广深港高速铁路狮子洋隧道消防设计

王松林，王 婷

(1.中铁第四勘察设计院集团有限公司，武汉 430063;2.重庆大学城环学院，重庆 400030)

广深港高速铁路广深段于2011年年底建成通车，线路全长140 km，是我国“四纵四横”铁路网的重要组成部分。位于广州市南沙区的狮子洋隧道是广深港高速铁路重要的控制性工程，隧道全长10.8 km，最深处位于水下67 m，隧道穿越小虎沥、沙仔沥和狮子洋3条水道，是目前国内里程最长，建设标准最高的一座水下铁路隧道，也是目前世界上行车速度最快的水下铁路隧道。

高速铁路作为一种客流量大、快捷、准时、节能、环保、连接大中城市间的主要交通工具，已逐步成为人们出行的首选。随着我国经济快速发展，全国跨江越海工程越来越多，然而迄今为止，我国尚未制定出一部全面、系统的隧道消防、施工的国家或行业工程建设标准，常规的防火设计方法无法满足要求。通过对狮子洋隧道关键节点火灾场景的设计，对相应场景下热烟气流动的CFD模拟分析，将该工程防火系统作为一个整体，统筹考虑该工程消防安全策略，对隧道的疏散救援系统、火灾排烟系统、火灾探测系统、消防灭火系统、应急照明和疏散指挥系统等进行了消防性能化的设计和安全评估，在此基础上完成了该项目消防工程设计。

1 隧道工程主要技术标准

线路等级:客运专线;

设计速度:350 km/h;

正线数目:双线;

正线线间距:5 m，水下段左右线线间距17 m，进出隧道两端设置缓和曲线;

最小曲线半径:7 000 m;

最大坡度:20‰;

主体结构安全等级:一级;

防水等级:一级;

隧道全长:左右线各长10.8 km，其中盾构段9.34 km，引道敞开段310 m，明挖暗埋段1.104 km，进出口工作井各长23 m;

牵引种类:电力;

设计使用年限:100年;

防洪标准:按100年一遇洪水位设计，300年一遇洪水位校核;

结构允许裂缝宽度:≤0.2 mm，不允许出现贯穿裂缝;

防火防灾措施:纵向设置了贯通全线逃生通道，横向设置了19处连接通道;在隧道最低点前后一定范围设置消防救援点;

主体结构耐火极限:不低于3 h。

2 高速铁路水下隧道火灾类型及特点

高速铁路水下隧道火灾原因一般分为3类:机车车辆故障火灾、电气设备故障火灾、人为事件火灾。水下隧道具有地下空间的特殊性，其潜在的危险远高于地面，造成的损失也将大大地高于地面，其火灾的特点如下:(1)突发性强;(2)火灾转播速度快，列车在隧道中高速行驶，有很大的活塞风效应，火灾时，风助火旺，迅速蔓延;(3)浓烟聚集不散，隧道空间相对封闭，断面小，与外界连接通道少，列车发生火灾时，隧道排烟困难，能见度低，容易造成人员窒息死亡;(4)安全疏散困难，隧道狭长，发生火灾时，乘客逃生的途径少，容许乘客逃生的时间短，易造成群死群伤;(5)救援困难，一旦发生火灾，消防人员很难接近火源进行扑救。

3 主要消防方式的确定

灭火设施主要用于隧道内发生火灾时，供司乘人员、隧道管理人员及消防人员扑救初期火灾使用，应具有迅速、有效灭火功能，采用何种消防系统应根据预期火灾的种类确定。高速铁路水下隧道所发生的火灾种类大致分为A、B、C、E四类，但高速铁路作为客运专线，发生B、C类火灾的可能性极小。针对A类火灾可采用以水为灭火介质的消防系统和水型、泡沫、磷酸铵盐干粉型灭火器系统。E类火灾可采用以水为灭火介质的消防系统和干粉、二氧化碳型灭火器。可见，以水为灭火介质的消防系统可同时扑灭A、E类火灾，这类消防系统主要有传统的消火栓系统、水喷淋灭火系统、水喷雾系统、高压细水雾系统。但高速铁路采用电力机车牵引，传统的消火栓系统不宜用于带电物体的灭火。

水喷淋灭火系统以其安全可靠、经济适用、灭火速度快、灭火成功率高等特点在地面建筑物灭火中广泛使用，但对在高速铁路水下隧道内使用水喷淋灭火系统是否有效，尚存在较大的争议。高速铁路越江隧道内的火灾，通常发生在车辆的下部或车厢内，车辆行驶形成的活塞风使热量和燃烧产物沿着隧道快速蔓延。安装在隧道上部的喷头向高温火焰上喷水，难以压制火焰，相反会使烟雾层向下移动并与空气混合，使沿隧道顶棚的热烟气层降低并破坏烟气分层，不但降低了能见度，同时还威胁到隧道中人员的人身安全，难以达到灭火效果。鉴于此，在狮子洋隧道工程中未采用此系统。

水喷雾灭火系统的灭火机理主要为表面冷却、窒息、冲击乳化和稀释。从水雾喷头喷出的雾状水滴，粒径细小，表面积很大，遇火后迅速汽化，带走大量的热量，使燃烧体表面温度迅速降到燃点以下，达到冷却目的;当雾状水喷射到燃烧区遇热汽化后，形成比原体积大1680倍的水蒸汽［1］，可使燃烧物质周围空气中氧含量降低，使燃烧因缺氧而熄灭。水喷雾系统对房建工程防火很有效，但应用于隧道灭火尚存在争议。主要原因如下:(1)典型的火灾通常发生在车辆下部或火车车厢内部，安装在隧道顶部喷水难以达到灭火效果;(2)在火灾开始和喷头动作之间有一段延误时间，在巨热火焰上喷一层薄水雾，实质上压不住火焰，反而产生大量过热蒸汽，蒸汽比烟雾更有危害性;(3)隧道是狭长的，纵向有坡度，且是强制通风，又无防火分隔，因此热量不会局限于着火点;(4)因热气层流沿着隧道顶部运动，喷头动作可能不会固定在火焰上，如此大量的动作喷头将远离火场，产生冷却效果，致使烟雾下降，影响逃生及消防人员视线，鉴于此，在目前状态下暂不推荐。

高压细水雾灭火系统具有安全可靠、环保、高效、节水、适用范围广，具有良好的除烟、防毒和降温作用，是建筑工程、交通工程等消防与防灾技术的发展方向。细水雾的灭火机理如下:(1)冷却。粒径越小，雾滴表面积越大，吸热作用和效率越高。细水滴在受热后易于汽化，在气、液相态变化过程中从燃烧物质的表面或火灾区域吸收大量的热量。物体表面的温度迅速下降后，使热分解中断，燃烧终止。(2)窒息。雾滴在受热后汽化形成原体积1 700倍的水蒸汽，最大限度地排斥火场的空气，使燃烧物周围的氧含量降低，燃烧即因缺氧而熄灭［2］。(3)热辐射阻隔。细水雾喷入火场后，形成水蒸气迅速将燃烧物、火焰和烟羽笼罩，对火焰的辐射热具有极佳的阻隔能力，能有效抑制辐射热引燃周围的其他物品，达到防止火焰蔓延的效果。(4)浸湿作用。颗粒大冲量大的雾滴会冲击到燃烧物表面，从而使燃烧物得到浸湿，阻止固体挥发可燃气体的进一步产生。另外系统还可以充分将火灾位置以外的燃烧物浸湿，从而抑制火灾的蔓延和发展。除以上作用之外，细水雾还具有乳化作用，同时细小雾滴的电气绝缘度也很高。细水雾是目前比较先进的灭火技术，具有使用廉价的水作为灭火剂，水渍损失小，对环境、保护对象均无损害和污染，灭火范围广，电气绝缘性好，可有效扑救带电设备火灾和低闪点的液火灾;有良好的除烟、防毒与降温作用，能降低司乘人员逃生路径上有毒烟气的浓度，提高能见度，减小烟粒对人体的损伤，有利于人员安全疏散和消防员的灭火救援工作，增强人员的维生条件和逃生能力，对保障隧道司乘人员安全疏散具有重要的作用。更重要的是实现了多种灭火效应(燃料冷却、烟气冷却、辐射衰减、惰化作用)的组合，达到了高效、快速灭火的目的。同时由于一次灭火用水量仅为水喷淋的1%，大大减轻了废水泵房负荷，节省废水泵房运营费用。高压细水雾用于地铁、隧道重要场所的保护在国际上已得到普遍认可和应用，它代表着隧道消防与防灾技术的发展方向，因此在狮子洋隧道工程中推荐采用。

同时，因隧道配套要求，隧道内部分连接通道设有通信、信号、电力等设备，这些设备易发生E类火灾，所以在这些连接通道内增设感温型悬挂式脉冲自动超细干粉灭火装置。另外，手提式干粉灭火器快速扑灭火源是消除火警的最好办法，是扑灭初期火灾的重要工具。灭火器因其操作简单，对小规模火灾能起到一定的灭火作用。按《建筑灭火器配置设计规范》(GB50140—2005)同时设置干粉灭火器系统。

综上所述，本工程同时设置了3个消防子系统，即高压细水雾消火栓系统、感温型悬挂式脉冲自动超细干粉灭火系统和灭火器系统。

4 主要设计原则及主要设计参数

4.1 主要设计原则

(1)隧道消防用水接用城镇自来水，消防用水二次加压;

(2)隧道消防采用定点消防，在隧道消防救援点设置高压细水雾消火栓系统;

(3)在安装有设备的连接通道内设感温型悬挂式脉冲自动超细干粉灭火系统，在连接通道及设备间内设置手提式灭火器。

4.2 主要设计参数

隧道消防救援点的范围为隧道最低点前后300 m，救援防护区的消防设计流量按同时开启3只喷枪的流量之和计算，系统持续喷雾时间2 h，最不利点工作压力不低于10 MPa。

喷枪设计参数K=3.2，q=32 L/min，喷枪安装间距25 m。高压细水雾灭火系统补水压力不低于0.2 MPa，且不大于 0.6 MPa。

5 消防系统的设计

本工程消防系统包括:高压细水雾消火栓系统、自动灭火系统和灭火器系统。

鉴于本工程隧道较长、隧道空间相对有限、列车速度快、与地面连接出入口较少、救援不利等特点，在隧道最低点前后300 m范围设置救灾防护区，在救灾防护区设高压细水雾消火栓系统进行保护，即使列车出现灾情失去动力，也可凭自重滑行到救灾防护区。

针对本工程通风、通信、电力等设备连接通道设置火灾自动灭火装置。对本工程其他连接通道配置干粉灭火器。

隧道消防用水从东莞沙田水厂引出1根DN100给水管至隧道出口的消防水箱和用户。

5.1 高压细水雾消火栓系统

5.1.1 系统组成

高压细水雾消火栓系统由高压细水雾泵组、喷枪、管道以及火灾报警系统组成。

高压细水雾泵组主要由主泵、稳压泵、控制柜、调节水箱(含液位显示及控制柜)、水箱进水过滤器、补水电磁阀、安全泄压阀、压力传感器、阀件、机架及连接管道组成。

高压细水雾消火栓主要由高压手动球阀、细水雾喷枪、耐振径向压力表等组成。

5.1.2 系统布置

高压细水雾泵组设在隧道13号横通道内，补水泵水箱设在右线13号联络通道附近的救援通道旁。高压细水雾消火栓系统见图1。

5.1.3 工艺计算

(1)设计流量

1节车厢长26.5 m，喷枪安装间距25 m，最不利情况为1节车厢灭火，其相邻2节车厢同时采取降温灭火，即3组喷头同时启动，喷枪的流量按下式计算

式中，k为喷枪的流量系数，k=3.2;P为喷枪的工作压力，P=10 MPa。

将k，P值代入上述公式则

系统的计算流量Qj=

系统设计流量Qs=K×Qj=1.1×32×3=105.6 L/min=6.34 m3/h，K为安全系数。

(2)设计扬程

高压细水雾干管为DN25不锈钢无缝钢管，采用环状布置，按最不利枝状管网计算。消防管水头损失根据管段的流量不同，采用Darcy-Weidbach(达西-魏斯巴赫)公式分段计算。

沿程水头损失计算公式

图1 高压细水雾消火栓系统(单位:m)

局部水头损失按沿程水头损失的10%计，管网的水力计算见表1。

表1 消防管道水力计算

管网的水力计算简图见图2。

图2 高压细水雾消火栓系统水力计算简图

为保证消防系统安全运行，在高压细水雾泵组前设增压补水泵，向泵组调节水箱供水，增压补水泵前设12 m3增压水箱供增压泵吸水。泵组成套设备带有3 m3调节水箱，设于泵组上方，供泵组吸水。增压水箱、调节水箱安装高度分别为1 m和1.5 m，消火栓箱安装高度为1 m，泵房内的水头损失按1 m H2O计，喷枪处的压力≥10 MPa，则高压细水雾消防泵组的扬程H≥－1.5+1+1+100+36.874=137.374 bar≈13.73 MPa。

(3)泵组选型

高压细水雾泵组中的主泵采用立式不锈钢高压柱塞泵，单泵性能参数为:Q=6.72 m3/h，H=14 MPa，N=33 kW;稳压泵 2台，单泵性能参数为:Q=11.82 L/min，H=1.4 MPa，N=0.55 kW。

(4)主要设施

泵组含高压细水雾泵和稳压泵各2台。通道内设增压补水泵2台，单泵性能参数为:Q=12 m3/h，H=40 m，N=3 kW。水泵均为1主1备。

出口工作井上部设15 m3消防水箱，采用2条DN65管道与增压水箱相连，增压水箱和调节水箱通过2台增压泵和管道相连，满足2 h的消防水量要求。

左右两孔隧道各设有高压细水雾干管，在防护区内连成环状，消防干管每隔50 m设球阀1个，最高处设排气阀。由液位控制器实现对水箱自动补水;安全泄阀调节泵组的出口压力。

高压细水雾消防泵房布置见图3。

(5)管材

除隧道内增压水箱至消火栓箱间的管道均采用不锈钢无缝钢管，卡套连接。其余给水管及消防管采用钢丝网骨架塑料(聚乙烯)复合管，热熔连接。隧道内的消防干管沿救援通道中的管沟铺设。

(6)系统控制方式

系统分手动控制和应急操作2种控制方式。

手动控制:当现场人员确认火灾，可按消火栓箱内的手动按钮，启动系统灭火。

机械应急操作:当自动控制与手动控制失灵时，通过操作区域控制阀的手柄，打开控制阀，启动系统灭火。

5.2 自动灭火装置

鉴于悬挂式脉冲自动超细干粉灭火装置是一种通用、先进、高效、环保、经济的灭火装置，能用于非密封空间，造价低、安装维修方便。当环境温度上升时，能瞬时自动启动，释放灭火剂，在较短时间内把火灭掉。所以，在放置通信、信号、电力设备的联络通道内增设悬挂式脉冲自动超细干粉灭火装置。

图3 高压细水雾消防泵房布置(单位:mm)

5.3 灭火器系统

为防止隧道内可能发生的A、B、E类火灾，在进、出口雨水泵房、江中废水泵房、工作井废水泵房、消防泵房、每孔隧道救援通道侧以及通信、信号、电力设备的联络通道内各设2具手提式灭火器箱，箱内设MFZL6型磷酸铵盐干粉灭火器2具，在变电所内各设4具手提式灭火器箱，箱内含MF/ABC4砱酸铵盐干粉灭火器，以扑灭初期火灾。同时在隧道进、出口附近各配灭火防护服和背负式空气呼吸器10具。

6 中央信息监控管理系统

狮子洋隧道监控中心设在进口广州侧，系统包括中央信息监控管理计算机系统、信号安全监控系统和防灾报警系统。以中央信息监控管理计算机系统(简称中央计算机系统)为中心，对信号安全监控、防灾报警、照明、通风、消防、集排水、通信等系统进行集中统一控制管理，使整个隧道的运营及使用有序、安全、高效。

在监控中心监控室设置防灾显示屏，可显示出上、下行列车所处的位置以及该段的风速、风向、涌水量、烟雾量、列车是否发生火灾等情况。

(1)火灾监测与消防。整个隧道内均为火灾报警监测区，每隔一定距离设置列车火灾监测设备，可以检测出通过隧道的每趟列车是否发生了火灾，经列车热敏传感监视屏，还可得知列车的具体火灾部位。

(2)烟雾监测报警。设置在隧道内壁，隧道内空气中一旦有过量烟雾发生，该设备马上确定烟雾发生位置，并迅速报请控制中心发出处置指令。

(3)风速、风向的监测报警。当风速、风向发生变化时，通过风速风向仪检测，并根据情况由控制中心进行通风处理。

(4)涌水量监测和集排水控制。(5)地震监测仪。

7 结语

人类在享受高速铁路带来的快捷、准时、方便的同时，也一直为高速铁路尤其是长距离水下隧道火灾事故造成的大量人员、财产损失而担心烦恼，狮子洋隧道是中国铁路隧道从“穿江”向“越洋”跨越的标志性工程，也是一个复杂的系统性工程，作为铁路运输咽喉要道的防灾防火技术至为关键。为了确保隧道安全运营，考虑到狮子洋隧道的特点，对狮子洋隧道的防灾防火系统进行了性能化设计和安全评估，根据隧道的位置及连接通道的作用不同在隧道中设有3个消防系统，即在隧道最低点防护区内设置高效、节水、环保的高压细水雾消火栓系统;在装有设备的连接通道内设感温型悬挂式脉冲自动超细干粉灭火系统，在连接通道内设置手提式灭火器。这些消防系统的设置，为狮子洋隧道的安全运营提供科学合理的保证，希望为类似工程设计提供借鉴。

［1］中华人民共和国公安部.GB50219—95 水喷雾灭火系统设计规范［S］.北京:中国计划出版社，1995.

［2］湖北省公安厅消防局.DB42/282—2004 细水雾灭火系统设计、施工及验收规范［S］.武汉:湖北省公安厅消防局，2004.

［3］中华人民共和国公安部.GB50015—2006 建筑设计防火规范［S］.北京:中国计划出版社，2006.

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［5］中华人民共和国铁道部.TB10063—2007 铁路工程设计防火规范［S］.北京:中国铁道出版社，2007.

［6］中华人民共和国铁道部.TB10020—2009 高速铁路设计规范(试行)［S］.北京:中国铁道出版社，2009.

［7］北京城建设计研究总院.GB50157—2003 地铁设计规范［S］.北京:中国计划出版社，2003.

［8］任泽春.地铁火灾消防［M］.北京:中国建筑工业出版社，2011.

［9］建研防火设计性能化评估中心有限公司.广深港客运专线狮子洋隧道工程消防性能化设计评估报告［R］.北京:建研防火设计性能化评估中心有限公司，2010.

［10］上海泰孚建筑安全咨询有限公司.广深港客运专线狮子洋隧道工程消防性能化设计复核评估报告［R］.上海:上海泰孚建筑安全咨询有限公司，2010.

［11］石磊，谢晓晴.城市水下长隧道的消防水系统设计探讨［J］.中国给水排水，2010，26(4):42-48.

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