太行山特長(zhǎng)隧道消防供水系統(tǒng)設(shè)計(jì)

武瑞兵

（山西省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院有限公司，山西 太原 030032）

引言

擬建項(xiàng)目昔陽(yáng)（晉冀界）至榆次高速公路，是《山西省高速公路網(wǎng)調(diào)整規(guī)劃》中“三縱十二橫十二環(huán)”中第七橫的重要一段，位于山西省中部地區(qū)，項(xiàng)目向東通往河北省衡水市，西接榆祁高速榆次段，路線方案中有一座長(zhǎng)度約13.931 km的特長(zhǎng)隧道穿越太行山山脈，太行山特長(zhǎng)隧道作為本條高速公路的特大控制性工程，保證其安全可靠運(yùn)營(yíng)至關(guān)重要，其水消防系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是隧道附屬工程設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。

太行山隧道為雙洞單向交通特長(zhǎng)單坡隧道，隧道右線長(zhǎng)13 931 m，坡度1.9%（12 240 m）和坡度1.1%（1 691 m），起迄樁號(hào)為-K3+735—K10+196；隧道左線長(zhǎng)13 920 m，坡度-1.9%（12 215 m）和坡度-1.16%（1 705 m），起迄樁號(hào)為-ZK3+725—ZK10+195。為滿足隧道救援和逃生需要，在隧道內(nèi)共設(shè)置有55處人行橫洞和18處車行橫洞。隧道水消防系統(tǒng)組成：根據(jù)《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范 第二冊(cè) 交通工程與附屬設(shè)施》（JTG D70/2—2014）[1]，隧道消防系統(tǒng)由洞內(nèi)滅火設(shè)施和洞內(nèi)、外供水系統(tǒng)組成。洞內(nèi)滅火設(shè)施包括:化學(xué)滅火器、消火栓、水成膜泡沫滅火裝置等。洞內(nèi)、外供水系統(tǒng)包括消防水源、低位蓄水池、水泵房、高位水池、上山管道、下山管道、電伴熱保溫加熱系統(tǒng)等[2]。

1 設(shè)計(jì)難點(diǎn)

1.1 隧道供水系統(tǒng)方案

1.1.1 洞外消防給水方案

根據(jù)《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范（第二冊(cè)）交通工程與附屬設(shè)施》（JTG D70/2—2014）[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(wú)條件設(shè)置高位水池時(shí)，可采用穩(wěn)高壓供水系統(tǒng)，本項(xiàng)目太行山隧道出口山西側(cè)山體坡度較緩，地形具備建設(shè)高位水池條件，且太行山隧道出口與另一隧道相距201 m，構(gòu)成了連續(xù)隧道群，適合在該處設(shè)置消防供水，最終確定洞外消防給水?dāng)M采用常高壓供水方案。隧道消防用水量應(yīng)按發(fā)生一次火災(zāi)的滅火用水量計(jì)算，長(zhǎng)度超過(guò)3 km的隧道火災(zāi)延續(xù)時(shí)間按照4 h計(jì)算，隧道內(nèi)消火栓一次滅火用水量按20 L/s計(jì)算，經(jīng)計(jì)算隧道內(nèi)消火栓、水成膜系統(tǒng)的一次消防滅火用水量288 m3，洞外消防水池確定選用500 m3高位水池。

1.1.2 管網(wǎng)超壓?jiǎn)栴}

太行山隧道為單坡隧道，隧道兩端洞口路面的高差約251 m，假設(shè)隧道按照一個(gè)供水分區(qū)考慮，洞內(nèi)管道一個(gè)環(huán)網(wǎng)，高位水池池底與洞口最不利點(diǎn)高差假設(shè)取45 m，由高位水池重力加壓供給環(huán)網(wǎng)。按照洞內(nèi)供水干管為DN200，隧道最不利點(diǎn)供水壓力為0.4 MPa計(jì)算，隧道最遠(yuǎn)點(diǎn)的靜水壓力達(dá)到2.9 MPa，供水動(dòng)壓達(dá)到2.35 MPa。消防干管的公稱壓力一般為1.6 MPa、2.5 MPa，按照隧道不分區(qū)的供水方案，其供水靜壓、動(dòng)壓均遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了常規(guī)鋼管的公稱壓力，如再使用公稱壓力更高的管道既不經(jīng)濟(jì)也容易造成管道漏損甚至爆管等事故，且消火栓出水壓力過(guò)高，滅火時(shí)難以把控操作，甚至?xí)`傷到消防人員。

1.2 地上式高位水池的防凍保溫問(wèn)題

高位水池保溫常規(guī)做法為埋地覆土方式，該方案結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性好、保溫簡(jiǎn)單可靠，不需要增設(shè)電伴熱系統(tǒng)，運(yùn)營(yíng)成本低，設(shè)計(jì)方案是依據(jù)國(guó)家建筑標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)圖集《矩形鋼筋混凝土蓄水池》（05S804）[3]進(jìn)行施工，其適用條件為埋置深度在地面以下≥2 m的蓄水池。但是太行山隧道高位水池受現(xiàn)場(chǎng)地形地質(zhì)限制，不具備深埋條件，無(wú)法采用傳統(tǒng)的深挖覆土回填的防凍保溫方案，因此擬采用地上式澆筑施工方案，如何對(duì)地上式鋼筋混凝土高位水池進(jìn)行保溫是一個(gè)設(shè)計(jì)難點(diǎn)。

2 太行山隧道水消防系統(tǒng)設(shè)計(jì)總體方案

根據(jù)《消防給水及消火栓系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范》（GB50974—2014）[4]第6.2.2條，當(dāng)系統(tǒng)的工作壓力大于2.4 MPa時(shí)，應(yīng)采用消防水泵串聯(lián)或減壓水箱分區(qū)供水形式。考慮到隧道兩端的高差達(dá)到251 m，故先利用隧道縱坡所產(chǎn)生的高差重力供水，在洞內(nèi)適當(dāng)位置設(shè)置減壓水箱或減壓閥進(jìn)行再次分區(qū)，分區(qū)目標(biāo)是保證管網(wǎng)供水壓力維持在0.35～0.8 MPa之間。分區(qū)方案為共設(shè)7個(gè)供水分區(qū)，由1個(gè)洞外常高壓、2個(gè)橫洞泵站穩(wěn)高壓、4個(gè)減壓閥組實(shí)現(xiàn)。供水系統(tǒng)方案見(jiàn)圖1，方案如下：（1）洞外常高壓：距洞外高差約56 m處設(shè)置一座500 m3的高位水池，用于隧道5.296 km段（樁號(hào)K10+196—K4+900）的消防用水；（2）2#橫洞泵站穩(wěn)高壓：在洞內(nèi)K4+900處設(shè)置2#橫洞泵站，放置一座400 m3的消防水箱及加壓泵組（加壓泵組用于保證本分區(qū)最不利點(diǎn)處壓力不小于0.35 MPa），其出水供給隧道4.214 km段（樁號(hào)K4+900—K0+686）的消防用水；（3）1#橫洞泵站穩(wěn)高壓：在洞內(nèi)K0+686處設(shè)置1#橫洞泵站，放置一座400 m3的消防水箱及加壓泵組，其出水供給隧道4.421 km段（樁號(hào)K0+686—-K3+735）的消防用水。

圖1 太行山特長(zhǎng)隧道供水系統(tǒng)方案

根據(jù)《消防給水及消火栓系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范》（GB50974—2014）[4]，消防水槍充實(shí)水柱應(yīng)不小于10 m，消火栓支管處的最小動(dòng)壓應(yīng)不低于0.25 MPa，隧道內(nèi)水成膜泡沫滅火系統(tǒng)最小動(dòng)壓應(yīng)不低于0.35 MPa。綜合各種設(shè)施壓力要求，需在3個(gè)大分區(qū)段內(nèi)再減壓分區(qū)，增設(shè)減壓閥，保證分區(qū)管網(wǎng)供水壓力應(yīng)維持在0.35～0.8 MPa之間， 減壓閥設(shè)置位置分別為：-K1+525、K2+896、K6+673、K8+199，隧道消防管網(wǎng)水壓見(jiàn)圖2。

圖2 太行山隧道消防管網(wǎng)水壓

隧道外常高壓供水系統(tǒng)由消防水源、高位水池和供水管網(wǎng)組成。隧道消防水源由深井泵房、500 m3鋼筋混凝土低位蓄水池、消防補(bǔ)水泵房及補(bǔ)水管網(wǎng)組成，低位水池和消防補(bǔ)水泵房負(fù)責(zé)給高位水池補(bǔ)水，保證48 h內(nèi)能給高位水池注滿水，低位水池自身補(bǔ)水由深井泵房實(shí)現(xiàn)。隧道內(nèi)穩(wěn)高壓供水系統(tǒng)由400 m3不銹鋼復(fù)合消防水箱及加壓泵組構(gòu)成，加壓泵組包括消防主泵兩臺(tái),消防氣壓給水裝置一套，消防氣壓給水裝置由2臺(tái)穩(wěn)壓泵+1臺(tái)立式隔膜式氣壓罐組成,平時(shí)由消防氣壓給水裝置保壓運(yùn)行,供給隧道消防干管足夠的水壓,發(fā)生火災(zāi)時(shí),消防主泵啟動(dòng),供給所在隧道分區(qū)內(nèi)水量和水壓。

消防泵設(shè)計(jì)參數(shù)：設(shè)計(jì)流量20 L/s，揚(yáng)程40 m，在滿足消防滅火設(shè)施用水量需求的同時(shí)保證最不利點(diǎn)消防設(shè)施動(dòng)壓不小于0.35 MPa。消防氣壓給水裝置設(shè)計(jì)參數(shù)：穩(wěn)壓泵設(shè)計(jì)流量3 L/s、揚(yáng)程40 m，氣壓罐選用立式隔膜式罐。氣壓罐總?cè)莘e1 400 L。消防水箱的補(bǔ)水由上游消防管網(wǎng)實(shí)現(xiàn)。

3 地上式高位水池的防凍保溫設(shè)計(jì)

隧址區(qū)年平均氣溫9.3 ℃，一月份最冷，平均氣溫-6.2 ℃，最低曾降至-23.9 ℃，小氣候較多。高位水池保溫采用了一種膠粘劑+外貼XPS（擠塑聚苯板）保溫板+抹面砂漿+復(fù)合玻纖網(wǎng)格布+鍍鋅鐵絲網(wǎng)+飾面砂漿施工工藝法進(jìn)行保溫，具有施工簡(jiǎn)單、保溫可靠、運(yùn)營(yíng)成本低的特點(diǎn)，總體設(shè)計(jì)見(jiàn)圖3。

圖3 隧道高位水池保溫設(shè)計(jì)方案/mm

保溫板采用膠粘劑固定在基層上，并使用M10加長(zhǎng)螺桿垂直于壁面輔助固定，保溫板與基層墻體的有效粘貼面積不得小于保溫板面積的40%[5]，膠粘劑厚度15 mm。抹面層采用抹面膠漿復(fù)合玻纖網(wǎng)格布（加強(qiáng)型增設(shè)一層耐堿玻纖網(wǎng)格布），抹面層刷兩遍抗裂砂漿，抹面層厚度10 mm，在抹面層增設(shè)鍍鋅鋼絲網(wǎng)防護(hù)。飾面層采用飾面砂漿涂刷，厚度10 mm。整體設(shè)置抗裂伸縮縫，管孔、洞口四角處保溫板不得拼接，應(yīng)采用整塊保溫板切割成形。水池在外保溫實(shí)施完畢之后，在水池頂部及側(cè)壁和頂部銜接處、管孔窗的凸凹接合處用防水卷材捆綁或錨固并做好防水，以避免夏季雨水、冬季冰融雪滲水侵入保溫層加速保溫老化。

XPS保溫板參數(shù)：導(dǎo)熱系數(shù)0.036 W/(m·K)，蓄熱系數(shù)0.38 W/(m2·K)[6]，尺寸（寬×高）=1 200 mm×600 mm。為保證冬季水池保溫可靠，采用了經(jīng)驗(yàn)法對(duì)保溫層厚度進(jìn)行選取，調(diào)查實(shí)際已實(shí)施的工程案例，例如天黎高速太安嶺隧道，地處山西省北部忻州市繁峙縣，年平均氣溫8.3 ℃，冬季極端最低氣溫-25.7 ℃，整體上比太行山隧址區(qū)環(huán)境溫度要低，該工程采用地上式500 m3高位水池設(shè)計(jì)，選用的保溫層設(shè)計(jì)厚度為500 mm，2013年11月通車，已運(yùn)營(yíng)7 a多，養(yǎng)護(hù)單位反映運(yùn)營(yíng)良好，未出現(xiàn)水池受凍情況，實(shí)用效果不錯(cuò)。另外，山西陽(yáng)城至濟(jì)源高速公路陽(yáng)城至蟒河段云嶺3號(hào)隧道消防也采用了類似做法。綜上所述，擬建項(xiàng)目水池外保溫層設(shè)計(jì)厚度取500 mm是可行的。

4 結(jié)語(yǔ)

（1）對(duì)于大高差、長(zhǎng)距離隧道，消防管網(wǎng)動(dòng)靜壓超標(biāo)一直以來(lái)都是水消防系統(tǒng)的設(shè)計(jì)難點(diǎn)，通過(guò)分析論證，確定特長(zhǎng)隧道采用洞內(nèi)穩(wěn)高壓供水系統(tǒng)和洞外常高壓供水系統(tǒng)相結(jié)合的方式，降低了豎向分區(qū)供水壓力，解決了管網(wǎng)超壓?jiǎn)栴}。（2）減壓閥在各個(gè)分區(qū)中對(duì)布置分配非常重要，在實(shí)際運(yùn)營(yíng)當(dāng)中常高壓系統(tǒng)的管網(wǎng)壓力穩(wěn)定性好于穩(wěn)高壓系統(tǒng)，因此在常高壓分區(qū)段設(shè)置了兩處減壓閥組，在穩(wěn)高壓分區(qū)段設(shè)置了一處減壓閥組，降低了系統(tǒng)故障率。（3）針對(duì)地上式高位水池的防凍保溫問(wèn)題，給出了一種新型防凍保溫設(shè)計(jì)方案，解決了山區(qū)公路隧道高位水池?zé)o法埋地敷設(shè)進(jìn)行保溫的問(wèn)題。