深中通道海底隧道工程消防系統(tǒng)設(shè)計

劉飛

（中鐵第四勘察設(shè)計院集團有限公司環(huán)境工程設(shè)計研究院，湖北 武漢 430063）

為打通江河湖海的交通屏障、增進城市內(nèi)或鄰近城市群間的經(jīng)濟發(fā)展，近年來國內(nèi)越江隧道及海底隧道建設(shè)越來越多。已開通運營的包括江西省南昌市艾溪湖隧道、江蘇省南京市和燕路過江通道、湖北省武漢市長江公鐵隧道、山東省濟南市黃河濟濼路隧道等，正在建設(shè)的包括江蘇省海太長江隧道、山東省青島市膠州灣第二隧道、廣東省深中通道等。

穿越江海湖河的水下隧道與城市下穿隧道、山嶺隧道不同，因其埋深大和水下的特殊性一般具有人員疏散救援困難的特點。如果發(fā)生火災，安全危害極大，經(jīng)濟損失嚴重[1～3]。因此，做好水下隧道消防設(shè)計是防災救援工作的重中之重。本文以深中通道海底隧道工程項目為例，論述其較為完善的消防系統(tǒng)設(shè)計，為今后類似標準的水下隧道工程消防設(shè)計提供借鑒。

一、工程概況

深中通道建設(shè)工程項目是跨越珠江口連接深圳市與中山市的世界級“橋、島、隧、地下互通”集群工程，是國家“十三五”重大工程和《珠江三角洲地區(qū)改革發(fā)展規(guī)劃綱要（2008-2020年）》確定的重大基礎(chǔ)設(shè)施項目，也是珠三角兩大功能組團“深莞惠”與“珠中江”之間的唯一公路直連通道。該項目于2016年底開工建設(shè)，總投資約460億元，路線全長約24km，其中海底隧道段全長6870m，是世界首條大規(guī)模采用鋼殼混凝土組合結(jié)構(gòu)的沉管隧道[4～7]。

二、隧道消防系統(tǒng)設(shè)計

（一）隧道滅火系統(tǒng)設(shè)置原則

該項目隧道消防系統(tǒng)設(shè)計遵循“以防為主，防消結(jié)合”的原則，根據(jù)《公路隧道設(shè)計規(guī)范（第二冊交通工程與附屬設(shè)施）》（JTG D70/2-2014），隧道屬于“A+”級，必須設(shè)置的消防滅火設(shè)施包括滅火器、消火栓、固定式水成膜泡沫滅火裝備[8]。考慮隧道消防安全重要性，結(jié)合相關(guān)研究結(jié)論[9～10]，參考相關(guān)工程設(shè)計實例[11～13]，除滿足規(guī)范要求外適當加強，補充了泡沫-水噴霧聯(lián)用系統(tǒng)。其中，在隧道敞開段洞口附近設(shè)室外消火栓系統(tǒng)，在隧道行車主洞設(shè)置水成膜泡沫消火栓系統(tǒng)、滅火器、泡沫-水噴霧聯(lián)用系統(tǒng)，在安全通道設(shè)置滅火器。隧道洞口及隧道內(nèi)消火栓系統(tǒng)均采用臨時高壓系統(tǒng)，消防管按環(huán)狀管網(wǎng)布置。隧道消防滅火系統(tǒng)設(shè)置如圖1所示。

圖1 隧道消防滅火系統(tǒng)設(shè)置圖

因隧道為W型縱斷面，且隧道長度較長，如僅在單側(cè)設(shè)置消防泵房，則由最不利點計算出的消防泵揚程偏高，消防管道壓力過大，局部管道壓力甚至超過2MPa，存在運營及安全風險。考慮以上情況，水消防系統(tǒng)設(shè)計采用以W型隧道中間高點為分界線，設(shè)置東、西兩個系統(tǒng)，在東、西兩人工島分別設(shè)置消防泵房及消防水池的方案。

（二）消火栓系統(tǒng)

1.系統(tǒng)構(gòu)成

以隧道W型縱斷面中間高點為分界線，設(shè)置東、西兩個系統(tǒng)，從東、西人工島消防泵房中室外消火栓泵組分別接出兩根DN200室外消火栓管網(wǎng)，形成可靠的環(huán)狀管網(wǎng)，以供隧道洞口附近室外消防用水；從兩人工島消防泵房中隧道消火栓泵組分別接出兩根DN150消火栓管網(wǎng)至隧道管溝，在管廊內(nèi)全線貫通形成可靠的環(huán)狀管網(wǎng)，以供隧道內(nèi)消火栓用水，其中F、G匝道消火栓管與主線消火栓管在匯入主線處連通，形成環(huán)狀管網(wǎng)。隧道內(nèi)消火栓系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 隧道內(nèi)消火栓系統(tǒng)示意圖

在隧道中間管廊兩邊側(cè)墻及匝道的一側(cè)墻內(nèi)，設(shè)置一組間隔不大于40m消火栓箱，每只箱內(nèi)設(shè)雙閥雙出口消火栓，栓口壓力超過0.50MPa采用減壓穩(wěn)壓型消火栓，栓口直徑DN65，以及25m襯膠水龍帶2條、Φ19mm多功能水槍、Φ9mm吸氣型泡沫槍，自救式消防軟管卷盤1盤，消火栓箱報警按鈕1只，并配40L不銹鋼泡沫液罐1個。

2.設(shè)計參數(shù)

隧道洞口及敞開段室外消火栓系統(tǒng)：消防設(shè)計流量為30L/s，火災延續(xù)時間為4h，消火栓設(shè)置距離敞開洞口不超過120m，室外消火栓系統(tǒng)栓口動壓不小于0.25MPa，滿足10m充實水柱；按每個室外消火栓、消防水泵接合器為10L/s～15L/s計，每處設(shè)2個室外消火栓；同時在隧道洞口附近設(shè)置消防水泵接合器，每處設(shè)置2個。

隧道內(nèi)消火栓系統(tǒng)：隧道內(nèi)消火栓消防設(shè)計流量為20L/s，火災延續(xù)時間為4h，消火栓設(shè)置間距不超過40m。隧道固定式水成膜泡沫滅火裝置混合液流量不小于1L/s；室內(nèi)消火栓系統(tǒng)最不利點工作壓力不小于0.35MPa，固定水成膜系統(tǒng)的有效射程不小于6m，水成膜泡沫滅火裝置作用時間不小于22min。

（三）泡沫-水噴霧聯(lián)用系統(tǒng)

1.系統(tǒng)構(gòu)成

以隧道W型縱斷面中間高點為分界線，設(shè)置東、西兩個系統(tǒng)，從東、西人工島各設(shè)1座消防泵房，分別接出2根DN350消防管和2根DN80泡沫液管至隧道管廊，在管廊內(nèi)貫通形成可靠的環(huán)狀管網(wǎng)。在隧道沿線每個滅火分區(qū)內(nèi)設(shè)置獨立的泡沫或水噴霧控制閥組箱，內(nèi)含雨淋閥組、比例混合器、泡沫閥組等設(shè)施，以及水霧噴頭。隧道內(nèi)泡沫-水噴霧系統(tǒng)如圖3所示。

圖3 隧道內(nèi)泡沫-水噴霧系統(tǒng)示意圖

2.設(shè)計參數(shù)

泡沫-水噴霧聯(lián)用系統(tǒng)的噴霧強度≥6.5L/（min·m2），泡沫混合液噴射時間參考港珠澳大橋沉管隧道消防設(shè)計標準，在《泡沫滅火系統(tǒng)設(shè)計規(guī)范》（GB 50151-2010）規(guī)定的基礎(chǔ)上適當提高標準，取≥30min，水噴霧噴射時間≥60min。泡沫混合液的濃度≥3%，所有隧道專用泡沫水噴霧噴頭處的壓力≥0.35MPa。沿隧道縱向劃分滅火分區(qū)，分區(qū)長度根據(jù)不同寬度隧道段采用不同設(shè)計值，泡沫-水噴霧閥組設(shè)置箱間距具體根據(jù)設(shè)備布設(shè)情況確定，但均不大于設(shè)計值。隧道標準段滅火分區(qū)最大長度為21m，經(jīng)計算，不同里程段的各隧道斷面寬度對應(yīng)的滅火分區(qū)最大長度及噴頭布置間距詳如表1所示，其中最寬處創(chuàng)新性的增加了車道中間頂噴的方式。

表1 各段隧道滅火分區(qū)最大長度及噴頭布置間距表

3.系統(tǒng)設(shè)計流量

最大用水量點為東島隧道并線漸寬段k6+718～k7+030處，隧道行車道寬24m～30m，考慮設(shè)備布設(shè)影響，分區(qū)最大長度按14m，噴頭采用“雙側(cè)側(cè)噴+中間頂噴”的3排布置形式，兩側(cè)側(cè)噴選擇單個噴頭流量4.2L/s（流量系數(shù)K=135），有效覆蓋距離約10m；中間頂噴選擇單個噴頭流量6.8L/s（流量系數(shù)K=218），有效覆蓋距離約12.5m。單個噴頭工作壓力0.35MPa。系統(tǒng)設(shè)計流量核算如下。

滅火分區(qū)保護面積：S=30×14=420m2

根據(jù)噴霧強度計算所需流量：Q需=420×6.5=2730L/min

按設(shè)計噴頭布設(shè)方案核算流量 ：Qj=6×4.2×60+3×6.8×60=2736L/min＞Q需（滿足設(shè)計要求）

每組設(shè)計流量：Qs=K·Qj=1.05×2736/60=47.88 L/s

發(fā)生火災時，同時啟動火災探測器周邊相鄰的3組泡沫水噴霧閥組，則系統(tǒng)設(shè)計流量為：Qs=47.88×3＝143.64 L/s

（四）消防泵房及消防水池

在東、西兩座人工島各設(shè)一座消防泵房。經(jīng)選泵計算，每座隧道消防泵房內(nèi)設(shè)置室外消火栓泵兩臺（一用一備），型號為Q=30L/s、H=0.50MPa、N=37kW，配XW(L)-II-1.0-54-ADL型增壓穩(wěn)壓設(shè)備，帶SQL800×1.0氣壓水罐；設(shè)隧道內(nèi)消火栓泵兩臺（一用一備），型號為Q=20L/s、H=1.10MPa、N=55kW，配XW(L)-II-1.0-109-ADL型增壓穩(wěn)壓設(shè)備，帶SQL800×1.6氣壓水罐；設(shè)水噴霧泵三臺（兩用一備），型號為Q=80L/s、H=0.85MPa、N=132kW，配XW(L)-II-2.0-97-ADL型增壓穩(wěn)壓設(shè)備，帶SQL800×1.6氣壓水罐；設(shè)泡沫消防泵兩臺（一用一備），型號為Q=5L/s、H=94m、N=11kW，配兩座泡沫液罐單座泡沫罐容積為4m3（Φ1500mm、不銹鋼材質(zhì)）。在泵房附近消防車道旁設(shè)置消防水泵接合器，與島上室外消火栓相對應(yīng)，距離島上室外消火栓或消防水池5m～40m。

消防水池容積按照一次火災設(shè)計。在東、西兩島消防泵房旁各設(shè)兩座消防水池，兩座消防水池的有效容積需滿足一次室外消火栓系統(tǒng)用水量、隧道消火栓系統(tǒng)用水量、水成膜用水量和泡沫-水噴霧聯(lián)用系統(tǒng)用水量之和。其中，消火栓系統(tǒng)消防水量為：432m3（室外消火栓）+288m3（隧道內(nèi)消火栓）+1.32m3（水成膜）=721.32m3；泡沫水噴霧系統(tǒng)消防用水量按143.64L/s、持續(xù)（30+60）min得775.66m3，合計1496.98m3。每座泵房配套消防水池容積為1600m3，單座消防水池設(shè)計容積為800m3。東、西人工島消防水池分別由各島DN200市政給水管引入，消防水池引入管管徑為DN150，滿足48小時補滿水的要求。

（五）啟動方式

室外消火栓系統(tǒng)啟動方式為：根據(jù)管網(wǎng)壓力變化自動啟動，泵房內(nèi)手動啟動，控制中心遙控啟動。

隧道消火栓系統(tǒng)啟動方式為：消火栓箱內(nèi)按鈕作為報警信號啟動，泵房內(nèi)手動啟動，控制中心遙控啟動，根據(jù)管網(wǎng)壓力變化自動啟動。

泡沫/水噴霧滅火系統(tǒng)啟動方式為：自動報警后信號傳至控制中心自動啟動或經(jīng)控制中心人工確認后啟動，泵房內(nèi)手動啟動，控制中心遙控啟動。

（六）滅火器系統(tǒng)的設(shè)置

1.設(shè)置依據(jù)

根據(jù)《公路隧道設(shè)計規(guī)范（第二冊交通工程與附屬設(shè)施）》（JTG D70/2-2014）第10.2.2條的規(guī)定：公路隧道內(nèi)滅火器宜選用磷酸銨鹽干粉手提式滅火器，滅火器充裝量不應(yīng)小于5kg且不應(yīng)大于8kg；單洞四車道公路隧道應(yīng)在隧道兩側(cè)交錯設(shè)置滅火器，滅火器單側(cè)設(shè)置間距不應(yīng)大于50m[8]。

2.隧道行車孔滅火器

在隧道車道兩側(cè)交錯布置滅火器箱（中間安全通道側(cè)與消火栓同箱設(shè)置），結(jié)合標準管節(jié)的設(shè)備布設(shè)需求綜合考慮，滅火器單側(cè)間距不大于40m，每個箱內(nèi)設(shè)6kg磷酸銨鹽干粉手提式滅火器4具，以供撲滅初期火災時使用，另配火災逃生面具3套，以供火災期間人員逃生使用。

3.安全通道滅火器

安全通道內(nèi)上行隧道行車孔側(cè)安全門內(nèi)的兩側(cè)設(shè)置滅火器箱，箱內(nèi)放置6kg磷酸銨鹽干粉手提式滅火器4具。

三、基于物聯(lián)網(wǎng)的消防救援聯(lián)動系統(tǒng)構(gòu)想

本著“安全第一、以人為本”的建設(shè)理念，結(jié)合深中通道運營安全保障與應(yīng)急救援整體體系框架的要求[14]，基于隧道內(nèi)的技術(shù)裝備，從影響隧道安全的三個主要因素——隧道管理者、隧道使用者及隧道本身出發(fā)，提出基于物聯(lián)網(wǎng)的消防救援聯(lián)動系統(tǒng)構(gòu)想。即：在區(qū)域救援組織架構(gòu)下從火災事故的預防及事故后的交通控制、廣播、照明、監(jiān)控、緊急通風、公共救援部門溝通及相鄰隧道和上游路段的交通管制等環(huán)節(jié)實施聯(lián)動預案的研究編制，為提高隧道安全性及事故工況下救援力量的快速介入提供參考，為編制自動控制軟件提供邏輯依據(jù)。

深中通道工程隧道消防聯(lián)動由火災自動報警系統(tǒng)、消防系統(tǒng)滅火部分、交通監(jiān)控系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、通風系統(tǒng)、照明系統(tǒng)、電力監(jiān)控系統(tǒng)等相關(guān)專業(yè)系統(tǒng)聯(lián)合實現(xiàn)，如圖4所示。

圖4 消防救援聯(lián)動系統(tǒng)構(gòu)想示意圖

四、結(jié)語

深中通道工程項目是跨越珠江口的一項大型隧島橋集群工程項目，作為世界首條大規(guī)模采用鋼殼混凝土組合結(jié)構(gòu)的沉管隧道，海底隧道工程建設(shè)及設(shè)計標準極高。本文考慮項目特點及各方綜合因素，在規(guī)范基礎(chǔ)上適當提高標準，設(shè)置了隧道洞口室外消火栓系統(tǒng)、含固定式水成膜泡沫滅火裝置的隧道內(nèi)消火栓系統(tǒng)、泡沫-水噴霧聯(lián)用系統(tǒng)、滅火器系統(tǒng)，4個消防系統(tǒng)獨立設(shè)置組成了消防滅火系統(tǒng)，并在此基礎(chǔ)上提出基于物聯(lián)網(wǎng)的消防救援聯(lián)動系統(tǒng)構(gòu)想，確保火災發(fā)生時能及時滅火。該海底隧道消防系統(tǒng)設(shè)計方案對今后類似高標準水下隧道工程，尤其是海底隧道工程的設(shè)計及有關(guān)規(guī)范標準的制訂、修編具有重要的參考意義。