大直徑公軌兩用越江隧道消防設計技術創(chuàng)新

林亞楠,鐘運瑩

(中鐵第四勘察設計院集團有限公司,武漢 430063)

隨著我國社會經濟的高速發(fā)展，以及地面交通用地限制，地下交通系統(tǒng)漸漸成為緩解城市交通壓力的一種有效措施，它具有運輸容量大、準時高效、空間利用率高等特點[1]。武漢三陽路公軌兩用越江盾構隧道屬于武漢市軌道交通7號線一期工程第八標段，2010年開始前期研究，2013年12月開工建設，是世界上首座城市道路與地鐵共結構合建的盾構隧道。水下公軌兩用隧道的消防設計直接影響隧道的正常使用和安全運營，但目前國內尚未制定有關水下公軌兩用隧道防火設計規(guī)范，各項消防設計參數(shù)的確定十分困難，國內外基本無參照的數(shù)據(jù)。以武漢三陽路越江隧道為依托，重點介紹消防系統(tǒng)設計，以期為今后類似工程提供參考。

1 工程概況

武漢三陽路越江隧道是我國首條公軌兩用的過江隧道，過江盾構段全長2 590 m，線路起自漢口澳門路，斜穿長江接入武昌秦園路。隧道為雙孔圓形結構，外徑為15.2 m，分上下兩層，隧道上層為單向三車道公路，下層為地鐵。隧道斷面如圖1所示[2]。

圖1 武漢三陽路越江隧道斷面

隧道結構安全等級為一級，防水等級為二級，防洪水位按百年一遇設計，承重結構體的耐火極限為2 h，主體工程設計使用年限100年。

2 消防方式的確定

2.1 越江隧道火災類型及特點

三陽路越江隧道比較特殊，公軌兩用，火災以A、B類最為常見[3]。

(1)隧道長度、斷面、交通量、車型、車載可燃發(fā)展蔓延規(guī)律具有多樣性和不確定性。

(2)隧道的相對封閉性，隧道發(fā)生火災時，由于新鮮空氣供給不足，氣體交換不充分，產生不完全燃燒反應，導致CO等有毒有害氣體的大量產生，不僅降低了隧道內的能見度，同時加大了疏散人群窒息的可能性。

(3)隧道內熱交換十分困難，排煙排熱差。發(fā)生火災時煙氣聚集在隧道內，無法擴散，使溫度驟升，較早出現(xiàn)“爆燃”，煙氣形成的高溫氣流會對人體產生巨大的影響。

(4)隧道狹長，逃生徑路少，火情探測和救援困難。再加上地下工程對通訊設施的干擾較大，救援人員與指揮人員通訊聯(lián)絡困難。

(5)人員疏散困難。隧道橫斷面小，道路狹窄，加之人員的逃生方向與煙氣的自然擴散方向一致，煙的擴散速度一般比人步行快，所以人員疏散很困難。

(6)隧道消防設計需同時兼顧公路和軌道交通。

鑒于以上水下隧道火災特點，初期火災應以自救為主，配置有效的固定消防設施。

2.2 消防系統(tǒng)的確定

目前城市隧道消防系統(tǒng)主要包括：水消防系統(tǒng)、氣體消防系統(tǒng)、泡沫滅火系統(tǒng)。水消防系統(tǒng)主要包括消火栓給水系統(tǒng)和自動噴水滅火系統(tǒng)。

(1)消火栓系統(tǒng)

消火栓系統(tǒng)是一種成熟、可靠的滅火系統(tǒng)，滅火機理主要是水的冷卻作用、窒息作用、沖擊作用和稀釋作用，可在隧道火災初期滅火及控制火災的蔓延，能夠撲滅多種類型火災。

消火栓可沿隧道旁布置，其給水管徑不小于100 mm，設置間距一般為45～50 m，出水量應以20～30 L/s為宜，每個消火栓箱內應設置水帶40～50 m，φ65 mm的接口2個，φ19 mm的多功能水槍2支。

(2)自動噴水滅火系統(tǒng)

自動噴水滅火系統(tǒng)，是當今世界上公認的最為有效的自救滅火設施，是應用最廣泛的自動滅火系統(tǒng)，按噴頭的開啟形式可分為閉式噴頭系統(tǒng)和開式噴頭系統(tǒng)?？紤]到隧道火災發(fā)生時人員疏散時間和自動滅火系統(tǒng)誤動作對隧道交通的影響以及火災具體區(qū)域確認需要一個過程，故隧道消防不采用閉式噴頭的自動噴水滅火系統(tǒng)。水噴霧滅火系統(tǒng)被常用于地鐵、隧道等重要場所，在國際上得到普遍認可和應用，它的滅火機理主要為表面冷卻，窒息，沖擊乳化和稀釋等。

(3)泡沫滅火系統(tǒng)

根據(jù)泡沫滅火劑溶液發(fā)泡倍數(shù)的大小，泡沫滅火劑可以分為低倍數(shù)、中倍數(shù)和高倍數(shù)3種。發(fā)泡倍數(shù)在20倍以下稱為低倍數(shù)；21～200倍的為中倍數(shù)；201～1 000倍以上的為高倍數(shù)。低倍數(shù)泡沫的主要滅火機理是通過泡沫的遮斷作用，將燃燒液體與空氣隔離實現(xiàn)滅火。高倍數(shù)泡沫的主要滅火機理是通過密集狀態(tài)的大量高倍數(shù)泡沫封閉火災區(qū)域，以阻斷新空氣的流入達到窒息滅火。因人淹沒于含有大量煙氣的高倍泡沫中，會迷失方向而無法逃生的可能性很大，故隧道常采用低倍泡沫與水噴霧組合聯(lián)用的滅火系統(tǒng)。

泡沫-水噴霧滅火系統(tǒng)是在水噴霧滅火系統(tǒng)基礎上增加了泡沫液管網、泡沫比例混合器、供泡沫液設備和泡沫液灌等組成。泡沫系統(tǒng)和水噴霧系統(tǒng)相互獨立[4]，設有各自的消防加壓及管道系統(tǒng)，在雨淋報警閥后管道和噴頭可共用，通過泡沫比例混合器將泡沫滅火劑與水按比例混合成泡沫混合液，經噴頭施放泡沫到著火對象上實施滅火。前期噴泡沫滅火，后期噴水冷卻防止復燃。

(4)滅火器系統(tǒng)

滅火器的種類很多，按其移動方式可分為：手提式和推車式；按驅動滅火劑的動力來源可分為：儲氣瓶式、儲壓式、化學反應式；按所充裝的滅火劑則又可分為：泡沫、干粉、鹵代烷、二氧化碳、酸堿、清水等。

隧道內發(fā)生A類、B類、C類火災和電器火災的可能性都存在[5]，應選擇適用于撲救A、B、C類火災的滅火器。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，對火災種類復雜的隧道特別適用。

綜上所述，三陽路公軌兩用越江隧道消防系統(tǒng)分為公路和軌道交通兩個單獨的系統(tǒng)。公路消防采用消火栓系統(tǒng)、泡沫-水噴霧滅火系統(tǒng)、滅火器系統(tǒng)聯(lián)用的方式，并配備氣體滅火系統(tǒng)[6]；軌道交通消防采用消火栓系統(tǒng)和滅火器聯(lián)用的方式。

3 消防系統(tǒng)的設計

3.1 消火栓系統(tǒng)

3.1.1 設計原則

(1)在隧道盾構段及暗埋、敞開段設消火栓滅火系統(tǒng)，隧道出入口處應設置消防水泵接合器和室外消火栓[7-8]。

(2)上層公路隧道發(fā)生火災時，應保證4股充實水柱能夠到達；下層軌道交通隧道發(fā)生火災時，應保證2股充實水柱能夠到達。

(3)管道內的消防供水壓力應保證用水量達到最大時，最低壓力不應小于0.3 MPa，但當消火栓栓口處的出水壓力超過0.70 MPa時，應設置減壓設施。

(4)消火栓的間距不應大于50 m，且雙面間隔設置。

(5)上層公路隧道內消火栓設計用水量為20 L/s，火災延續(xù)時間按3 h；公路隧道洞口消火栓設計用水量30 L/s，火災延續(xù)時間2 h。下層軌道交通隧道內消火栓設計用水量為10 L/s，火災延續(xù)時間按3 h。

(6)隧道內最不利點消火栓設計水壓均按φ19 mm口徑水槍充實水柱不小于10 m計算。

3.1.2 公路隧道系統(tǒng)設置

主線公路隧道沿每孔隧道行車方向布置DN150消火栓消防管道，與隧道兩端處消防泵房的2根DN150出水管相連，全線貫通，以形成環(huán)狀管網。匝道內的消防枝狀管從主線隧道消火栓管上就近接管[9]。

在隧道內及隧道敞開段設置消火栓箱，單側布置，間距50 m，每只消火栓箱內設SN65消火栓2支，φ65 mm×25 m水龍帶2盤，φ19 mm多功能水槍2支，并設能直接啟動消火栓泵的啟動按鈕。在隧道洞口處設消火栓，并設置消防水泵接合器。

在消火栓管上每隔5組消火栓箱設1個檢修閥門，并在管段最高點設排氣閥；為保證消火栓出口壓力在0.3～0.5 MPa范圍內，在隧道最低點設置減壓閥。

隧道內的消火栓管采用內外熱鍍鋅鋼管，直管段采用焊接或卡箍連接，與閥門的連接、彎頭及三通處采用PN1.0 MPa的法蘭連接；隧道外埋地的消火栓管采用K9球墨鑄鐵管，橡膠圈接口[10]。

隧道水消防的水源采用武漢市城市自來水，消防泵房內設置消防泵2臺(1用1備)，單泵流量20 L/s。并且配備1套帶穩(wěn)壓泵及穩(wěn)壓罐的穩(wěn)壓系統(tǒng)以供消火栓泵組使用。

3.1.3 軌道交通隧道系統(tǒng)設置

軌道交通隧道引入1根DN150消火栓給水干管，沿行車方向右側布置，每隔50 m設置消火栓口。區(qū)間不設置消火栓箱，但水龍帶和水槍應放在鄰近車站站臺端部專用消火栓箱內[11]。

三陽路站至武昌風井的區(qū)間由三陽路站消防泵組負責加壓穩(wěn)壓，并在武昌風井和漢口風井處設置連通管，形成環(huán)狀管網。徐家棚站至武昌風井的區(qū)間由徐家棚站消防泵組負責加壓穩(wěn)壓，并在武昌風井處設置連通管，形成環(huán)狀管網。在進入區(qū)間的消防管道上安裝手電動兩用蝶閥，并安裝水流指示器。下層軌道交通隧道消防分區(qū)范圍如圖2所示。

圖2 三陽路軌道交通越江隧道消防分區(qū)范圍

3.2 泡沫-水噴霧自動滅火系統(tǒng)

泡沫-水噴霧自動滅火系統(tǒng)應用于上層公路隧道內。

3.2.1 設計原則

(1)在公路隧道盾構段及暗埋段設泡沫-水噴霧自動滅火系統(tǒng)，由噴頭、泡沫比例混合器、雨淋閥組、水噴霧泵、泡沫泵及泡沫罐、水噴霧管、泡沫液管等組成[12-13]，采用比例為3%的水成膜泡沫液作為滅火劑。

(2)泡沫液噴射強度6.5 L/min·m，作用時間30 min，水噴霧作用時間2 h[14]。

(3)噴頭工作壓力0.35 MPa，單個噴頭流量250 L/min。

(4)沿上層公路隧道縱向每25 m設1個滅火分區(qū)，按消防時相鄰兩個滅火分區(qū)的噴頭同時作用設計，設計流量90 L/s。

3.2.2 系統(tǒng)設置

公路隧道主通道設2條DN250水噴霧管和2條DN70泡沫液管，互相連通以形成環(huán)狀管網。各匝道設1條DN250水噴霧管和1條DN70泡沫液管。每個滅火分區(qū)設1套隧道專用泡沫噴霧控制閥組，每套控制閥組含雨淋閥、泡沫比例混合器及配套閥門。

噴頭采用SZT86-48-120型隧道專用水成膜泡沫噴頭。上層公路隧道為雙車道時，噴頭沿隧道的單側布置，布置間距5 m，沿隧道縱向25 m設1個滅火分區(qū)，每個滅火分區(qū)設1排共5個噴頭；隧道為3車道或以上時，噴頭沿隧道的雙側布置，布置間距5 m，沿隧道縱向25 m設1個滅火分區(qū)，每個滅火分區(qū)設2排共10個噴頭；匝道為雙車道，噴頭沿隧道單側布置，布置間距4.17 m，25 m設1個滅火分區(qū)，每個滅火分區(qū)設1排共6個噴頭[15]。

隧道內的水噴霧管采用內外熱鍍鋅鋼管，直管段采用焊接或卡箍連接，與閥門的連接、彎頭及三通處采用PN1.6 MPa的法蘭連接；隧道外埋地的水噴霧管采用K9球墨鑄鐵管，橡膠圈接口；泡沫管和泡沫混合液管采用304不銹鋼管，管徑≥DN100采用焊接或法蘭連接，小于DN100采用螺紋連接[16]。

消防泵房內設水噴霧泵2臺(1用1備)，單泵流量90 L/s。泡沫消防泵2臺(1用1備)，單泵3 L/s。各配1套穩(wěn)壓系統(tǒng)。設2座泡沫液罐，單座泡沫罐容積不小于2 m3。

3.3 滅火器

在隧道暗埋段和敞開段布置滅火器箱。滅火器的配置基準取1 m2/B，每具滅火器最小配置滅火級別取55B[17]。

滅火器箱沿公路隧道的雙側布置，間距25 m；匝道滅火器箱沿道路單側布置，間距25 m；在軌道交通隧道下層的疏散通道內每間隔25 m設置掛壁式滅火器箱1組。每個滅火器箱內設4具5 kg磷酸鹽干粉滅火器。

3.4 設備用房滅火系統(tǒng)

隧道工作井內的變電所、配電間、EPS室、弱電設備室等電氣設備房間設置柜式七氟丙烷自動滅火裝置[18]。

在進行消防驗收時，消防部門提出工作井內及走廊區(qū)域應設置火災自動報警系統(tǒng)和自動滅火系統(tǒng)。因此，將三陽路風塔配套開發(fā)項目地下區(qū)域火災報警系統(tǒng)和自動滅火系統(tǒng)引入本工作井區(qū)域，流量為30 L/s，P≥0.5 MPa。

3.5 火災自動報警系統(tǒng)

在隧道管理用房和各變電所內分別設置1臺火災報警控制器，控制器之間通過光纖構成環(huán)網。

隧道內采用火災報警綜合盤和分布式感溫光纖兩種報警設備，保證無探測盲區(qū)。雙波長火災探測器和手動報警按鈕以50 m范圍設置1組，隧道兩側交替布置，其中雙波長火災探測器和手動報警按鈕采用分離式安裝方式，手動報警按鈕安裝于火警手報控制箱內。另外在行車方向右側每隔50 m設置1只聲光報警器，與相應火警手報控制箱同樁號設置。隧道入口前方龍門架上設置指示隧道內發(fā)生火災的聲光警報裝置。

分布式光纖探測器在隧道頂部和兩側電纜橋架上以直線方式敷設；配電房等設備用房以感煙、感溫探測器密布探測方式設置。

消防控制室內設置向消防部門報警的直線電話。配電房、風機房等相關用房設置消防專用電話。

4 結語

隨著我國城市交通的日益發(fā)展，我國已經成為世界上交通隧道最多的國家，伴隨而來的交通隧道火災發(fā)生頻率逐年上升，容易造成重大的人員傷亡和經濟損失，如何能在設計階段可以合理解決隧道的消防問題是值得探討和研究的[19-20]。

武漢三陽路隧道作為世界上首座城市道路與地鐵共結構合建的盾構隧道，消防設計時兼顧了公路隧道和軌道交通隧道的消防要求，并加強了對工作井內消防的重視。目前，國內與水下過江隧道、公軌兩用隧道相配套的消防技術規(guī)范及標準并未形成完善的系統(tǒng)，三陽路大直徑公軌兩用越江盾構隧道的消防設計對以后類似工程具有重要的指導意義。