廣深港高速鐵路獅子洋隧道消防設計

王松林，王 婷

(1.中鐵第四勘察設計院集團有限公司，武漢 430063;2.重慶大學城環學院，重慶 400030)

廣深港高速鐵路廣深段于2011年年底建成通車，線路全長140 km，是我國“四縱四橫”鐵路網的重要組成部分。位于廣州市南沙區的獅子洋隧道是廣深港高速鐵路重要的控制性工程，隧道全長10.8 km，最深處位于水下67 m，隧道穿越小虎瀝、沙仔瀝和獅子洋3條水道，是目前國內里程最長，建設標準最高的一座水下鐵路隧道，也是目前世界上行車速度最快的水下鐵路隧道。

高速鐵路作為一種客流量大、快捷、準時、節能、環保、連接大中城市間的主要交通工具，已逐步成為人們出行的首選。隨著我國經濟快速發展，全國跨江越海工程越來越多，然而迄今為止，我國尚未制定出一部全面、系統的隧道消防、施工的國家或行業工程建設標準，常規的防火設計方法無法滿足要求。通過對獅子洋隧道關鍵節點火災場景的設計，對相應場景下熱煙氣流動的CFD模擬分析，將該工程防火系統作為一個整體，統籌考慮該工程消防安全策略，對隧道的疏散救援系統、火災排煙系統、火災探測系統、消防滅火系統、應急照明和疏散指揮系統等進行了消防性能化的設計和安全評估，在此基礎上完成了該項目消防工程設計。

1 隧道工程主要技術標準

線路等級:客運專線;

設計速度:350 km/h;

正線數目:雙線;

正線線間距:5 m，水下段左右線線間距17 m，進出隧道兩端設置緩和曲線;

最小曲線半徑:7 000 m;

最大坡度:20‰;

主體結構安全等級:一級;

防水等級:一級;

隧道全長:左右線各長10.8 km，其中盾構段9.34 km，引道敞開段310 m，明挖暗埋段1.104 km，進出口工作井各長23 m;

牽引種類:電力;

設計使用年限:100年;

防洪標準:按100年一遇洪水位設計，300年一遇洪水位校核;

結構允許裂縫寬度:≤0.2 mm，不允許出現貫穿裂縫;

防火防災措施:縱向設置了貫通全線逃生通道，橫向設置了19處連接通道;在隧道最低點前后一定范圍設置消防救援點;

主體結構耐火極限:不低于3 h。

2 高速鐵路水下隧道火災類型及特點

高速鐵路水下隧道火災原因一般分為3類:機車車輛故障火災、電氣設備故障火災、人為事件火災。水下隧道具有地下空間的特殊性，其潛在的危險遠高于地面，造成的損失也將大大地高于地面，其火災的特點如下:(1)突發性強;(2)火災轉播速度快，列車在隧道中高速行駛，有很大的活塞風效應，火災時，風助火旺，迅速蔓延;(3)濃煙聚集不散，隧道空間相對封閉，斷面小，與外界連接通道少，列車發生火災時，隧道排煙困難，能見度低，容易造成人員窒息死亡;(4)安全疏散困難，隧道狹長，發生火災時，乘客逃生的途徑少，容許乘客逃生的時間短，易造成群死群傷;(5)救援困難，一旦發生火災，消防人員很難接近火源進行撲救。

3 主要消防方式的確定

滅火設施主要用于隧道內發生火災時，供司乘人員、隧道管理人員及消防人員撲救初期火災使用，應具有迅速、有效滅火功能，采用何種消防系統應根據預期火災的種類確定。高速鐵路水下隧道所發生的火災種類大致分為A、B、C、E四類，但高速鐵路作為客運專線，發生B、C類火災的可能性極小。針對A類火災可采用以水為滅火介質的消防系統和水型、泡沫、磷酸銨鹽干粉型滅火器系統。E類火災可采用以水為滅火介質的消防系統和干粉、二氧化碳型滅火器。可見，以水為滅火介質的消防系統可同時撲滅A、E類火災，這類消防系統主要有傳統的消火栓系統、水噴淋滅火系統、水噴霧系統、高壓細水霧系統。但高速鐵路采用電力機車牽引，傳統的消火栓系統不宜用于帶電物體的滅火。

水噴淋滅火系統以其安全可靠、經濟適用、滅火速度快、滅火成功率高等特點在地面建筑物滅火中廣泛使用，但對在高速鐵路水下隧道內使用水噴淋滅火系統是否有效，尚存在較大的爭議。高速鐵路越江隧道內的火災，通常發生在車輛的下部或車廂內，車輛行駛形成的活塞風使熱量和燃燒產物沿著隧道快速蔓延。安裝在隧道上部的噴頭向高溫火焰上噴水，難以壓制火焰，相反會使煙霧層向下移動并與空氣混合，使沿隧道頂棚的熱煙氣層降低并破壞煙氣分層，不但降低了能見度，同時還威脅到隧道中人員的人身安全，難以達到滅火效果。鑒于此，在獅子洋隧道工程中未采用此系統。

水噴霧滅火系統的滅火機理主要為表面冷卻、窒息、沖擊乳化和稀釋。從水霧噴頭噴出的霧狀水滴，粒徑細小，表面積很大，遇火后迅速汽化，帶走大量的熱量，使燃燒體表面溫度迅速降到燃點以下，達到冷卻目的;當霧狀水噴射到燃燒區遇熱汽化后，形成比原體積大1680倍的水蒸汽［1］，可使燃燒物質周圍空氣中氧含量降低，使燃燒因缺氧而熄滅。水噴霧系統對房建工程防火很有效，但應用于隧道滅火尚存在爭議。主要原因如下:(1)典型的火災通常發生在車輛下部或火車車廂內部，安裝在隧道頂部噴水難以達到滅火效果;(2)在火災開始和噴頭動作之間有一段延誤時間，在巨熱火焰上噴一層薄水霧，實質上壓不住火焰，反而產生大量過熱蒸汽，蒸汽比煙霧更有危害性;(3)隧道是狹長的，縱向有坡度，且是強制通風，又無防火分隔，因此熱量不會局限于著火點;(4)因熱氣層流沿著隧道頂部運動，噴頭動作可能不會固定在火焰上，如此大量的動作噴頭將遠離火場，產生冷卻效果，致使煙霧下降，影響逃生及消防人員視線，鑒于此，在目前狀態下暫不推薦。

高壓細水霧滅火系統具有安全可靠、環保、高效、節水、適用范圍廣，具有良好的除煙、防毒和降溫作用，是建筑工程、交通工程等消防與防災技術的發展方向。細水霧的滅火機理如下:(1)冷卻。粒徑越小，霧滴表面積越大，吸熱作用和效率越高。細水滴在受熱后易于汽化，在氣、液相態變化過程中從燃燒物質的表面或火災區域吸收大量的熱量。物體表面的溫度迅速下降后，使熱分解中斷，燃燒終止。(2)窒息。霧滴在受熱后汽化形成原體積1 700倍的水蒸汽，最大限度地排斥火場的空氣，使燃燒物周圍的氧含量降低，燃燒即因缺氧而熄滅［2］。(3)熱輻射阻隔。細水霧噴入火場后，形成水蒸氣迅速將燃燒物、火焰和煙羽籠罩，對火焰的輻射熱具有極佳的阻隔能力，能有效抑制輻射熱引燃周圍的其他物品，達到防止火焰蔓延的效果。(4)浸濕作用。顆粒大沖量大的霧滴會沖擊到燃燒物表面，從而使燃燒物得到浸濕，阻止固體揮發可燃氣體的進一步產生。另外系統還可以充分將火災位置以外的燃燒物浸濕，從而抑制火災的蔓延和發展。除以上作用之外，細水霧還具有乳化作用，同時細小霧滴的電氣絕緣度也很高。細水霧是目前比較先進的滅火技術，具有使用廉價的水作為滅火劑，水漬損失小，對環境、保護對象均無損害和污染，滅火范圍廣，電氣絕緣性好，可有效撲救帶電設備火災和低閃點的液火災;有良好的除煙、防毒與降溫作用，能降低司乘人員逃生路徑上有毒煙氣的濃度，提高能見度，減小煙粒對人體的損傷，有利于人員安全疏散和消防員的滅火救援工作，增強人員的維生條件和逃生能力，對保障隧道司乘人員安全疏散具有重要的作用。更重要的是實現了多種滅火效應(燃料冷卻、煙氣冷卻、輻射衰減、惰化作用)的組合，達到了高效、快速滅火的目的。同時由于一次滅火用水量僅為水噴淋的1%，大大減輕了廢水泵房負荷，節省廢水泵房運營費用。高壓細水霧用于地鐵、隧道重要場所的保護在國際上已得到普遍認可和應用，它代表著隧道消防與防災技術的發展方向，因此在獅子洋隧道工程中推薦采用。

同時，因隧道配套要求，隧道內部分連接通道設有通信、信號、電力等設備，這些設備易發生E類火災，所以在這些連接通道內增設感溫型懸掛式脈沖自動超細干粉滅火裝置。另外，手提式干粉滅火器快速撲滅火源是消除火警的最好辦法，是撲滅初期火災的重要工具。滅火器因其操作簡單，對小規模火災能起到一定的滅火作用。按《建筑滅火器配置設計規范》(GB50140—2005)同時設置干粉滅火器系統。

綜上所述，本工程同時設置了3個消防子系統，即高壓細水霧消火栓系統、感溫型懸掛式脈沖自動超細干粉滅火系統和滅火器系統。

4 主要設計原則及主要設計參數

4.1 主要設計原則

(1)隧道消防用水接用城鎮自來水，消防用水二次加壓;

(2)隧道消防采用定點消防，在隧道消防救援點設置高壓細水霧消火栓系統;

(3)在安裝有設備的連接通道內設感溫型懸掛式脈沖自動超細干粉滅火系統，在連接通道及設備間內設置手提式滅火器。

4.2 主要設計參數

隧道消防救援點的范圍為隧道最低點前后300 m，救援防護區的消防設計流量按同時開啟3只噴槍的流量之和計算，系統持續噴霧時間2 h，最不利點工作壓力不低于10 MPa。

噴槍設計參數K=3.2，q=32 L/min，噴槍安裝間距25 m。高壓細水霧滅火系統補水壓力不低于0.2 MPa，且不大于 0.6 MPa。

5 消防系統的設計

本工程消防系統包括:高壓細水霧消火栓系統、自動滅火系統和滅火器系統。

鑒于本工程隧道較長、隧道空間相對有限、列車速度快、與地面連接出入口較少、救援不利等特點，在隧道最低點前后300 m范圍設置救災防護區，在救災防護區設高壓細水霧消火栓系統進行保護，即使列車出現災情失去動力，也可憑自重滑行到救災防護區。

針對本工程通風、通信、電力等設備連接通道設置火災自動滅火裝置。對本工程其他連接通道配置干粉滅火器。

隧道消防用水從東莞沙田水廠引出1根DN100給水管至隧道出口的消防水箱和用戶。

5.1 高壓細水霧消火栓系統

5.1.1 系統組成

高壓細水霧消火栓系統由高壓細水霧泵組、噴槍、管道以及火災報警系統組成。

高壓細水霧泵組主要由主泵、穩壓泵、控制柜、調節水箱(含液位顯示及控制柜)、水箱進水過濾器、補水電磁閥、安全泄壓閥、壓力傳感器、閥件、機架及連接管道組成。

高壓細水霧消火栓主要由高壓手動球閥、細水霧噴槍、耐振徑向壓力表等組成。

5.1.2 系統布置

高壓細水霧泵組設在隧道13號橫通道內，補水泵水箱設在右線13號聯絡通道附近的救援通道旁。高壓細水霧消火栓系統見圖1。

5.1.3 工藝計算

(1)設計流量

1節車廂長26.5 m，噴槍安裝間距25 m，最不利情況為1節車廂滅火，其相鄰2節車廂同時采取降溫滅火，即3組噴頭同時啟動，噴槍的流量按下式計算

式中，k為噴槍的流量系數，k=3.2;P為噴槍的工作壓力，P=10 MPa。

將k，P值代入上述公式則

系統的計算流量Qj=

系統設計流量Qs=K×Qj=1.1×32×3=105.6 L/min=6.34 m3/h，K為安全系數。

(2)設計揚程

高壓細水霧干管為DN25不銹鋼無縫鋼管，采用環狀布置，按最不利枝狀管網計算。消防管水頭損失根據管段的流量不同，采用Darcy-Weidbach(達西-魏斯巴赫)公式分段計算。

沿程水頭損失計算公式

圖1 高壓細水霧消火栓系統(單位:m)

局部水頭損失按沿程水頭損失的10%計，管網的水力計算見表1。

表1 消防管道水力計算

管網的水力計算簡圖見圖2。

圖2 高壓細水霧消火栓系統水力計算簡圖

為保證消防系統安全運行，在高壓細水霧泵組前設增壓補水泵，向泵組調節水箱供水，增壓補水泵前設12 m3增壓水箱供增壓泵吸水。泵組成套設備帶有3 m3調節水箱，設于泵組上方，供泵組吸水。增壓水箱、調節水箱安裝高度分別為1 m和1.5 m，消火栓箱安裝高度為1 m，泵房內的水頭損失按1 m H2O計，噴槍處的壓力≥10 MPa，則高壓細水霧消防泵組的揚程H≥－1.5+1+1+100+36.874=137.374 bar≈13.73 MPa。

(3)泵組選型

高壓細水霧泵組中的主泵采用立式不銹鋼高壓柱塞泵，單泵性能參數為:Q=6.72 m3/h，H=14 MPa，N=33 kW;穩壓泵 2臺，單泵性能參數為:Q=11.82 L/min，H=1.4 MPa，N=0.55 kW。

(4)主要設施

泵組含高壓細水霧泵和穩壓泵各2臺。通道內設增壓補水泵2臺，單泵性能參數為:Q=12 m3/h，H=40 m，N=3 kW。水泵均為1主1備。

出口工作井上部設15 m3消防水箱，采用2條DN65管道與增壓水箱相連，增壓水箱和調節水箱通過2臺增壓泵和管道相連，滿足2 h的消防水量要求。

左右兩孔隧道各設有高壓細水霧干管，在防護區內連成環狀，消防干管每隔50 m設球閥1個，最高處設排氣閥。由液位控制器實現對水箱自動補水;安全泄閥調節泵組的出口壓力。

高壓細水霧消防泵房布置見圖3。

(5)管材

除隧道內增壓水箱至消火栓箱間的管道均采用不銹鋼無縫鋼管，卡套連接。其余給水管及消防管采用鋼絲網骨架塑料(聚乙烯)復合管，熱熔連接。隧道內的消防干管沿救援通道中的管溝鋪設。

(6)系統控制方式

系統分手動控制和應急操作2種控制方式。

手動控制:當現場人員確認火災，可按消火栓箱內的手動按鈕，啟動系統滅火。

機械應急操作:當自動控制與手動控制失靈時，通過操作區域控制閥的手柄，打開控制閥，啟動系統滅火。

5.2 自動滅火裝置

鑒于懸掛式脈沖自動超細干粉滅火裝置是一種通用、先進、高效、環保、經濟的滅火裝置，能用于非密封空間，造價低、安裝維修方便。當環境溫度上升時，能瞬時自動啟動，釋放滅火劑，在較短時間內把火滅掉。所以，在放置通信、信號、電力設備的聯絡通道內增設懸掛式脈沖自動超細干粉滅火裝置。

圖3 高壓細水霧消防泵房布置(單位:mm)

5.3 滅火器系統

為防止隧道內可能發生的A、B、E類火災，在進、出口雨水泵房、江中廢水泵房、工作井廢水泵房、消防泵房、每孔隧道救援通道側以及通信、信號、電力設備的聯絡通道內各設2具手提式滅火器箱，箱內設MFZL6型磷酸銨鹽干粉滅火器2具，在變電所內各設4具手提式滅火器箱，箱內含MF/ABC4砱酸銨鹽干粉滅火器，以撲滅初期火災。同時在隧道進、出口附近各配滅火防護服和背負式空氣呼吸器10具。

6 中央信息監控管理系統

獅子洋隧道監控中心設在進口廣州側，系統包括中央信息監控管理計算機系統、信號安全監控系統和防災報警系統。以中央信息監控管理計算機系統(簡稱中央計算機系統)為中心，對信號安全監控、防災報警、照明、通風、消防、集排水、通信等系統進行集中統一控制管理，使整個隧道的運營及使用有序、安全、高效。

在監控中心監控室設置防災顯示屏，可顯示出上、下行列車所處的位置以及該段的風速、風向、涌水量、煙霧量、列車是否發生火災等情況。

(1)火災監測與消防。整個隧道內均為火災報警監測區，每隔一定距離設置列車火災監測設備，可以檢測出通過隧道的每趟列車是否發生了火災，經列車熱敏傳感監視屏，還可得知列車的具體火災部位。

(2)煙霧監測報警。設置在隧道內壁，隧道內空氣中一旦有過量煙霧發生，該設備馬上確定煙霧發生位置，并迅速報請控制中心發出處置指令。

(3)風速、風向的監測報警。當風速、風向發生變化時，通過風速風向儀檢測，并根據情況由控制中心進行通風處理。

(4)涌水量監測和集排水控制。(5)地震監測儀。

7 結語

人類在享受高速鐵路帶來的快捷、準時、方便的同時，也一直為高速鐵路尤其是長距離水下隧道火災事故造成的大量人員、財產損失而擔心煩惱，獅子洋隧道是中國鐵路隧道從“穿江”向“越洋”跨越的標志性工程，也是一個復雜的系統性工程，作為鐵路運輸咽喉要道的防災防火技術至為關鍵。為了確保隧道安全運營，考慮到獅子洋隧道的特點，對獅子洋隧道的防災防火系統進行了性能化設計和安全評估，根據隧道的位置及連接通道的作用不同在隧道中設有3個消防系統，即在隧道最低點防護區內設置高效、節水、環保的高壓細水霧消火栓系統;在裝有設備的連接通道內設感溫型懸掛式脈沖自動超細干粉滅火系統，在連接通道內設置手提式滅火器。這些消防系統的設置，為獅子洋隧道的安全運營提供科學合理的保證，希望為類似工程設計提供借鑒。

［1］中華人民共和國公安部.GB50219—95 水噴霧滅火系統設計規范［S］.北京:中國計劃出版社，1995.

［2］湖北省公安廳消防局.DB42/282—2004 細水霧滅火系統設計、施工及驗收規范［S］.武漢:湖北省公安廳消防局，2004.

［3］中華人民共和國公安部.GB50015—2006 建筑設計防火規范［S］.北京:中國計劃出版社，2006.

［4］中華人民共和國公安部.GB50140—2005 建筑滅火器配置設計規范［S］.北京:中國計劃出版社，2005.

［5］中華人民共和國鐵道部.TB10063—2007 鐵路工程設計防火規范［S］.北京:中國鐵道出版社，2007.

［6］中華人民共和國鐵道部.TB10020—2009 高速鐵路設計規范(試行)［S］.北京:中國鐵道出版社，2009.

［7］北京城建設計研究總院.GB50157—2003 地鐵設計規范［S］.北京:中國計劃出版社，2003.

［8］任澤春.地鐵火災消防［M］.北京:中國建筑工業出版社，2011.

［9］建研防火設計性能化評估中心有限公司.廣深港客運專線獅子洋隧道工程消防性能化設計評估報告［R］.北京:建研防火設計性能化評估中心有限公司，2010.

［10］上海泰孚建筑安全咨詢有限公司.廣深港客運專線獅子洋隧道工程消防性能化設計復核評估報告［R］.上海:上海泰孚建筑安全咨詢有限公司，2010.

［11］石磊，謝曉晴.城市水下長隧道的消防水系統設計探討［J］.中國給水排水，2010，26(4):42-48.

［12］叢北華，費波，錢宗秋.高壓細水霧滅火系統在地鐵防災中的應用［J］.給水排水，2011，37(7):85-88.