地鐵區(qū)間消防管道故障定位及處理方案研究

季 新

（北京城建設(shè)計(jì)發(fā)展集團(tuán)股份有限公司，北京）

引言

地鐵地下區(qū)間隧道根據(jù)規(guī)范，設(shè)置區(qū)間消火栓給水系統(tǒng)，即設(shè)置消火栓給水管網(wǎng)和消火栓口[1]。地下區(qū)間隧道消防用水由相鄰車站供水，每個(gè)車站水力計(jì)算分別負(fù)責(zé)半個(gè)相鄰區(qū)間的消防供水[2]。車站相鄰兩端地下區(qū)間每條隧道分別從地下車站消防給水環(huán)狀管網(wǎng)上引入一根DN150 消火栓給水干管，沿隧道行車方向右側(cè)敷設(shè)，車站和相鄰兩端區(qū)間隧道的消防管網(wǎng)相連，形成一個(gè)完整的環(huán)狀消防給水管網(wǎng)。接至區(qū)間消防管道進(jìn)入?yún)^(qū)間隧道前設(shè)控制閥組。

地下區(qū)間隧道（單洞）按每不大于50 m 布置一個(gè)消火栓口[3]。區(qū)間端頭消火栓離車站區(qū)間分界不大于5 m，管按每隔5 個(gè)消火栓口設(shè)置一個(gè)檢修蝶閥[4]，在系統(tǒng)最低點(diǎn)設(shè)放水閥，在系統(tǒng)最高處設(shè)排氣閥；在車站站臺(tái)層兩端（車站與區(qū)間交接處）各設(shè)置兩套（共八套）消防器材箱，每套消防器材箱內(nèi)放2 根25 m 長水龍帶，配兩支Φ19 噴嘴水槍，供區(qū)間消防時(shí)使用。

地下區(qū)間隧道內(nèi)消防給水管道易因不均勻沉降、列車運(yùn)行震動(dòng)、質(zhì)量等原因出現(xiàn)管道接口損壞破裂、接口脫落，從而導(dǎo)致爆管，管道噴射水流，軌道面充滿消防水而影響列車運(yùn)行，嚴(yán)重時(shí)甚至導(dǎo)致列車停運(yùn)[5]。

區(qū)間消火栓管網(wǎng)發(fā)生漏水、爆管時(shí)，現(xiàn)有技術(shù)條件下依靠人員處理[6]。具體措施：列車限速運(yùn)行或暫時(shí)停運(yùn)；關(guān)閉區(qū)間兩端的車站去往區(qū)間消防管道的電動(dòng)閥門查找事故管段，明確故障點(diǎn)；緊急搶修。

1 存在問題

1.1 無法及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障

日間運(yùn)營時(shí)，由于車輛速度快，司機(jī)可能忽略或未及時(shí)觀察到消防管道故障。只有管道接口爆管急流噴向行車時(shí)，司機(jī)容易發(fā)現(xiàn)，其余故障，通過司機(jī)或車載視頻第一時(shí)間覺察極其困難。

夜間運(yùn)營時(shí)，除運(yùn)營檢修人員例行檢查外，發(fā)生漏水或爆管，通常由第二天第一班列車運(yùn)行時(shí)發(fā)現(xiàn)，而此時(shí)，很大可能已出現(xiàn)嚴(yán)重水淹情況。

1.2 無法及時(shí)明確故障點(diǎn)

當(dāng)區(qū)間消防管道發(fā)生故障時(shí)，尤其夜間，車控室無法準(zhǔn)確判斷故障位置；而日間運(yùn)營時(shí)，可通過司機(jī)和車站視頻察覺故障，但并不能明確故障點(diǎn)所在的區(qū)間，以及更具體的里程位置。

1.3 需要人力排查，過程消耗時(shí)間長

按照既有運(yùn)營管理模式，當(dāng)區(qū)間消防管道發(fā)生漏水、爆管時(shí)，處理方式為：第一時(shí)間關(guān)閉區(qū)間兩端電動(dòng)蝶閥。此時(shí)無法明確故障點(diǎn)所在位置，需要列車停運(yùn)后，人員進(jìn)入?yún)^(qū)間排查故障點(diǎn)。因此，消耗時(shí)間較長。

1.4 消防管道爆管的影響

日間運(yùn)營時(shí)，如突發(fā)消防管道故障，事態(tài)嚴(yán)重的，會(huì)引起乘客的恐慌，同時(shí)出現(xiàn)觸發(fā)緊急停營的條件，啟動(dòng)應(yīng)急管理程序，打斷正常運(yùn)營組織，產(chǎn)生比較嚴(yán)重的社會(huì)影響，同時(shí)引起連帶的經(jīng)濟(jì)損失。夜間發(fā)生故障，會(huì)造成水淹隧道事故發(fā)生，甚至衍生災(zāi)害，搶險(xiǎn)不及時(shí)影響第二天的正常運(yùn)行。

此外，上述處理措施并不滿足消防要求。發(fā)生故障時(shí)關(guān)閉區(qū)間兩側(cè)車站去往區(qū)間的消防管道，導(dǎo)致整個(gè)區(qū)間消防管道無水源，若此時(shí)區(qū)間發(fā)生火災(zāi)無法進(jìn)行滅火撲救，不滿足“同時(shí)關(guān)閉消火栓個(gè)數(shù)不超過5 個(gè)[4]”的規(guī)范要求，無法保證檢修狀態(tài)下的必要消防供水。特別是長大區(qū)間，長大區(qū)間可能存在兩輛列車同時(shí)在區(qū)間的情況，發(fā)生故障對(duì)于長大區(qū)間的運(yùn)營、防災(zāi)方面影響較大。

針對(duì)區(qū)間消防管道故障定位和處理的盲區(qū)，本研究進(jìn)行了深入的思考和分析，提出了基于監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路和設(shè)計(jì)方案。

2 設(shè)計(jì)思路

2.1 基本思路

設(shè)計(jì)基本思路：采用設(shè)置一種監(jiān)測水流狀態(tài)或數(shù)據(jù)的設(shè)備來判斷管道漏水故障狀態(tài)，設(shè)置電動(dòng)蝶閥關(guān)閉故障管道的方式，并結(jié)合地鐵的綜合監(jiān)控系統(tǒng)達(dá)到自動(dòng)控制目的。

2.2 研究分析

確定了基本思路，對(duì)與目標(biāo)相關(guān)的各種因素及要件進(jìn)行研究分析。研究分析的主要有故障的定義、監(jiān)測設(shè)備、水力計(jì)算、聯(lián)動(dòng)控制。

2.2.1 故障的定義 區(qū)間消防消火栓管網(wǎng)出現(xiàn)或產(chǎn)生危害、泄漏的現(xiàn)象，稱為故障，故障包括管道間接口，消火栓口的三通接口，發(fā)生少量的漏水，急速噴水，接口錯(cuò)位或脫落引起的爆管。

2.2.2 監(jiān)測設(shè)備 監(jiān)測水流狀態(tài)或數(shù)據(jù)的設(shè)備主要有水流指示器（設(shè)備），流量傳感器（流量計(jì)）、壓力傳感器。

水流指示器（設(shè)備）：具有監(jiān)視水流和傳感功能的水流指示器，用于監(jiān)測消防管網(wǎng)的水流狀態(tài)。正常情況下，消防管網(wǎng)的水屬于靜止?fàn)顟B(tài)，當(dāng)管道水發(fā)生流動(dòng)時(shí)，水流指示器感應(yīng)并觸發(fā)動(dòng)作信號(hào)。

流量傳感器（流量計(jì)）：管道水流動(dòng)時(shí)，通過管道的流量數(shù)據(jù)來判斷和觸發(fā)動(dòng)作信號(hào)，主要有電磁流量計(jì)和超聲波流量計(jì)。

壓力傳感器：管道水流動(dòng)時(shí)，通過管道某一點(diǎn)的壓力突變來判斷水流和觸發(fā)動(dòng)作信號(hào)。

2.2.3 水力計(jì)算 區(qū)間消火栓管網(wǎng)的水力計(jì)算的主要有管道材質(zhì)、坡度、管徑、流量、壓力、速度等計(jì)算參數(shù)。

管道材質(zhì)：常規(guī)設(shè)計(jì)中區(qū)間消防管采用內(nèi)外熱鍍鋅鋼管、內(nèi)外涂環(huán)氧鋼管等。

坡度：管道安裝坡度與隧道坡度一致，隧道坡度與線路坡度一致?！兜罔F設(shè)計(jì)規(guī)范》第6.3.1 條正線的最大坡度宜采用30‰，困難地段最大坡度可采用35‰；區(qū)間隧道的線路最小坡度宜采用3‰，困難條件下可采用2‰。一個(gè)連續(xù)地下區(qū)間通常為V字坡，人字坡或一字坡。

管徑：消火栓主管管徑為DN150，接消火栓口支管為DN65。

流量：《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》第28.3.3 條消火栓給水系統(tǒng)用水定額，地下區(qū)間隧道應(yīng)為10 L/s；故障時(shí)流量無法確定，水力計(jì)算以10 L/s 為例。

速度：《消防給水及消火栓系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范》8.1.8 消防給水管道的設(shè)計(jì)流速不宜大于2.5 m/s。

區(qū)間水源：區(qū)間消火栓系統(tǒng)水源，由車站提供兩根水管，車站端頭處接區(qū)間消火栓管道壓力估計(jì)值為0.30 MPa。

區(qū)間長度：區(qū)間整個(gè)長度為1 000 m，計(jì)算時(shí)以L=250 m 為一個(gè)單元，包含5 個(gè)消火栓口的一個(gè)單元。計(jì)算參數(shù)見表1。

表1 計(jì)算參數(shù)

根據(jù)《消防給水及消火栓系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范》第10.1 條公式及伯努利方程結(jié)合以上參數(shù)進(jìn)行水力計(jì)算，結(jié)果為：當(dāng)線路坡度為6.5‰時(shí)，監(jiān)測設(shè)備位于計(jì)算單位的中心線；線路坡度小于6.5‰時(shí)，監(jiān)測設(shè)備應(yīng)位于計(jì)算單位的線路高程低的一端；線路坡度大于6.5‰時(shí)，監(jiān)測設(shè)備應(yīng)位于計(jì)算單位的線路高程高的一端。不同區(qū)間根據(jù)線路坡度，確定監(jiān)測設(shè)備放于線路高程高端或低端，防止多個(gè)監(jiān)測設(shè)備同時(shí)動(dòng)作。水力計(jì)算結(jié)果見表2。

表2 水力計(jì)算結(jié)果

2.2.4 聯(lián)動(dòng)控制 根據(jù)上述水力計(jì)算結(jié)果確定監(jiān)測設(shè)備的位置。該位置的監(jiān)測設(shè)備僅聯(lián)動(dòng)其相鄰兩端的電動(dòng)蝶閥，關(guān)閉兩電動(dòng)蝶閥間的管道；管道故障點(diǎn)附近壓力傳導(dǎo)時(shí)間最短的監(jiān)測設(shè)備最先動(dòng)作，避免了多個(gè)監(jiān)測設(shè)備同時(shí)動(dòng)作，關(guān)閉多個(gè)電動(dòng)蝶閥的情況。

3 設(shè)計(jì)方案

3.1 設(shè)計(jì)原理

如圖1 所示，為本設(shè)計(jì)方案的控制邏輯圖。當(dāng)水流指示器動(dòng)作時(shí)，是否同時(shí)有火災(zāi)報(bào)警信號(hào)，如有，則判斷為火災(zāi)情況下的水流指示器動(dòng)作，水流指示器不聯(lián)動(dòng)關(guān)閉相鄰兩端的電動(dòng)蝶閥，此時(shí)車站及區(qū)間應(yīng)進(jìn)入火災(zāi)模式；如水流指示器動(dòng)作時(shí)無火災(zāi)報(bào)警信號(hào)，則判斷為非火災(zāi)情況下水流指示器動(dòng)作，即管道漏水或爆管等故障，此時(shí)水流指示器聯(lián)動(dòng)關(guān)閉相鄰兩端電動(dòng)蝶閥，同時(shí)向車控室反饋動(dòng)作的水流指示器及電動(dòng)蝶閥的狀態(tài)及位置里程。而當(dāng)水流指示器聯(lián)動(dòng)關(guān)閉電動(dòng)蝶閥失效時(shí)，由車控室通過綜合監(jiān)控系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)關(guān)閉相關(guān)位置電動(dòng)蝶閥。而后，運(yùn)營人員組織檢修，檢修完成后恢復(fù)管網(wǎng)及監(jiān)測系統(tǒng)。

圖1 邏輯控制

3.2 設(shè)計(jì)方案

地鐵區(qū)間隧道消防給水管道故障監(jiān)測及處理的設(shè)計(jì)方案：每間隔5 個(gè)消火栓口（1）設(shè)置電動(dòng)蝶閥（2），每兩個(gè)電動(dòng)蝶閥（2）之間設(shè)置水流指示器（3），每個(gè)電動(dòng)蝶閥（2）對(duì)應(yīng)設(shè)置電動(dòng)蝶閥控制箱（5），每個(gè)水流指示器設(shè)置水流指示器控制箱（6），水流指示器控制箱（6）和電動(dòng)蝶閥控制箱（5）與綜合監(jiān)控系統(tǒng)（4）連接。見圖2。

圖2 設(shè)計(jì)方案示意

3.2.1 就地自動(dòng)控制方式 水流指示器控制箱（6）接受綜合監(jiān)控系統(tǒng)（4）的火災(zāi)信息，同時(shí)反饋水流指示器（3）的動(dòng)作、故障信號(hào)、位置里程參數(shù)等，無火災(zāi)狀態(tài)時(shí)，水流指示器（3）動(dòng)作，表示消防管道出現(xiàn)漏水或爆管故障，給兩側(cè)的電動(dòng)蝶閥控制箱（5）聯(lián)動(dòng)控制信號(hào)，關(guān)閉對(duì)應(yīng)的電動(dòng)蝶閥（2），從而關(guān)閉發(fā)生故障的消防管段；火災(zāi)狀態(tài)時(shí)，雖然水流指示器（3）動(dòng)作，不聯(lián)動(dòng)關(guān)閉兩側(cè)的電動(dòng)蝶閥（2）。

電動(dòng)蝶閥控制箱（5）與綜合監(jiān)控系統(tǒng)（4）連接，反饋水流指示器（3）動(dòng)作時(shí)，電動(dòng)蝶閥是否按指令動(dòng)作，反饋電動(dòng)蝶閥（2）的動(dòng)作、故障信號(hào)、位置里程參數(shù)。

電動(dòng)蝶閥控制箱（5）與水流指示器控制箱（6）控制原理圖見圖3。

圖3 控制箱原理

3.2.2 遠(yuǎn)程控制方式 當(dāng)無火災(zāi)時(shí)，水流指示器（3）動(dòng)作，綜合監(jiān)控系統(tǒng)（4）收到水流指示器（3）動(dòng)作信號(hào)，電動(dòng)蝶閥（2）的狀態(tài)正常，無故障信號(hào)，但沒有收到電動(dòng)蝶閥（2）的聯(lián)動(dòng)信號(hào)，水流指示器控制箱（6）和電動(dòng)蝶閥控制箱（5）之間可能出現(xiàn)故障，此時(shí)，由綜合監(jiān)控系統(tǒng)（4）給水流指示器（3）兩側(cè)的電動(dòng)蝶閥控制箱（5）聯(lián)動(dòng)控制信號(hào)，關(guān)閉對(duì)應(yīng)的電動(dòng)蝶閥（2），實(shí)現(xiàn)車控室遠(yuǎn)程控制。

3.2.3 專業(yè)接口 地鐵區(qū)間隧道設(shè)置有動(dòng)力照明、綜合監(jiān)控系統(tǒng)。本方案需要?jiǎng)恿φ彰魈峁╇妱?dòng)蝶閥的電源；綜合監(jiān)控設(shè)置模塊箱，接收水流指示器和電動(dòng)蝶閥的控制、故障狀態(tài)。給排水專業(yè)設(shè)置電動(dòng)蝶閥代替原管道的手動(dòng)蝶閥，并增加水流指示器。

3.2.4 優(yōu)點(diǎn)及效益 能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障問題，由故障判斷到處理的過程，均為全自動(dòng)智能控制，無需人員參與，反應(yīng)快、處理及時(shí)，有效避免區(qū)間發(fā)生水淹狀況，不影響運(yùn)營行車，采取有效措施及時(shí)智能化處理問題，保障行車運(yùn)營的安全；故障管道位置明確，工作人員可詳細(xì)定位，無需判斷與排查，大大縮短查找時(shí)間，檢修更加及時(shí)；可以減少夜間運(yùn)營維護(hù)，監(jiān)控掌握區(qū)間隧道消防給水管網(wǎng)狀態(tài)，提高了消防給水系統(tǒng)的安全性。

特別適用長大區(qū)間隧道和無人駕駛線路的區(qū)間隧道。

社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益，主要體現(xiàn)在及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障并處理，時(shí)間短，漏水量少，減少了水資源損失；減少因?yàn)闀和＿\(yùn)營帶來的經(jīng)濟(jì)損失，減少因?yàn)闀和＿\(yùn)營而采取的緊急搶險(xiǎn)、疏散旅客等措施費(fèi)用，減少因?yàn)樗蛶淼难苌μ帲缭O(shè)備更換等，減少因?yàn)闀和＿\(yùn)營帶來的社會(huì)負(fù)面影響。

結(jié)束語

地鐵區(qū)間消防管道故障定位及處理設(shè)計(jì)方案，具有一定的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益，不僅適用于普通地鐵區(qū)間，更適用于長大區(qū)間、無人駕駛線路的區(qū)間。本研究在地鐵區(qū)間消火栓給水管道故障定位及處理設(shè)計(jì)水力計(jì)算上有待進(jìn)一步利用模型驗(yàn)證，在本方案設(shè)計(jì)思考和前期研究過程的方法上希望能夠?yàn)榈罔F智慧消防的設(shè)計(jì)提供一些參考。