大直径公轨两用越江隧道消防设计技术创新

林亚楠,钟运莹

(中铁第四勘察设计院集团有限公司,武汉 430063)

随着我国社会经济的高速发展，以及地面交通用地限制，地下交通系统渐渐成为缓解城市交通压力的一种有效措施，它具有运输容量大、准时高效、空间利用率高等特点[1]。武汉三阳路公轨两用越江盾构隧道属于武汉市轨道交通7号线一期工程第八标段，2010年开始前期研究，2013年12月开工建设，是世界上首座城市道路与地铁共结构合建的盾构隧道。水下公轨两用隧道的消防设计直接影响隧道的正常使用和安全运营，但目前国内尚未制定有关水下公轨两用隧道防火设计规范，各项消防设计参数的确定十分困难，国内外基本无参照的数据。以武汉三阳路越江隧道为依托，重点介绍消防系统设计，以期为今后类似工程提供参考。

1 工程概况

武汉三阳路越江隧道是我国首条公轨两用的过江隧道，过江盾构段全长2 590 m，线路起自汉口澳门路，斜穿长江接入武昌秦园路。隧道为双孔圆形结构，外径为15.2 m，分上下两层，隧道上层为单向三车道公路，下层为地铁。隧道断面如图1所示[2]。

图1 武汉三阳路越江隧道断面

隧道结构安全等级为一级，防水等级为二级，防洪水位按百年一遇设计，承重结构体的耐火极限为2 h，主体工程设计使用年限100年。

2 消防方式的确定

2.1 越江隧道火灾类型及特点

三阳路越江隧道比较特殊，公轨两用，火灾以A、B类最为常见[3]。

(1)隧道长度、断面、交通量、车型、车载可燃发展蔓延规律具有多样性和不确定性。

(2)隧道的相对封闭性，隧道发生火灾时，由于新鲜空气供给不足，气体交换不充分，产生不完全燃烧反应，导致CO等有毒有害气体的大量产生，不仅降低了隧道内的能见度，同时加大了疏散人群窒息的可能性。

(3)隧道内热交换十分困难，排烟排热差。发生火灾时烟气聚集在隧道内，无法扩散，使温度骤升，较早出现“爆燃”，烟气形成的高温气流会对人体产生巨大的影响。

(4)隧道狭长，逃生径路少，火情探测和救援困难。再加上地下工程对通讯设施的干扰较大，救援人员与指挥人员通讯联络困难。

(5)人员疏散困难。隧道横断面小，道路狭窄，加之人员的逃生方向与烟气的自然扩散方向一致，烟的扩散速度一般比人步行快，所以人员疏散很困难。

(6)隧道消防设计需同时兼顾公路和轨道交通。

鉴于以上水下隧道火灾特点，初期火灾应以自救为主，配置有效的固定消防设施。

2.2 消防系统的确定

目前城市隧道消防系统主要包括：水消防系统、气体消防系统、泡沫灭火系统。水消防系统主要包括消火栓给水系统和自动喷水灭火系统。

(1)消火栓系统

消火栓系统是一种成熟、可靠的灭火系统，灭火机理主要是水的冷却作用、窒息作用、冲击作用和稀释作用，可在隧道火灾初期灭火及控制火灾的蔓延，能够扑灭多种类型火灾。

消火栓可沿隧道旁布置，其给水管径不小于100 mm，设置间距一般为45～50 m，出水量应以20～30 L/s为宜，每个消火栓箱内应设置水带40～50 m，φ65 mm的接口2个，φ19 mm的多功能水枪2支。

(2)自动喷水灭火系统

自动喷水灭火系统，是当今世界上公认的最为有效的自救灭火设施，是应用最广泛的自动灭火系统，按喷头的开启形式可分为闭式喷头系统和开式喷头系统。考虑到隧道火灾发生时人员疏散时间和自动灭火系统误动作对隧道交通的影响以及火灾具体区域确认需要一个过程，故隧道消防不采用闭式喷头的自动喷水灭火系统。水喷雾灭火系统被常用于地铁、隧道等重要场所，在国际上得到普遍认可和应用，它的灭火机理主要为表面冷却，窒息，冲击乳化和稀释等。

(3)泡沫灭火系统

根据泡沫灭火剂溶液发泡倍数的大小，泡沫灭火剂可以分为低倍数、中倍数和高倍数3种。发泡倍数在20倍以下称为低倍数；21～200倍的为中倍数；201～1 000倍以上的为高倍数。低倍数泡沫的主要灭火机理是通过泡沫的遮断作用，将燃烧液体与空气隔离实现灭火。高倍数泡沫的主要灭火机理是通过密集状态的大量高倍数泡沫封闭火灾区域，以阻断新空气的流入达到窒息灭火。因人淹没于含有大量烟气的高倍泡沫中，会迷失方向而无法逃生的可能性很大，故隧道常采用低倍泡沫与水喷雾组合联用的灭火系统。

泡沫-水喷雾灭火系统是在水喷雾灭火系统基础上增加了泡沫液管网、泡沫比例混合器、供泡沫液设备和泡沫液灌等组成。泡沫系统和水喷雾系统相互独立[4]，设有各自的消防加压及管道系统，在雨淋报警阀后管道和喷头可共用，通过泡沫比例混合器将泡沫灭火剂与水按比例混合成泡沫混合液，经喷头施放泡沫到着火对象上实施灭火。前期喷泡沫灭火，后期喷水冷却防止复燃。

(4)灭火器系统

灭火器的种类很多，按其移动方式可分为：手提式和推车式；按驱动灭火剂的动力来源可分为：储气瓶式、储压式、化学反应式；按所充装的灭火剂则又可分为：泡沫、干粉、卤代烷、二氧化碳、酸碱、清水等。

隧道内发生A类、B类、C类火灾和电器火灾的可能性都存在[5]，应选择适用于扑救A、B、C类火灾的灭火器。磷酸铵盐干粉灭火剂可用于扑救除活泼金属外的其他各类火灾，对火灾种类复杂的隧道特别适用。

综上所述，三阳路公轨两用越江隧道消防系统分为公路和轨道交通两个单独的系统。公路消防采用消火栓系统、泡沫-水喷雾灭火系统、灭火器系统联用的方式，并配备气体灭火系统[6]；轨道交通消防采用消火栓系统和灭火器联用的方式。

3 消防系统的设计

3.1 消火栓系统

3.1.1 设计原则

(1)在隧道盾构段及暗埋、敞开段设消火栓灭火系统，隧道出入口处应设置消防水泵接合器和室外消火栓[7-8]。

(2)上层公路隧道发生火灾时，应保证4股充实水柱能够到达；下层轨道交通隧道发生火灾时，应保证2股充实水柱能够到达。

(3)管道内的消防供水压力应保证用水量达到最大时，最低压力不应小于0.3 MPa，但当消火栓栓口处的出水压力超过0.70 MPa时，应设置减压设施。

(4)消火栓的间距不应大于50 m，且双面间隔设置。

(5)上层公路隧道内消火栓设计用水量为20 L/s，火灾延续时间按3 h；公路隧道洞口消火栓设计用水量30 L/s，火灾延续时间2 h。下层轨道交通隧道内消火栓设计用水量为10 L/s，火灾延续时间按3 h。

(6)隧道内最不利点消火栓设计水压均按φ19 mm口径水枪充实水柱不小于10 m计算。

3.1.2 公路隧道系统设置

主线公路隧道沿每孔隧道行车方向布置DN150消火栓消防管道，与隧道两端处消防泵房的2根DN150出水管相连，全线贯通，以形成环状管网。匝道内的消防枝状管从主线隧道消火栓管上就近接管[9]。

在隧道内及隧道敞开段设置消火栓箱，单侧布置，间距50 m，每只消火栓箱内设SN65消火栓2支，φ65 mm×25 m水龙带2盘，φ19 mm多功能水枪2支，并设能直接启动消火栓泵的启动按钮。在隧道洞口处设消火栓，并设置消防水泵接合器。

在消火栓管上每隔5组消火栓箱设1个检修阀门，并在管段最高点设排气阀；为保证消火栓出口压力在0.3～0.5 MPa范围内，在隧道最低点设置减压阀。

隧道内的消火栓管采用内外热镀锌钢管，直管段采用焊接或卡箍连接，与阀门的连接、弯头及三通处采用PN1.0 MPa的法兰连接；隧道外埋地的消火栓管采用K9球墨铸铁管，橡胶圈接口[10]。

隧道水消防的水源采用武汉市城市自来水，消防泵房内设置消防泵2台(1用1备)，单泵流量20 L/s。并且配备1套带稳压泵及稳压罐的稳压系统以供消火栓泵组使用。

3.1.3 轨道交通隧道系统设置

轨道交通隧道引入1根DN150消火栓给水干管，沿行车方向右侧布置，每隔50 m设置消火栓口。区间不设置消火栓箱，但水龙带和水枪应放在邻近车站站台端部专用消火栓箱内[11]。

三阳路站至武昌风井的区间由三阳路站消防泵组负责加压稳压，并在武昌风井和汉口风井处设置连通管，形成环状管网。徐家棚站至武昌风井的区间由徐家棚站消防泵组负责加压稳压，并在武昌风井处设置连通管，形成环状管网。在进入区间的消防管道上安装手电动两用蝶阀，并安装水流指示器。下层轨道交通隧道消防分区范围如图2所示。

图2 三阳路轨道交通越江隧道消防分区范围

3.2 泡沫-水喷雾自动灭火系统

泡沫-水喷雾自动灭火系统应用于上层公路隧道内。

3.2.1 设计原则

(1)在公路隧道盾构段及暗埋段设泡沫-水喷雾自动灭火系统，由喷头、泡沫比例混合器、雨淋阀组、水喷雾泵、泡沫泵及泡沫罐、水喷雾管、泡沫液管等组成[12-13]，采用比例为3%的水成膜泡沫液作为灭火剂。

(2)泡沫液喷射强度6.5 L/min·m，作用时间30 min，水喷雾作用时间2 h[14]。

(3)喷头工作压力0.35 MPa，单个喷头流量250 L/min。

(4)沿上层公路隧道纵向每25 m设1个灭火分区，按消防时相邻两个灭火分区的喷头同时作用设计，设计流量90 L/s。

3.2.2 系统设置

公路隧道主通道设2条DN250水喷雾管和2条DN70泡沫液管，互相连通以形成环状管网。各匝道设1条DN250水喷雾管和1条DN70泡沫液管。每个灭火分区设1套隧道专用泡沫喷雾控制阀组，每套控制阀组含雨淋阀、泡沫比例混合器及配套阀门。

喷头采用SZT86-48-120型隧道专用水成膜泡沫喷头。上层公路隧道为双车道时，喷头沿隧道的单侧布置，布置间距5 m，沿隧道纵向25 m设1个灭火分区，每个灭火分区设1排共5个喷头；隧道为3车道或以上时，喷头沿隧道的双侧布置，布置间距5 m，沿隧道纵向25 m设1个灭火分区，每个灭火分区设2排共10个喷头；匝道为双车道，喷头沿隧道单侧布置，布置间距4.17 m，25 m设1个灭火分区，每个灭火分区设1排共6个喷头[15]。

隧道内的水喷雾管采用内外热镀锌钢管，直管段采用焊接或卡箍连接，与阀门的连接、弯头及三通处采用PN1.6 MPa的法兰连接；隧道外埋地的水喷雾管采用K9球墨铸铁管，橡胶圈接口；泡沫管和泡沫混合液管采用304不锈钢管，管径≥DN100采用焊接或法兰连接，小于DN100采用螺纹连接[16]。

消防泵房内设水喷雾泵2台(1用1备)，单泵流量90 L/s。泡沫消防泵2台(1用1备)，单泵3 L/s。各配1套稳压系统。设2座泡沫液罐，单座泡沫罐容积不小于2 m3。

3.3 灭火器

在隧道暗埋段和敞开段布置灭火器箱。灭火器的配置基准取1 m2/B，每具灭火器最小配置灭火级别取55B[17]。

灭火器箱沿公路隧道的双侧布置，间距25 m；匝道灭火器箱沿道路单侧布置，间距25 m；在轨道交通隧道下层的疏散通道内每间隔25 m设置挂壁式灭火器箱1组。每个灭火器箱内设4具5 kg磷酸盐干粉灭火器。

3.4 设备用房灭火系统

隧道工作井内的变电所、配电间、EPS室、弱电设备室等电气设备房间设置柜式七氟丙烷自动灭火装置[18]。

在进行消防验收时，消防部门提出工作井内及走廊区域应设置火灾自动报警系统和自动灭火系统。因此，将三阳路风塔配套开发项目地下区域火灾报警系统和自动灭火系统引入本工作井区域，流量为30 L/s，P≥0.5 MPa。

3.5 火灾自动报警系统

在隧道管理用房和各变电所内分别设置1台火灾报警控制器，控制器之间通过光纤构成环网。

隧道内采用火灾报警综合盘和分布式感温光纤两种报警设备，保证无探测盲区。双波长火灾探测器和手动报警按钮以50 m范围设置1组，隧道两侧交替布置，其中双波长火灾探测器和手动报警按钮采用分离式安装方式，手动报警按钮安装于火警手报控制箱内。另外在行车方向右侧每隔50 m设置1只声光报警器，与相应火警手报控制箱同桩号设置。隧道入口前方龙门架上设置指示隧道内发生火灾的声光警报装置。

分布式光纤探测器在隧道顶部和两侧电缆桥架上以直线方式敷设；配电房等设备用房以感烟、感温探测器密布探测方式设置。

消防控制室内设置向消防部门报警的直线电话。配电房、风机房等相关用房设置消防专用电话。

4 结语

随着我国城市交通的日益发展，我国已经成为世界上交通隧道最多的国家，伴随而来的交通隧道火灾发生频率逐年上升，容易造成重大的人员伤亡和经济损失，如何能在设计阶段可以合理解决隧道的消防问题是值得探讨和研究的[19-20]。

武汉三阳路隧道作为世界上首座城市道路与地铁共结构合建的盾构隧道，消防设计时兼顾了公路隧道和轨道交通隧道的消防要求，并加强了对工作井内消防的重视。目前，国内与水下过江隧道、公轨两用隧道相配套的消防技术规范及标准并未形成完善的系统，三阳路大直径公轨两用越江盾构隧道的消防设计对以后类似工程具有重要的指导意义。