城市隧道消防水系統設計探討

梁 印

（蘇交科集團股份有限公司，南京 210019）

隨著城市交通量的日益增長，地上交通堵塞情況加劇，地下隧道日漸興起且迅速發展。由于城市隧道結構相對封閉，只有出入口與外界相連通，一旦發生火災，火勢會迅速向隧道出入口兩端蔓延，導致人員傷亡和財產損失。因此，當隧道內發生火災時，合理有效的消防系統能夠在火災初期階段將其撲滅，防止火勢進一步的擴大。然而城市隧道包括一般下穿隧道和水下城市隧道，隧道又可分為一類、二類、三類和四類隧道[1]。不同類型的隧道所需配置的消防水系統不同，目前國家標準中僅GB50016—2014《建筑設計防火規范》（2018版）（簡稱《建規》）和GB50974—2014《消防給水及消火栓系統技術規范》（簡稱《消規》）中針對城市交通隧道消火栓系統布置和滅火器配置做出簡單的規定，但通過對工程案例調研發現，常用的消防水系統還包括固定式水成膜系統、泡沫-水噴霧系統等，但不同消防水系統的適用隧道未有明確的規定，本文通過分析各消防水系統的滅火機理以及結合現有隧道工程的消防水系統配置，進一步對城市隧道消防水系統方案選擇進行探討，同時，由于二類城市隧道在城市中更為常見，因此本文以某二類城市隧道工程為例對消防水系統技術參數進行設計。

1 工程概況

文章基于某二類城市隧道實際工程對消防水系統設計參數展開探討，該隧道為雙洞單向隧道，暗埋段共910 m，暗埋段兩端通過敞開段與接地點連接。每個洞室橫斷面長均為12.7 m，高5.45 m，均設置3個車道，設計時速為60 km/h，僅限通行機動車，且允許通行危化品車輛，根據《建規》中規定，該城市隧道屬于二類城市隧道。

2 消防水系統比選

2.1 規范規定差異性

目前所參考的規范中，均規定了允許通行危險化學品的車輛以及長度超過500 m的城市隧道需設置消火栓系統。然而不同規范對于其他消防水系統規定不同，如下：

1）《消規》[2]中規定了通行危化品車輛的城市隧道應加設泡沫水槍或水霧系統。

2）JTG D70/2—2014《公路隧道設計規范 第二冊交通工程與附屬設施》[3]（簡稱《公路隧道規范》）提出了A級及以上的公路隧道必須加設固定式水成膜系統。

3）DG/TJ08-2033—2008[4]《道路隧道設計規范》（簡稱《道路隧道規范》）以及JTG/T 3371—2022《公路水下隧道設計規范》[5]（簡稱《水下隧道規范》）規定還需設置水噴霧系統、泡沫-水噴霧系統及泡沫消火栓系統，但并未對各消防系統的適用隧道長度或類型做出要求。

對于消防水系統設計參數差異性主要表現在城市水下隧道室外消火栓設置間距，《消規》中規定室外消火栓距離洞口不宜小于5 m，且不宜大于40 m，而《水下隧道規范》中規定室外消火栓距離洞口不應大于10 m。

2.2 消火栓系統

消火栓系統采用的滅火劑為水，主要用于撲救A類固體火災，當發生火災時，對可燃物進行冷卻降溫，以達到滅火的目的。因滅火劑經濟、維護方便和滅火速度快等優點被廣泛應用。

由于隧道內每隔一段距離設置一個變形縫，為避免等距布置時消火栓箱位于變形縫處以需局部調整消火栓箱位置時而影響整體布局，在規范要求的基礎上，其布置間距可取40 m，且每個消火栓箱內設置2個消火栓，以保證2股充實水柱能夠到達隧道的任意位置。然而針對室外消火栓設置間距的差異性，由于隧道發生火災時，煙氣會通過洞口向外擴散，若室外消火栓布置距離洞口較近，救援人員使用室外消火栓時將會受到煙氣擴散的影響，造成視覺能見度降低，且高溫有毒煙氣同樣會對救援人員造成傷害，因此室外消火栓布置不宜距洞口較近，應以不大于40 m的規定為準。

2.3 水噴霧系統

水噴霧系統是以水作為滅火劑并以水霧滴的形態進行噴射，然而在隧道初期火災時，一般發生在機動車底部，水噴霧系統無法立即浸漬滲透至車輛著火部位，導致滅火速度較慢且存在火災繼續擴大的風險，因此在城市隧道內不推薦采用水噴霧系統進行滅火。

2.4 固定式水成膜系統

該系統的滅火劑為泡沫，在發生火災時噴放泡沫并附著在可燃物表面將其與氧氣隔離，以達到滅火的目的，可用于撲救隧道內B類火災[6]，常與消火栓系統聯用。其通常在消火栓箱內增設泡沫槍、泡沫比例混合器及泡沫罐等，并與消火栓共用消防供水管道，在發生火災時，泡沫液與供水管道的有壓水混合，形成壓力不小于0.35 MPa的泡沫混合液進行滅火，其供水量可根據《道路隧道規范》中的1 L/s設計。通?？墒褂门菽鹚ㄏ到y撲救危化品火災，實現滅火。除此之外，當城市隧道內不允許通行危化品車輛時，若隧道長度超過1 000 m，火災危險性增大，需設置固定式水成膜系統增加消防系統可靠性，但由于水成膜屬于腐蝕性物質，為保證滅火劑的有效性，需不超過2年即對泡沫液進行一次性能檢查[7]，增加人工成本。若隧道長度超過3 000 m，每個消火栓箱內均需設置泡沫罐，經濟性較差，此時可采用泡沫-水噴霧系統取代泡沫-消火栓系統。

2.5 泡沫-水噴霧系統

該系統是指將泡沫滅火系統與水噴霧滅火系統聯用，通過水噴霧管道及泡沫管道將水和泡沫液運輸至隧道內的泡沫-水噴霧閥組箱。當發生火災時，先利用噴頭持續噴射不少于20 min泡沫混合液進行滅火后，利用水噴霧進行冷卻，防止回燃。該方式能夠在火災初期利用泡沫快速滅火，后利用水噴霧系統冷卻降溫，比單一的泡沫滅火系統更加經濟，又比水噴霧系統更加高效，滅火可靠性高。然而泡沫-水噴霧系統需要在隧道內形成2套獨立的供水及供泡沫管網，且泡沫具有腐蝕性需要定期檢查維護，成本較高。近年來常用于城市水下隧道[8-9]，如南京市定淮門隧道、南京長江隧道等，同時長度超過3 000 m的一類城市隧道因其火災危險性更大，火災荷載更高的特點也應采用泡沫-水噴霧系統。其參數可根據《公路隧道規范》以及《道路隧道規范》中要求設計。

3 消防水系統設計

3.1 消防供水

常用的消防系統供水方式主要有市政供水和消防水池/水箱等，然而由于消防用水較為嚴格，必須滿足不間斷供水，而市政供水方式通常會存在檢修時段，此時若發生火災，則無法提供安全可靠的消防連續供水，因此本項目采用消防水池對消防系統進行供水的方式。

根據《建規》中的規定，二類城市隧道的室內消火栓用水量為20 L/s，室外消火栓用水量30 L/s，火災延續時間3 h，固定式水成膜用水量為1 L/s。消防泵房設置于隧道一側洞口，在泵房一側設置一座總有效容積不少于550.8 m3的消防水池，并分格設置，且消防水池底面不低于消防泵房地面。

3.2 消防泵房設計

3.2.1 消防水泵設置方案選擇

對于隧道內外消火栓泵的配置有共用消火栓泵（方案一）和分別設置隧道內外消火栓泵（方案二，常用于地上民用建筑）2種，無論選擇哪種方案，消火栓管網經濟差異性不大，但方案二所需的消防泵房面積增大，增加地下建筑施工成本，同時2組消防水泵也會增加電氣控制柜、設備采購費以及維護成本，因此本文采用隧道內外消火栓系統共用一組消火栓泵的方案。

3.2.2 泵房管線設計方案選擇

目前城市隧道的內外消火栓共用消火栓泵時，室外消火栓大多通過一根室外消火栓管道連接至室內消火栓環管上，但由于室外消火栓還承擔了利用水泵接合器向室內消火栓系統供水的功能，因此，若將室外消火栓直接連接至室內消火栓環管上時，則輸水路容易轉變為“消防水池→消防泵房→消火栓管網→室外消火栓→水泵接合器→消火栓管網→室外消火栓”，產生無效循環，室外消火栓無法起到向室內消火栓輸送消防用水的功能。因此，提出一種新的管線設計方案，即隧道內外消火栓共用消火栓泵，但在消火栓泵出水總管上分別設置獨立的室外消火栓管網和室內消火栓管網，二者分別向各自的消火栓系統供水。管線布置圖如圖1所示。

圖1 消防泵房管線布置平面圖（圖片為作者的設計圖，下同）

圖1給出了泵房管線布置圖，從圖中可以看出，消防水池內儲存水經消防泵房加壓后共用水泵出水管，在出水總管上分別引出2根DN150的室內消火栓管網向室內消火栓供水，以及2根DN200的室外消火栓管網向室外消火栓供水。此時，為防止室外消火栓通過水泵接合器向室內消火栓供水時依次經消火栓管網和水泵出水總管回流至室外消火栓的情況發生，本項目在消防泵房內水泵出水總管上引出的DN150的室內消火栓管網上增設止回閥，使消防水僅能由泵房向隧道單向流動，即水輸送路為“消防水池→消防泵房→室外消火栓管網→室外消火栓→水泵接合器→室內消火栓管網→室內消火栓”。該設計方案僅通過增加止回閥便使室外消火栓既能承擔室外火災撲救功能，又起到了向室內消火栓有效供水的作用，增加供水管網可靠性的同時又提高了經濟性。

根據以上系統供水方式，可計算出共用消火栓泵揚程和壓力，計算結果見表1。

表1 消火栓泵選型計算表

根據設備廠家提供的消防水泵樣本，本項目消防水泵選型為XBD7.9/55G-FLG，流量55 L/s，揚程79 m，電機功率90 kW，必需氣蝕余量5.0 m。

同時，由于消防泵房位于隧道一側洞口，靠近洞口附近的室外消火栓會出現超壓的現象，因此需設置減壓閥。

3.3 消火栓管網設計

室內消火栓管網為DN150環狀管網，布置在隧道行車方向右側裝飾板后方并在隧道兩側洞口成環；室外消火栓管網為DN200支狀管網，明敷在隧道內裝飾板后方，敷設至隧道洞口時再埋地敷設至室外消火栓處。室內消火栓管網和室外消火栓管網在消防泵出水總管引出管后均為獨立的管網系統，且在消火栓管網最高點均設置排氣閥，最低點均設置泄水閥。隧道洞室內消火栓管網布置橫斷面圖如圖2所示。

圖2 消火栓管網布置橫斷面圖

3.4 泡沫-消火栓箱體

消火栓箱布置在隧道行車方向右側裝飾板后方，布置間距40 m，每個消火栓箱內設置2個DN65消火栓，直徑19 mm水槍、25 m長DN65襯膠水龍帶各2套，消防卷盤1套、噴槍1支，消防按鈕1個及其配套閥門、管路等，一條長25 m、口徑19 mm的消防卷盤，低倍數泡沫噴槍，1套低倍數比例式混合器，30 L水成膜泡沫原液，并配置4具手提式ABC6干粉滅火器，如圖3所示。其中泡沫混合液流量不小于30 L/min，連續供給時間不小于20 min，泡沫混合液濃度為3%。泡沫-消火栓箱體內部布置如圖3所示。

圖3 泡沫-消火栓箱布置圖

4 結束語

本文結合各消防水系統滅火機理、經濟性及現有隧道消防水系統配置案例提出了各消防水系統適用隧道場景，同時基于實際工程案例提出采用消防水池供水方式時隧道內外消火栓系統的設計方案。

1）為保證在隧道變形縫的影響下，消火栓箱微調后依然能夠保證2股充實水柱到達隧道任意位置，其布置間距可取40 m，且每個消火栓箱設置2個消火栓。

2）允許通行危化品車輛的城市隧道以及隧道長度超過1 000 m但不超過3 000 m的普通隧道需增設固定式水成膜滅火系統。泡沫-水噴霧滅火系統應設置在隧道長度超過3 000 m以及水下城市隧道中。

3）當采用消防水池作為供水方式時，隧道內外消火栓系統共用水泵出水總管后，需分別從出水總管引出室內消火栓管網及室外消火栓管網保證管網各自獨立，且應在引出的室內消火栓管網增設止回閥，同時需校核室外消火栓是否超壓，若超壓需在泵房內與其對應的室外消火栓引出管上設置減壓閥。