公路超长隧道消防供水系统技术方案研究

冯光宇

（四川省公路规划勘察设计研究院有限公司，四川成都 610041）

1 隧道火灾概述

公路隧道属于开放式的公共运输通道，洞内车辆组成复杂，可燃物种类多，火灾影响面广，容易给人民生命财产造成重大损失。总体而言，隧道火灾通常具有以下特点。

一是隧道空间受限，烟雾蔓延迅速，危害性大。

二是火灾荷载难以控制，火灾规模和类型差异大。

三是燃烧产生热量易聚集，火灾发展速度较快。

四是受自然风、交通风等影响，隧道内风速、风向难以控制。

五是隧道主洞难以划分防火分区，火灾影响区域大。

六是隧道人员逃生和救援难度大。

火灾发展过程大致可分为初期增长阶段、充分发展阶段和衰减阶段。其中，初期增长阶段是消防灭火的“黄金时段”，通常只有10～15min，而隧道消火栓是前期灭火以及控制火势的最主要手段。如何结合项目特点，兼顾可靠性和经济性，选择合理的消防供水系统方案，是工程设计值得认真研究的要点。

2 消防供水方式

隧道消防供水以加压方式进行区分，主要有以下两种形式。

一是常高压供水：在隧道洞口上方设置消防高位水池，利用重力自然水压差，向隧道消防管网供水。该方式不依赖机械增压设施，只要消防水池有水，就能满足消防管网水压，整体可靠性较高。

二是稳高压供水：部分隧道洞外地形陡峭，不具备高位水池修建条件，因此采用机械水泵加压方式，利用水泵运转产生的压力，向隧道消防管网供水。为了减少水泵启动次数，并维持常态水压，除了消防主泵外，通常还设有稳压泵和稳压罐，所有水泵按照“一用一备”标准配备。该方式可靠性相对较差，机械设备定期维护量较大。

3 消防供水常规方案

与消防供水方式相对应，消防供水常规方案也有两种。

对于洞口地形条件较好的隧道，优先考虑在隧道洞口上方设置高位水池，水池底部高程按照式（1）计算：

式（1）中：H 为高位水池的高程；h1 为隧道最不利点的高程；P1 为隧道消防设施最不利点用水压力；P2 为高位水池至最不利点的沿程损失压力。

对于采用机械水泵加压方式的供水系统，可以参照式（1）进行压力计算，选定消防泵和增压稳压设备的技术参数。

4 特殊工程案例应用

随着高速公路向边远山区延伸，10km 以上的超长隧道越来越多。此类隧道在消防供水方案设计时，均普遍存在以下难点：隧道为方便排水，纵断面通常呈“人”字坡，两端洞口低、隧道中部高；加之隧道里程长，洞内最高点（即供水最不利点）与洞口高差较大，消防供水管道较长，往往难以兼顾管网超压控制、经济成本和工程可靠性等多个方面。

下面是的几个典型案例，都是超过10km 的超长隧道。消防供水方案针对每个隧道的特点，采取了差异化的特殊设计，均已得到成功应用。

4.1 双端供水——雅西高速泥巴山隧道

4.1.1 基本情况

泥巴山隧道是雅西高速最长隧道，也是全国埋深最大的复杂地质隧道。隧道左洞长为9962m，右洞长为10007m，隧道呈“人”字坡，雅安端洞口高程约为1526m，西昌端洞口高程约为1540m。洞内最高点处于隧道中点位置附近，高程约为1565m，与两端洞口距离均约为5km。

4.1.2 供水方案

总体分析：隧道两端洞口高程相差不大，洞内最高点分别高出两端洞口39m、25m。考虑高程差、沿程损失等因素，经计算，洞外设置消防供水设施，能够在不超管网最大静压力（1.0MPa）指标的情况下，满足洞内最不利点的水压要求，具备在洞外设置供水设施，向消防管网加压供水的条件。

解决方案：从隧道洞外地形条件看，地势相对平坦，各有1 条长流水溪沟，有足够场地修建消防高位水池。因此最终选定“双端供水”方案，即隧道两端洞口上方各修建1 座高位水池，共同向消防管网供水。为了消除两端供水压力差，严格控制了两座高位水池的高程差（5m 以内），并在高位水池出水管增设了单向止回阀，防止管网水倒灌入高程较低的水池中。消防供水系统如图1 所示。

图1 泥巴山隧道消防供水系统图

4.1.3 方案特点

该方案两端设置供水设施，极大提升了系统可靠性。由于两端高位水池同时向消防管网供水，消防管道内水流速度较低，能够大幅度降低沿程损失压力P2，有效解决了长距离供水造成的远端压力不足问题。

4.2 洞内供水——巴陕高速米仓山隧道

4.2.1 基本情况

米仓山隧道是巴陕高速中的控制性项目，隧道左洞长为13827m，右洞长为13794m。隧道呈“人”字坡，桃园端洞口高程约为949m，巴中端洞口高程约为971m。洞内最高点处于隧道中点位置附近，高程约为1015m，与两端洞口距离分别约为7.1km 和6.7km。

4.2.2 供水方案

总体分析：洞内最高点是消防供水最不利点，分别高出两端洞口66m、44m。若要满足该点0.4MPa 的消防水压，按照沿程损失压力P2=0.2MPa（考虑了检修情况下单管供水可能），以式（1）推算，消防管网两端洞口处产生的静压分别达到了P桃=0.4+0.2+0.66=1.26（MPa）、P巴=0.4+0.2+0.44=1.04（MPa），不满足《消防给水及消火栓系统技术规范》（GB 50974—2014）“消火栓栓口处静压大于1.0MPa”的规定[1]。根本原因是该隧道“人”字坡特征明显，洞内最高点与两端洞口高程差太大所致。采用从洞外供水的常规消防方式即使增设静压减压阀，也无法解决管网近端超压、远端压力不足的问题。

解决方案：为了解决高纵坡隧道高点供水难的问题，工程采用了洞内设置消防供水设施的方案。具体做法如下：洞内最高点附近开挖两个消防横洞（类似车行横通道），一个用以修建消防低位水池，一个用以放置水泵及稳压设备，两者之间采用2 根DN200 管道联通，对消防管网加压后，利用隧道自然坡度落差，向两侧直至洞口区段的消火栓供水。一旦下坡方向管网静压接近1.0MPa，就应增设静压减压阀，避免出现消火栓水压超标问题。为了提升向隧道内低位水池的补水能力，在水源较好的桃园端隧道洞口修建300m3的低位蓄水池，作为消防储备补水。当洞内低位水池水量不足时，立即启动补水泵，通过专用管道向其补水。隧道左右洞电缆沟各敷设1 根补水管，形成2 条独立的补水管路，以确保供水可靠性[2]。消防供水系统如图2 所示。

图2 米仓山隧道消防供水系统图

4.2.3 方案特点

突破洞外供水常规思路，首次提出将消防供水设施设置于隧道洞内的技术方案，并得到成功应用。该方案适用于纵坡高程相差大、消防管网压力难以控制的“人”字坡超长隧道。

4.3 斜井供水——雅康高速二郎山隧道

4.3.1 基本情况

二郎山隧道是我国高海拔地区最长的高速公路隧道，是成都平原进入甘孜藏区第一座高速公路特长隧道，被誉为“ 川藏第一隧”。隧道左洞长度为13459m（ZK65+598—ZK79+057），右洞长度为13406m（K65+604—K79+010），隧道呈“人”字坡，雅安端洞口高程约为1461m，康定端洞口高程约为1571m，洞内“人”字坡变坡点高程约为1593m，与两端洞口距离分别约为7005m、6477m。二郎山特长隧道采用两斜井分段通风方案。其中，雅安端斜井在K69+290 附近，与主洞相交处的高程约为1520m；康定端斜井在K74+565 附近，与主洞相交处的高程约为1593m。

4.3.2 供水方案

总体分析：为满足消防末端0.4MPa 水压要求，同样按照沿程损失压力P2=0.2MPa（考虑了检修情况下单管供水可能），以式（1）推算，消防供水端的初始水压(以水柱高度表示)为H=h1+P1+P2=1604.4+40+20=1664.4（m）。消防管网两端洞口处产生的静压分别达到了2.0MPa 和0.9MPa，超过或非常接近规范允许的最大静压力值（1.0MPa）。虽然隧道最高点与康定端洞口高程相差不大，采用洞外设置消防供水设施方案技术上仍然可行，但是洞口区域地形陡峭，冬季气温较低，水池修建及管道敷设难度大，冬季面临保温运营电费高、设施维护困难等问题[3]。

解决方案：二郎山隧道斜井出口的山顶附近有条溪沟，水量丰富，即使冬季也不断流。消防系统设计时，充分利用溪沟水资源，巧妙借用隧道通风斜井廊道，在康定端斜井内适当高程（池底高程取1655m）设置高位水池，构建常高压供水系统。山顶溪沟修建了拦水坝，沿斜井敷设2 根DN80 管道，向斜井内高位水池供水。高位水池出水管设置2 根，分别沿左右洞排烟斜井，进入隧道两侧弱电缆沟，与隧道消防环网消防干网相连。经过现场测试，斜井高位水池冬季气温长期在5℃以上，无须增设保温措施。消防供水系统如图3 所示。

图3 二郎山隧道消防供水系统图

4.3.3 方案特点

国内公路领域首次在隧道通风斜井内设置高位消防水池，一方面扩展了通风斜井功能，充分利用斜井高差，解决了大纵坡超长隧道供水问题；另一方面实现了消防供水设施的自然保温功能，在提升冬季供水可靠性的同时，节省了电伴热电费，充分贯彻了绿色节能理念[4]。

5 结语

高速公路超长隧道地理环境及技术指标个体差异大，消防供水系统普遍存在远距离供水导致的水压不平衡问题。文中三座典型超长隧道充分结合了工程特点，利用了斜井等有利条件，采取了各具特点的消防供水方案，有效兼顾了系统的可靠性和经济性，希望能为隧道消防供水系统设计提供更为广阔的思路，为超长隧道的安全运营保驾护航。