公路特长隧道水消防系统设计与分析

■马 英

（福建省交通规划设计院有限公司，福州 350004）

近年来我国公路隧道建设技术突飞猛进，隧道建设逐渐向特长、超宽大断面发展。截至2021 年底，我国仅10 km 以上的特长隧道就有42 座，特长隧道的火灾危险性更高、后果更严重，一旦发生隧道火灾，不仅造成较大经济损失，还会造成恶劣的社会影响。规划设计及建设安全可靠的隧道水消防系统，是保证隧道安全运营的重要措施之一。

1 特长隧道的界定

根据《公路隧道设计规范》（JTG 3370.1-2018）规定，3 000 m 以上的隧道属于特长隧道。另外，根据应急管理部四川消防研究所等单位编制的工程建设国家标准《公路隧道消防技术标准》（报批稿）规定，5 000 m≥L＞3 000 m 的隧道为特长隧道，L＞5 000 m 的隧道为超长隧道。本研究所分析的特长隧道为3 000 m 以上的隧道。

2 特长隧道火灾危险性分析

2.1 交通量大，火灾发生概率高

据有关统计资料显示，隧道火灾的发生频率为10～17 次/（亿车·km）［1］，特长隧道的火灾发生频率至少是长隧道的3 倍以上。

2.2 缺氧燃烧产生浓烟毒气，救援难度大

特长隧道火灾为典型的缺氧燃烧，通风受限、空气补给不足，其燃烧产物中CO 浓度往往高于地面建筑火灾，灭火过程中产生的水蒸气、有毒有害气体数量巨大，以往火灾中多次出现因缺氧窒息而致人死亡的案例［2］。

2.3 救援困难，易发生二次伤害

特长隧道近似于封闭空间，灭火救援路线和疏散路线、烟气流动路线容易产生交叉，加之救援面和救援途径有限，车辆疏散所需的时间长，火灾扑救难度大，救援期间发生二次灾害的概率大。

2.4 损失严重，造成社会影响大

隧道火灾不仅会造成隧道结构破坏、设施设备损坏及交通工具烧毁等直接经济损失，引发交通事故、爆炸、人员中毒等次生灾害，还会造成交通中断、增加运营成本等间接经济损失。4 起发生在特长隧道内的火灾事故情况见表1。

表1 4 起特长隧道火灾事故情况

3 各国对特长隧道水消防系统配置的要求

欧美国家、日本等隧道较多的国家，都建立了隧道工程建设标准体系，在灭火系统的设置方面，各国的差距较大。日本、美国、德国、荷兰的隧道消防灭火系统基本设置要求见表2。

表2 日本、美国、德国、荷兰隧道消防灭火系统基本设置要求

我国行业标准《公路隧道设计规范第二册 交通工程与附属设施》（JTG D70/2-2014）规定，特长隧道必须设室内外消火栓、水成膜泡沫灭火装置和灭火器。

4 特长隧道水消防系统设计分析

4.1 高位水池有效容积设计

目前，各相关设计规范对高位水池有效容积计算规定不统一。（1）《公路隧道设计规范》（JTG D70/2-2014）规定，隧道长度L≥3 000 m 消火栓一次灭火用水量为20 L/s，火灾延续时间为4 h，用水量为288 m3［3］。（2）《建筑设计防火规范》（GB50016-2018）规定了L＞3 000 m 的城市交通隧道为一类隧道，火灾延续时间不应小于3 h，室内消火栓用水量不应小于20 L/s，室外消火栓用水量不应小于30 L/s［4］。（3）《公路隧道设计手册》规定，特长隧道室外消火栓用水量不应小于30 L/s，室内消火栓用水量不应小于20 L/s，火灾延续时间不应小于3 h，水成膜泡沫灭火装置可不计入消防用水总量。（4）广西壮族自治区地方标准《高速公路隧道消防设计技术规范》（DB 45/T 2120—2020）规定，隧道长度L≥3 000 室内消火栓一次灭火用水量为25 L/s，火灾延续时间不应小于4 h，隧道外消火栓用水量不应小于30 L/s。（5）由应急管理部四川消防研究所等单位编制的工程建设国家标准《公路隧道消防技术标准》（报批稿）规定，特长隧道的室外消火栓系统设计流量不小于30 L/s，火灾延续时间不应小于3 h，室内消火栓系统设计流量不应小于20 L/s，火灾延续时间不应小于3 h；L＞3 000 m 的双向交通隧道、L≥5 000 m 的单向交通隧道，应在隧道内设置室外消火栓，室外消火栓应设置在车行横通道或紧急停车带内。根据以上国家标准、地方规范及手册的相关规定，分别计算出消防水池的有效容积见表3。

表3 根据国内相关设计规范计算消防水量

其中，《公路隧道设计规范》（JTG D70/2-2014）只提及室内消防用水量，并未明确室外消火栓用水量的具体要求，如室外消防用水量参照建筑设计防火规范》执行，按30 L/s，火灾延续时间按3 h，消防用水量将达到612 m3；《建筑设计防火规范》（GB50016-2018）仅对城市隧道的消防用水量进行了规定，对公路隧道未提及；《公路隧道设计手册》中虽对室外消防用水量有规定，但并不属于国家标准或规范；广西壮族自治区地方标准及《公路隧道消防技术标准》（报批稿）仅作参考。

公路隧道一般离城市较远，火灾初期是隧道内通行车辆的司机和乘客先发现火灾，进而由隧道管理人员组成的兼职消防队使用室内消火栓灭火，如火势还未得到控制，城市专业消防队到现场，此时一般采用室内消火栓和消防车近距离灭火。经过对东南沿海现有的特长隧道进行现状调查发现，现有特长隧道高位消防水池有效容积基本为500 m3，我国目前最长的双洞高速公路隧道秦岭终南山隧道全长18.02 km，其高位消防水池的容积也为500 m3，均未按《建筑设计防火规范》储存室外消火栓用水量，主要原因就是在特长隧道内，消防车基本是就近从室内消火栓上取水，在实际工程中考虑工程造价，将特长隧道的消防水池容积设计为500 m3。

日本和美国在特长隧道内均设置了自动喷水灭火系统，可见其对特长隧道火灾的重视。考虑到特长隧道的火灾危险性较高，后果严重，因此特长隧道的消防水池有效容积应综合《公路隧道设计规范》和《建筑设计防火规范》，不小于612 m3。为方便消防车取水，可在洞内一定距离处设置室外消火栓。

4.2 消火栓给水系统选择

按消防给水的压力，消火栓给水系统分为常高压消防给水系统（图1）和临时高压给水系统（图2）。

图1 常高压消防给水系统

图2 临时高压消防给水系统

常高压给水系统一般在隧道洞口的山坡上设置高位消防水池，由高位消防水池向系统供水，管网内经常保持满足灭火时所需的水量和水压，我国高速公路隧道消防供水系统大多采用常高压给水系统［5］。

临时高压系统是在泵房设置消防水泵，平时工况下，系统内的压力由稳压泵或气压给水设备等增压设施保证，发生火灾时启动消防水泵，使系统内的流量和压力满足灭火时的要求。

由表4 可知，常高压消防给水系统虽然建设施工条件存在一定困难，但是在系统可靠性、运行管理方面，明显优于临时高压系统，因此特长隧道的水消防系统宜采用常高压系统。

表4 常高压消防给水系统与临时高压消防给水系统比较

4.3 消防水池高程设计及系统超压时减压措施

高位消防水池高程可按下式计算：

H 为消防水池的最低水位标高（m）；H0为最不利消火栓的标高（m）；Hxh为最不利点消火栓栓口的最低水压（MPa）；hz为消防给水管网在最不利点流量分配情况下，从消防水池到最不利消火栓间的沿程和局部水头损失的累计值（MPa）；1.05～1.10 为安全系数。

由于特长隧道长度长，最不利点的选取可能有多个：如果隧道内的坡度方向是一定的，隧道内最高点接近隧道口第1 个消火栓的标高可作为最不利点；距离消防水池最远的消火栓也可作为最不利点；也有隧道内是人字坡的情况，最不利点也可能是隧道内的变坡点，计算时应根据实际将几种情况进行分别计算，然后取最大值作为消防水池的最低水位标高。

公路特长隧道内标高高差大时，系统往往会超压，应进行计算，以免因管道超压引起漏水、爆管等情况发生。当消火栓栓口处静压大于1.0 MPa 时，消防给水系统应分区供水或减压，可在左右洞内各设置减压阀组，阀后压力设置为0.4 MPa，降静压的同时，也降低了系统的动压；当消火栓栓口处的出水压力大于0.5 MPa 时，应设置减压孔板或采用减压稳压消火栓。

4.4 室外消火栓和水泵接合器的设置

根据《公路隧道设计规范第二册 交通工程与附属设施》和《建筑设计防火规范》，隧道出入口处应设计消防水泵接合器和室外消火栓，分别用于当系统水量或水压不足时为室内消防管网提供灭火用水和室外消防车取水后进行灭火。为便于消防车取水，在特长隧道内一定距离处可增设室外消火栓。

5 结语

公路特长隧道火灾危险性更高、火灾后果更严重，本研究参考国外的水消防系统设计情况、结合现有工程实例，分析后提出特长隧道高位消防水池容积应综合考虑室内外消防用水量、消火栓给水系统宜优先选择常高压给水系统、消防水池高程设计时应将多个最不利点进行试算后取最大值、系统超压时应采取减压措施、在隧道内一定距离处可增设室外消火栓等设计思路，为进一步完善公路隧道消防设计提供参考。