城市黄金地段交通隧道消防灭火系统设计与创新

2021-07-10毕秀梅

铁道建筑技术 2021年5期

毕秀梅

(中铁第四勘察设计院集团有限公司湖北武汉 430063)

1 引言

我国城市交通伴随着社会经济飞速发展，城市有限的地面空间已不能满足建设道路、拓展交通的需求，地下隧道交通工程应运而生[1]。与之配套的消防灭火系统是保证隧道安全运营的关键设施，但目前关于城市隧道消防灭火系统尚无明确的规定。杭州环城北路交通隧道位于杭州市黄金地段，通过对该隧道消防灭火系统设计及相关创新设计的介绍，为类似工程设计提供参考。

2 工程概况及重难点分析

2.1 工程概况

位于杭州市黄金地段的环城北路交通隧道工程西起中河立交和环城北路交叉口，东至艮秋立交与环城北路交叉口，项目全长2 460m。隧道分为独立的南、北两线，其出入口错开式布置，南线全长1 837 m，盾构段长1 355 m，北线全长1 800 m，盾构段长1 275 m。隧道为双管四车道，设计车速为60 km/h，仅限通行非危险化学品等机动车。隧道盾构段两侧设明挖暗埋段、敞开段与道路衔接，在南北线隧道东西两端各设一个工作井，北线隧道设1号、2号工作井，南线隧道设3号、4号工作井，隧道平面示意见图1。

图1 隧道平面示意

2.2 重难点分析

(1)处于城市黄金地段的交通隧道，人流、车流大，早晚上下班高峰时段，发生交通拥堵概率高。且隧道空间相对封闭、狭长、隧道横面小。一旦发生火灾，人员及物资疏散困难[2-4]，因而隧道需同步设计消防灭火系统。在目前尚无具体城市交通隧道消防设计规范的情况下，为及时扑灭隧道内初期火灾，合理、可行的消防灭火系统的设计，是隧道消防灭火系统设计的重难点。

(2)该黄金地段交通隧道沿繁忙的环城北路下部敷设。环城北路道路红线宽度窄、交通流量大，道路两侧建筑密度大，东河灞子桥、沪杭铁路与本隧道交叉，环城北路下各类市政管线密布，且杭州市政府要求该隧道建设达到房屋建筑零拆除，因此对隧道消防水池进行寻址、设计是本工程消防灭火系统设计的难点。

3 消防灭火系统设计

3.1 消防灭火系统方案的确定

3.1.1 消防灭火系统方案比选

可用于隧道内灭火的消防系统有固定安装非自动式的，如固定式水成膜系统、消火栓系统；有固定安装自动式的，如泡沫-水喷雾系统；有非固定安装的，如灭火器。以下对各系统进行分析比选。

(1)固定式水成膜泡沫灭火系统

水成膜对油类火灾灭火效果较好，灭火机理是:除泡沫对火冷却、窒息作用外，同时还在燃烧的物体表面形成一层水膜，水膜与泡沫共同作用达到阻燃、熄火的效果。欧美在20世纪中期已将水成膜泡沫灭火剂运用于隧道工程消防系统中[5]。固定式水成膜泡沫系统由泡沫喷枪、泡沫容器、比例混合器等设施组成，固定式水成膜设施与消火栓设在同一个箱内，用水取自消火栓，共用消防给水干管及消防泵。火灾时，水成膜泡沫灭火剂通过泡沫混合装置与水混合后，输出的泡沫混合液经泡沫喷枪产生灭火泡沫，靠泡沫和保护膜双重作用，达到快速灭火的效果。固定式水成膜泡沫系统管理简单、操作简便。固定式水成膜泡沫系统与消火栓共用消防干管，沿隧道纵向的消防管道仅有成环状的二根消防干管，工程造价低。隧道内火灾多为汽车燃油火灾，城市交通隧道建议采用固定式水成膜泡沫灭火系统。

(2)消火栓系统

消火栓系统广泛应用于建筑室内外，是一种技术成熟、运行可靠的灭火系统。灭火机理主要是水的冷却、窒息、稀释等综合作用[6]，对A类火灾灭火效果较好。消火栓系统是隧道内外最基本、最直接的灭火设施，可在火灾初期时灭火及防止火灾蔓延扩大。

(3)泡沫-水喷雾消防系统

泡沫-水喷雾消防系统是由泡沫系统和水喷雾系统组成、喷头为共用喷洒装置的系统。火灾时，先喷洒泡沫灭火，再喷水雾冷却。除泡沫水喷雾阀组箱至喷头段为泡沫系统与水喷雾系统共用外，其余互相独立。泡沫系统设有独立的泡沫干管、泡沫泵，水喷雾系统设有独立的水喷雾干管、水喷雾泵，泡沫干管与水喷雾干管沿隧道纵向贯通。该系统管道多，管道布置对空间要求高、投资大、管理维修费用高。泡沫腐蚀性强，隧道内消防管道、排水管道有被腐蚀的现象。目前该系统多用于江、湖水底隧道[7-9]。鉴于环城北路隧道特点、消防系统设置的必须性及经济合理性，不推荐采用此系统。

(4)灭火器系统

灭火器是扑灭初期火灾的重要工具，因其操作简单、使用方便、性能可靠，对小规模火灾能起到重要的灭火作用。《建筑设计防火规范》[10]和《公路隧道设计规范第二册交通工程与附属设施》[11]均规定隧道内要设置灭火器。

3.1.2 消防灭火系统的确定

隧道内发生火灾的时间和地点具有随机性，对于行驶的机动车辆，在隧道内任一路段皆有着火的可能性。发生火灾时，由于隧道的密闭性，无法及时进行空气交换，因缺氧燃烧产生CO等有毒有害气体，可能会导致司乘人员窒息、死亡。因而城市交通隧道消防主要原则是司乘人员作为灭火主体扑灭初期阶段火灾。正常消防阶段及特大火灾的特殊阶段，是由城市消防人员使用消防车扑灭火灾。结合以上消防灭火系统比选结果，环城北路交通隧道消防灭火系统采用:固定式水成膜泡沫灭火系统+消火栓系统+灭火器三个消防系统的组合。

3.2 消防灭火系统的具体设计

3.2.1 固定式水成膜泡沫灭火系统+消火栓灭火系统设计

(1)消防泵房优化设计

目前隧道消防灭火系统设计主要规范依据是《建筑设计防火规范》(GB 5006—2014)和《消防给水及消火栓系统技术规范》(GB 50974—2014)，这两本规范均规定“隧道内宜设置独立的消防给水系统”。对于水消防灭火系统应该设置几套供水系统，没有明确规定。杭州环城北路交通隧道水源采用市政自来水，市政自来水供水管径、供水压力值不能满足隧道内消火栓系统和固定式水成膜泡沫系统用水要求，需设消防水池和消防泵房加压供隧道内消火栓和固定式水成膜泡沫系统。消防泵房有两种设计方案:方案一，在隧道一端设一座消防泵房供全部隧道固定式水成膜+消火栓系统；方案二，隧道两端各设一座消防泵房。笔者认为方案二属较优设计方案，原因是:由于该隧道长2 460m，纵断面为V型，隧道两端各设一座消防泵房，将隧道消防给水系统分成两个相对独立的系统，以隧道中间最低点为分界，每座消防泵房服务的消防管道长度按设一座消防泵房时消防管道长度的一半计算，这样消防系统水头损失小，因而所需消防泵扬程小，消防管网压力及阀门等附属设施压力等级低，工程造价及维护成本小，且两座消防泵房对隧道消防供水安全保障性更强。在该隧道两端的2号工作井及3号工作井内各设一座消防泵房。2号工作井消防泵房设消火栓泵(Q=25 L/s，H=55 m，N=30.0 kW)2台(1用1备)、3号工作井消防泵房设消火栓泵(Q=25 L/s，H=57 m，N=30.0 kW)2 台(1用1备)，各配一套稳压系统。

(2)系统设置

在每孔隧道敞开段、暗埋段、盾构段单侧设置固定式水成膜、消火栓共用的消防箱，间距50 m。每只消防箱内设DN65单头单阀消火栓2个、25 m水龙带2盘、DN19水枪2支、30 L泡沫液容器罐，软管长度大于25 m软管卷盘1盘、负压式比例混合器、泡沫喷枪、报警启泵按钮1个等。主要设计参数为:水成膜泡沫混合液流量≥30 L/min，泡沫喷枪射程≥6 m，泡沫混合液连续供给时间20 min，隧道内消火栓系统用水量为20 L/s，水成膜泡沫灭火装置用水量为1 L/s，最不利点充实水柱≥10 m，消火栓栓口距车行道高度1.1 m。消火栓栓口出水压力大于0.5 MPa时，设减压阀。

自隧道两端的2号、3号工作井消防泵房内消火栓泵出水管上各引2根DN150消防干管，沿暗埋段及盾构段管廊铺设，敞开段埋地铺设。消防干管在南、北隧道贯通且成环，消防环状管网上每隔5个消火栓设置1只检修阀，在消防干管最高点设排气阀、最低点设排泥阀，管道穿越结构缝、变形缝及一定长度直管段设置伸缩器。消防管道采用镀锌钢管，管径大于 DN65的采用沟槽连接，小于等于DN65的采用丝扣连接。固定式水成膜系统+消火栓系统见图2。

图2 固定式水成膜+消火栓系统

3.2.2 灭火器

隧道内发生的火灾多为A、B类火灾和带电火灾，磷酸铵盐干粉灭火剂可用于扑灭除活泼金属外的各类火灾，灭火器选用手提式磷酸铵盐灭火器。在隧道敞开段、明挖暗埋段及盾构段的两侧每隔50 m设一只灭火器箱，交错布置，每只箱内设置4具4 kg装的磷酸铵盐灭火器[12]。

4 消防水池的创新设计

2号、3号工作井消防泵房各配置一座容积为300 m3消防水池，国标图集中单座消防水池尺寸约为14 m×7 m×3.5 m(长×宽×高)。该隧道位于杭州市中心寸土寸金的黄金地段，隧道两侧地块内的市政设施、建筑已建成使用多年，且规划没有为隧道设施预留用地。消防水池征地困难，消防水池对位置要求严苛，为保证消防泵吸水效果，规定消防泵房与消防水池的距离不宜大于50 m。若在消防泵房附近征地设消防水池，影响隧道附近地块的整体利用及美观。经对隧道结构研究分析，临近工作井的隧道明挖暗埋段，隧道顶距地面约5.5 m，沿明挖暗埋段至敞开段方向，隧道顶距地面的高度逐渐减小。经计算该空间体积可以满足消防水池容积要求，深度可满足消防水泵自灌的规范规定。利用该部位设消防水池，充分利用了明挖暗埋段隧道顶部至地面的空间，且方便管理。水池底板与隧道顶板共用结构、水池一面池壁与工作井井壁共用结构，节省投资。该设计方案，一方面取得了美化城市的社会效果，另一方面水池直接工程投资节省约200万元，且省去了工程征地费，同时使得城市土地利用最大化。该项设计属本工程独创，是隧道消防工程类的创新。创新设计的消防水池见图3。