城市二類交通隧道排水及消防系統設計探討

畢 秀 梅

(中鐵第四勘察設計院集團有限公司，湖北 武漢 430063)

0 引言

在快速發展的經濟帶動下，我國城市隧道交通工程也突飛猛進。但與之配套的給排水、消防系統的設計，國內尚無具體的規范規定。關于城市二類隧道給排水及消防研究較少，而該類工程又很多，設計合理、經濟、完善的排水及消防系統對隧道交通運營至關重要。筆者結合某城市交通隧道設計案例，對城市二類交通隧道排水及消防系統方案、關鍵參數進行探討。

1 工程概況

該城市隧道東西走向，長1 980 m，屬二類城市交通隧道，單層雙孔，盾構施工，分別在東西兩端各設一座工作井，盾構段長1 260 m，盾構直徑11.3 m，隧道設計車速為60 km/h，僅限通行非危險化學品等機動車。隧道盾構段兩側設明挖暗埋段與道路銜接。隧道平面示意圖見圖1。

2 隧道消防系統設計

2.1 消防系統方案分析

汽車油箱、駕駛室、行李或貨物等是城市交通隧道發生火災的主要部位，火災類型一般為A，B類[1]。火災特點主要表現為：行駛中的車輛導致火災發生的時間和地點均具有隨機性；因隧道密閉，火災時升溫快，大部分火災在起火后10 min即可達到很高的溫度；火災時，因燃燒缺氧產生的有毒有害氣體，可能會導致司乘人員窒息、死亡；隧道橫斷面小、狹長，救援人員疏散困難。結合火災特點，以下對各類可用于隧道的消防系統進行分析，以確定適用于城市二類隧道的合理、經濟、可行的消防滅火系統。

2.1.1水成膜泡沫滅火系統

火災時水成膜除具有一般泡沫滅火劑的冷卻和窒息作用外，還能在燃燒體表面形成一種水膜，水膜與泡沫層共同封閉燃燒液體表面，隔絕空氣，阻止可燃液體繼續燃燒。對油類火災，水成膜泡沫滅火系統能較好的控火、滅火。固定式水成膜泡沫系統與消火栓系統聯合工作，泡沫噴槍、泡沫容器、比例混合器等水成膜設施與消火栓設在同一個箱內，水成膜用水取自消火栓，與消火栓共用消防給水干管及消防泵。火災時，水成膜泡沫滅火劑通過泡沫混合裝置與水混合后，輸出的泡沫混合液經泡沫噴槍產生滅火泡沫，靠泡沫和保護膜雙重作用，達到快速滅火的效果，水成膜泡沫不與水混合時有效期可長達8年。固定水成膜泡沫系統管理簡單、操作簡便，一般司乘人員就能使用。若采用該系統，僅需在消火栓箱內放入水成膜設施，通過一根DN25金屬管與消火栓連接，消防干管、消防泵、報警設施等均與消火栓共用，工程投資少、管理簡單、維護運行費用低。隧道內火災多以汽車油類火災居多，城市二類隧道內宜設置固定式水成膜泡沫滅火系統，以便及時撲滅初期火災。

2.1.2消火栓系統

水是一種常用、廉價且經濟的滅火劑，可用于撲滅A 類火災。水在溫度升高時，可以吸收大量的熱，能有效地降低燃燒物質和周圍物質的溫度，撲滅火焰、阻止燃燒。對于二類及以上隧道，《建筑設計防火規范》[2]和《公路隧道設計規范 第二冊 交通工程與附屬設施》[3]規定消火栓是必備的消防設施。故城市二類隧道內應設消火栓系統，用于撲滅初期火災，防止火災擴大。

2.1.3泡沫—水噴霧消防系統

泡沫—水噴霧消防系統是由泡沫系統和水噴霧系統組成、噴頭為共用噴灑裝置的系統，火災時，先噴灑一定時間的泡沫滅火，然后再噴水霧冷卻。除泡沫水噴霧閥組箱至噴頭段為泡沫系統與水噴霧系統共用外，其余部分完全獨立，泡沫系統和水噴霧系統均各自設有獨立的泡沫干管、泡沫泵及水噴霧干管、水噴霧泵，兩套系統的干管平行沿隧道縱向貫通，且在隧道內成環。該系統需較大空間布置管道系統，管道多、泵多，所需投資大，且管理維修費用高。平時泡沫干管內充滿水成膜，須定期更換。水成膜具有腐蝕性，滴、漏及消防時有腐蝕給排水管道的風險。該系統自動操作，需配置監測、報警、自動響應啟動等復雜的自控系統。現該系統多用于江、湖、海等的水底隧道[4-6]，如南京長江隧道、武漢東湖隧道、揚州瘦西湖隧道等水底隧道設置了泡沫—水噴霧消防系統。鑒于城市二級隧道位于城市內，以撲滅初期火災自救為主，同時考慮經濟性，不推薦采用此系統。

2.1.4水噴淋系統

水噴淋滅火系統是由開式或閉式噴頭、傳動裝置、噴水管網、濕式報警閥等組成。發生火災時，啟動噴淋泵噴水滅火。隧道相對封閉、空間小，初期火災一般發生在車廂內部、下部，在頂部噴水滅火效果不佳。在高溫火焰上噴水，不但不會撲滅火焰，還有可能使煙霧層向下移動，降低隧道內能見度，影響現場人員的救援、疏散。因而城市交通隧道不建議采用此消防系統。

2.1.5滅火器[7]

滅火器操作簡單、使用方便、滅火性能可靠，一般司乘人員就會使用，是撲滅初期小規模火災的重要工具。《建筑設計防火規范》《公路隧道設計規范 第二冊 交通工程與附屬設施》規定城市隧道需設置滅火器，并對滅火器的設置作了原則規定。磷酸銨鹽干粉滅火劑，可用于撲救除活潑金屬外的其他各類火災，因而城市二級隧道內推薦采用手提式磷酸銨鹽滅火器。

2.2 消防系統設計

由于城市二類隧道位于城市內，發生火災時消防隊接到報警趕赴現場時間短，同時根據隧道火災特點，消防系統設計立足于以司乘人員可以使用滅火設施來控制、撲滅初期火災為目的。火災中期或大火災時以城市專業消防隊員和消防車為主體進行消防。結合以上消防系統分析，城市二類隧道消防滅火系統采用固定式水成膜消防系統、消火栓系統、滅火器三種消防系統組合的消防系統。

2.2.1固定式水成膜、消火栓消防系統

1)系統設置。

隧道消防水源采用城市自來水，市政供水管徑、供水壓力不能滿足隧道消防直供用水要求，需設消防加壓泵房。該隧道兩孔，消防管道沿隧道縱向鋪設，管線長，為減少管道沿程損失，以降低消防泵揚程及節省能耗、降低部分消防管道壓力，保證消防供水安全，在東、西工作井內各設一座消防泵房。東工作井消防泵房設消火栓泵(Q=21 L/s，H=53 m，N=30.0 kW)2臺(互為備用)、西工作井消防泵房設消火栓泵(Q=21 L/s，H=56 m，N=30.0 kW)2臺(互為備用)，每座消防泵房內設穩壓設備一套。緊鄰消防泵房各設一座有效容積300 m3消防水池，儲存消火栓與水成膜一次消防最大用水量。

固定式水成膜系統依附于消火栓系統取水，沿每孔隧道單側間隔45 m設一座水成膜與消火栓共用的消防箱，箱內設單閥單頭DN65消火栓2個、DN19水槍2支、30 L泡沫液罐1個、泡沫噴槍、負壓式比例混合器、報警按鈕1個、水帶及報警器。

自隧道兩端的工作井消防泵房內各引出兩根DN150消防干管與隧道內消防環狀管網連接。隧道內DN150消防干管沿隧道明挖暗埋段及盾構段管廊鋪設，敞開段埋地鋪設。消防干管在兩孔隧道貫通且在隧道兩端連接成環，消火栓通過DN65支管與隧道內DN150消防干管連接，消防環狀管網每隔5個消防箱設1個檢修閥，管網最高點設排氣閥、最低點設排泥閥，遇隧道結構縫處設伸縮節，消防管道采用鍍鋅鋼管。

2)設計參數。

固定式水成膜泡沫混合液流量不小于30 L/min，射程不小于6 m，泡沫混合液連續供給時間20 min，水成膜泡沫滅火裝置用水量為1 L/s；隧道內消火栓系統用水量為20 L/s，隧道洞口外消火栓用水量為30 L/s，火災延續時間3 h；最不利點消火栓水槍充實水柱不小于10 m；消火栓栓口距車行道高度1.1 m。消火栓、水成膜消防箱示意圖見圖2，消火栓、水成膜系統圖見圖3。

2.2.2滅火器配置

在每孔隧道行車道兩側每隔50 m設一只滅火器箱，交錯布置，每只箱內設置4具4 kg裝的磷酸銨鹽滅火器，供撲滅初期火災使用。

2.2.3工作井內設備用房滅火系統

工作井內通風機房、弱電機房、民用通信機房、變電所、消防泵房內設氣體滅火系統，采用全淹沒柜式超細干粉滅火裝置，超細干粉滅火設計濃度C=0.12 kg/m3,單位體積超細干粉設計量為：M=(1+δ1)CK1K2。其中,δ1=0.1，C=0.12 kg/m3，K1=1.5，K2=1.1，則M=0.217 8 kg。根據《建筑滅火器配置設計規范》，工作井內風機房、弱電設備室、民用通信設備室、變電所及消防泵房均屬于E類火災場所，設手提式磷酸銨鹽滅火劑；城市隧道屬于中危險級，最大保護距離20 m(A類)，單具滅火器最小配置滅火級別為2A，單位滅火級別最大保護面積為75 m2。

3 隧道排水系統設計

3.1 廢水排水系統

1)系統設置。

隧道內廢水主要來源：正常情況下為沖洗廢水、結構滲漏水、雨天車輛行駛帶進隧道內的雨水等；在發生火災時廢水的主要來源為消防廢水，即隧道內水成膜廢水和消火栓消防廢水。由于消防時廢水中含有泡沫液，廢水泵房廢水須排入市政污水管網，經市政污水處理廠處理后排放。

根據高水高排、低水低排的原則，隧道最低點設廢水泵房，東、西工作井內各設一座廢水泵房。最低點廢水泵房排水有兩種設計方案，方案一：最低點廢水泵房直接將廢水抽升出隧道，排至地面污水管網；方案二：最低點廢水泵房的廢水就近排入東工作井廢水泵房，經工作井廢水泵房轉輸至地面的污水管網。綜合分析，方案二較優：這樣最低點廢水泵房潛污泵揚程小、能低耗、節省了工作井至地面雨水檢查井之間的壓力排水管長度。故該隧道設計采用方案二。隧道最低點廢水泵房內設自動攪勻潛污泵(Q=40 m3/h，H=43 m，N=15 kW)3臺，2用1備；東、西工作井廢水泵房內均各設自動攪勻潛污泵(Q=40 m3/h，H=28 m，N=7.5 kW)3臺，2用1備。廢水泵房控制方式采用集水池內水位控制、手動啟動、控制室遠程啟動。

2)設計參數。

盾構段結構滲入水為5.7 m3/d，明挖段結構滲漏水：10.0 m3/d(1號)、8.5 m3/d(2號)、9 m3/d(3號)、6.0 m3/d(4號)、消火栓與水成膜廢水21 L/s。

3.2 雨水排水系統

1)系統設置。

雨水排水系統是確保隧道雨天安全運營的保障。該隧道由敞開段、明挖暗埋段和盾構段三部分組成，雨水排水系統排除的是敞開段至接線道路駝峰點之間的雨水，由雨水收集系統、雨水泵房組成。在隧道出入口各設一座雨水泵房，在暗埋段與敞開段交界處設置兩道橫截溝，攔截雨水進入雨水泵房集水池。泵房內設潛污泵，將雨水提升后排入雨水管網。在隧道出入口雨水泵房內均各設自動攪勻潛污泵(Q=250 m3/h，H=15 m，N=22 kW)3臺，2用1備。雨水泵房控制方式采用集水池內水位控制、手動啟動、控制室遠程啟動，所有泵的啟閉狀態均在控制室內顯示。

2)設計參數。

暴雨重現期決定雨水設施規模、排水能力，目前關于城市交通隧道敞開段暴雨重現期，國內尚無相關規范規定。GB 50014—2006室外排水設計規范(2016年版)[8]第3.2.4B條規定：特大城市內澇防治設計重現期為50年～100年；GB 50157—2013地鐵設計規范[9]第14.3.1條規定：隧道洞口的雨水泵站的排水能力，應按當地50年一遇的暴雨強度計算；歐盟推薦地下鐵路/地下通道設計內澇重現期為50年。綜上，為確保雨天隧道運行安全，降低隧道積水、車陷雨水的風險，敞開段出入口宜按50年一遇的暴雨強度計算。雨水量計算暴雨強度公式：

其中，i為設計暴雨強度，mm/min；P為設計重現期，年；t為降雨歷時，t=t1+t2，min；t1為地面集水時間；t2為管渠內雨水流行時間,min,t2=0。

計算得：q=3.949 34 mm/min。

隧道雨水設計流量Q=Ψ·i·F。

其中，Ψ為徑流系數，Ψ=0.9；F為匯水面積,hm2。

雨水泵房設計流量取雨水計算流量的1.2倍，雨水泵房集水池的有效容積取最大1臺排水泵5 min～10 min出水量。

4 結語

城市隧道出口少、空間小、封閉性強，設置合理、經濟的給排水及消防系統，是保障城市交通隧道安全運營關鍵。城市二類交通隧道消防采用固定水成膜泡沫滅火系統、消火栓系統、滅火器的組合消防系統，可有效撲滅隧道內各類初期火災、降低火災造成的損失。

最低點廢水泵房的廢水通過工作井轉輸模式，能耗低，投資少；敞開段出入口雨水泵房按50年一遇的暴雨強度計算，雨水泵房集水池的有效容積取最大1臺排水泵5 min～10 min出水量。