，雨水排水系统排除的是敞开段至接线道路驼峰点之间的雨水，由雨水收集系统、雨水泵房组成。在隧道出入口各设一座雨水泵房，在暗埋段与敞开段交界处设置两道横截沟，拦截雨水进入雨水泵房集水池。泵房内设潜污泵，将雨水提升后排入雨水管网。在隧道出入口雨水泵房内均各设自动搅匀潜污泵(Q=250m3/h，H=15m，N=22kW)3台，2用1备。雨水泵房控制方式采用集水池内水位控制、手动启动、控制室远程启动，所有泵的启闭状态均在控制室内显示。2)设计参数。暴雨重现期决定雨水设施规模、排水能力，目前关于城市交通隧道敞开段暴雨重现期，国内尚无相关规范规定。GB50014—2006室外排水设计规范(2016年版)［8］第3．2．4B条规定:特大城市内涝防治设计重现期为50年～100年;GB50157—2013地铁设计规范［9］第14．3．1条规定:隧道洞口的雨水泵站的排水能力，应按当地50年一遇的暴雨强度计算;欧盟推荐地下铁路/地下通道设计内涝重现期为50年。综上，为确保雨天隧道运行安全，降低隧道积水、车陷雨水的风险，敞开段出入口宜按50年一遇的暴雨强度计算。雨水量计算暴雨强度公式:其中，i为设计暴雨强度，mm/min;P为设计重现期，年;t为降雨历时，t=t1+t2，min;t1为地面集水时间;t2为管渠内雨水流行时间，min，t2=0。计算得:q=3．94934mm/min。隧道雨水设计流量Q=Ψ•i•F。其中，Ψ为径流系数，Ψ=0．9;F为汇水面积，hm2。雨水泵房设计流量取雨水计算流量的1．2倍，雨水泵房集水池的有效容积取最大1台排水泵5min～10min出水量。

4结语

城市隧道出口少、空间小、封闭性强，设置合理、经济的给排水及消防系统，是保障城市交通隧道安全运营关键。城市二类交通隧道消防采用固定水成膜泡沫灭火系统、消火栓系统、灭火器的组合消防系统，可有效扑灭隧道内各类初期火灾、降低火灾造成的损失。最低点废水泵房的废水通过工作井转输模式，能耗低，投资少;敞开段出入口雨水泵房按50年一遇的暴雨强度计算，雨水泵房集水池的有效容积取最大1台排水泵5min～10min出水量。

参考文献:

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［7］GB50140—2005，建筑灭火器配置设计规范［S］．

［8］GB50157—2006，室外排水设计规范［S］．

［9］GB50157—2013，地铁设计规范［S］．

作者：毕秀梅 单位：中铁第四勘察设计院集团有限公司