地鐵長大過海區間消火栓系統設計方案研究

喬 國 亮

(中國鐵路設計集團有限公司，天津 300251)

地鐵長大過海區間隧道具有埋深大，距離長，疏散難度大等特點，一旦區間隧道內出現火災，極易造成重大財產損失及人員傷亡事故。國內外地鐵長大過海區間消火栓系統方案尚無標準及實際應用案例，現行《消防給水及消火栓系統設計規范》(以下簡稱《消規》)及《地鐵設計防火標準》僅對地鐵區間室內消火栓系統設計流量及火災延續時間做出要求，但對地鐵長大過海區間消火栓系統如何分區，采用幾套消防設施等設計方案均未明確規定，為此本文以青島地鐵某在建過海區間為例，通過方案比選，對地鐵長大過海區間隧道消火栓系統方案進行初步探討，提出管道及消火栓超壓處理措施，為后續同類工程方案設計提供參考。

1 工程概況

青島地鐵8號線大洋站—青島北站區間為過海區間隧道，起自紅島高新區大洋站，接入李滄區青島北站，線路全長約7.9 km，其中海域段長約6.4 km，陸域段長約1.5 km，區間最深處約70 m。大青區間隧道采用暗挖加TBM盾構法設計，共設置區間風井3座。大青區間斷面示意圖如圖1所示。

2 地鐵長大過海區間消火栓系統特點

地鐵長大過海區間隧道較普通地鐵區間距離長、高差大，運營期發生火災撲救難度大，設計并實施一套合理的消火栓系統，對長大過海區間的運營安全尤為重要。長大過海區間消火栓系統特點及設計重難點如下：

1)需解決消防系統超壓問題。

消防泵房設置在地面埋深10 m之內，過海區間最深處約70 m，若消防系統設計不合理，會提高管網壓力承壓級別，增大漏水及爆管風險。因此需要保證栓口壓力滿足要求的前提下，將消防系統的壓力保持在合理區間內。

2)需與火災報警系統專業做好接口設計。

地鐵區間火災主要依靠專業消防人員進行滅火救援，火災發生地點確認主要通過火災報警系統專業實現。地鐵長大過海區間兩側車站隔海而設，一般分屬兩個行政區，距離較遠，消火栓方案設計時需與火災報警系統專業做好接口設計，火災時將消防報警信號接至相鄰車站，開啟消防泵，同時精準定位火災位置，方便消防員進行滅火救援。

3 地鐵長大過海區間消火栓系統方案分析

3.1 臨時高壓系統方案

3.1.1方案一

目前在地鐵消防給水系統中應用較為廣泛的是臨時高壓給水系統，車站和區間共用一套消火栓系統管網，管網經消防泵組增壓后，從兩側地下車站的上行線及下行線各引出一根消防給水管道接至區間，車站與區間形成環狀管網供水。8號線地鐵長大過海區間斷面大致呈V型，參照膠州灣隧道消火栓系統設計經驗，過海區間消火栓系統可采用以最低點為界，分別與相鄰車站共用消防水源及消防泵組，管道在最低點處進行連通，并在1號風井及2號風井處設置連通管，由兩端車站分別負責半個相鄰跨海區間，具體如圖2所示：大洋站—海底泵站區域由大洋站消防泵組供水，為臨時高壓A區。海底泵站—青島北站由青島北站消防泵組供水，為臨時高壓B區。

3.1.2對比方案

《地鐵設計規范》及《地鐵設計防火標準》要求，一條線路、一座換乘車站及其相鄰區間的防火設計可按同一時間發生一處火災考慮，說明車站與區間發生火災原則上具備互斥性。因此過海區間消火栓系統可獨立設置消防泵組及管網系統，消防分區圖隨之調整如圖3所示：大洋站(不含)—海底泵站區域由大洋站區間專用消防泵組供水，為臨時高壓A區，海底泵站至青島北站(不含)區域由青島北站區間專用消防泵組供水，為臨時高壓B區。

3.2 局部應用重力常高壓系統方案

3.2.1方案一

根據《地鐵設計防火標準》第5.4.5條條文解釋說明，區間風井是一個比較安全的區域，當二列車同時存在同一段地下區間內，并需要設置中間風井時，在井內設置疏散樓梯直到地面，不僅有利于人員疏散，而且有利于滅火救援。由此可見當海底段發生火災時，人員疏散和火災救援主要都通過路域段風井來實施。過海區間風井設備層埋深一般較大，可以利用風井自然高差設置高位消防水池，并根據需要設置消防取水口和水泵結合器，為消防人員滅火救援提供有利條件。

例如本過海區間1號風井建筑設計方案為暗挖兩層，僅有風井及疏散樓梯通往地面，區間消防給水系統可以利用自然高差，將海域段設計為局部應用重力常高壓消火栓系統，通過設置高位消防水池，實現對1號風井至海底段消防供水。1號風井高位消防水池布置示意圖如圖4所示。

由圖4可知，如果在1號風井頂部設置高位消防水池，假設水池底絕對標高為8 m，即水池底距1號風井最不利點消火栓自然高差為36.3 m，減去管道水頭損失后，可滿足區間消火栓栓口動壓不應小于0.25 MPa要求。同理，2號風井至海底泵站段也可做成一個常高壓消防分區，最終過海區間形成的消防分區如圖5所示：大洋站—1號風井、2號風井—青島北站為臨時高壓區，1號風井至海底泵站、海底泵站—2號風井為重力常高壓區。重力常高壓區域無需設置消防加壓系統，臨時高壓區域由相鄰車站消防加壓設備進行供水。

3.2.2方案二

局部重力常高壓系統方案也可根據臨時高壓系統方案二進行調整，方案調整后如圖6所示：車站與區間均獨立設置消防供水系統，重力常高壓B區及C區采用高壓消防水池進行供水，區間臨時高壓A區與D區采用專用消防泵組及管網系統進行加壓，原因不再贅述。

3.3 方案比選

從表1可知，局部應用重力常高壓系統壓力分區較為合理，但是增加高位消防水池，會導致工程總投資增加，且陸域段消防系統仍需設置臨時高壓系統，整個區間消防系統設計方案較復雜，應用存在局限性。臨時高壓系統投資合理，系統模式簡單，應用覆蓋面廣，也可滿足消防規范要求，經技術經濟比較后，地鐵長大過海區間消火栓系統設計方案推薦采用臨時高壓系統。

表1 臨時高壓系統與局部應用重力常高壓系統方案對比表

臨時高壓系統方案一與方案二可共用消防水源，方案對比詳見表2。

表2 獨立設置區間消防系統與車站合用消防系統方案對比表

從表2可知，獨立設置區間消防系統有利于區間管網壓力設計，但會增加一定投資。實際工程當中過海區間是否獨立設置區間消防系統需要結合車站建筑方案，業主及運營單位相關要求，通過綜合比較后確定。8號線過海區間采用與車站合用臨時高壓消防系統。

3.4 超壓處理措施分析

《消規》中明確指出：1)消火栓栓口動壓不應大于0.5 MPa；當大于0.70 MPa時必須設置減壓措施。2)消火栓栓口處靜壓大于1.0 MPa時，消防給水系統應分區供水。8號線地鐵長大過海區間最深處約70 m，采用臨時高壓系統需考慮動壓及靜壓超壓處理措施。實際工程中常采用壓力級別較高的管道及管件作為應對方案，但是未實現真正意義上的減壓，下面就其他超壓處理技術措施進行介紹。

3.4.1動壓超壓處理措施

消火栓系統中常見的動壓超壓措施有以下幾種：

1)采用減壓穩壓消火栓。

減壓穩壓消火栓是在常規消火栓中增設節流裝置，一般通過減壓孔板進行節流，實現消火栓栓口出水壓力穩定。

2)減小消防供水管道管徑。

區間消防設計流量恒定，供水管網設計時可通過減小消防供水管道管徑，增加管道沿程阻力損失，達到減少區間下游消防管道壓力值的目的。

3)減壓閥減壓。

減壓閥可同時處理動壓及靜壓超壓問題。減壓閥減動壓的基本原理是依靠閥內流道產生對流體介質的局部阻力，以降低流體壓力。區間消火栓系統管道可通過減壓閥進行減動壓，管道系統設計時需要注意減壓閥使用條件，在減壓閥前后均設置環管，滿足消防供水要求。

3.4.2靜高壓處理措施

1)減壓閥方案。

消火栓系統中可利用減壓閥處理靜壓超壓問題，主要是利用水力平衡原理使減壓閥處于關閉狀態，隔斷管道上下游聯系，使下游管道壓力控制在一個穩定值，從而解決管道靜壓超壓問題。減壓閥處理靜高壓過程中，管道中水流并未出現能量損失。

2)手電兩用電動蝶閥鎖閉方案。

在過海區間消防管道靜壓較大處設置手電兩用電動蝶閥，閥門前后均設置壓力開關及壓力表，平時進行物理鎖閉，待閥后壓力小于設定值時，壓力開關動作，將信號反饋至控制室，由運營人員現場手動緩慢開啟閥門，待壓力回升至管道壓力設定值時，關閉閥門，以減少靜高壓對下游管道的影響。火災時，由火災報警系統聯動電動蝶閥全部打開，滿足消防供水要求。

3.4.3超壓處理措施選擇及區間消火栓系統方案介紹

《消規》規定：消防給水所采用的減壓閥性能應安全可靠，并應滿足消防給水要求。根據國內項目運營經驗，減壓閥是消防系統中發生故障頻率較高的組件，常因閥內雜質堵塞等問題而失效，致使減壓閥后管道水流不暢或超壓，增加了消防安全隱患。另外，減壓閥因本身結構特點，不宜長期作為斷開閥使用，斷開閥仍建議采用閘閥、蝶閥等傳統閥門。

出于對地鐵長大區間消防系統運營安全性、可靠性等因素考慮，過海區間消火栓系統超壓處理措施采用減壓穩壓消火栓及手電兩用電動蝶閥鎖閉方案。8號線地鐵長大區間消火栓系統設計方案如圖7所示。

4 結語

1)區間消火栓系統采用臨時高壓系統，并以海底泵站為界，設置左右兩個獨立的消防供水分區。區間消火栓系統是否獨立設置消防泵組應通過綜合比較確定。2)區間栓口壓力超過0.5 MPa區域，采用減壓穩壓消火栓，穩定栓口出水壓力。3)靜壓較大處采用手電兩用電動蝶閥鎖閉方案，利用壓力開關反饋管道壓力信號，平時常閉，火災時由火災報警系統聯動電動蝶閥全部打開。4)需與火災報警系統專業做好接口設計，確保實現過海區間消防系統設計功能。地鐵長大過海區間消火栓系統采用上述設計方案，可滿足消防供水及滅火需求，使地鐵項目運營更加安全可靠。