高速公路越岭隧道水消防设计

摘要：随着我国高速公路建设的迅速发展以及道路等级的日益提高，穿越高 山丘陵等偏远地区的高等级公路隧道的规模也越来越大，但随之而来的隧道安全 问题也日益严峻起来。以湖北某隧道的消防设计为例，介绍了国内越岭隧道消防 系统所包含的设计内容。关键词：隧道；消防设计；水消防隧道是公路交通的咽喉，具有环境封闭，空间狭窄等特点，火灾时通常会造 成烟雾大、温度高、能见度低等不利条件。而且隧道断面较小，火灾在车辆之间 蔓延非常迅速，给火灾扑救和人员疏散带来相当大的困难1。特别是一些山区隧 道，由于远离城市，缺乏可靠的消防水源，短时间内消防救援力量难以到达，使 得消防扑救变得更加困难。所以，对于隧道消防工程来说，隧道自身消防设施的 作用就显的尤其重要。1.工程概况该隧道采用分离式双线四车道，左右线均为单向两车道，长度均为2816m, 标准段车行道宽度为8m,共设置车行横洞6处，人行横洞7处，紧急停车带12 处。1.隧道消防系统设计隧道内的火灾分A、B、C类与金属火灾四种，其中以B类火灾为主。消防设 计一般依据建筑设计防火规范(GB 50016-2018)2(以下简称建规)、 消防给水及消火栓系统技术规范(GB 50974-2014)3(以下简称消水规) 和公路隧道设计规范(第二册 交通工程与附属设施)(JTG D70/2-2014)4（以下简称公隧规）进行，设计内容包括：隧道消防取水及供水系统，隧道 消防管网系统，消火栓，泡沫灭火装置等。1.1.隧道分类不同规范对隧道分类有所有不同。建规第 12.1.2 条将隧道分为一、二 三、四类。本隧道双孔均超过了 1500m，可通行危化品车辆，属于一类隧道。 公隧规第 3 章将隧道分为 A+、A、B、C、D 五个等级。本隧道为双洞四车道 单洞年平均日交通量为6854pcu/d，属于A级。建规分类侧重于火灾救援难度，隧道越长，通行车辆越危险，救援难度 越高，隧道等级越高。公隧规强调隧道发生事故的概率，隧道越长，交通量 越高，事故概率越高，隧道分级就越高。笔者认为，消防设计应淡化概率因素，消防设施的目的就是保证其能够有效 扑灭火灾，应当在一定会发生火灾的情况下去考虑消防需求，不应因火灾概率低 就降低消防标准。套用公隧规，假设有长度同为800m的B、C级两条隧道， 如果隧道可通行危化品机动车，即使概率再低，一旦发生危化品泄露导致的火灾 事故，由于C级隧道仅设置灭火器，在没有外部消防力量的干预下，会对隧道的 火灾扑救工作带来极大的困难。因此笔者更推荐建规的分类方式。1.1.消防设施配置确定隧道等级后，即可确定隧道内的消防设施。建规第 12.2.1 条规定 除四类隧道和仅限人行或通行非机动车的隧道外，其余隧道均应设置消防给水系 统。根据公隧规第3.0.3条，A+和A级隧道必须设置消火栓和固定式水成膜 泡沫灭火装置，B级隧道宜设置，C、D级隧道不作要求。根据消水规7.4.16 条，对于允许通行危化品机动车且长度超过3km的隧道要求配置水雾或泡沫消防 水枪。建规仅对消火栓作了规定，公隧规要求部分类型隧道设置泡沫灭火 装置，消水规规定长度超过3km可通行危化品机动车的隧道应设置水雾或泡 沫消防水枪。由于隧道内火灾类型主要为B类，而泡沫灭火剂能够有效抑制B类 火灾5。部分地方标准也对除消火栓以外的诸如泡沫、水喷雾等消防设施作了要 求，如上海市道路隧道设计规范(DG/TJ 08-2033-2017)、湖南省公路隧 道消防规范(DB43/729-2012 )等。泡沫一水喷雾灭火系统在城市水下隧道中 有着广泛应用，泡沫灭火系统在隧道消防中的应用也逐渐成为一种趋势6。因此 笔者认为，在满足规范的同时，还应参考公隧规和相应的地方标准对消防设 施进行补充。基于以上论述，该隧道需要设置的水消防设施主要有消火栓和固定式水成膜 泡沫灭火装置。1.1.消防设施布置隧道内的消火栓多采用双栓系统，并与水成膜泡沫灭火装置设置于同一消防 洞室内，每座消火栓在其保护范围内均能够满足2支水枪的充实水柱同时到达。 根据消规10.2.1节，按25m长水带，10m长充实水柱计，消防水带弯曲折减 系数取0.8,消火栓最小保护半径为27.1m。因此可以计算得出消火栓的间距为 51.7m，但建规、消水规均规定消火栓间距不应大于50m，公隧规要 求单洞双车道不大于50m，故消火栓间距取50m。然而一旦某一消火栓故障或该处发生火灾无法使用，该消火栓附近一定范围 将成为消防盲区，无法被其他任何消火栓保护到。因此，笔者建议采用民建设计中比较常规的单栓消火栓，按图1的布置方式 计算出消火栓的最小间距为25.9m,图中阴影部分为中间消火栓失效情况下只有 一股水柱能够到达的区域。图 1 隧道单栓系统仅一股水柱保护区域固定式水成膜装置含一条25m长软管，泡沫喷枪的最大射程为10m,因此与 消火栓布置在同一洞室时可满足隧道内所有区域都能得到保护。目前该装置十分 成熟，市面上也有成套装置，确定了布置间距后，可以直接进行安装。1.1.消防水源消防水源有山涧溪流、泉水、深井水和市政水源等。山涧溪流水质水量不稳 定，泉水、深井水水量充沛，受季节影响小。有市政管网的话也可采用市政用水 本隧道消防水源即采用的是市政用水，其流量不小于12.5m3/h,符合作为隧道消 防水源的要求。在实际工程中，隧道消防水源仍广泛采用溪流和深井水。如果溪流位置高于 高位蓄水池，且水质水量充足，则可以经简单的沉淀处理后自流至高位蓄水池。 如果其位置较低，可通过拦坝或设置提升设施的方式抬高水位，将其送至高位蓄 水池。如果没有溪流，或溪流不稳定，则可采用深井水代替。在选择消防水源时，要做好实地调查、比较分析工作，因地制宜，确保满足 消防要求，节省投资。1.消防水量消防水量按一次灭火用水量计算。根据建规、消水规、公隧规 计算出隧道内外一次灭火用水量分别为216m3、216m3、216m3和324m3、324m3、无 规定，则一次灭火总用水量分别为540m3、540m3、216m3。消水规还规定，对 于一类城市交通隧道，火灾延续时间应根据火灾危险性分析确定，确有困难时， 可按不小于3.0h计。从世界各地的隧道火灾实测数据来看，一般一场大中型火 灾的延续时间在几小时到十几小时不等，所以对于一些位置偏僻、水源匮乏的隧 道，还应经专家论证，适当增加火灾延续时间，增加消防用水量。1.1.消防管网设计消防给水系统有常高压给水系统和临时高压给水系统，其中常高压系统又分 为管网高压系统和重力高压系统。常高压系统要求系统的水压、水量、流量均满 足要求，临时高压给水系统是在无法满足水压、水量、流量中的一项或多项时， 通过消防加压设备以同时满足上述三项参数的给水系统。1.常高压系统若隧道周边存在两路市政管网，且管网水压、水量、流量均能满足要求，则 可以直接从市政管网上引两路给水管与消防管网连接，隧道室内外消火栓共用一 套管网。如果隧道周边没有管网或管网压力不够，则需要设置高位水池，水池最 低水位、有效容积、出水流量满足系统水压、水量、流量要求。通常隧道周边地 势起伏，能够满足水箱高度要求，因此这种给水方式广泛应用于越岭隧道中。图2为常高压系统示意图，其中实线框为重力高压系统需设置内容，虚线框 为管网高压系统需设置内容。钾聆NH 如.炖*1|上那Jftfl .arfHUCL：咖畑.AB/夕丿丄 tJDJJ丿 Jil.J_LLLL.J.twan | y / I H Hi/p 4 P 0 &图 2 常高压系统示意图1.临时高压系统当无法满足常高压系统的各项要求时，需设置泵房、水箱等设施，如图3所 示。目前规范对隧道是否设置高位消防水箱还没有明确规定，但为了保证临时高 压系统平时的压力，满足水泵启动前的消防用水，建议从严设置，容积取 10min 消防用水量7。 如无法设置高位水箱，也可通过设置稳压泵及气压罐的形式代替。R PMMT w肥尸祁HXMAHttrluHjIWMitK(4HfAST*和*tts*hy /rd t $ * p*图 3 临时高压系统示意图以上是隧道消防中三种基本的给水方式，实际应用中还有隧道外消火栓采用 市政管网直供，隧道内采用重力高压或临时高压给水方式，都是以上三种方式的 组合，此处不再赘述。消防系统水力计算确定给水方式后，需计算系统中的各项参数，以临时高压为例，其他形式可 类比参考。建规和公隧规均要求水枪充实水柱不小于10m，消水规 要求最低压力不应低于0.30MPa,因此从严取0.30MPa。由于固定式水成膜泡沫 灭火装置也会产生一定水损，具体数值需根据实际产品确定，本工程取 5m 水头 故消防设施供水压力不应低于 0.35MPa。本隧道供水简图如图 4，标高均为管中心标高，栓口标高按高于消防干管中心2m计，初步确定最高点为最不利点，水泵流量为50L/s。根据消规中的流速规定，管径定为DN200,沿程水头损失采用海澄一威 廉公式计算，从泵房至最不利点处的沿程水损为0.23MPa,局部水损取沿程水损 的20%，即0.05MPa,消防水池最低有效水位为34.1m，根据消规10.1.7条, 安全系数取1.2，水泵设计扬程为0. 94MPa，取1.00MPa，经校核距离泵房最近、 最远处的栓口压力分别为1.01MPa、0.42MPa，故对于栓口动压超过0.50MPa的， 采用减压稳压型消火栓，栓口压力 0.45MPa。高位水箱有效容积取10min消防水量，即30m3，其最低水位应满足最不利灭 火设施静压不低于0.10MPa，当采用稳压泵代替高位水箱时，不低于0.15MPa。 本工程高位消防水箱最低有效水位为 70.00m。对于采用高位消防水池直接供水的常高压系统，应校核水箱出水管的流量能 否满足消防流量，采用管嘴出流公式进行校核，管嘴流量系数取 0.82，得出流量 为50L/s时的过水断面面积为0.022m2，此时对应的管道直径为167mm，故水池出 水管管径至少取 DN200。若采用稳压泵来稳压，可参考消防给水及消火栓系统技术规范图示(15S909)8第45、46页来进行计算。1.结语1.目前在隧道消防设计中还缺少隧道专项规范作为设计依据9，只能参考其他 规范。而且不同的规范对消防设施及参数的规定还有差异，对于不一致的，建议 从严执行，具备条件的，还应参考某些地方标准的做法。2.对隧道进行分类时，建议淡化火灾发生概率的概念，侧重于火灾危险程度、 救援难度等方面，因此建规的分类方式更为合理。3.对于临时高压消防系统，还缺少有关高位消防水箱的规定，但鉴于在真实发 生的火灾事故中，高位消防水箱确实能发挥一定的灭火功效，因此建议条件允许 的应尽量设置。4.对于采用消防水池的常高压系统，还应校核出水管在重力自流情况下的过流 能力能否满足消防流量。5.根据隧道火灾类型多以 B 类火灾的特点，应当有针对性的采用一些泡沫灭火 装置。对于需要设置消火栓的工程，建议在消火栓箱内增设固定式水成膜泡沫灭 火系统。6.对于隧道是否需要设置自动喷水灭火系统，还需进一步研究，国标规范也未 对此做相关要求，建议在设计时查阅当地地方标准是否有相关规定。参考文献1 潘翀.公路隧道防火技术研究现状及火灾防控对策分析J.山西建筑， 2015, 41(3)： 2452462 GB50016-2014，建筑设计防火规范M.北京：中国计划出版社，20183 GB 509742014，消防给水及消火栓系统技术规范S.北京：中国计划 出版社，20144 JTG D70/22014，公路隧道设计规范第二册交通工程与附属设施M. 北京：人民交通出版社股份有限公司，20145 黄光宇特长城市隧道消防系统设计及参数选择J.中国给水排水，2018, 34(24)：79836 包志明，张宪忠，靖立帅等公路隧道自动灭火系统应用研究及展望J. 工业安全与环保，2016，42(8)：28317 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