太行山特長隧道消防供水系統設計

武瑞兵

（山西省交通規劃勘察設計院有限公司，山西 太原 030032）

1 工程概況

擬建項目昔陽（晉冀界）至榆次高速公路，是《山西省高速公路網調整規劃》中“三縱十二橫十二環”中第七橫的重要一段，位于山西省中部地區，項目向東通往河北省衡水市，西接榆祁高速榆次段，路線方案中有一座長度約13.931 km 的特長隧道穿越太行山山脈，太行山特長隧道作為本條高速公路的特大控制性工程，保證其安全可靠運營至關重要，而消防供水系統的設計是隧道附屬工程設計的關鍵。

太行山隧道為雙洞單向交通特長單坡隧道，隧道右線長13 931 m，坡度1.9%（12 240 m）和坡度1.1%（1 691 m），起迄樁號為-K3+735—K10+196；隧道左線長13 920 m，坡度-1.9%（1 2215 m）和坡度-1.16%（1 705 m），起迄樁號為-ZK3+725—ZK10+195。為滿足隧道救援和逃生需要，在隧道內共設置有55 處人行橫洞和18 處車行橫洞。隧道水消防系統組成：根據《公路隧道設計規范 第二冊 交通工程與附屬設施》（JTG D70/2—2014），隧道消防系統由洞內滅火設施和洞內、外供水系統組成。洞內滅火設施包括：化學滅火器、消火栓、水成膜泡沫滅火裝置等。洞內、外供水系統包括消防水源、低位蓄水池、水泵房、高位水池、上山管道、下山管道、電伴熱保溫加熱系統等[1]。

2 設計難點

2.1 隧道供水系統方案

2.1.1 洞外消防給水方案

根據《公路隧道設計規范 第二冊 交通工程與附屬設施》（JTG D70/2—2014）規范，隧道消防給水宜采用高位消防水池供水的常高壓供水系統。當無條件設置高位水池時，可采用穩高壓供水系統。本項目太行山隧道出口山西側山體坡度較緩，地形具備建設高位水池條件，且太行山隧道出口與另一隧道相距201 m，構成了連續性隧道群，適合在該處設置消防供水，最終確定洞外消防給水擬采用常高壓供水方案。隧道消防用水量應按發生一次火災的滅火用水量計算，長度超過3 km 的隧道火災延續時間按照4 h 計算，隧道內消火栓一次滅火用水量按20 L/s 計算，經計算隧道內消火栓、水成膜系統的一次消防滅火用水量288 m3，洞外消防水池確定選用500 m3高位水池。

2.1.2 管網超壓問題

太行山隧道為單坡隧道，隧道兩端洞口路面的高差約251 m，假設隧道按照一個供水分區考慮，洞內管道一個環網，高位水池池底與洞口最不利點高差假設取45 m，由高位水池重力加壓供給環網。按照洞內供水干管為DN200，隧道最不利點供水壓力為0.4 MPa 計算，隧道最遠點的靜水壓力達到2.9 MPa，供水動壓達到2.35 MPa。消防干管的公稱壓力一般為1.6 MPa、2.5 MPa，按照隧道不分區的供水方案，其供水靜壓、動壓均遠遠超過了常規鋼管的公稱壓力，如再使用公稱壓力更高的管道既不經濟也容易造成管道漏損甚至爆管等事故，且消火栓出水壓力過高，滅火時難以把控操作，甚至會誤傷到消防人員。

2.2 地上式高位水池的防凍保溫問題

高位水池保溫常規做法為埋地覆土方式，該方案結構穩定性好、保溫簡單可靠，不需要增設電伴熱系統，運營成本低，設計方案是依據國家建筑標準設計圖集《矩形鋼筋混凝土蓄水池》圖集號05S804 進行施工，其適用條件為埋置深度在地面以下≥2 m 的蓄水池。但是太行山隧道高位水池受現場地形地質限制，不具備深埋條件，無法采用傳統的深挖覆土回填的防凍保溫方案，因此擬采用地上式澆筑施工方案，如何對地上式鋼筋混凝土高位水池進行保溫是一個設計難點。

3 太行山隧道水消防系統設計總體方案

根據《消防給水及消火栓系統技術規范》（GB50974—2014）第6.2.2 條，當系統的工作壓力大于2.4 MPa 時，應采用消防水泵串聯或減壓水箱分區供水形式。考慮到隧道兩端的高差達到251 m，故先利用隧道縱坡所產生的高差重力供水，在洞內適當位置設置減壓水箱或減壓閥進行再次分區，分區目標是保證管網供水壓力維持在0.35～0.8 MPa 之間。分區方案為共設7 個供水分區，由1 個洞外常高壓、2 個橫洞泵站穩高壓、4 個減壓閥組實現。供水系統方案見圖1。（1）洞外常高壓。距洞外高差約56 m 處設置一座500 m3的高位水池，用于隧道5.296 km 段（樁號K10+196—K4+900）的消防用水；（2）2#橫洞泵站穩高壓。在洞內K4+900 處設置2#橫洞泵站，放置一座400 m3的消防水箱及加壓泵組（加壓泵組用于保證本分區最不利點處壓力不小于0.35 MPa），其出水供給隧道4.214 km 段（樁號K4+900—K0+686）的消防用水；（3）1#橫洞泵站穩高壓。在洞內K0+686 處設置1#橫洞泵站，放置一座400 m3的消防水箱及加壓泵組，其出水供給隧道4.421 km 段（樁號K0+686—（-K3+735））的消防用水；（4）根據規范要求，消防水槍充實水柱應不小于10 m，消火栓支管處的最小動壓應不低于0.25 MPa，隧道內水成膜泡沫滅火系統最小動壓應不低于0.35 MPa，綜合各種設施壓力要求，需在3 個大分區段內再減壓分區，增設減壓閥，保證分區管網供水壓力應維持在0.35～0.8 MPa 之間，減壓閥設置位置分別為-K1+525、K2+896、K6+673、K8+199，隧道消防管網水壓見圖2。

圖1 太行山特長隧道供水系統方案

隧道外常高壓供水系統由消防水源、高位水池和供水管網組成。隧道消防水源由深井泵房、500 m3鋼筋混凝土低位蓄水池、消防補水泵房及補水管網組成，低位水池和消防補水泵房負責給高位水池補水，保證48 h 內能給高位水池注滿水，低位水池自身補水由深井泵房實現。隧道內穩高壓供水系統由400 m3不銹鋼復合消防水箱及加壓泵組構成，加壓泵組包括消防主泵兩臺，消防氣壓給水裝置一套，消防氣壓給水裝置由2 臺穩壓泵+1臺立式隔膜式氣壓罐組成，平時由消防氣壓給水裝置保壓運行，供給隧道消防干管足夠的水壓，發生火災時，消防主泵啟動，供給所在隧道分區內水量和水壓[2]。

（1）消防泵設計參數。設計流量20 L/s，揚程40 m，在滿足消防滅火設施用水量需求的同時保證最不利點消防設施動壓不小于0.35 MPa。（2）消防氣壓給水裝置設計參數。穩壓泵設計流量3 L/s、揚程40 m，氣壓罐選用立式隔膜式罐。氣壓罐總容積1 400 L。消防水箱的補水由上游消防管網實現。

4 地上式高位水池的防凍保溫設計

隧址區年平均氣溫9.3 ℃，一月份最冷，平均氣溫-6.2 ℃，最低曾降至-23.9 ℃，小氣候較多。高位水池保溫采用了一種膠黏劑+外貼XPS（擠塑聚苯板）保溫板+抹面砂漿+復合玻纖網格布+鍍鋅鐵絲網+飾面砂漿施工工藝法進行保溫，具有施工簡單、保溫可靠、運營成本低的特點，總體設計見圖3。保溫板采用膠黏劑固定在基層上，并使用M10 加長螺桿垂直于壁面輔助固定，保溫板與基層墻體的有效粘貼面積不得小于保溫板面積的40%，膠粘劑厚度 |15 mm。抹面層采用抹面膠漿復合玻纖網格布（加強型增設一層耐堿玻纖網格布），抹面層刷兩遍抗裂砂漿，抹面層厚度10 mm，在抹面層增設鍍鋅鋼絲網防護。飾面層采用飾面砂漿涂刷，厚度10 mm。整體設置抗裂伸縮縫，管孔、洞口四角處保溫板不得拼接，應采用整塊保溫板切割成形。水池在外保溫實施完畢之后，在水池頂部及側壁和頂部銜接處、管孔窗的凸凹接合處用防水卷材捆綁或錨固并做好防水，以避免夏季雨水、冬季冰融雪滲水侵入保溫層加速保溫老化。

圖3 隧道高位水池保溫設計方案/mm

XPS 保溫板參數為導熱系數0.036 W/（m·K），蓄熱系數0.38 W/（m2·K），尺寸1 200 mm（寬）×600 mm（高）。為保證冬季水池保溫可靠，采用經驗法對保溫層厚度進行選取。調查已實施的工程案例，例如天黎高速太安嶺隧道，地處山西省北部忻州市繁峙縣，年平均氣溫8.3 ℃，冬季極端最低氣溫-25.7 ℃，整體上比太行山隧址區環境溫度要低。該工程采用地上式500 m3高位水池設計，選用保溫層設計厚度為500 mm，2013 年11 月通車至今7 a 多以來，養護單位反映運營良好，未出現水池受凍情況，實用效果不錯。另外，山西陽城至濟源高速公路陽城至蟒河段云嶺3 號隧道消防也采用了類似做法。綜上所述，擬建項目水池外保溫層設計厚度取500 mm是可行的。

5 結語

（1）對于大高差、長距離隧道，消防管網動靜壓超標一直以來都是水消防系統的設計難點。通過分析論證，確定特長隧道采用洞內穩高壓供水系統和洞外常高壓供水系統相結合的方式，降低了豎向分區供水壓力，解決了管網超壓問題。（2）減壓閥在各個分區中對布置分配非常重要，在實際運營當中常高壓系統的管網壓力穩定性要好于穩高壓系統，因此在常高壓分區段設置了兩處減壓閥組，在穩高壓分區段設置了一處減壓閥組，降低了系統故障率。（3）針對地上式高位水池的防凍保溫問題，給出了一種新型防凍保溫設計方案，解決了山區公路隧道高位水池無法埋地敷設進行保溫的問題。