地铁特长海底隧道消防给水系统设计研究

陈 新

(铁道第三勘察设计院集团有限公司，天津 300142)

0 引言

伴随着国民经济的发展，地铁建设速度不断加快，涌现出了大量的穿越江海隧道工程。由于地铁水下隧道具有不占航道净空、不受天气影响、对生态环境影响小等优点，已成为跨越海峡的首选，如青岛、厦门等城市已经有多条地铁线开展了穿越海底的设计研究。然而，我国现行的《建筑设计防火规范》［1］和《地铁设计规范》［2］等相关规范对地铁特长海底隧道的消防设计不够明确，地铁特长海底隧道的消防设计超出了我国现行消防技术规范的规定。另外，目前国内地铁特长海底隧道的消防试验研究和理论分析仍处于初步阶段，地铁特长海底隧道的消防设计无相关设计参数和相关指标可供选择。尽管部分学者对公路海底隧道或特长铁路隧道的消防设计进行了研究，且国内也有一些公路海底隧道，如厦门翔安海底隧道、青岛胶州湾隧道等已经通车［3－7］，但地铁隧道与公路隧道或铁路隧道在火灾原因、火灾特点、疏散方案、建设规模、建设成本、人员密度、火灾危险性及社会经济影响性等方面均有很大不同。因此，有必要对地铁特长海底隧道的消防系统设计方案进行全面深入研究，为地铁特长海底隧道消防给水系统的设计提供合理可靠的技术参考依据。

1 地铁特长海底隧道火灾原因及火灾特点分析

1.1 地铁特长海底隧道火灾原因分析

造成地铁特长海底隧道火灾的原因可主要归纳为设备因素、人为因素和环境因素。

1.1.1 设备因素

地铁火灾多由设备因素引发，包括电气设备因素、客车设备因素和地铁辅助设备因素。

在地下各车站和行车隧道中均设有变电站、供配电控制设备、各种电缆及通风、照明、调度指挥等电器设备。电器设备种类多、数量大，在运行中发生短路拉弧、过负荷、过热等故障是造成地铁电器设备火灾的重要原因。

客车设备引发的火灾主要集中于客车“受电弓”的支架固定螺栓无绝缘保护，行车中兜挂线路上的导电体造成“受电弓”短路拉弧，引发火灾。如2015年上海地铁2号线某区间列车受电弓故障引发大量火花迸射，造成接触网供电中断，受电弓变形严重，几近引起车厢火灾;客车蓄电池受启动电阻高温影响，发生壳体破碎，电解液外溢造成蓄电池短路起火。

1.1.2 人为因素

主要是乘客乘车时携带易燃易爆物品或人为故意纵火，引发车厢内火灾。

1.1.3 环境因素

主要包括地铁隧道内部潮湿、高温、粉尘、鼠害等因素。由于地铁内部通风不畅、洞体散热不良等原因，地铁内部温度逐步升高;工程结构出现多处漏水，地下湿气不易排出;地铁内部老鼠等动物啃咬电缆电线，造成电器设备、线路绝缘性能下降，极易造成短路并引发火灾。

1.2 地铁特长海底隧道火灾特点分析

通过对青岛和厦门地铁跨海隧道的情况分析，其中，青岛地铁跨海区间隧道全长7～9 km，海域段长5～6 km，按隧道类型划分应属水下长大区间隧道，其火灾具有以下特点。

1.2.1 火灾荷载较低

地铁列车自身多采用不燃或阻燃材料制造，列车自身可燃材料不多，与公路隧道等其他隧道相比，可燃物较少，火灾荷载较低，但人为纵火或发生恐怖袭击引发的火灾，火灾荷载大，破坏力大，扑救困难。

1.2.2 火灾类型多以A类火灾为主，同时含电气类火灾

地铁区间隧道火灾的起火原因有多种多样，火灾主要可燃物多为固体材料，因此，火灾类型多为A类固体物质火灾。同时，地铁隧道内有大量的牵引供电电缆、接触网、动力照明电缆、信号电缆、开关柜设备等，发生电气类火灾的可能性很大。

1.2.3 火势蔓延迅速

地铁隧道作为管状构筑物，空间环境狭窄，全线隧道内列车行驶形成活塞风，给火灾的蔓延创造了条件。

1.2.4 人员疏散困难

一方面，因隧道为管状构筑物，火灾产生的热浪和有毒有害气体会使隧道内的环境急剧恶化，阻碍人员疏散;另一方面，过海段区间长度长，部分位于海底，疏散通道距离较远，同时，可供人员疏散的空间狭窄，人流集中，因此人员疏散困难。

总体来看，地铁区间隧道与铁路隧道、公路隧道相比具有其特殊性，具体对比见表1。

表1 地铁区间隧道、公路隧道、铁路隧道比较表Table 1 Comparison among Metro tunnel，highway tunnel and railway tunnel

2 地铁特长隧道消防给水系统方案的确定

通常消防系统的选择是针对预期火灾种类制定的，其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时使用，应具有迅速、有效灭火的功能。

目前国内各类隧道内推荐使用的消防系统组合是以洞内、外消火栓系统为主，灭火器、固定式水成膜泡沫灭火系统、机电洞室口水喷淋系统、洞外值班摩托车、消防车辆为辅的综合灭火体系。

2.1 地铁隧道典型消防系统分析

2.1.1 消火栓系统

完善的消火栓管网及消防系统是隧道消防的基础，是任何长大隧道必备的、最基本的消防救援手段，也是地铁区间隧道通用的消防方式。

2.1.2 轻水泡沫灭火系统

轻水泡沫灭火装置主要针对液体火灾及可熔化的固体物质火灾等B类流淌性火灾，该类火灾在地铁区间隧道发生的概率很小，因此，轻水泡沫灭火系统对于地铁区间隧道消防并不具有针对性。

2.1.3 自动喷水灭火系统

长大隧道常用的自动喷水灭火系统包括自动水喷淋灭火系统、细水雾灭火系统以及泡沫水喷雾灭火系统等，该类系统具有反应速度快、灭火效率高、受人为因素影响小等特点，但该类系统设置相对复杂，故障率高，存在误喷的可能。隧道常用灭火系统对照见表2。

表2 隧道常用灭火系统对照Table 2 Comparison among common fire-fighting systems

2.2 地铁特长跨海隧道消防给水系统方案比选

2.2.1 综合分析

通过研究地铁特长海底隧道火灾的原因及特点，结合国内外特长隧道消防给水系统的设计、运营经验及教训，认为消防系统的选择是针对预期火灾种类制定的，轻水泡沫灭火系统及水喷雾灭火系统不适宜地铁特长海底隧道，常规的消火栓系统和近年来研发的高压细水雾灭火系统是地铁特长海底隧道消防给水系统的首选。为此，重点选取以下3个系统方案。

1)方案1。与普通区间隧道一样，采用最基本的消火栓系统作为水消防的主要手段。优点为:系统稳定可靠，投资小。缺点为:人工操作，反应时间慢，受人为因素影响较大。

2)方案2。在设置消火栓系统的基础上，增设高压细水雾灭火系统。优点为:反应速度快，受人为因素影响小，对火灾产生的烟气及有毒气体具有一定的稀释作用。缺点为:造价昂贵，投资大，系统复杂，存在误喷的可能，对于封闭的地铁车厢灭火作用较小。

3)方案3。设置消火栓系统的基础上，在海域段联络通道内设置局部应用的高压细水雾灭火系统。此方案为前2个方案的折中方案，同时具有前2个方案的优缺点。

2.2.2 方案比选

方案2与方案1相比，增设了高压细水雾灭火系统，近年来该系统被广泛地应用于水下以及长大铁路隧道或地铁车站的消防救援系统中，具有较好的效果［8－10］。高压细水雾灭火系统应用到隧道消防中，其最大的优势不在于灭火，而在于降低烟气中有毒物质的含量。但高压细水雾灭火系统运用于全区间有以下不足:1)相关文献表明，当地铁车厢内燃烧物不断燃烧导致壳体温度上升时，水喷在炙热的车厢壳体上会产生大量的水蒸气，影响能见度，阻碍人员逃生［11］;2)高压细水雾灭火系统捕捉着火点的效果差，地铁火灾多发生在车厢内部，车厢封闭，使高压细水雾灭火系统不能实现自动灭火功能;3)高压细水雾灭火系统造价昂贵、系统复杂，工作压力高。

针对方案3，相关研究表明:地铁区间隧道发生火灾时，人员均由火灾隧道通过联络通道逃生至另一侧隧道，故在联络通道内设置高压细水雾系统，既可以提高长大海底隧道的消防安全，隔离2条隧道间火势、降低联络通道内的温度和烟气毒性、最大限度地发挥高压细水雾灭火系统的优势，又可以减少造价，降低影响地铁正常运营的风险。

综上所述，本文建议在设置消火栓系统的基础上，在海域段联络通道内设置局部应用的高压细水雾灭火系统。

2.2.3 高压细水雾系统设置建议

高压细水雾系统是通过制造超细粒径的水颗粒，通过汽化吸热、窒息、阻隔辐射热等方式达到阻火、控火及灭火效果［12］。

在联络通道设置高压细水雾系统，喷头首先应布置于联络通道和隧道交界处，在不影响乘客疏散的前提下，同时起到水幕分割和阻断烟气、高温的作用。由于水雾会阻挡乘客视线，在接近联络处两侧隧道侧壁，必须设置智能疏散指示标示灯，引导乘客穿过水雾逃生。为保证喷放的连续性和及时响应，建议采用泵组加压开式系统，控制阀组设置在联络通道内。喷头流量不低于5 L/min，按照1 h喷放用水量储存用水，并定期更换存水，保证水质。

在疏散长度较长时，可结合联络通道设置避难所，在其内部设置高压细水雾系统，保护在此避难的乘客的安全，该系统主要起到阻烟、降温作用，为获得救援赢得时间，喷头布置间距不大于3.0 m，可与泵组加压开式系统共用泵组，分别设置控制阀箱。需要特别说明的是，在避难所内，人员情绪的稳定十分重要，为避免水雾喷放引起避难者不必要的恐慌，在此处需要设置清晰、准确和足够数量的喷放指示和说明，同时，对控制阀组的使用方法应有直观和显著的说明指示，便于避难者在必要时使用。

可结合避难所的空间结构(如空间较大)，设置高压细水雾消火栓系统，该系统人工操作，操作方便，可准确对准着火点，灭火效率高，降温降烟效果好，并已在多条长大铁路隧道中应用，技术比较成熟［13］。

3 地铁特长海底隧道消防给水系统设计要点

3.1 消火栓给水系统管材的选用

过海区间部分位于海底，空气潮湿，含盐量高，腐蚀性强，消防给水系统必须选用具有高度耐腐蚀特性的管材，因此，通过对不锈钢管、内外涂塑钢管、球墨铸铁管的技术性经济性比较，确定采用球墨铸铁管，这种管材防腐性强且造价较低，在地铁区间消防系统中多采用，经过多年的实践检验。球墨铸铁管接口采用N1型接口，橡胶圈密封，增强管道的绝缘性能，不易产生电腐蚀，其与钢管的电阻值见表3。

表3 球墨铸铁和钢管的电阻值对比表Table 3 Comparison between ductile iron pipes and steel pipes in terms of electrical resistance μΩ/cm3

N1型接口具有结构简单、安装方便、密闭性好等特点，在承口结构上考虑了橡胶圈的定位和偏转角问题，此种接口的管材具有良好的密封性和可挠性，且管材本身就有较大的延伸率，使管道具有较好的柔性;因此，管道能够承受少量的不均匀沉降，并可满足地铁区间小转弯半径管道偏转角(≥250 m)的需要，其偏转角见表4。另外，管道因受水温变化而引起的伸缩在接口内可以被吸收一部分，不会导致接口漏水。

表4 球墨铸铁管连接允许的偏转角Table 4 Allowable deflection angle of connection of ductile iron pipes

3.2 提高区间消火栓给水管道结构安全措施

3.2.1 防超压方案及措施

过海区间消防管网采用湿式系统，静水压力主要由管网稳压压力和所在高程决定，稳压压力需满足两端车站最不利点处消火栓压力要求，按0.2 MPa计，静水压力小于 1.0 MPa，满足要求［14］。

经模拟计算，当发生火灾时，高程较低处的消火栓动水压力超出0.5 MPa，所以应采用以下减压方案:动压超压部分消火栓采用减压稳压消火栓，同时动压超压较多部分消防给水管采用DN100管，以增大管道沿程水头损失，减小动压。减压稳压消火栓在栓体进、出口设置自动节流装置，依靠介质本身能量改变节流装置的节流面积，将规定范围内的进水口压力减至某一需要的出水口压力，并使出水口压力自动保持稳定。

在消防干管上设减压阀组，由于区间各消火栓需满足2路供水，而减压阀所在管线要求为单向流动管线，故在减压阀两侧均需设联通管。

在消防干管最低点设置超压泄水阀，由于超长隧道内存在较大高差，阀门压力等级应根据隧道纵断面走向经计算后确定，避免因阀门压力等级不够而引发爆管。

3.2.2 优化水力过渡过程控制，减小水锤对管道安全性的影响

跨海区间的充水、停泵、关阀过程极易诱发水锤事故。如某消防管道在隧道内沿线路坡度敷设，近似形成3段V型管，控制水锤危害的主要措施有:1)各局部高点均设置空气阀，可快速排出管道内的空气;2)可通过关闭管道阀门对管段进行分段充水，解决充水水锤的主要措施为控制充水速度;3)可依据规范“压力输水管道充水时，宜控制充水流速不超过0.3～0.5 m/s”;4)可采用小泵充水，并在泵后设置活塞式多功能控制阀调节小流量充水;5)输水管线上的阀门在有水流通过时不可进行硬性关闭，应让这些阀门缓慢地关闭，防止关阀水锤。

通过相关理论研究，在10个水锤周期内阻止水流动，可有效地降低水锤强度。水锤周期为水锤波从开始发生位置传输到系统末端并返回到起始位置的时间。其计算公式为

式中:l为水锤发生点所在封闭管道的长度，m;a为水锤波在管道中的传播速度。

本工程消火栓给水干管设计采用DN150球墨铸铁管，N1型接口，橡胶圈密封，可按式(2)粗略计算水锤波速。

式中:K为水的体积弹性模量，取2.19×103MPa;ρ为水密度，取1.0×103kg/m3;E为管道壁的杨氏弹性模量，铸铁管取1.5×105MPa;D为管道内径，取0.213 m;e为管道壁厚，本工程取 6.3 ×10－3m;C1为无因次参数，不同的支承方法及管壁约束取值不同，本工程按两端采用柔性接头取1.06。

估算水锤波速为1.20 km/s。根据阀门所在位置，即可求得相应的需关阀的时间。最不利点阀门距系统末端为5.4 km，计算得关阀时间需90 s。

3.2.3 优化输水管道支架及变形补偿，减小作用力对管道结构的破坏

地铁区间管道为明装，没有埋地管道所受的荷载，如无人为破坏，外力导致的管道轴向应力很小;在海底隧道内的管道温度变化幅度不是很大，温度引起的轴向应力也不大。管道每隔300 m距离设置的波纹补偿器，可补偿减小由于热胀冷缩引起的管道轴向应变。

优化管道支架设置，可减小轴向应力对管道结构的破坏。在线路曲线半径≥500 m的区间，采用6 m/根的管道，间隔2 m设置管支架，在管道接口两侧1 m内增设;在线路曲线半径＜500 m的区间，采用4 m/根的管道，间隔1.5 m设置管支架，在管道接口两侧0.5 m内增设;管道转弯处做法兰连接并增设管支架，阀门、消火栓等位置也应增设。

3.3 区间消火栓给水管爆管事故应急处置措施

尽管采取以上多种措施防止输水管道结构破坏，海底区间废水均向最低点汇集，无法自流排除，一旦发生爆管，即使及时发现，关停水泵，管内残存的大量废水也会使废水量瞬间激增，超出排水泵的最大排水能力，因而存在淹没部分隧道的风险。

为解决爆管问题，过海区间消防管网可在进入区间的消防干管之上加装电磁流量计，在每个连通管的下游加装电动蝶阀，通过对管道流量的实时监控，配合日常巡检，及时发现消防管网的跑冒滴漏。同时，当非消防状态下，消防管道发生爆管，水流量激增且超过消防最大用水量时，通过监控系统自动关闭所有电动蝶阀，使管道内残存的废水量减小至单个环管，从源头上消除消防管道爆管淹没隧道的风险。

4 结论与讨论

1)地铁特长海底隧道消防给水系统的选择是针对预期火灾种类制定的，其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时使用，应具有迅速、有效灭火功能，同时，应具有辅助人员疏散逃生的隔离火点和烟雾的功能。

2)消火栓系统+联络通道内设置高压细水雾系统，既可以提高长大海底隧道的消防安全，起到2条隧道间火势隔离，降低联络通道内温度和烟气毒性，最大限度地发挥高压细水雾灭火系统的优势，又可以减少造价，降低影响地铁正常运营的风险。

3)地铁特长海底隧道消防给水系统中，消火栓系统管网的管材和管道结构安全是设计中应重点关注的问题。

4)地铁特长海底隧道消防给水系统设计应充分考虑管道爆管等事故工况下的合理应急措施。

本文对地铁特长海底隧道消防给水系统设计有一定的指导意义，但对于这类新兴工程的消防系统设计，仍需要进一步系统性地研究以及相关试验，进而形成规范化的设计指导方案。

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