太行山特长隧道消防供水系统设计

武瑞兵

（山西省交通规划勘察设计院有限公司，山西 太原 030032）

引言

拟建项目昔阳（晋冀界）至榆次高速公路，是《山西省高速公路网调整规划》中“三纵十二横十二环”中第七横的重要一段，位于山西省中部地区，项目向东通往河北省衡水市，西接榆祁高速榆次段，路线方案中有一座长度约13.931 km的特长隧道穿越太行山山脉，太行山特长隧道作为本条高速公路的特大控制性工程，保证其安全可靠运营至关重要，其水消防系统的设计是隧道附属工程设计的关键。

太行山隧道为双洞单向交通特长单坡隧道，隧道右线长13 931 m，坡度1.9%（12 240 m）和坡度1.1%（1 691 m），起迄桩号为-K3+735—K10+196；隧道左线长13 920 m，坡度-1.9%（12 215 m）和坡度-1.16%（1 705 m），起迄桩号为-ZK3+725—ZK10+195。为满足隧道救援和逃生需要，在隧道内共设置有55处人行横洞和18处车行横洞。隧道水消防系统组成：根据《公路隧道设计规范 第二册 交通工程与附属设施》（JTG D70/2—2014）[1]，隧道消防系统由洞内灭火设施和洞内、外供水系统组成。洞内灭火设施包括:化学灭火器、消火栓、水成膜泡沫灭火装置等。洞内、外供水系统包括消防水源、低位蓄水池、水泵房、高位水池、上山管道、下山管道、电伴热保温加热系统等[2]。

1 设计难点

1.1 隧道供水系统方案

1.1.1 洞外消防给水方案

根据《公路隧道设计规范（第二册）交通工程与附属设施》（JTG D70/2—2014）[1]，隧道消防给水宜采用高位消防水池供水的常高压供水系统；当无条件设置高位水池时，可采用稳高压供水系统，本项目太行山隧道出口山西侧山体坡度较缓，地形具备建设高位水池条件，且太行山隧道出口与另一隧道相距201 m，构成了连续隧道群，适合在该处设置消防供水，最终确定洞外消防给水拟采用常高压供水方案。隧道消防用水量应按发生一次火灾的灭火用水量计算，长度超过3 km的隧道火灾延续时间按照4 h计算，隧道内消火栓一次灭火用水量按20 L/s计算，经计算隧道内消火栓、水成膜系统的一次消防灭火用水量288 m3，洞外消防水池确定选用500 m3高位水池。

1.1.2 管网超压问题

太行山隧道为单坡隧道，隧道两端洞口路面的高差约251 m，假设隧道按照一个供水分区考虑，洞内管道一个环网，高位水池池底与洞口最不利点高差假设取45 m，由高位水池重力加压供给环网。按照洞内供水干管为DN200，隧道最不利点供水压力为0.4 MPa计算，隧道最远点的静水压力达到2.9 MPa，供水动压达到2.35 MPa。消防干管的公称压力一般为1.6 MPa、2.5 MPa，按照隧道不分区的供水方案，其供水静压、动压均远远超过了常规钢管的公称压力，如再使用公称压力更高的管道既不经济也容易造成管道漏损甚至爆管等事故，且消火栓出水压力过高，灭火时难以把控操作，甚至会误伤到消防人员。

1.2 地上式高位水池的防冻保温问题

高位水池保温常规做法为埋地覆土方式，该方案结构稳定性好、保温简单可靠，不需要增设电伴热系统，运营成本低，设计方案是依据国家建筑标准设计图集《矩形钢筋混凝土蓄水池》（05S804）[3]进行施工，其适用条件为埋置深度在地面以下≥2 m的蓄水池。但是太行山隧道高位水池受现场地形地质限制，不具备深埋条件，无法采用传统的深挖覆土回填的防冻保温方案，因此拟采用地上式浇筑施工方案，如何对地上式钢筋混凝土高位水池进行保温是一个设计难点。

2 太行山隧道水消防系统设计总体方案

根据《消防给水及消火栓系统技术规范》（GB50974—2014）[4]第6.2.2条，当系统的工作压力大于2.4 MPa时，应采用消防水泵串联或减压水箱分区供水形式。考虑到隧道两端的高差达到251 m，故先利用隧道纵坡所产生的高差重力供水，在洞内适当位置设置减压水箱或减压阀进行再次分区，分区目标是保证管网供水压力维持在0.35～0.8 MPa之间。分区方案为共设7个供水分区，由1个洞外常高压、2个横洞泵站稳高压、4个减压阀组实现。供水系统方案见图1，方案如下：（1）洞外常高压：距洞外高差约56 m处设置一座500 m3的高位水池，用于隧道5.296 km段（桩号K10+196—K4+900）的消防用水；（2）2#横洞泵站稳高压：在洞内K4+900处设置2#横洞泵站，放置一座400 m3的消防水箱及加压泵组（加压泵组用于保证本分区最不利点处压力不小于0.35 MPa），其出水供给隧道4.214 km段（桩号K4+900—K0+686）的消防用水；（3）1#横洞泵站稳高压：在洞内K0+686处设置1#横洞泵站，放置一座400 m3的消防水箱及加压泵组，其出水供给隧道4.421 km段（桩号K0+686—-K3+735）的消防用水。

图1 太行山特长隧道供水系统方案

根据《消防给水及消火栓系统技术规范》（GB50974—2014）[4]，消防水枪充实水柱应不小于10 m，消火栓支管处的最小动压应不低于0.25 MPa，隧道内水成膜泡沫灭火系统最小动压应不低于0.35 MPa。综合各种设施压力要求，需在3个大分区段内再减压分区，增设减压阀，保证分区管网供水压力应维持在0.35～0.8 MPa之间， 减压阀设置位置分别为：-K1+525、K2+896、K6+673、K8+199，隧道消防管网水压见图2。

图2 太行山隧道消防管网水压

隧道外常高压供水系统由消防水源、高位水池和供水管网组成。隧道消防水源由深井泵房、500 m3钢筋混凝土低位蓄水池、消防补水泵房及补水管网组成，低位水池和消防补水泵房负责给高位水池补水，保证48 h内能给高位水池注满水，低位水池自身补水由深井泵房实现。隧道内稳高压供水系统由400 m3不锈钢复合消防水箱及加压泵组构成，加压泵组包括消防主泵两台,消防气压给水装置一套，消防气压给水装置由2台稳压泵+1台立式隔膜式气压罐组成,平时由消防气压给水装置保压运行,供给隧道消防干管足够的水压,发生火灾时,消防主泵启动,供给所在隧道分区内水量和水压。

消防泵设计参数：设计流量20 L/s，扬程40 m，在满足消防灭火设施用水量需求的同时保证最不利点消防设施动压不小于0.35 MPa。消防气压给水装置设计参数：稳压泵设计流量3 L/s、扬程40 m，气压罐选用立式隔膜式罐。气压罐总容积1 400 L。消防水箱的补水由上游消防管网实现。

3 地上式高位水池的防冻保温设计

隧址区年平均气温9.3 ℃，一月份最冷，平均气温-6.2 ℃，最低曾降至-23.9 ℃，小气候较多。高位水池保温采用了一种胶粘剂+外贴XPS（挤塑聚苯板）保温板+抹面砂浆+复合玻纤网格布+镀锌铁丝网+饰面砂浆施工工艺法进行保温，具有施工简单、保温可靠、运营成本低的特点，总体设计见图3。

图3 隧道高位水池保温设计方案/mm

保温板采用胶粘剂固定在基层上，并使用M10加长螺杆垂直于壁面辅助固定，保温板与基层墙体的有效粘贴面积不得小于保温板面积的40%[5]，胶粘剂厚度15 mm。抹面层采用抹面胶浆复合玻纤网格布（加强型增设一层耐碱玻纤网格布），抹面层刷两遍抗裂砂浆，抹面层厚度10 mm，在抹面层增设镀锌钢丝网防护。饰面层采用饰面砂浆涂刷，厚度10 mm。整体设置抗裂伸缩缝，管孔、洞口四角处保温板不得拼接，应采用整块保温板切割成形。水池在外保温实施完毕之后，在水池顶部及侧壁和顶部衔接处、管孔窗的凸凹接合处用防水卷材捆绑或锚固并做好防水，以避免夏季雨水、冬季冰融雪渗水侵入保温层加速保温老化。

XPS保温板参数：导热系数0.036 W/(m·K)，蓄热系数0.38 W/(m2·K)[6]，尺寸（宽×高）=1 200 mm×600 mm。为保证冬季水池保温可靠，采用了经验法对保温层厚度进行选取，调查实际已实施的工程案例，例如天黎高速太安岭隧道，地处山西省北部忻州市繁峙县，年平均气温8.3 ℃，冬季极端最低气温-25.7 ℃，整体上比太行山隧址区环境温度要低，该工程采用地上式500 m3高位水池设计，选用的保温层设计厚度为500 mm，2013年11月通车，已运营7 a多，养护单位反映运营良好，未出现水池受冻情况，实用效果不错。另外，山西阳城至济源高速公路阳城至蟒河段云岭3号隧道消防也采用了类似做法。综上所述，拟建项目水池外保温层设计厚度取500 mm是可行的。

4 结语

（1）对于大高差、长距离隧道，消防管网动静压超标一直以来都是水消防系统的设计难点，通过分析论证，确定特长隧道采用洞内稳高压供水系统和洞外常高压供水系统相结合的方式，降低了竖向分区供水压力，解决了管网超压问题。（2）减压阀在各个分区中对布置分配非常重要，在实际运营当中常高压系统的管网压力稳定性好于稳高压系统，因此在常高压分区段设置了两处减压阀组，在稳高压分区段设置了一处减压阀组，降低了系统故障率。（3）针对地上式高位水池的防冻保温问题，给出了一种新型防冻保温设计方案，解决了山区公路隧道高位水池无法埋地敷设进行保温的问题。