公路超長隧道消防供水系統技術方案研究

馮光宇

（四川省公路規劃勘察設計研究院有限公司，四川成都 610041）

1 隧道火災概述

公路隧道屬于開放式的公共運輸通道，洞內車輛組成復雜，可燃物種類多，火災影響面廣，容易給人民生命財產造成重大損失。總體而言，隧道火災通常具有以下特點。

一是隧道空間受限，煙霧蔓延迅速，危害性大。

二是火災荷載難以控制，火災規模和類型差異大。

三是燃燒產生熱量易聚集，火災發展速度較快。

四是受自然風、交通風等影響，隧道內風速、風向難以控制。

五是隧道主洞難以劃分防火分區，火災影響區域大。

六是隧道人員逃生和救援難度大。

火災發展過程大致可分為初期增長階段、充分發展階段和衰減階段。其中，初期增長階段是消防滅火的“黃金時段”，通常只有10～15min，而隧道消火栓是前期滅火以及控制火勢的最主要手段。如何結合項目特點，兼顧可靠性和經濟性，選擇合理的消防供水系統方案，是工程設計值得認真研究的要點。

2 消防供水方式

隧道消防供水以加壓方式進行區分，主要有以下兩種形式。

一是常高壓供水：在隧道洞口上方設置消防高位水池，利用重力自然水壓差，向隧道消防管網供水。該方式不依賴機械增壓設施，只要消防水池有水，就能滿足消防管網水壓，整體可靠性較高。

二是穩高壓供水：部分隧道洞外地形陡峭，不具備高位水池修建條件，因此采用機械水泵加壓方式，利用水泵運轉產生的壓力，向隧道消防管網供水。為了減少水泵啟動次數，并維持常態水壓，除了消防主泵外，通常還設有穩壓泵和穩壓罐，所有水泵按照“一用一備”標準配備。該方式可靠性相對較差，機械設備定期維護量較大。

3 消防供水常規方案

與消防供水方式相對應，消防供水常規方案也有兩種。

對于洞口地形條件較好的隧道，優先考慮在隧道洞口上方設置高位水池，水池底部高程按照式（1）計算：

式（1）中：H 為高位水池的高程；h1 為隧道最不利點的高程；P1 為隧道消防設施最不利點用水壓力；P2 為高位水池至最不利點的沿程損失壓力。

對于采用機械水泵加壓方式的供水系統，可以參照式（1）進行壓力計算，選定消防泵和增壓穩壓設備的技術參數。

4 特殊工程案例應用

隨著高速公路向邊遠山區延伸，10km 以上的超長隧道越來越多。此類隧道在消防供水方案設計時，均普遍存在以下難點：隧道為方便排水，縱斷面通常呈“人”字坡，兩端洞口低、隧道中部高；加之隧道里程長，洞內最高點（即供水最不利點）與洞口高差較大，消防供水管道較長，往往難以兼顧管網超壓控制、經濟成本和工程可靠性等多個方面。

下面是的幾個典型案例，都是超過10km 的超長隧道。消防供水方案針對每個隧道的特點，采取了差異化的特殊設計，均已得到成功應用。

4.1 雙端供水——雅西高速泥巴山隧道

4.1.1 基本情況

泥巴山隧道是雅西高速最長隧道，也是全國埋深最大的復雜地質隧道。隧道左洞長為9962m，右洞長為10007m，隧道呈“人”字坡，雅安端洞口高程約為1526m，西昌端洞口高程約為1540m。洞內最高點處于隧道中點位置附近，高程約為1565m，與兩端洞口距離均約為5km。

4.1.2 供水方案

總體分析：隧道兩端洞口高程相差不大，洞內最高點分別高出兩端洞口39m、25m。考慮高程差、沿程損失等因素，經計算，洞外設置消防供水設施，能夠在不超管網最大靜壓力（1.0MPa）指標的情況下，滿足洞內最不利點的水壓要求，具備在洞外設置供水設施，向消防管網加壓供水的條件。

解決方案：從隧道洞外地形條件看，地勢相對平坦，各有1 條長流水溪溝，有足夠場地修建消防高位水池。因此最終選定“雙端供水”方案，即隧道兩端洞口上方各修建1 座高位水池，共同向消防管網供水。為了消除兩端供水壓力差，嚴格控制了兩座高位水池的高程差（5m 以內），并在高位水池出水管增設了單向止回閥，防止管網水倒灌入高程較低的水池中。消防供水系統如圖1 所示。

圖1 泥巴山隧道消防供水系統圖

4.1.3 方案特點

該方案兩端設置供水設施，極大提升了系統可靠性。由于兩端高位水池同時向消防管網供水，消防管道內水流速度較低，能夠大幅度降低沿程損失壓力P2，有效解決了長距離供水造成的遠端壓力不足問題。

4.2 洞內供水——巴陜高速米倉山隧道

4.2.1 基本情況

米倉山隧道是巴陜高速中的控制性項目，隧道左洞長為13827m，右洞長為13794m。隧道呈“人”字坡，桃園端洞口高程約為949m，巴中端洞口高程約為971m。洞內最高點處于隧道中點位置附近，高程約為1015m，與兩端洞口距離分別約為7.1km 和6.7km。

4.2.2 供水方案

總體分析：洞內最高點是消防供水最不利點，分別高出兩端洞口66m、44m。若要滿足該點0.4MPa 的消防水壓，按照沿程損失壓力P2=0.2MPa（考慮了檢修情況下單管供水可能），以式（1）推算，消防管網兩端洞口處產生的靜壓分別達到了P桃=0.4+0.2+0.66=1.26（MPa）、P巴=0.4+0.2+0.44=1.04（MPa），不滿足《消防給水及消火栓系統技術規范》（GB 50974—2014）“消火栓栓口處靜壓大于1.0MPa”的規定[1]。根本原因是該隧道“人”字坡特征明顯，洞內最高點與兩端洞口高程差太大所致。采用從洞外供水的常規消防方式即使增設靜壓減壓閥，也無法解決管網近端超壓、遠端壓力不足的問題。

解決方案：為了解決高縱坡隧道高點供水難的問題，工程采用了洞內設置消防供水設施的方案。具體做法如下：洞內最高點附近開挖兩個消防橫洞（類似車行橫通道），一個用以修建消防低位水池，一個用以放置水泵及穩壓設備，兩者之間采用2 根DN200 管道聯通，對消防管網加壓后，利用隧道自然坡度落差，向兩側直至洞口區段的消火栓供水。一旦下坡方向管網靜壓接近1.0MPa，就應增設靜壓減壓閥，避免出現消火栓水壓超標問題。為了提升向隧道內低位水池的補水能力，在水源較好的桃園端隧道洞口修建300m3的低位蓄水池，作為消防儲備補水。當洞內低位水池水量不足時，立即啟動補水泵，通過專用管道向其補水。隧道左右洞電纜溝各敷設1 根補水管，形成2 條獨立的補水管路，以確保供水可靠性[2]。消防供水系統如圖2 所示。

圖2 米倉山隧道消防供水系統圖

4.2.3 方案特點

突破洞外供水常規思路，首次提出將消防供水設施設置于隧道洞內的技術方案，并得到成功應用。該方案適用于縱坡高程相差大、消防管網壓力難以控制的“人”字坡超長隧道。

4.3 斜井供水——雅康高速二郎山隧道

4.3.1 基本情況

二郎山隧道是我國高海拔地區最長的高速公路隧道，是成都平原進入甘孜藏區第一座高速公路特長隧道，被譽為“ 川藏第一隧”。隧道左洞長度為13459m（ZK65+598—ZK79+057），右洞長度為13406m（K65+604—K79+010），隧道呈“人”字坡，雅安端洞口高程約為1461m，康定端洞口高程約為1571m，洞內“人”字坡變坡點高程約為1593m，與兩端洞口距離分別約為7005m、6477m。二郎山特長隧道采用兩斜井分段通風方案。其中，雅安端斜井在K69+290 附近，與主洞相交處的高程約為1520m；康定端斜井在K74+565 附近，與主洞相交處的高程約為1593m。

4.3.2 供水方案

總體分析：為滿足消防末端0.4MPa 水壓要求，同樣按照沿程損失壓力P2=0.2MPa（考慮了檢修情況下單管供水可能），以式（1）推算，消防供水端的初始水壓(以水柱高度表示)為H=h1+P1+P2=1604.4+40+20=1664.4（m）。消防管網兩端洞口處產生的靜壓分別達到了2.0MPa 和0.9MPa，超過或非常接近規范允許的最大靜壓力值（1.0MPa）。雖然隧道最高點與康定端洞口高程相差不大，采用洞外設置消防供水設施方案技術上仍然可行，但是洞口區域地形陡峭，冬季氣溫較低，水池修建及管道敷設難度大，冬季面臨保溫運營電費高、設施維護困難等問題[3]。

解決方案：二郎山隧道斜井出口的山頂附近有條溪溝，水量豐富，即使冬季也不斷流。消防系統設計時，充分利用溪溝水資源，巧妙借用隧道通風斜井廊道，在康定端斜井內適當高程（池底高程取1655m）設置高位水池，構建常高壓供水系統。山頂溪溝修建了攔水壩，沿斜井敷設2 根DN80 管道，向斜井內高位水池供水。高位水池出水管設置2 根，分別沿左右洞排煙斜井，進入隧道兩側弱電纜溝，與隧道消防環網消防干網相連。經過現場測試，斜井高位水池冬季氣溫長期在5℃以上，無須增設保溫措施。消防供水系統如圖3 所示。

圖3 二郎山隧道消防供水系統圖

4.3.3 方案特點

國內公路領域首次在隧道通風斜井內設置高位消防水池，一方面擴展了通風斜井功能，充分利用斜井高差，解決了大縱坡超長隧道供水問題；另一方面實現了消防供水設施的自然保溫功能，在提升冬季供水可靠性的同時，節省了電伴熱電費，充分貫徹了綠色節能理念[4]。

5 結語

高速公路超長隧道地理環境及技術指標個體差異大，消防供水系統普遍存在遠距離供水導致的水壓不平衡問題。文中三座典型超長隧道充分結合了工程特點，利用了斜井等有利條件，采取了各具特點的消防供水方案，有效兼顧了系統的可靠性和經濟性，希望能為隧道消防供水系統設計提供更為廣闊的思路，為超長隧道的安全運營保駕護航。