公路隧道水消防系統(tǒng)分區(qū)設(shè)計

潘坤龍 孫 語

（1.中鐵第六勘察設(shè)計院集團有限公司，天津 300000；2.洛陽市規(guī)劃建筑設(shè)計研究院有限公司，河南 洛陽 471000）

0 引言

隨著我國基建行業(yè)快速發(fā)展，截至2020 年末，全國公路隧道21316 處、2199.93 萬m，其中特長隧道1394 處、623.55萬m，長隧道5541 處、963.32 萬m。隨著長大隧道數(shù)目的逐年增加，相關(guān)公路隧道規(guī)范并沒有逐步完善，規(guī)范對公路隧道消防系統(tǒng)計算及分區(qū)原則仍然缺失。超長公路隧道由于管路長，隧道進、出口高差大，如果水力計算及分區(qū)不合適，消防管件承受的靜壓大，消火栓的后推力過大，對消防系統(tǒng)安全可靠性有很大影響。筆者就此相關(guān)問題展開分析。

1 消防供水系統(tǒng)

根據(jù)現(xiàn)行《公路隧道設(shè)計規(guī)范第二冊交通工程與附屬設(shè)施》（JTGD70/2-2014）（以下簡稱《公路隧道規(guī)》[1]），隧道消防給水宜采用高位消防水池供水的常高壓供水系統(tǒng)；當(dāng)無條件設(shè)置高位水池時，可采用穩(wěn)高壓供水系統(tǒng)。

常高壓供水系統(tǒng)：在隧道口部（標(biāo)高高的一端）設(shè)置高位消防水池，水池內(nèi)儲存全部的消防用水量，依靠高位水池與隧道消防設(shè)施的高差，提供消防系統(tǒng)所需要的壓力。高位消防水池通常由低位管井+深井泵+低位消防水池+補水泵進行補水。

穩(wěn)高壓供水系統(tǒng)：在隧道口部設(shè)置低位消防水池，水池內(nèi)儲存全部的消防用水量，依靠消防主泵+穩(wěn)壓泵+穩(wěn)壓罐的形式加壓，提供消防系統(tǒng)所需要的壓力。低位消防水池通常由管井+深井泵進行補水。

除以上常用的常高壓供水系統(tǒng)和穩(wěn)高壓供水系統(tǒng)外，還有其他一些供水系統(tǒng)，例如采用市政管網(wǎng)供水+消防恒壓泵組聯(lián)合供水的系統(tǒng)，常高壓供水系統(tǒng)與穩(wěn)高壓供水系統(tǒng)分區(qū)供水的方式等。

2 消防系統(tǒng)壓力要求

長隧道水消防系統(tǒng)通常設(shè)置有消火栓和水成膜滅火系統(tǒng)；根據(jù)《消防給水及消防栓系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范》（GB 50974-2014）[2]（以下簡稱《水消規(guī)》[2]）7.4.12 消火栓栓口動壓應(yīng)不小于0.25Mpa，且消防水槍充實水柱應(yīng)按10m 計算；，若栓口動壓大于0.5MPa，則需采用減壓穩(wěn)壓消火栓或者減壓孔板。

根據(jù)《公路隧道規(guī)》[1]第10.2.4 條 及水成膜隧道內(nèi)的水成膜泡沫滅火系統(tǒng)采用25 m、口徑19mm 的膠管，泡沫混合液流量不小于30L/min ，連續(xù)供給時間不小于20min，射程不小于6 m。當(dāng)系統(tǒng)以0.4MPa～0.8MPa 的壓力水經(jīng)過比例混合器時可使水與泡沫液按規(guī)定比例自動混合，經(jīng)發(fā)泡槍產(chǎn)生泡沫并噴射泡沫液。

根據(jù)《水消規(guī)》[2]第6.2.1 條 系統(tǒng)工作壓力大于2.4MPa或消火栓栓口處靜壓大于1.0MPa 時均應(yīng)分區(qū)供水； 綜合以上各種壓力要求，確定整個管網(wǎng)最不利點處動壓應(yīng)維持0.4MPa～0.8MPa。各分區(qū)管網(wǎng)最大靜壓應(yīng)小于1.0MPa。

3 消防系統(tǒng)分區(qū)形式

長大隧道進出口高差通常在100m 以上，甚者可達到200m 以上，與民建的超高層類似，可以類比超高層相關(guān)分區(qū)減壓的相關(guān)經(jīng)驗。同時也應(yīng)注意兩者的不同；不同之處主要體現(xiàn)在工程條件上，民建超高層建筑核心筒處設(shè)置有水暖井及消防管井，可以敷設(shè)多跟立管；與之相比隧道內(nèi)管道一般設(shè)置在管溝內(nèi)，尺寸狹小，專業(yè)管線繁多，這就要求隧道內(nèi)水消防管道的數(shù)目應(yīng)盡可能的少，系統(tǒng)盡量簡潔。

3.1 減壓閥分區(qū)

主要用于常高壓系統(tǒng)，高位消防水池通常設(shè)置在隧道相對標(biāo)高一端，為保證最不利點栓口壓力為0.4MPa，高位消防水池底標(biāo)高需設(shè)置在最不利栓口以上約50m，所以隧道進出口高差超過50m 的必須設(shè)置減壓閥組。通常做法是在隧道中的消防主管上設(shè)置減壓閥組，來減少下游管路的動壓及靜壓。

依寶塔山隧道為例，寶塔山隧道為特長人字坡隧道，起訖樁號K19+535～K30+015，采用1.8%（8195m）和-0.4%（2285m）的人字坡，隧道進出口高差138m，在大里程段口部設(shè)置高位消防水池，管網(wǎng)采用減壓閥分區(qū)，設(shè)置三組減壓閥組，4 個分區(qū)。消防系統(tǒng)示意圖如圖1。

圖1 寶塔山隧道消防系統(tǒng)示意圖

這樣設(shè)置減壓閥組可以滿足分區(qū)內(nèi)消防系統(tǒng)的壓力在0.4MPa～0.8MPa，滿足要求。但同樣存在著一些問題：1）根據(jù)《水消規(guī)》6.2.4 4 減壓閥僅應(yīng)設(shè)置在單向流動的供水管上，不應(yīng)設(shè)置在有雙向流動的輸水干管上；12.3.6 條文說明 減壓閥的性能能要求水流方向是不能變的。比例式減壓閥，如果水流方向改變了，則把減壓變成升壓可調(diào)式減壓閥如果水流方向反了，則不能工作，減壓閥變成止回閥……；圖1中A～B 點及C～D 點均為單向流，無法實現(xiàn)消防系統(tǒng)的環(huán)裝供水，不滿足規(guī)范要求；2）同時左端水泵接合器供水時，僅能實現(xiàn)1 區(qū)的供水，2、3、4 區(qū)均無法實現(xiàn)由左端水泵接合器供水，消防救援存在巨大的安全隱患。

對此問題筆者提出改進措施，如圖2 所示。

圖2 減壓閥組分區(qū)改進示意圖

減壓閥組結(jié)合橫通道位置設(shè)置，橫通道處設(shè)置2 根左右線消防聯(lián)通管（分別設(shè)置在減壓閥組的前后），同時設(shè)置減壓閥組的位置，原消防主管依舊保持聯(lián)通，并設(shè)置止回閥（止回閥的水流方向與減壓閥組反向設(shè)置）；減壓閥組前后設(shè)置兩根聯(lián)通管可以滿足每個分區(qū)內(nèi)消防管網(wǎng)雙向供水；通過設(shè)置止回閥可以阻擋上游的靜壓和動壓，同時水泵接合器供水時，能夠正常供水，滿足規(guī)范要求。

同時借鑒超高層的減壓分區(qū)經(jīng)驗，減壓閥組的使用按照不超過2 級減壓進行控制為宜；根據(jù)估算，在滿足最不利滅火設(shè)施壓力需求的情況下，一級減壓閥分區(qū)高差大約在50m左右，在使用2 級減壓的情況下，此分區(qū)方式可以應(yīng)對總高差在150m 左右的隧道消防系統(tǒng)。

3.2 橫通道（或側(cè)壁）消防水池分區(qū)

用于常高壓系統(tǒng)，利用橫通道在隧道中間設(shè)置消防水池（或在結(jié)構(gòu)側(cè)壁外擴消防水池），利用中間消防水池，來滿足下游管網(wǎng)的壓力及水量；依新疆東天山隧道為例，隧道為長13km 的單向坡隧道，隧道進出口高差190m，根據(jù)消防系統(tǒng)的壓力要求，分為3 個區(qū)（I 區(qū)長5km，II 區(qū)長4km，III 區(qū)長4km），各個分區(qū)具有自己獨立的消防水池，依靠重力供水，Ⅰ區(qū)由低位水池+消防泵組供水；Ⅱ區(qū)由1#側(cè)壁消防水池供水，1#側(cè)壁消防水池補水接自I 區(qū)消防管道；Ⅲ 由2#側(cè)壁消防水池供水，2#側(cè)壁消防水池補水接自Ⅱ區(qū)消防管道；消防系統(tǒng)示意圖如圖3 所示。

圖3 東天山隧道消防系統(tǒng)示意圖

該方案的優(yōu)點是，整個隧道系統(tǒng)依靠重力供水，系統(tǒng)可靠性強；缺點是為滿足下游分區(qū)最不利點的供水壓力，側(cè)壁水池實施困難并且水池通常要高于供水分區(qū)最不利點50m左右，局部里程段出現(xiàn)4 根管路的情況，對工程條件有較高的要求；同時本方案依舊存在水泵接合器供水僅能滿足III區(qū)的情況，筆者就此問題提出改進措施：1）水池位置由側(cè)壁調(diào)整為橫通道處，便于施作；2）水池出水管上均設(shè)置止回閥；同時利用隧道設(shè)置的錯車道，在中間分區(qū)管網(wǎng)上設(shè)置水泵接合器和室外消火栓，這樣每個分區(qū)都有自己單獨的水泵接合器和室外消火栓；并在隧道進出口部及水泵接合器旁做好標(biāo)識，注明水泵接合器服務(wù)的里程段，以便消防隊員快速分辨。 該方案橫通道（或側(cè)壁）消防水池的作用是釋放高位水池勢能，防止系統(tǒng)超壓，與減壓閥分區(qū)相比，更安全可靠。計算橫通道（或側(cè)壁）消防水池容積時，根據(jù)《水消規(guī)》[2]6.2.5條 “減壓水箱的有效容積不應(yīng)小于18m3，且宜分成兩格”。從減壓的功能上來看，因整個系統(tǒng)的水源為高位消防水池，橫通道（或側(cè)壁）消防水池容積僅需保證通過系統(tǒng)流量的連續(xù)性和延展性即可，不需要提供額外的消防水量，因此，有效容積只需考慮上游水池向本級水池補水控制閥延時開啟時間內(nèi)所泄漏的水量，同時避免下游用水時出現(xiàn)瞬間斷流所需水量。但從供水安全考慮，橫通道（或側(cè)壁）消防水池有效容積須適當(dāng)放大，參照超高層減壓水箱的通用做法，一般還是以撲滅初期火災(zāi)所需10min 供水段系統(tǒng)用水量計算，并與18m3比較，取大值。

3.3 橫通道消防水池+消防泵組分區(qū)

與3.2 橫通道消防水池分區(qū)類似，下游分區(qū)由重力供水改為加壓供水，橫通道設(shè)置消防水池和加壓泵組；依秦嶺天臺山隧道為例，隧道為長15km 的單坡隧道，隧道進出口高差254m，根據(jù)消防系統(tǒng)的壓力要求，分為3 個區(qū)（I，II，III區(qū)），I 區(qū)由高位消防水池供水；II 由橫通道消防水池（1#）和加壓泵組供水，橫通道消防水池（1#）補水接自I 區(qū)消防管道；III 由橫通道消防水池（2#）消防水池和加壓泵組供水，橫通道消防水池（2#）補水接自II 區(qū)消防管道；消防系統(tǒng)示意圖如圖4 所示。

圖4 天臺山隧道消防系統(tǒng)示意圖

該方案的優(yōu)點是，因為有加壓泵組加壓，橫通道水池的設(shè)置位置靈活，同時避免了局部歷程段4 根消防管道的弊端，對工程條件要求低；缺點是泵組眾多，控制麻煩，不如重力供水可靠；同時本方案依舊存在水泵接合器供水僅能滿足III 區(qū)的情況，解決方案可參考3.2 章節(jié)的優(yōu)化措施。 該方案對橫通道（或側(cè)壁）消防水池有效容積的要求如下：橫通道（或側(cè)壁）消防水池僅作為下一級消防水泵的吸水池，不提供額外的消防水量，其有效容積滿足消防水泵的吸水要求即可。關(guān)于吸水池（井）容積的相關(guān)規(guī)范規(guī)定如下： 根據(jù)《水消規(guī)》[2]11.0.3 條“消防水泵應(yīng)確保從接到啟泵信號到水泵正常運轉(zhuǎn)的自動啟動時間不應(yīng)大于2min”；根據(jù)該規(guī)范則水池有效容積應(yīng)大于等于消防主泵2min 的供水量。因上下級分區(qū)間存在聯(lián)動，參照《水消規(guī)》[2]11.0.12 條“機械應(yīng)急啟動時，應(yīng)確保消防水泵在報警后5.0min 內(nèi)正常工作”；根據(jù)該規(guī)范則其有效容積應(yīng)大于等于消防主泵5min 的供水量。根據(jù)規(guī)定并結(jié)合超高層轉(zhuǎn)輸水箱的通用做法，應(yīng)當(dāng)適當(dāng)加大對橫通道（或側(cè)壁）消防水池的有效容積，一般還是以撲滅初期火災(zāi)所需10min 其供水段系統(tǒng)用水量計算。

3.4 組合式分區(qū)

對于高差特別大的隧道，可采用組合3.1～3.3 的分區(qū)形式，以簡化系統(tǒng)設(shè)計同時滿足消防系統(tǒng)壓力要求；依太行山隧道為例，隧道長13.9km，坡度1.9%（12240m）和坡度1.1%（1691m），隧道進出口高差約251m。分區(qū)方案為共設(shè)7 個供水分區(qū)，由1 個洞外常高壓、2 個橫洞泵站穩(wěn)高壓、4 個減壓閥組實現(xiàn)。消防系統(tǒng)示意圖如圖5 所示。

圖5 太行山隧道消防系統(tǒng)示意圖

該方案的優(yōu)點是，化繁為簡，先分為3 個大區(qū)，在每個區(qū)內(nèi)再用減壓閥組劃分小區(qū)，系統(tǒng)簡潔明了；同時本方案依舊問題：1）存在水泵接合器供水僅能滿足III 區(qū)的情況，解決方案參考3.1～3.3 章節(jié)的優(yōu)化措施；2）存在減壓閥組設(shè)置在消防主管上，不滿足環(huán)狀供水的要求，解決方案參考3.1章節(jié)的優(yōu)化措施。

4 最不利點的位置探討

最不利點位置確定，直接影響到分區(qū)的合規(guī)性，筆者在調(diào)查中發(fā)現(xiàn)，國內(nèi)已運營部分公路隧道消防系統(tǒng)看似能滿足各處消防設(shè)施的壓力需求，實則是僅能滿足正常工況下各設(shè)備的壓力需求，對于檢修工況下不滿足壓力需求，對公路隧道消防系統(tǒng)的安全性大打折扣。隧道消防系統(tǒng)計算簡圖如圖6 所示。

圖6 隧道消防系統(tǒng)計算簡圖

有一些公路隧道設(shè)計思路為：“對于1 個系統(tǒng)分區(qū)，系統(tǒng)的壓力最不利點為分區(qū)末端，距離減壓閥組位置最遠的位置即圖示中A 處，按照E～A 和F～A 進行計算，來確定E、F點減壓閥組的閥后壓力或A 點的位置”，由系統(tǒng)圖可知，這種劃分方式，在系統(tǒng)正常工作時可以滿足各種要求，但對于檢修工況下，則未必能滿足各個消防設(shè)施的壓力要求；舉例分析：“按原設(shè)計，當(dāng)靠近B 點左邊發(fā)生火災(zāi)時，但若管道B～C 發(fā)生故障，則需要關(guān)閉環(huán)網(wǎng)上就近的閥門，則對于B 點左邊最近的消火栓，只能通過F～D～A～B 來供水，此處消火栓的壓力不一定能滿足要求”，因此筆者認為，應(yīng)按照《水消規(guī)》[2]第10.1.9 條 “消火栓系統(tǒng)的管網(wǎng)在水力計算時不應(yīng)簡化，因根據(jù)枝狀或事故狀態(tài)下環(huán)狀管網(wǎng)進行水力計算”，考慮最不利情況（檢修工況下）的消防供水。

分區(qū)內(nèi)最不利點劃分不應(yīng)為管線中點A 處；對于E 點減壓閥組，管線最不利點應(yīng)為D 點，對于F 點減壓閥組，管線最不利點為C 點，如此設(shè)計，減壓閥閥后壓力才能使消防水系統(tǒng)在檢修工況下也能滿足壓力需求，提高消防系統(tǒng)的安全性。

5 結(jié)論

隧道最高點與最低點高差不超過150m 的，建議設(shè)置高位水池，采用單端供水方式，采用減壓閥組分區(qū)減壓，節(jié)省投資，且能滿足消防管網(wǎng)需求。

隧道最高點與最低點高差超過150m 的，建議將隧道合理劃分供水分區(qū)，在隧道內(nèi)設(shè)置橫洞消防水池，并結(jié)合實際的工程條件選擇加壓供水或重力供水，靈活組合各種分區(qū)措施，化繁為簡確保隧道消防管網(wǎng)安全可靠。

長隧道可類比民建超高層減壓分區(qū)，超高層分區(qū)主要依托于避難層及核心筒管井，隧道分區(qū)主要依托于橫通道及管溝，兩者有諸多相似之處，可靈活借鑒，為隧道消防系統(tǒng)分區(qū)提供思路。

系統(tǒng)計算時，除考慮正常工況外，還應(yīng)考慮檢修工況，合理選擇系統(tǒng)分區(qū)內(nèi)的最不利點位置，核算消防供水壓力，確保分區(qū)后各種工況下均能滿足消防設(shè)施的供水壓力。在不同分區(qū)形式的設(shè)計方案中，橫通道（或側(cè)壁）消防水池容積提供的功能并不完全相同，應(yīng)根據(jù)其所提供的功能，參照《水消規(guī)》的相關(guān)規(guī)定，并結(jié)合超高層減壓的相關(guān)經(jīng)驗，以撲滅初期火災(zāi)所需10min 其供水段系統(tǒng)用水量計算，合理地確定橫通道（或側(cè)壁）水池的有效容積，以策安全。