公路特長(zhǎng)隧道水消防系統(tǒng)設(shè)計(jì)與分析

■馬 英

（福建省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司，福州 350004）

近年來(lái)我國(guó)公路隧道建設(shè)技術(shù)突飛猛進(jìn)，隧道建設(shè)逐漸向特長(zhǎng)、超寬大斷面發(fā)展。截至2021 年底，我國(guó)僅10 km 以上的特長(zhǎng)隧道就有42 座，特長(zhǎng)隧道的火災(zāi)危險(xiǎn)性更高、后果更嚴(yán)重，一旦發(fā)生隧道火災(zāi)，不僅造成較大經(jīng)濟(jì)損失，還會(huì)造成惡劣的社會(huì)影響。規(guī)劃設(shè)計(jì)及建設(shè)安全可靠的隧道水消防系統(tǒng)，是保證隧道安全運(yùn)營(yíng)的重要措施之一。

1 特長(zhǎng)隧道的界定

根據(jù)《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG 3370.1-2018）規(guī)定，3 000 m 以上的隧道屬于特長(zhǎng)隧道。另外，根據(jù)應(yīng)急管理部四川消防研究所等單位編制的工程建設(shè)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《公路隧道消防技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》（報(bào)批稿）規(guī)定，5 000 m≥L＞3 000 m 的隧道為特長(zhǎng)隧道，L＞5 000 m 的隧道為超長(zhǎng)隧道。本研究所分析的特長(zhǎng)隧道為3 000 m 以上的隧道。

2 特長(zhǎng)隧道火災(zāi)危險(xiǎn)性分析

2.1 交通量大，火災(zāi)發(fā)生概率高

據(jù)有關(guān)統(tǒng)計(jì)資料顯示，隧道火災(zāi)的發(fā)生頻率為10～17 次/（億車·km）［1］，特長(zhǎng)隧道的火災(zāi)發(fā)生頻率至少是長(zhǎng)隧道的3 倍以上。

2.2 缺氧燃燒產(chǎn)生濃煙毒氣，救援難度大

特長(zhǎng)隧道火災(zāi)為典型的缺氧燃燒，通風(fēng)受限、空氣補(bǔ)給不足，其燃燒產(chǎn)物中CO 濃度往往高于地面建筑火災(zāi)，滅火過程中產(chǎn)生的水蒸氣、有毒有害氣體數(shù)量巨大，以往火災(zāi)中多次出現(xiàn)因缺氧窒息而致人死亡的案例［2］。

2.3 救援困難，易發(fā)生二次傷害

特長(zhǎng)隧道近似于封閉空間，滅火救援路線和疏散路線、煙氣流動(dòng)路線容易產(chǎn)生交叉，加之救援面和救援途徑有限，車輛疏散所需的時(shí)間長(zhǎng)，火災(zāi)撲救難度大，救援期間發(fā)生二次災(zāi)害的概率大。

2.4 損失嚴(yán)重，造成社會(huì)影響大

隧道火災(zāi)不僅會(huì)造成隧道結(jié)構(gòu)破壞、設(shè)施設(shè)備損壞及交通工具燒毀等直接經(jīng)濟(jì)損失，引發(fā)交通事故、爆炸、人員中毒等次生災(zāi)害，還會(huì)造成交通中斷、增加運(yùn)營(yíng)成本等間接經(jīng)濟(jì)損失。4 起發(fā)生在特長(zhǎng)隧道內(nèi)的火災(zāi)事故情況見表1。

表1 4 起特長(zhǎng)隧道火災(zāi)事故情況

3 各國(guó)對(duì)特長(zhǎng)隧道水消防系統(tǒng)配置的要求

歐美國(guó)家、日本等隧道較多的國(guó)家，都建立了隧道工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)體系，在滅火系統(tǒng)的設(shè)置方面，各國(guó)的差距較大。日本、美國(guó)、德國(guó)、荷蘭的隧道消防滅火系統(tǒng)基本設(shè)置要求見表2。

表2 日本、美國(guó)、德國(guó)、荷蘭隧道消防滅火系統(tǒng)基本設(shè)置要求

我國(guó)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《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）規(guī)定，特長(zhǎng)隧道必須設(shè)室內(nèi)外消火栓、水成膜泡沫滅火裝置和滅火器。

4 特長(zhǎng)隧道水消防系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析

4.1 高位水池有效容積設(shè)計(jì)

目前，各相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范對(duì)高位水池有效容積計(jì)算規(guī)定不統(tǒng)一。（1）《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D70/2-2014）規(guī)定，隧道長(zhǎng)度L≥3 000 m 消火栓一次滅火用水量為20 L/s，火災(zāi)延續(xù)時(shí)間為4 h，用水量為288 m3［3］。（2）《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》（GB50016-2018）規(guī)定了L＞3 000 m 的城市交通隧道為一類隧道，火災(zāi)延續(xù)時(shí)間不應(yīng)小于3 h，室內(nèi)消火栓用水量不應(yīng)小于20 L/s，室外消火栓用水量不應(yīng)小于30 L/s［4］。（3）《公路隧道設(shè)計(jì)手冊(cè)》規(guī)定，特長(zhǎng)隧道室外消火栓用水量不應(yīng)小于30 L/s，室內(nèi)消火栓用水量不應(yīng)小于20 L/s，火災(zāi)延續(xù)時(shí)間不應(yīng)小于3 h，水成膜泡沫滅火裝置可不計(jì)入消防用水總量。（4）廣西壯族自治區(qū)地方標(biāo)準(zhǔn)《高速公路隧道消防設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)范》（DB 45/T 2120—2020）規(guī)定，隧道長(zhǎng)度L≥3 000 室內(nèi)消火栓一次滅火用水量為25 L/s，火災(zāi)延續(xù)時(shí)間不應(yīng)小于4 h，隧道外消火栓用水量不應(yīng)小于30 L/s。（5）由應(yīng)急管理部四川消防研究所等單位編制的工程建設(shè)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《公路隧道消防技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》（報(bào)批稿）規(guī)定，特長(zhǎng)隧道的室外消火栓系統(tǒng)設(shè)計(jì)流量不小于30 L/s，火災(zāi)延續(xù)時(shí)間不應(yīng)小于3 h，室內(nèi)消火栓系統(tǒng)設(shè)計(jì)流量不應(yīng)小于20 L/s，火災(zāi)延續(xù)時(shí)間不應(yīng)小于3 h；L＞3 000 m 的雙向交通隧道、L≥5 000 m 的單向交通隧道，應(yīng)在隧道內(nèi)設(shè)置室外消火栓，室外消火栓應(yīng)設(shè)置在車行橫通道或緊急停車帶內(nèi)。根據(jù)以上國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)、地方規(guī)范及手冊(cè)的相關(guān)規(guī)定，分別計(jì)算出消防水池的有效容積見表3。

表3 根據(jù)國(guó)內(nèi)相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范計(jì)算消防水量

其中，《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D70/2-2014）只提及室內(nèi)消防用水量，并未明確室外消火栓用水量的具體要求，如室外消防用水量參照建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》執(zhí)行，按30 L/s，火災(zāi)延續(xù)時(shí)間按3 h，消防用水量將達(dá)到612 m3；《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》（GB50016-2018）僅對(duì)城市隧道的消防用水量進(jìn)行了規(guī)定，對(duì)公路隧道未提及；《公路隧道設(shè)計(jì)手冊(cè)》中雖對(duì)室外消防用水量有規(guī)定，但并不屬于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)或規(guī)范；廣西壯族自治區(qū)地方標(biāo)準(zhǔn)及《公路隧道消防技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》（報(bào)批稿）僅作參考。

公路隧道一般離城市較遠(yuǎn)，火災(zāi)初期是隧道內(nèi)通行車輛的司機(jī)和乘客先發(fā)現(xiàn)火災(zāi)，進(jìn)而由隧道管理人員組成的兼職消防隊(duì)使用室內(nèi)消火栓滅火，如火勢(shì)還未得到控制，城市專業(yè)消防隊(duì)到現(xiàn)場(chǎng)，此時(shí)一般采用室內(nèi)消火栓和消防車近距離滅火。經(jīng)過對(duì)東南沿?，F(xiàn)有的特長(zhǎng)隧道進(jìn)行現(xiàn)狀調(diào)查發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有特長(zhǎng)隧道高位消防水池有效容積基本為500 m3，我國(guó)目前最長(zhǎng)的雙洞高速公路隧道秦嶺終南山隧道全長(zhǎng)18.02 km，其高位消防水池的容積也為500 m3，均未按《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》儲(chǔ)存室外消火栓用水量，主要原因就是在特長(zhǎng)隧道內(nèi)，消防車基本是就近從室內(nèi)消火栓上取水，在實(shí)際工程中考慮工程造價(jià)，將特長(zhǎng)隧道的消防水池容積設(shè)計(jì)為500 m3。

日本和美國(guó)在特長(zhǎng)隧道內(nèi)均設(shè)置了自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)，可見其對(duì)特長(zhǎng)隧道火災(zāi)的重視?？紤]到特長(zhǎng)隧道的火災(zāi)危險(xiǎn)性較高，后果嚴(yán)重，因此特長(zhǎng)隧道的消防水池有效容積應(yīng)綜合《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》和《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》，不小于612 m3。為方便消防車取水，可在洞內(nèi)一定距離處設(shè)置室外消火栓。

4.2 消火栓給水系統(tǒng)選擇

按消防給水的壓力，消火栓給水系統(tǒng)分為常高壓消防給水系統(tǒng)（圖1）和臨時(shí)高壓給水系統(tǒng)（圖2）。

圖1 常高壓消防給水系統(tǒng)

圖2 臨時(shí)高壓消防給水系統(tǒng)

常高壓給水系統(tǒng)一般在隧道洞口的山坡上設(shè)置高位消防水池，由高位消防水池向系統(tǒng)供水，管網(wǎng)內(nèi)經(jīng)常保持滿足滅火時(shí)所需的水量和水壓，我國(guó)高速公路隧道消防供水系統(tǒng)大多采用常高壓給水系統(tǒng)［5］。

臨時(shí)高壓系統(tǒng)是在泵房設(shè)置消防水泵，平時(shí)工況下，系統(tǒng)內(nèi)的壓力由穩(wěn)壓泵或氣壓給水設(shè)備等增壓設(shè)施保證，發(fā)生火災(zāi)時(shí)啟動(dòng)消防水泵，使系統(tǒng)內(nèi)的流量和壓力滿足滅火時(shí)的要求。

由表4 可知，常高壓消防給水系統(tǒng)雖然建設(shè)施工條件存在一定困難，但是在系統(tǒng)可靠性、運(yùn)行管理方面，明顯優(yōu)于臨時(shí)高壓系統(tǒng)，因此特長(zhǎng)隧道的水消防系統(tǒng)宜采用常高壓系統(tǒng)。

表4 常高壓消防給水系統(tǒng)與臨時(shí)高壓消防給水系統(tǒng)比較

4.3 消防水池高程設(shè)計(jì)及系統(tǒng)超壓時(shí)減壓措施

高位消防水池高程可按下式計(jì)算：

H 為消防水池的最低水位標(biāo)高（m）；H0為最不利消火栓的標(biāo)高（m）；Hxh為最不利點(diǎn)消火栓栓口的最低水壓（MPa）；hz為消防給水管網(wǎng)在最不利點(diǎn)流量分配情況下，從消防水池到最不利消火栓間的沿程和局部水頭損失的累計(jì)值（MPa）；1.05～1.10 為安全系數(shù)。

由于特長(zhǎng)隧道長(zhǎng)度長(zhǎng)，最不利點(diǎn)的選取可能有多個(gè)：如果隧道內(nèi)的坡度方向是一定的，隧道內(nèi)最高點(diǎn)接近隧道口第1 個(gè)消火栓的標(biāo)高可作為最不利點(diǎn)；距離消防水池最遠(yuǎn)的消火栓也可作為最不利點(diǎn)；也有隧道內(nèi)是人字坡的情況，最不利點(diǎn)也可能是隧道內(nèi)的變坡點(diǎn)，計(jì)算時(shí)應(yīng)根據(jù)實(shí)際將幾種情況進(jìn)行分別計(jì)算，然后取最大值作為消防水池的最低水位標(biāo)高。

公路特長(zhǎng)隧道內(nèi)標(biāo)高高差大時(shí)，系統(tǒng)往往會(huì)超壓，應(yīng)進(jìn)行計(jì)算，以免因管道超壓引起漏水、爆管等情況發(fā)生。當(dāng)消火栓栓口處?kù)o壓大于1.0 MPa 時(shí)，消防給水系統(tǒng)應(yīng)分區(qū)供水或減壓，可在左右洞內(nèi)各設(shè)置減壓閥組，閥后壓力設(shè)置為0.4 MPa，降靜壓的同時(shí)，也降低了系統(tǒng)的動(dòng)壓；當(dāng)消火栓栓口處的出水壓力大于0.5 MPa 時(shí)，應(yīng)設(shè)置減壓孔板或采用減壓穩(wěn)壓消火栓。

4.4 室外消火栓和水泵接合器的設(shè)置

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》和《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》，隧道出入口處應(yīng)設(shè)計(jì)消防水泵接合器和室外消火栓，分別用于當(dāng)系統(tǒng)水量或水壓不足時(shí)為室內(nèi)消防管網(wǎng)提供滅火用水和室外消防車取水后進(jìn)行滅火。為便于消防車取水，在特長(zhǎng)隧道內(nèi)一定距離處可增設(shè)室外消火栓。

5 結(jié)語(yǔ)

公路特長(zhǎng)隧道火災(zāi)危險(xiǎn)性更高、火災(zāi)后果更嚴(yán)重，本研究參考國(guó)外的水消防系統(tǒng)設(shè)計(jì)情況、結(jié)合現(xiàn)有工程實(shí)例，分析后提出特長(zhǎng)隧道高位消防水池容積應(yīng)綜合考慮室內(nèi)外消防用水量、消火栓給水系統(tǒng)宜優(yōu)先選擇常高壓給水系統(tǒng)、消防水池高程設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)將多個(gè)最不利點(diǎn)進(jìn)行試算后取最大值、系統(tǒng)超壓時(shí)應(yīng)采取減壓措施、在隧道內(nèi)一定距離處可增設(shè)室外消火栓等設(shè)計(jì)思路，為進(jìn)一步完善公路隧道消防設(shè)計(jì)提供參考。