深中通道海底隧道工程消防系統設計

劉飛

（中鐵第四勘察設計院集團有限公司環境工程設計研究院，湖北 武漢 430063）

為打通江河湖海的交通屏障、增進城市內或鄰近城市群間的經濟發展，近年來國內越江隧道及海底隧道建設越來越多。已開通運營的包括江西省南昌市艾溪湖隧道、江蘇省南京市和燕路過江通道、湖北省武漢市長江公鐵隧道、山東省濟南市黃河濟濼路隧道等，正在建設的包括江蘇省海太長江隧道、山東省青島市膠州灣第二隧道、廣東省深中通道等。

穿越江海湖河的水下隧道與城市下穿隧道、山嶺隧道不同，因其埋深大和水下的特殊性一般具有人員疏散救援困難的特點。如果發生火災，安全危害極大，經濟損失嚴重[1～3]。因此，做好水下隧道消防設計是防災救援工作的重中之重。本文以深中通道海底隧道工程項目為例，論述其較為完善的消防系統設計，為今后類似標準的水下隧道工程消防設計提供借鑒。

一、工程概況

深中通道建設工程項目是跨越珠江口連接深圳市與中山市的世界級“橋、島、隧、地下互通”集群工程，是國家“十三五”重大工程和《珠江三角洲地區改革發展規劃綱要（2008-2020年）》確定的重大基礎設施項目，也是珠三角兩大功能組團“深莞惠”與“珠中江”之間的唯一公路直連通道。該項目于2016年底開工建設，總投資約460億元，路線全長約24km，其中海底隧道段全長6870m，是世界首條大規模采用鋼殼混凝土組合結構的沉管隧道[4～7]。

二、隧道消防系統設計

（一）隧道滅火系統設置原則

該項目隧道消防系統設計遵循“以防為主，防消結合”的原則，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），隧道屬于“A+”級，必須設置的消防滅火設施包括滅火器、消火栓、固定式水成膜泡沫滅火裝備[8]。考慮隧道消防安全重要性，結合相關研究結論[9～10]，參考相關工程設計實例[11～13]，除滿足規范要求外適當加強，補充了泡沫-水噴霧聯用系統。其中，在隧道敞開段洞口附近設室外消火栓系統，在隧道行車主洞設置水成膜泡沫消火栓系統、滅火器、泡沫-水噴霧聯用系統，在安全通道設置滅火器。隧道洞口及隧道內消火栓系統均采用臨時高壓系統，消防管按環狀管網布置。隧道消防滅火系統設置如圖1所示。

圖1 隧道消防滅火系統設置圖

因隧道為W型縱斷面，且隧道長度較長，如僅在單側設置消防泵房，則由最不利點計算出的消防泵揚程偏高，消防管道壓力過大，局部管道壓力甚至超過2MPa，存在運營及安全風險。考慮以上情況，水消防系統設計采用以W型隧道中間高點為分界線，設置東、西兩個系統，在東、西兩人工島分別設置消防泵房及消防水池的方案。

（二）消火栓系統

1.系統構成

以隧道W型縱斷面中間高點為分界線，設置東、西兩個系統，從東、西人工島消防泵房中室外消火栓泵組分別接出兩根DN200室外消火栓管網，形成可靠的環狀管網，以供隧道洞口附近室外消防用水；從兩人工島消防泵房中隧道消火栓泵組分別接出兩根DN150消火栓管網至隧道管溝，在管廊內全線貫通形成可靠的環狀管網，以供隧道內消火栓用水，其中F、G匝道消火栓管與主線消火栓管在匯入主線處連通，形成環狀管網。隧道內消火栓系統如圖2所示。

圖2 隧道內消火栓系統示意圖

在隧道中間管廊兩邊側墻及匝道的一側墻內，設置一組間隔不大于40m消火栓箱，每只箱內設雙閥雙出口消火栓，栓口壓力超過0.50MPa采用減壓穩壓型消火栓，栓口直徑DN65，以及25m襯膠水龍帶2條、Φ19mm多功能水槍、Φ9mm吸氣型泡沫槍，自救式消防軟管卷盤1盤，消火栓箱報警按鈕1只，并配40L不銹鋼泡沫液罐1個。

2.設計參數

隧道洞口及敞開段室外消火栓系統：消防設計流量為30L/s，火災延續時間為4h，消火栓設置距離敞開洞口不超過120m，室外消火栓系統栓口動壓不小于0.25MPa，滿足10m充實水柱；按每個室外消火栓、消防水泵接合器為10L/s～15L/s計，每處設2個室外消火栓；同時在隧道洞口附近設置消防水泵接合器，每處設置2個。

隧道內消火栓系統：隧道內消火栓消防設計流量為20L/s，火災延續時間為4h，消火栓設置間距不超過40m。隧道固定式水成膜泡沫滅火裝置混合液流量不小于1L/s；室內消火栓系統最不利點工作壓力不小于0.35MPa，固定水成膜系統的有效射程不小于6m，水成膜泡沫滅火裝置作用時間不小于22min。

（三）泡沫-水噴霧聯用系統

1.系統構成

以隧道W型縱斷面中間高點為分界線，設置東、西兩個系統，從東、西人工島各設1座消防泵房，分別接出2根DN350消防管和2根DN80泡沫液管至隧道管廊，在管廊內貫通形成可靠的環狀管網。在隧道沿線每個滅火分區內設置獨立的泡沫或水噴霧控制閥組箱，內含雨淋閥組、比例混合器、泡沫閥組等設施，以及水霧噴頭。隧道內泡沫-水噴霧系統如圖3所示。

圖3 隧道內泡沫-水噴霧系統示意圖

2.設計參數

泡沫-水噴霧聯用系統的噴霧強度≥6.5L/（min·m2），泡沫混合液噴射時間參考港珠澳大橋沉管隧道消防設計標準，在《泡沫滅火系統設計規范》（GB 50151-2010）規定的基礎上適當提高標準，取≥30min，水噴霧噴射時間≥60min。泡沫混合液的濃度≥3%，所有隧道專用泡沫水噴霧噴頭處的壓力≥0.35MPa。沿隧道縱向劃分滅火分區，分區長度根據不同寬度隧道段采用不同設計值，泡沫-水噴霧閥組設置箱間距具體根據設備布設情況確定，但均不大于設計值。隧道標準段滅火分區最大長度為21m，經計算，不同里程段的各隧道斷面寬度對應的滅火分區最大長度及噴頭布置間距詳如表1所示，其中最寬處創新性的增加了車道中間頂噴的方式。

表1 各段隧道滅火分區最大長度及噴頭布置間距表

3.系統設計流量

最大用水量點為東島隧道并線漸寬段k6+718～k7+030處，隧道行車道寬24m～30m，考慮設備布設影響，分區最大長度按14m，噴頭采用“雙側側噴+中間頂噴”的3排布置形式，兩側側噴選擇單個噴頭流量4.2L/s（流量系數K=135），有效覆蓋距離約10m；中間頂噴選擇單個噴頭流量6.8L/s（流量系數K=218），有效覆蓋距離約12.5m。單個噴頭工作壓力0.35MPa。系統設計流量核算如下。

滅火分區保護面積：S=30×14=420m2

根據噴霧強度計算所需流量：Q需=420×6.5=2730L/min

按設計噴頭布設方案核算流量 ：Qj=6×4.2×60+3×6.8×60=2736L/min＞Q需（滿足設計要求）

每組設計流量：Qs=K·Qj=1.05×2736/60=47.88 L/s

發生火災時，同時啟動火災探測器周邊相鄰的3組泡沫水噴霧閥組，則系統設計流量為：Qs=47.88×3＝143.64 L/s

（四）消防泵房及消防水池

在東、西兩座人工島各設一座消防泵房。經選泵計算，每座隧道消防泵房內設置室外消火栓泵兩臺（一用一備），型號為Q=30L/s、H=0.50MPa、N=37kW，配XW(L)-II-1.0-54-ADL型增壓穩壓設備，帶SQL800×1.0氣壓水罐；設隧道內消火栓泵兩臺（一用一備），型號為Q=20L/s、H=1.10MPa、N=55kW，配XW(L)-II-1.0-109-ADL型增壓穩壓設備，帶SQL800×1.6氣壓水罐；設水噴霧泵三臺（兩用一備），型號為Q=80L/s、H=0.85MPa、N=132kW，配XW(L)-II-2.0-97-ADL型增壓穩壓設備，帶SQL800×1.6氣壓水罐；設泡沫消防泵兩臺（一用一備），型號為Q=5L/s、H=94m、N=11kW，配兩座泡沫液罐單座泡沫罐容積為4m3（Φ1500mm、不銹鋼材質）。在泵房附近消防車道旁設置消防水泵接合器，與島上室外消火栓相對應，距離島上室外消火栓或消防水池5m～40m。

消防水池容積按照一次火災設計。在東、西兩島消防泵房旁各設兩座消防水池，兩座消防水池的有效容積需滿足一次室外消火栓系統用水量、隧道消火栓系統用水量、水成膜用水量和泡沫-水噴霧聯用系統用水量之和。其中，消火栓系統消防水量為：432m3（室外消火栓）+288m3（隧道內消火栓）+1.32m3（水成膜）=721.32m3；泡沫水噴霧系統消防用水量按143.64L/s、持續（30+60）min得775.66m3，合計1496.98m3。每座泵房配套消防水池容積為1600m3，單座消防水池設計容積為800m3。東、西人工島消防水池分別由各島DN200市政給水管引入，消防水池引入管管徑為DN150，滿足48小時補滿水的要求。

（五）啟動方式

室外消火栓系統啟動方式為：根據管網壓力變化自動啟動，泵房內手動啟動，控制中心遙控啟動。

隧道消火栓系統啟動方式為：消火栓箱內按鈕作為報警信號啟動，泵房內手動啟動，控制中心遙控啟動，根據管網壓力變化自動啟動。

泡沫/水噴霧滅火系統啟動方式為：自動報警后信號傳至控制中心自動啟動或經控制中心人工確認后啟動，泵房內手動啟動，控制中心遙控啟動。

（六）滅火器系統的設置

1.設置依據

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）第10.2.2條的規定：公路隧道內滅火器宜選用磷酸銨鹽干粉手提式滅火器，滅火器充裝量不應小于5kg且不應大于8kg；單洞四車道公路隧道應在隧道兩側交錯設置滅火器，滅火器單側設置間距不應大于50m[8]。

2.隧道行車孔滅火器

在隧道車道兩側交錯布置滅火器箱（中間安全通道側與消火栓同箱設置），結合標準管節的設備布設需求綜合考慮，滅火器單側間距不大于40m，每個箱內設6kg磷酸銨鹽干粉手提式滅火器4具，以供撲滅初期火災時使用，另配火災逃生面具3套，以供火災期間人員逃生使用。

3.安全通道滅火器

安全通道內上行隧道行車孔側安全門內的兩側設置滅火器箱，箱內放置6kg磷酸銨鹽干粉手提式滅火器4具。

三、基于物聯網的消防救援聯動系統構想

本著“安全第一、以人為本”的建設理念，結合深中通道運營安全保障與應急救援整體體系框架的要求[14]，基于隧道內的技術裝備，從影響隧道安全的三個主要因素——隧道管理者、隧道使用者及隧道本身出發，提出基于物聯網的消防救援聯動系統構想。即：在區域救援組織架構下從火災事故的預防及事故后的交通控制、廣播、照明、監控、緊急通風、公共救援部門溝通及相鄰隧道和上游路段的交通管制等環節實施聯動預案的研究編制，為提高隧道安全性及事故工況下救援力量的快速介入提供參考，為編制自動控制軟件提供邏輯依據。

深中通道工程隧道消防聯動由火災自動報警系統、消防系統滅火部分、交通監控系統、通信系統、通風系統、照明系統、電力監控系統等相關專業系統聯合實現，如圖4所示。

圖4 消防救援聯動系統構想示意圖

四、結語

深中通道工程項目是跨越珠江口的一項大型隧島橋集群工程項目，作為世界首條大規模采用鋼殼混凝土組合結構的沉管隧道，海底隧道工程建設及設計標準極高。本文考慮項目特點及各方綜合因素，在規范基礎上適當提高標準，設置了隧道洞口室外消火栓系統、含固定式水成膜泡沫滅火裝置的隧道內消火栓系統、泡沫-水噴霧聯用系統、滅火器系統，4個消防系統獨立設置組成了消防滅火系統，并在此基礎上提出基于物聯網的消防救援聯動系統構想，確保火災發生時能及時滅火。該海底隧道消防系統設計方案對今后類似高標準水下隧道工程，尤其是海底隧道工程的設計及有關規范標準的制訂、修編具有重要的參考意義。