寒冷地區(qū)某交通樞紐地道消防設(shè)計(jì)

閆 鵬

（上海市政工程設(shè)計(jì)有限公司，上海市 200092）

0 引言

近年來隨著城市化進(jìn)程的推進(jìn)，越來越多的城市開始建設(shè)集航空、城際鐵路、城市軌道交通、公路交通、城市道路交通（含出租車、小客車、公交巴士等）于一體的大型綜合交通樞紐。大型交通樞紐的建設(shè)不僅可以為人們的出行提供便利，也成為推動(dòng)城市經(jīng)濟(jì)增長的強(qiáng)大引擎。立體交通樞紐的構(gòu)建通常離不開交通地道，一個(gè)大型交通樞紐往往會(huì)包含數(shù)條城市交通地道，如何合理規(guī)劃系統(tǒng)布局是消防設(shè)計(jì)的重點(diǎn)之一。另外，北方寒冷地區(qū)冬季氣溫往往低于0°C，地道消火栓系統(tǒng)的防凍問題也是消防設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。目前國內(nèi)尚無針對性的規(guī)范，因此需要設(shè)計(jì)者結(jié)合項(xiàng)目具體情況，采取合理的設(shè)計(jì)方案，最大限度地杜絕事故隱患，同時(shí)減少工程投資。文本將結(jié)合實(shí)際工程，探討某交通樞紐交通地道消防設(shè)計(jì)思路。

1 工程概況

該工程位于既有烏魯木齊地窩堡機(jī)場以及以北改擴(kuò)建工程區(qū)域內(nèi)，根據(jù)道路設(shè)計(jì)方案，在擬建機(jī)場和既有機(jī)場范圍內(nèi)的進(jìn)場通道、飛行區(qū)等區(qū)域內(nèi)新建10條地下通道。除5#地道外其余地道封閉段均采用單洞雙孔箱形截面，標(biāo)準(zhǔn)斷面采用雙向2～6車道。地道內(nèi)嚴(yán)禁通行危險(xiǎn)品貨車。各地道布置如圖1所示。各地道暗埋段長度見表1。

圖1 地道總體布置圖

表1 地道基本參數(shù)表

由于該工程地道數(shù)量較多，位置相對分散，如果每條地道單獨(dú)設(shè)置消防泵房，勢必造成極大的浪費(fèi)。另外，地道大部分路段均位于機(jī)坪下方，機(jī)坪地面不允許設(shè)置泵房疏散出口，因此泵房無法設(shè)置在機(jī)坪下方，只能設(shè)置在機(jī)坪以外區(qū)域。綜合以上因素，本著供水可靠、投資節(jié)約的原則，該工程共設(shè)置兩座消防泵房。如圖1所示，消防泵房A設(shè)置于6#地道西側(cè)洞口外，為1#、2#、3#及6#地道供水；消防泵房B設(shè)置于4#地道與8#地道之間，為4#、5#、7#和8#地道供水。兩座泵房內(nèi)各設(shè)置一座有效容積為220 m3的消防水池。

2 地道消火栓系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 消防水源及用水量

烏魯木齊機(jī)場整個(gè)場區(qū)設(shè)有室外加壓供水系統(tǒng)，由給水加壓泵站及給水管網(wǎng)組成。給水加壓泵站設(shè)置于機(jī)場工作區(qū)，近期規(guī)模為2.2萬m3/d，最高時(shí)用水量為1 800 m3/h，供水壓力不小于0.28 MPa。該工程地道室外消火栓用水就近接自機(jī)坪室外消火栓管網(wǎng)或市政給水管網(wǎng)，供水流量不小于30 L/s，動(dòng)壓不小于0.10 MPa。該工程地道室內(nèi)消防用水由1#、2#消防泵房供水，每座泵房均從場區(qū)市政給水管上引入一根DN150給水管，引入管上設(shè)置低阻力倒流防止器。

根據(jù)《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》（GB 50016—2014）（以下簡稱“建規(guī)”）第12.1.2條與第12.2.2條，該工程中各條地道分類及消火栓用水量見表2。9#、11#地道為四類地道，可不設(shè)室內(nèi)消火栓系統(tǒng)，僅設(shè)置建筑滅火器。

表2 地道消防用水量表

2.2 地道室內(nèi)消火栓系統(tǒng)

該工程地道室內(nèi)消防給水系統(tǒng)采用穩(wěn)高壓系統(tǒng)，供水能力按所在隧道一次火災(zāi)消防用水量考慮。綜合考慮地道的平面布置，分兩座泵房分別供水。消防泵房A為1#、2#、3#及6#地道供水，泵房內(nèi)設(shè)消防水泵房，內(nèi)設(shè)消火栓泵（20 L/s，0.95 MPa，45 kW，一用一備）兩臺(tái)、消火栓增加穩(wěn)壓設(shè)備一套及消防水池一座（有效容積220 m3）。消火栓增壓穩(wěn)壓設(shè)備包括消火栓穩(wěn)壓泵（5L/s，0.55 MPa，7.5 kW，一用一備）兩臺(tái)、氣壓給水罐（有效容積300 L）一只及其他相關(guān)配件。消防泵房B為4#、5#、7#和8#地道供水，泵房內(nèi)設(shè)消防水泵房，內(nèi)設(shè)消火栓泵（20 L/s，0.78 MPa，37 kW，一用一備）兩臺(tái)、消火栓增加穩(wěn)壓設(shè)備一套及消防水池一座（有效容積220 m3）。消火栓增壓穩(wěn)壓設(shè)備包括消火栓穩(wěn)壓泵（5 L/s，0.55 MPa，7.5kW，一用一備）兩臺(tái)、氣壓給水罐（有效容積300 L）一只及其他相關(guān)配件。

消火栓箱均勻布置于地道側(cè)壁內(nèi)，設(shè)置間距不大于50 m，最不利點(diǎn)消火栓的供水壓力不應(yīng)小于0.30 MPa。消火栓箱內(nèi)設(shè)DN65單出口消火栓兩只，配置一支?19 mm水槍，襯膠水龍帶（水龍帶長度25 m，直徑65 mm），附設(shè)消防軟管卷盤（長度為30 m）、消防按鈕，安裝時(shí)要求消火栓口距離檢修通道1.1 m。

地道內(nèi)消防干管敷設(shè)在檢修道下方管溝內(nèi)，并在洞口及洞內(nèi)每隔500 m處連通形成環(huán)狀管網(wǎng)。消火栓管道沿線最高點(diǎn)設(shè)置自動(dòng)排氣閥，最低點(diǎn)設(shè)置泄水閥，每隔5個(gè)消火栓箱設(shè)檢修閥門。當(dāng)消火栓栓口出水壓力大于0.5 MPa時(shí)，采用減壓穩(wěn)壓消火栓。

烏魯木齊市位于新疆中部，冬季寒冷漫長，屬于嚴(yán)寒地區(qū)。因此該工程的難點(diǎn)在于地道內(nèi)消火栓系統(tǒng)的保溫與防凍。對于嚴(yán)寒地區(qū)消火栓系統(tǒng)的防凍設(shè)計(jì)，通常有以下三種措施：電伴熱保溫、放水保溫和干式消火栓系統(tǒng)。三種措施的優(yōu)缺點(diǎn)比較見表3。

表3 三種防凍措施比較

烏魯木齊地處歐亞大陸腹地，氣候干旱，水資源匱乏，另根據(jù)地質(zhì)勘查報(bào)告，該工程50 m勘察深度范圍內(nèi)未見地下水，因此放水保溫措施不適用于此工程。

根據(jù)《消防給水及消火栓系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范》（GB 50974—2014）第7.1.6條，干式消火栓充水時(shí)間不應(yīng)大于5 min，管道流速不宜大于2.5 m/s，計(jì)算得最遠(yuǎn)供水距離為750 m。該工程3#、4#、6#、7#、8#地道長度均遠(yuǎn)超750 m，因此不宜采用干式消火栓系統(tǒng)。另外考慮到3#、4#、6#、7#、8#地道交通量較大，且位于機(jī)坪下方，一旦發(fā)生火災(zāi)，滅火不及時(shí)造成的影響大，所以采用保溫效果好，響應(yīng)及時(shí)的電伴熱保溫措施，保證系統(tǒng)內(nèi)水溫不低于5℃。該工程1#、2#、5#地道長度均小于500 m，可以滿足5 min內(nèi)系統(tǒng)充滿水的要求，為了節(jié)約投資及運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用，采用干式消火栓系統(tǒng)。

3 保溫電伴熱設(shè)計(jì)

3#、4#、6#、7#、8#地道采用電伴熱方法防凍，其做法是在管道及設(shè)備表面纏繞發(fā)熱電纜，外側(cè)再包裹保溫材料絕熱層、防潮層和保護(hù)層。利用發(fā)熱電纜對管道及設(shè)備進(jìn)行加熱，以補(bǔ)償消防水在低溫環(huán)境下的熱量損失。發(fā)熱電纜的啟動(dòng)及關(guān)閉由溫控器來控制，當(dāng)探測點(diǎn)溫度低于設(shè)定值時(shí)，發(fā)熱電纜啟動(dòng)，維持管道與設(shè)備溫度不低于5℃，避免消防水被凍結(jié)。

為了提高保溫效果，避免保溫層被外力破壞，該工程地道消防干管布置在消防管溝內(nèi)。保溫材料選用泡沫橡塑，外包0.5 mm厚的鋁合金保護(hù)層，做法如圖2所示。

圖2 地道管溝內(nèi)消防水管保溫示意圖

電伴熱計(jì)算如下：

式中：QB為管道散熱量，W/m；T0為需要電伴熱維持的水溫，即管道表面溫度，取5℃；Ta為極端平均最低環(huán)境氣溫，取-38℃；λ為絕熱材料導(dǎo)熱系數(shù)，W/（m·℃）；D1為絕熱層內(nèi)徑，mm；D2為絕熱層外徑，mm；αs為絕熱層外表面向周圍環(huán)境的放熱系數(shù)，取11.63W/（m2·℃）；1.3為安全系數(shù)；tm為絕熱層內(nèi)外表面溫度的算術(shù)平均值，℃；f為保溫材料修正系數(shù)，泡沫橡塑取1.23；QTB為管道實(shí)際散熱量，W/m。

電伴熱的具體設(shè)計(jì)需要結(jié)合廠家的產(chǎn)品規(guī)格進(jìn)行，此次計(jì)算僅依據(jù)國標(biāo)圖集03S401對散熱量、用電功率進(jìn)行估算。管道外裹保溫層厚度越大，所需電伴熱功率越小，但是受地道斷面限制，管道保溫層厚度不能太大。該項(xiàng)目根據(jù)以往類似工程經(jīng)驗(yàn)，保溫層厚度取50 mm。為了便于計(jì)算，將地道按200 m長度劃分計(jì)算單元，每個(gè)單元包含的管道如下：DN150鋼管200 m，DN65鋼管17 m。通過計(jì)算得知，DN150鋼管實(shí)際散熱系數(shù)QTB=33.0 W/m，DN65鋼管實(shí)際散熱系數(shù)QTB=18.5 W/m?？蛇x用105 m長的恒功率電熱帶4根，每根功率1 785 W。按此可計(jì)算得各條地道用電功率見表4。

表4 地道電伴熱用電功率計(jì)算表

4 干式消火栓系統(tǒng)設(shè)計(jì)

4.1 干式消火栓系統(tǒng)特點(diǎn)及其分類

干式消火栓系統(tǒng)的特點(diǎn)是快速啟閉裝置后的配水管網(wǎng)內(nèi)不充水，火災(zāi)發(fā)生后由火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)或者消火栓箱內(nèi)的消防按鈕開啟快速啟閉裝置和快速排氣閥，將配水管網(wǎng)內(nèi)的空氣迅速排出，同時(shí)管道充水，轉(zhuǎn)換成濕式系統(tǒng)。干式消火栓系統(tǒng)可以分為以下三種：

（1）手動(dòng)干式系統(tǒng)。系統(tǒng)管道為干式，系統(tǒng)不設(shè)固定式消防泵等給水設(shè)施，火災(zāi)發(fā)生后，系統(tǒng)消防用水由消防車內(nèi)的消防泵通過水泵接合器供給，這種系統(tǒng)對市政水源及市政救援的消防車要求較高。

（2）半自動(dòng)干式系統(tǒng)。系統(tǒng)入口處設(shè)有雨淋閥、電動(dòng)閥或電磁閥等快速啟閉裝置?？焖賳㈤]裝置后的配水管網(wǎng)內(nèi)不充水，火災(zāi)發(fā)生后由消火栓箱內(nèi)的消防按鈕或者火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)開啟快速啟閉裝置向系統(tǒng)內(nèi)充水，轉(zhuǎn)換為濕式系統(tǒng)。系統(tǒng)設(shè)置固定式消防供水設(shè)施，可以滿足消防所需的流量與壓力。

（3）全自動(dòng)干式系統(tǒng)。系統(tǒng)快速啟閉裝置采用干式報(bào)警閥，報(bào)警閥后的管道內(nèi)平時(shí)充滿壓縮空氣。開啟消火栓閥門后，報(bào)警閥開啟，同時(shí)聯(lián)動(dòng)快速排氣閥前的控制閥開啟，將系統(tǒng)內(nèi)的空氣迅速排出并充水，繼而向開啟的消火栓供水滅火。系統(tǒng)設(shè)置固定式消防供水設(shè)施，可以滿足消防所需的流量與壓力。

手動(dòng)干式系統(tǒng)供水需要等消防車到達(dá)后才能開始，響應(yīng)速度慢，工程中較少采用。全自動(dòng)干式系統(tǒng)需要額外設(shè)置一套氣體增壓設(shè)備，系統(tǒng)復(fù)雜，初期投資及維護(hù)成本高，設(shè)計(jì)中較少采用。半自動(dòng)干式系統(tǒng)響應(yīng)速度較快，系統(tǒng)簡單，明顯優(yōu)于全自動(dòng)干式系統(tǒng)，因此設(shè)計(jì)中應(yīng)用較多。綜合以上分析，該工程1#、2#、5#地道采用半自動(dòng)干式消火栓系統(tǒng)。

4.2 干式消火栓系統(tǒng)設(shè)計(jì)

該工程1#、2#、5#地道的干式消火栓系統(tǒng)由室外消火栓、消火栓水泵接合器、雨淋閥、室內(nèi)消火栓、配水管道、快速排氣閥、泄水閥及分段控制閥組成。系統(tǒng)工藝如圖3所示。

圖3 干式消火栓系統(tǒng)示意圖

干式消火栓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)流量與壓力除了要滿足正常的消防工況要求外，還需要滿足充水時(shí)間不大于5 min。因?yàn)?#、2#、5#與其他地道合用消防泵，消防泵的設(shè)計(jì)流量取各條地道流量最大值，即20 L/s。所以按照20 L/s的充水流量計(jì)算得各地道充水時(shí)間見表5，可以滿足規(guī)范要求。

表5 干式消火栓系統(tǒng)參數(shù)表

干式消火栓系統(tǒng)的響應(yīng)速度比濕式系統(tǒng)慢，因此規(guī)范要求消火栓系統(tǒng)應(yīng)優(yōu)先采用濕式系統(tǒng)。為了提高干式消火栓系統(tǒng)的響應(yīng)速度，該工程在非冰凍季節(jié)采用干濕交替運(yùn)行的方式，即當(dāng)春季、夏季和秋季室外氣溫高于0℃時(shí)雨淋閥常開，使閥后管道內(nèi)充滿水，濕式運(yùn)行；當(dāng)室外氣溫低于0℃時(shí)，復(fù)位雨淋閥，并排空閥后管道內(nèi)的消防用水，消火栓系統(tǒng)干式運(yùn)行。

5 結(jié)語

本文結(jié)合具體案例討論了嚴(yán)寒地區(qū)城市交通地道消火栓系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案及防凍措施，在設(shè)計(jì)中應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況合理選擇設(shè)計(jì)方案，使得系統(tǒng)既能滿足火災(zāi)時(shí)快速滅火的要求，又能節(jié)省工程造價(jià)。以下是幾點(diǎn)設(shè)計(jì)體會(huì)：

（1）對于含有多條地道的大型交通樞紐，應(yīng)結(jié)合地道的平面布置及周邊場地環(huán)境，在滿足消防要求的前提下，合用消防泵房，節(jié)約投資與運(yùn)行管理費(fèi)用。

（2）寒冷地區(qū)地道消防系統(tǒng)應(yīng)合理選擇防凍措施，當(dāng)采用濕式系統(tǒng)式，應(yīng)盡可能將消防干管設(shè)置在消防管溝內(nèi)，提高保溫效果，同時(shí)避免保溫層受到外力撞擊損壞。保溫層的厚度應(yīng)結(jié)合地道斷面尺寸和電伴熱能耗統(tǒng)籌考慮。

（3）通過對幾種類型的干式消火栓系統(tǒng)進(jìn)行比較，寒冷地區(qū)地道消防采用半自動(dòng)干式消防系統(tǒng)較為合理。干式系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，除了做好消防工況下的設(shè)計(jì)外，還需要校核管道充水時(shí)間與水泵流量，保證不超過規(guī)范要求的充水時(shí)間。