城市二類交通隧道排水消防系統(tǒng)設計

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摘要:通過對比分析各消防系統(tǒng)，結合城市交通隧道設計案例，得出城市二類隧道內(nèi)消防系統(tǒng)采用固定式水成膜消防系統(tǒng)、消火栓系統(tǒng)、滅火器三種消防滅火系統(tǒng)組合的消防系統(tǒng)，工作井設備用房設氣體滅火系統(tǒng)及滅火器，并闡述了消防系統(tǒng)設計參數(shù)。對隧道排水系統(tǒng)進行了探討，提出了最低點廢水泵房廢水通過工作井廢水泵房轉(zhuǎn)輸?shù)姆桨福治鰵w納了雨水泵房設計參數(shù)。

關鍵詞:交通隧道；排水系統(tǒng)；消防系統(tǒng)；重現(xiàn)期

引言

在快速發(fā)展的經(jīng)濟帶動下，我國城市隧道交通工程也突飛猛進。但與之配套的給排水、消防系統(tǒng)的設計，國內(nèi)尚無具體的規(guī)范規(guī)定。關于城市二類隧道給排水及消防研究較少，而該類工程又很多，設計合理、經(jīng)濟、完善的排水及消防系統(tǒng)對隧道交通運營至關重要。筆者結合某城市交通隧道設計案例，對城市二類交通隧道排水及消防系統(tǒng)方案、關鍵參數(shù)進行探討。

1工程概況

該城市隧道東西走向，長1980m，屬二類城市交通隧道，單層雙孔，盾構施工，分別在東西兩端各設一座工作井，盾構段長1260m，盾構直徑11．3m，隧道設計車速為60km/h，僅限通行非危險化學品等機動車。隧道盾構段兩側設明挖暗埋段與道路銜接。隧道平面示意圖見圖1。

2隧道消防系統(tǒng)設計

2．1消防系統(tǒng)方案分析

汽車油箱、駕駛室、行李或貨物等是城市交通隧道發(fā)生火災的主要部位，火災類型一般為A，B類［1］?；馂奶攸c主要表現(xiàn)為:行駛中的車輛導致火災發(fā)生的時間和地點均具有隨機性;因隧道密閉，火災時升溫快，大部分火災在起火后10min即可達到很高的溫度;火災時，因燃燒缺氧產(chǎn)生的有毒有害氣體，可能會導致司乘人員窒息、死亡;隧道橫斷面小、狹長，救援人員疏散困難。結合火災特點，以下對各類可用于隧道的消防系統(tǒng)進行分析，以確定適用于城市二類隧道的合理、經(jīng)濟、可行的消防滅火系統(tǒng)。

2．1．1水成膜泡沫滅火系統(tǒng)火災時水成膜除具有一般泡沫滅火劑的冷卻和窒息作用外，還能在燃燒體表面形成一種水膜，水膜與泡沫層共同封閉燃燒液體表面，隔絕空氣，阻止可燃液體繼續(xù)燃燒。對油類火災，水成膜泡沫滅火系統(tǒng)能較好的控火、滅火。固定式水成膜泡沫系統(tǒng)與消火栓系統(tǒng)聯(lián)合工作，泡沫噴槍、泡沫容器、比例混合器等水成膜設施與消火栓設在同一個箱內(nèi)，水成膜用水取自消火栓，與消火栓共用消防給水干管及消防泵?；馂臅r，水成膜泡沫滅火劑通過泡沫混合裝置與水混合后，輸出的泡沫混合液經(jīng)泡沫噴槍產(chǎn)生滅火泡沫，靠泡沫和保護膜雙重作用，達到快速滅火的效果，水成膜泡沫不與水混合時有效期可長達8年。固定水成膜泡沫系統(tǒng)管理簡單、操作簡便，一般司乘人員就能使用。若采用該系統(tǒng)，僅需在消火栓箱內(nèi)放入水成膜設施，通過一根DN25金屬管與消火栓連接，消防干管、消防泵、報警設施等均與消火栓共用，工程投資少、管理簡單、維護運行費用低。隧道內(nèi)火災多以汽車油類火災居多，城市二類隧道內(nèi)宜設置固定式水成膜泡沫滅火系統(tǒng)，以便及時撲滅初期火災。

2．1．2消火栓系統(tǒng)水是一種常用、廉價且經(jīng)濟的滅火劑，可用于撲滅A類火災。水在溫度升高時，可以吸收大量的熱，能有效地降低燃燒物質(zhì)和周圍物質(zhì)的溫度，撲滅火焰、阻止燃燒。對于二類及以上隧道，《建筑設計防火規(guī)范》［2］和《公路隧道設計規(guī)范第二冊交通工程與附屬設施》［3］規(guī)定消火栓是必備的消防設施。故城市二類隧道內(nèi)應設消火栓系統(tǒng)，用于撲滅初期火災，防止火災擴大。

2．1．3泡沫—水噴霧消防系統(tǒng)泡沫—水噴霧消防系統(tǒng)是由泡沫系統(tǒng)和水噴霧系統(tǒng)組成、噴頭為共用噴灑裝置的系統(tǒng)，火災時，先噴灑一定時間的泡沫滅火，然后再噴水霧冷卻。除泡沫水噴霧閥組箱至噴頭段為泡沫系統(tǒng)與水噴霧系統(tǒng)共用外，其余部分完全獨立，泡沫系統(tǒng)和水噴霧系統(tǒng)均各自設有獨立的泡沫干管、泡沫泵及水噴霧干管、水噴霧泵，兩套系統(tǒng)的干管平行沿隧道縱向貫通，且在隧道內(nèi)成環(huán)。該系統(tǒng)需較大空間布置管道系統(tǒng)，管道多、泵多，所需投資大，且管理維修費用高。平時泡沫干管內(nèi)充滿水成膜，須定期更換。水成膜具有腐蝕性，滴、漏及消防時有腐蝕給排水管道的風險。該系統(tǒng)自動操作，需配置監(jiān)測、報警、自動響應啟動等復雜的自控系統(tǒng)?，F(xiàn)該系統(tǒng)多用于江、湖、海等的水底隧道［4-6］，如南京長江隧道、武漢東湖隧道、揚州瘦西湖隧道等水底隧道設置了泡沫—水噴霧消防系統(tǒng)。鑒于城市二級隧道位于城市內(nèi)，以撲滅初期火災自救為主，同時考慮經(jīng)濟性，不推薦采用此系統(tǒng)。

2．1．4水噴淋系統(tǒng)水噴淋滅火系統(tǒng)是由開式或閉式噴頭、傳動裝置、噴水管網(wǎng)、濕式報警閥等組成。發(fā)生火災時，啟動噴淋泵噴水滅火。隧道相對封閉、空間小，初期火災一般發(fā)生在車廂內(nèi)部、下部，在頂部噴水滅火效果不佳。在高溫火焰上噴水，不但不會撲滅火焰，還有可能使煙霧層向下移動，降低隧道內(nèi)能見度，影響現(xiàn)場人員的救援、疏散。因而城市交通隧道不建議采用此消防系統(tǒng)。

2．1．5滅火器［7］滅火器操作簡單、使用方便、滅火性能可靠，一般司乘人員就會使用，是撲滅初期小規(guī)?；馂牡闹匾ぞ??！督ㄖO計防火規(guī)范》《公路隧道設計規(guī)范第二冊交通工程與附屬設施》規(guī)定城市隧道需設置滅火器，并對滅火器的設置作了原則規(guī)定。磷酸銨鹽干粉滅火劑，可用于撲救除活潑金屬外的其他各類火災，因而城市二級隧道內(nèi)推薦采用手提式磷酸銨鹽滅火器。

2．2消防系統(tǒng)設計

由于城市二類隧道位于城市內(nèi)，發(fā)生火災時消防隊接到報警趕赴現(xiàn)場時間短，同時根據(jù)隧道火災特點，消防系統(tǒng)設計立足于以司乘人員可以使用滅火設施來控制、撲滅初期火災為目的。火災中期或大火災時以城市專業(yè)消防隊員和消防車為主體進行消防。結合以上消防系統(tǒng)分析，城市二類隧道消防滅火系統(tǒng)采用固定式水成膜消防系統(tǒng)、消火栓系統(tǒng)、滅火器三種消防系統(tǒng)組合的消防系統(tǒng)。

2．2．1固定式水成膜、消火栓消防系統(tǒng)1)系統(tǒng)設置。隧道消防水源采用城市自來水，市政供水管徑、供水壓力不能滿足隧道消防直供用水要求，需設消防加壓泵房。該隧道兩孔，消防管道沿隧道縱向鋪設，管線長，為減少管道沿程損失，以降低消防泵揚程及節(jié)省能耗、降低部分消防管道壓力，保證消防供水安全，在東、西工作井內(nèi)各設一座消防泵房。東工作井消防泵房設消火栓泵(Q=21L/s，H=53m，N=30．0kW)2臺(互為備用)、西工作井消防泵房設消火栓泵(Q=21L/s，H=56m，N=30．0kW)2臺(互為備用)，每座消防泵房內(nèi)設穩(wěn)壓設備一套。緊鄰消防泵房各設一座有效容積300m3消防水池，儲存消火栓與水成膜一次消防最大用水量。固定式水成膜系統(tǒng)依附于消火栓系統(tǒng)取水，沿每孔隧道單側間隔45m設一座水成膜與消火栓共用的消防箱，箱內(nèi)設單閥單頭DN65消火栓2個、DN19水槍2支、30L泡沫液罐1個、泡沫噴槍、負壓式比例混合器、報警按鈕1個、水帶及報警器。自隧道兩端的工作井消防泵房內(nèi)各引出兩根DN150消防干管與隧道內(nèi)消防環(huán)狀管網(wǎng)連接。隧道內(nèi)DN150消防干管沿隧道明挖暗埋段及盾構段管廊鋪設，敞開段埋地鋪設。消防干管在兩孔隧道貫通且在隧道兩端連接成環(huán)，消火栓通過DN65支管與隧道內(nèi)DN150消防干管連接，消防環(huán)狀管網(wǎng)每隔5個消防箱設1個檢修閥，管網(wǎng)最高點設排氣閥、最低點設排泥閥，遇隧道結構縫處設伸縮節(jié)，消防管道采用鍍鋅鋼管。2)設計參數(shù)。固定式水成膜泡沫混合液流量不小于30L/min，射程不小于6m，泡沫混合液連續(xù)供給時間20min，水成膜泡沫滅火裝置用水量為1L/s;隧道內(nèi)消火栓系統(tǒng)用水量為20L/s，隧道洞口外消火栓用水量為30L/s，火災延續(xù)時間3h;最不利點消火栓水槍充實水柱不小于10m;消火栓栓口距車行道高度1．1m。消火栓、水成膜消防箱示意圖見圖2，消火栓、水成膜系統(tǒng)圖見圖3。

2．2．2滅火器配置在每孔隧道行車道兩側每隔50m設一只滅火器箱，交錯布置，每只箱內(nèi)設置4具4kg裝的磷酸銨鹽滅火器，供撲滅初期火災使用。

2．2．3工作井內(nèi)設備用房滅火系統(tǒng)工作井內(nèi)通風機房、弱電機房、民用通信機房、變電所、消防泵房內(nèi)設氣體滅火系統(tǒng)，采用全淹沒柜式超細干粉滅火裝置，超細干粉滅火設計濃度C=0．12kg/m3，單位體積超細干粉設計量為:M=(1+δ1)CK1K2。其中，δ1=0．1，C=0．12kg/m3，K1=1．5，K2=1．1，則M=0．2178kg。根據(jù)《建筑滅火器配置設計規(guī)范》，工作井內(nèi)風機房、弱電設備室、民用通信設備室、變電所及消防泵房均屬于E類火災場所，設手提式磷酸銨鹽滅火劑;城市隧道屬于中危險級，最大保護距離20m(A類)，單具滅火器最小配置滅火級別為2A，單位滅火級別最大保護面積為75m2。

3隧道排水系統(tǒng)設計

3．1廢水排水系統(tǒng)

1)系統(tǒng)設置。隧道內(nèi)廢水主要來源:正常情況下為沖洗廢水、結構滲漏水、雨天車輛行駛帶進隧道內(nèi)的雨水等;在發(fā)生火災時廢水的主要來源為消防廢水，即隧道內(nèi)水成膜廢水和消火栓消防廢水。由于消防時廢水中含有泡沫液，廢水泵房廢水須排入市政污水管網(wǎng)，經(jīng)市政污水處理廠處理后排放。根據(jù)高水高排、低水低排的原則，隧道最低點設廢水泵房，東、西工作井內(nèi)各設一座廢水泵房。最低點廢水泵房排水有兩種設計方案，方案一:最低點廢水泵房直接將廢水抽升出隧道，排至地面污水管網(wǎng);方案二:最低點廢水泵房的廢水就近排入東工作井廢水泵房，經(jīng)工作井廢水泵房轉(zhuǎn)輸至地面的污水管網(wǎng)。綜合分析，方案二較優(yōu):這樣最低點廢水泵房潛污泵揚程小、能低耗、節(jié)省了工作井至地面雨水檢查井之間的壓力排水管長度。故該隧道設計采用方案二。隧道最低點廢水泵房內(nèi)設自動攪勻潛污泵(Q=40m3/h，H=43m，N=15kW)3臺，2用1備;東、西工作井廢水泵房內(nèi)均各設自動攪勻潛污泵(Q=40m3/h，H=28m，N=7．5kW)3臺，2用1備。廢水泵房控制方式采用集水池內(nèi)水位控制、手動啟動、控制室遠程啟動。2)設計參數(shù)。盾構段結構滲入水為5．7m3/d，明挖段結構滲漏水:10．0m3/d(1號)、8．5m3/d(2號)、9m3/d(3號)、6．0m3/d(4號)、消火栓與水成膜廢水21L/s。

3．2雨水排水系統(tǒng)

1)系統(tǒng)設置。雨水排水系統(tǒng)是確保隧道雨天安全運營的保障。該隧道由敞開段、明挖暗埋段和盾構段三部分組成，雨水排水系統(tǒng)排除的是敞開段至接線道路駝峰點之間的雨水，由雨水收集系統(tǒng)、雨水泵房組成。在隧道出入口各設一座雨水泵房，在暗埋段與敞開段交界處設置兩道橫截溝，攔截雨水進入雨水泵房集水池。泵房內(nèi)設潛污泵，將雨水提升后排入雨水管網(wǎng)。在隧道出入口雨水泵房內(nèi)均各設自動攪勻潛污泵(Q=250m3/h，H=15m，N=22kW)3臺，2用1備。雨水泵房控制方式采用集水池內(nèi)水位控制、手動啟動、控制室遠程啟動，所有泵的啟閉狀態(tài)均在控制室內(nèi)顯示。2)設計參數(shù)。暴雨重現(xiàn)期決定雨水設施規(guī)模、排水能力，目前關于城市交通隧道敞開段暴雨重現(xiàn)期，國內(nèi)尚無相關規(guī)范規(guī)定。GB50014—2006室外排水設計規(guī)范(2016年版)［8］第3．2．4B條規(guī)定:特大城市內(nèi)澇防治設計重現(xiàn)期為50年～100年;GB50157—2013地鐵設計規(guī)范［9］第14．3．1條規(guī)定:隧道洞口的雨水泵站的排水能力，應按當?shù)?0年一遇的暴雨強度計算;歐盟推薦地下鐵路/地下通道設計內(nèi)澇重現(xiàn)期為50年。綜上，為確保雨天隧道運行安全，降低隧道積水、車陷雨水的風險，敞開段出入口宜按50年一遇的暴雨強度計算。雨水量計算暴雨強度公式:其中，i為設計暴雨強度，mm/min;P為設計重現(xiàn)期，年;t為降雨歷時，t=t1+t2，min;t1為地面集水時間;t2為管渠內(nèi)雨水流行時間，min，t2=0。計算得:q=3．94934mm/min。隧道雨水設計流量Q=Ψ•i•F。其中，Ψ為徑流系數(shù)，Ψ=0．9;F為匯水面積，hm2。雨水泵房設計流量取雨水計算流量的1．2倍，雨水泵房集水池的有效容積取最大1臺排水泵5min～10min出水量。

4結語

城市隧道出口少、空間小、封閉性強，設置合理、經(jīng)濟的給排水及消防系統(tǒng)，是保障城市交通隧道安全運營關鍵。城市二類交通隧道消防采用固定水成膜泡沫滅火系統(tǒng)、消火栓系統(tǒng)、滅火器的組合消防系統(tǒng)，可有效撲滅隧道內(nèi)各類初期火災、降低火災造成的損失。最低點廢水泵房的廢水通過工作井轉(zhuǎn)輸模式，能耗低，投資少;敞開段出入口雨水泵房按50年一遇的暴雨強度計算，雨水泵房集水池的有效容積取最大1臺排水泵5min～10min出水量。

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作者：畢秀梅 單位：中鐵第四勘察設計院集團有限公司