寒冷地區某交通樞紐地道消防設計

閆 鵬

（上海市政工程設計有限公司，上海市 200092）

0 引言

近年來隨著城市化進程的推進，越來越多的城市開始建設集航空、城際鐵路、城市軌道交通、公路交通、城市道路交通（含出租車、小客車、公交巴士等）于一體的大型綜合交通樞紐。大型交通樞紐的建設不僅可以為人們的出行提供便利，也成為推動城市經濟增長的強大引擎。立體交通樞紐的構建通常離不開交通地道，一個大型交通樞紐往往會包含數條城市交通地道，如何合理規劃系統布局是消防設計的重點之一。另外，北方寒冷地區冬季氣溫往往低于0°C，地道消火栓系統的防凍問題也是消防設計的重點。目前國內尚無針對性的規范，因此需要設計者結合項目具體情況，采取合理的設計方案，最大限度地杜絕事故隱患，同時減少工程投資。文本將結合實際工程，探討某交通樞紐交通地道消防設計思路。

1 工程概況

該工程位于既有烏魯木齊地窩堡機場以及以北改擴建工程區域內，根據道路設計方案，在擬建機場和既有機場范圍內的進場通道、飛行區等區域內新建10條地下通道。除5#地道外其余地道封閉段均采用單洞雙孔箱形截面，標準斷面采用雙向2～6車道。地道內嚴禁通行危險品貨車。各地道布置如圖1所示。各地道暗埋段長度見表1。

圖1 地道總體布置圖

表1 地道基本參數表

由于該工程地道數量較多，位置相對分散，如果每條地道單獨設置消防泵房，勢必造成極大的浪費。另外，地道大部分路段均位于機坪下方，機坪地面不允許設置泵房疏散出口，因此泵房無法設置在機坪下方，只能設置在機坪以外區域。綜合以上因素，本著供水可靠、投資節約的原則，該工程共設置兩座消防泵房。如圖1所示，消防泵房A設置于6#地道西側洞口外，為1#、2#、3#及6#地道供水；消防泵房B設置于4#地道與8#地道之間，為4#、5#、7#和8#地道供水。兩座泵房內各設置一座有效容積為220 m3的消防水池。

2 地道消火栓系統設計

2.1 消防水源及用水量

烏魯木齊機場整個場區設有室外加壓供水系統，由給水加壓泵站及給水管網組成。給水加壓泵站設置于機場工作區，近期規模為2.2萬m3/d，最高時用水量為1 800 m3/h，供水壓力不小于0.28 MPa。該工程地道室外消火栓用水就近接自機坪室外消火栓管網或市政給水管網，供水流量不小于30 L/s，動壓不小于0.10 MPa。該工程地道室內消防用水由1#、2#消防泵房供水，每座泵房均從場區市政給水管上引入一根DN150給水管，引入管上設置低阻力倒流防止器。

根據《建筑設計防火規范》（GB 50016—2014）（以下簡稱“建規”）第12.1.2條與第12.2.2條，該工程中各條地道分類及消火栓用水量見表2。9#、11#地道為四類地道，可不設室內消火栓系統，僅設置建筑滅火器。

表2 地道消防用水量表

2.2 地道室內消火栓系統

該工程地道室內消防給水系統采用穩高壓系統，供水能力按所在隧道一次火災消防用水量考慮。綜合考慮地道的平面布置，分兩座泵房分別供水。消防泵房A為1#、2#、3#及6#地道供水，泵房內設消防水泵房，內設消火栓泵（20 L/s，0.95 MPa，45 kW，一用一備）兩臺、消火栓增加穩壓設備一套及消防水池一座（有效容積220 m3）。消火栓增壓穩壓設備包括消火栓穩壓泵（5L/s，0.55 MPa，7.5 kW，一用一備）兩臺、氣壓給水罐（有效容積300 L）一只及其他相關配件。消防泵房B為4#、5#、7#和8#地道供水，泵房內設消防水泵房，內設消火栓泵（20 L/s，0.78 MPa，37 kW，一用一備）兩臺、消火栓增加穩壓設備一套及消防水池一座（有效容積220 m3）。消火栓增壓穩壓設備包括消火栓穩壓泵（5 L/s，0.55 MPa，7.5kW，一用一備）兩臺、氣壓給水罐（有效容積300 L）一只及其他相關配件。

消火栓箱均勻布置于地道側壁內，設置間距不大于50 m，最不利點消火栓的供水壓力不應小于0.30 MPa。消火栓箱內設DN65單出口消火栓兩只，配置一支?19 mm水槍，襯膠水龍帶（水龍帶長度25 m，直徑65 mm），附設消防軟管卷盤（長度為30 m）、消防按鈕，安裝時要求消火栓口距離檢修通道1.1 m。

地道內消防干管敷設在檢修道下方管溝內，并在洞口及洞內每隔500 m處連通形成環狀管網。消火栓管道沿線最高點設置自動排氣閥，最低點設置泄水閥，每隔5個消火栓箱設檢修閥門。當消火栓栓口出水壓力大于0.5 MPa時，采用減壓穩壓消火栓。

烏魯木齊市位于新疆中部，冬季寒冷漫長，屬于嚴寒地區。因此該工程的難點在于地道內消火栓系統的保溫與防凍。對于嚴寒地區消火栓系統的防凍設計，通常有以下三種措施：電伴熱保溫、放水保溫和干式消火栓系統。三種措施的優缺點比較見表3。

表3 三種防凍措施比較

烏魯木齊地處歐亞大陸腹地，氣候干旱，水資源匱乏，另根據地質勘查報告，該工程50 m勘察深度范圍內未見地下水，因此放水保溫措施不適用于此工程。

根據《消防給水及消火栓系統技術規范》（GB 50974—2014）第7.1.6條，干式消火栓充水時間不應大于5 min，管道流速不宜大于2.5 m/s，計算得最遠供水距離為750 m。該工程3#、4#、6#、7#、8#地道長度均遠超750 m，因此不宜采用干式消火栓系統。另外考慮到3#、4#、6#、7#、8#地道交通量較大，且位于機坪下方，一旦發生火災，滅火不及時造成的影響大，所以采用保溫效果好，響應及時的電伴熱保溫措施，保證系統內水溫不低于5℃。該工程1#、2#、5#地道長度均小于500 m，可以滿足5 min內系統充滿水的要求，為了節約投資及運行維護費用，采用干式消火栓系統。

3 保溫電伴熱設計

3#、4#、6#、7#、8#地道采用電伴熱方法防凍，其做法是在管道及設備表面纏繞發熱電纜，外側再包裹保溫材料絕熱層、防潮層和保護層。利用發熱電纜對管道及設備進行加熱，以補償消防水在低溫環境下的熱量損失。發熱電纜的啟動及關閉由溫控器來控制，當探測點溫度低于設定值時，發熱電纜啟動，維持管道與設備溫度不低于5℃，避免消防水被凍結。

為了提高保溫效果，避免保溫層被外力破壞，該工程地道消防干管布置在消防管溝內。保溫材料選用泡沫橡塑，外包0.5 mm厚的鋁合金保護層，做法如圖2所示。

圖2 地道管溝內消防水管保溫示意圖

電伴熱計算如下：

式中：QB為管道散熱量，W/m；T0為需要電伴熱維持的水溫，即管道表面溫度，取5℃；Ta為極端平均最低環境氣溫，取-38℃；λ為絕熱材料導熱系數，W/（m·℃）；D1為絕熱層內徑，mm；D2為絕熱層外徑，mm；αs為絕熱層外表面向周圍環境的放熱系數，取11.63W/（m2·℃）；1.3為安全系數；tm為絕熱層內外表面溫度的算術平均值，℃；f為保溫材料修正系數，泡沫橡塑取1.23；QTB為管道實際散熱量，W/m。

電伴熱的具體設計需要結合廠家的產品規格進行，此次計算僅依據國標圖集03S401對散熱量、用電功率進行估算。管道外裹保溫層厚度越大，所需電伴熱功率越小，但是受地道斷面限制，管道保溫層厚度不能太大。該項目根據以往類似工程經驗，保溫層厚度取50 mm。為了便于計算，將地道按200 m長度劃分計算單元，每個單元包含的管道如下：DN150鋼管200 m，DN65鋼管17 m。通過計算得知，DN150鋼管實際散熱系數QTB=33.0 W/m，DN65鋼管實際散熱系數QTB=18.5 W/m。可選用105 m長的恒功率電熱帶4根，每根功率1 785 W。按此可計算得各條地道用電功率見表4。

表4 地道電伴熱用電功率計算表

4 干式消火栓系統設計

4.1 干式消火栓系統特點及其分類

干式消火栓系統的特點是快速啟閉裝置后的配水管網內不充水，火災發生后由火災報警系統或者消火栓箱內的消防按鈕開啟快速啟閉裝置和快速排氣閥，將配水管網內的空氣迅速排出，同時管道充水，轉換成濕式系統。干式消火栓系統可以分為以下三種：

（1）手動干式系統。系統管道為干式，系統不設固定式消防泵等給水設施，火災發生后，系統消防用水由消防車內的消防泵通過水泵接合器供給，這種系統對市政水源及市政救援的消防車要求較高。

（2）半自動干式系統。系統入口處設有雨淋閥、電動閥或電磁閥等快速啟閉裝置。快速啟閉裝置后的配水管網內不充水，火災發生后由消火栓箱內的消防按鈕或者火災自動報警系統開啟快速啟閉裝置向系統內充水，轉換為濕式系統。系統設置固定式消防供水設施，可以滿足消防所需的流量與壓力。

（3）全自動干式系統。系統快速啟閉裝置采用干式報警閥，報警閥后的管道內平時充滿壓縮空氣。開啟消火栓閥門后，報警閥開啟，同時聯動快速排氣閥前的控制閥開啟，將系統內的空氣迅速排出并充水，繼而向開啟的消火栓供水滅火。系統設置固定式消防供水設施，可以滿足消防所需的流量與壓力。

手動干式系統供水需要等消防車到達后才能開始，響應速度慢，工程中較少采用。全自動干式系統需要額外設置一套氣體增壓設備，系統復雜，初期投資及維護成本高，設計中較少采用。半自動干式系統響應速度較快，系統簡單，明顯優于全自動干式系統，因此設計中應用較多。綜合以上分析，該工程1#、2#、5#地道采用半自動干式消火栓系統。

4.2 干式消火栓系統設計

該工程1#、2#、5#地道的干式消火栓系統由室外消火栓、消火栓水泵接合器、雨淋閥、室內消火栓、配水管道、快速排氣閥、泄水閥及分段控制閥組成。系統工藝如圖3所示。

圖3 干式消火栓系統示意圖

干式消火栓系統的設計流量與壓力除了要滿足正常的消防工況要求外，還需要滿足充水時間不大于5 min。因為1#、2#、5#與其他地道合用消防泵，消防泵的設計流量取各條地道流量最大值，即20 L/s。所以按照20 L/s的充水流量計算得各地道充水時間見表5，可以滿足規范要求。

表5 干式消火栓系統參數表

干式消火栓系統的響應速度比濕式系統慢，因此規范要求消火栓系統應優先采用濕式系統。為了提高干式消火栓系統的響應速度，該工程在非冰凍季節采用干濕交替運行的方式，即當春季、夏季和秋季室外氣溫高于0℃時雨淋閥常開，使閥后管道內充滿水，濕式運行；當室外氣溫低于0℃時，復位雨淋閥，并排空閥后管道內的消防用水，消火栓系統干式運行。

5 結語

本文結合具體案例討論了嚴寒地區城市交通地道消火栓系統設計方案及防凍措施，在設計中應根據實際情況合理選擇設計方案，使得系統既能滿足火災時快速滅火的要求，又能節省工程造價。以下是幾點設計體會：

（1）對于含有多條地道的大型交通樞紐，應結合地道的平面布置及周邊場地環境，在滿足消防要求的前提下，合用消防泵房，節約投資與運行管理費用。

（2）寒冷地區地道消防系統應合理選擇防凍措施，當采用濕式系統式，應盡可能將消防干管設置在消防管溝內，提高保溫效果，同時避免保溫層受到外力撞擊損壞。保溫層的厚度應結合地道斷面尺寸和電伴熱能耗統籌考慮。

（3）通過對幾種類型的干式消火栓系統進行比較，寒冷地區地道消防采用半自動干式消防系統較為合理。干式系統設計時，除了做好消防工況下的設計外，還需要校核管道充水時間與水泵流量，保證不超過規范要求的充水時間。