地鐵區間消防管道故障定位及處理方案研究

季 新

（北京城建設計發展集團股份有限公司，北京）

引言

地鐵地下區間隧道根據規范，設置區間消火栓給水系統，即設置消火栓給水管網和消火栓口[1]。地下區間隧道消防用水由相鄰車站供水，每個車站水力計算分別負責半個相鄰區間的消防供水[2]。車站相鄰兩端地下區間每條隧道分別從地下車站消防給水環狀管網上引入一根DN150 消火栓給水干管，沿隧道行車方向右側敷設，車站和相鄰兩端區間隧道的消防管網相連，形成一個完整的環狀消防給水管網。接至區間消防管道進入區間隧道前設控制閥組。

地下區間隧道（單洞）按每不大于50 m 布置一個消火栓口[3]。區間端頭消火栓離車站區間分界不大于5 m，管按每隔5 個消火栓口設置一個檢修蝶閥[4]，在系統最低點設放水閥，在系統最高處設排氣閥；在車站站臺層兩端（車站與區間交接處）各設置兩套（共八套）消防器材箱，每套消防器材箱內放2 根25 m 長水龍帶，配兩支Φ19 噴嘴水槍，供區間消防時使用。

地下區間隧道內消防給水管道易因不均勻沉降、列車運行震動、質量等原因出現管道接口損壞破裂、接口脫落，從而導致爆管，管道噴射水流，軌道面充滿消防水而影響列車運行，嚴重時甚至導致列車停運[5]。

區間消火栓管網發生漏水、爆管時，現有技術條件下依靠人員處理[6]。具體措施：列車限速運行或暫時停運；關閉區間兩端的車站去往區間消防管道的電動閥門查找事故管段，明確故障點；緊急搶修。

1 存在問題

1.1 無法及時發現故障

日間運營時，由于車輛速度快，司機可能忽略或未及時觀察到消防管道故障。只有管道接口爆管急流噴向行車時，司機容易發現，其余故障，通過司機或車載視頻第一時間覺察極其困難。

夜間運營時，除運營檢修人員例行檢查外，發生漏水或爆管，通常由第二天第一班列車運行時發現，而此時，很大可能已出現嚴重水淹情況。

1.2 無法及時明確故障點

當區間消防管道發生故障時，尤其夜間，車控室無法準確判斷故障位置；而日間運營時，可通過司機和車站視頻察覺故障，但并不能明確故障點所在的區間，以及更具體的里程位置。

1.3 需要人力排查，過程消耗時間長

按照既有運營管理模式，當區間消防管道發生漏水、爆管時，處理方式為：第一時間關閉區間兩端電動蝶閥。此時無法明確故障點所在位置，需要列車停運后，人員進入區間排查故障點。因此，消耗時間較長。

1.4 消防管道爆管的影響

日間運營時，如突發消防管道故障，事態嚴重的，會引起乘客的恐慌，同時出現觸發緊急停營的條件，啟動應急管理程序，打斷正常運營組織，產生比較嚴重的社會影響，同時引起連帶的經濟損失。夜間發生故障，會造成水淹隧道事故發生，甚至衍生災害，搶險不及時影響第二天的正常運行。

此外，上述處理措施并不滿足消防要求。發生故障時關閉區間兩側車站去往區間的消防管道，導致整個區間消防管道無水源，若此時區間發生火災無法進行滅火撲救，不滿足“同時關閉消火栓個數不超過5 個[4]”的規范要求，無法保證檢修狀態下的必要消防供水。特別是長大區間，長大區間可能存在兩輛列車同時在區間的情況，發生故障對于長大區間的運營、防災方面影響較大。

針對區間消防管道故障定位和處理的盲區，本研究進行了深入的思考和分析，提出了基于監控系統的設計思路和設計方案。

2 設計思路

2.1 基本思路

設計基本思路：采用設置一種監測水流狀態或數據的設備來判斷管道漏水故障狀態，設置電動蝶閥關閉故障管道的方式，并結合地鐵的綜合監控系統達到自動控制目的。

2.2 研究分析

確定了基本思路，對與目標相關的各種因素及要件進行研究分析。研究分析的主要有故障的定義、監測設備、水力計算、聯動控制。

2.2.1 故障的定義 區間消防消火栓管網出現或產生危害、泄漏的現象，稱為故障，故障包括管道間接口，消火栓口的三通接口，發生少量的漏水，急速噴水，接口錯位或脫落引起的爆管。

2.2.2 監測設備 監測水流狀態或數據的設備主要有水流指示器（設備），流量傳感器（流量計）、壓力傳感器。

水流指示器（設備）：具有監視水流和傳感功能的水流指示器，用于監測消防管網的水流狀態。正常情況下，消防管網的水屬于靜止狀態，當管道水發生流動時，水流指示器感應并觸發動作信號。

流量傳感器（流量計）：管道水流動時，通過管道的流量數據來判斷和觸發動作信號，主要有電磁流量計和超聲波流量計。

壓力傳感器：管道水流動時，通過管道某一點的壓力突變來判斷水流和觸發動作信號。

2.2.3 水力計算 區間消火栓管網的水力計算的主要有管道材質、坡度、管徑、流量、壓力、速度等計算參數。

管道材質：常規設計中區間消防管采用內外熱鍍鋅鋼管、內外涂環氧鋼管等。

坡度：管道安裝坡度與隧道坡度一致，隧道坡度與線路坡度一致。《地鐵設計規范》第6.3.1 條正線的最大坡度宜采用30‰，困難地段最大坡度可采用35‰；區間隧道的線路最小坡度宜采用3‰，困難條件下可采用2‰。一個連續地下區間通常為V字坡，人字坡或一字坡。

管徑：消火栓主管管徑為DN150，接消火栓口支管為DN65。

流量：《地鐵設計規范》第28.3.3 條消火栓給水系統用水定額，地下區間隧道應為10 L/s；故障時流量無法確定，水力計算以10 L/s 為例。

速度：《消防給水及消火栓系統技術規范》8.1.8 消防給水管道的設計流速不宜大于2.5 m/s。

區間水源：區間消火栓系統水源，由車站提供兩根水管，車站端頭處接區間消火栓管道壓力估計值為0.30 MPa。

區間長度：區間整個長度為1 000 m，計算時以L=250 m 為一個單元，包含5 個消火栓口的一個單元。計算參數見表1。

表1 計算參數

根據《消防給水及消火栓系統技術規范》第10.1 條公式及伯努利方程結合以上參數進行水力計算，結果為：當線路坡度為6.5‰時，監測設備位于計算單位的中心線；線路坡度小于6.5‰時，監測設備應位于計算單位的線路高程低的一端；線路坡度大于6.5‰時，監測設備應位于計算單位的線路高程高的一端。不同區間根據線路坡度，確定監測設備放于線路高程高端或低端，防止多個監測設備同時動作。水力計算結果見表2。

表2 水力計算結果

2.2.4 聯動控制 根據上述水力計算結果確定監測設備的位置。該位置的監測設備僅聯動其相鄰兩端的電動蝶閥，關閉兩電動蝶閥間的管道；管道故障點附近壓力傳導時間最短的監測設備最先動作，避免了多個監測設備同時動作，關閉多個電動蝶閥的情況。

3 設計方案

3.1 設計原理

如圖1 所示，為本設計方案的控制邏輯圖。當水流指示器動作時，是否同時有火災報警信號，如有，則判斷為火災情況下的水流指示器動作，水流指示器不聯動關閉相鄰兩端的電動蝶閥，此時車站及區間應進入火災模式；如水流指示器動作時無火災報警信號，則判斷為非火災情況下水流指示器動作，即管道漏水或爆管等故障，此時水流指示器聯動關閉相鄰兩端電動蝶閥，同時向車控室反饋動作的水流指示器及電動蝶閥的狀態及位置里程。而當水流指示器聯動關閉電動蝶閥失效時，由車控室通過綜合監控系統聯動關閉相關位置電動蝶閥。而后，運營人員組織檢修，檢修完成后恢復管網及監測系統。

圖1 邏輯控制

3.2 設計方案

地鐵區間隧道消防給水管道故障監測及處理的設計方案：每間隔5 個消火栓口（1）設置電動蝶閥（2），每兩個電動蝶閥（2）之間設置水流指示器（3），每個電動蝶閥（2）對應設置電動蝶閥控制箱（5），每個水流指示器設置水流指示器控制箱（6），水流指示器控制箱（6）和電動蝶閥控制箱（5）與綜合監控系統（4）連接。見圖2。

圖2 設計方案示意

3.2.1 就地自動控制方式 水流指示器控制箱（6）接受綜合監控系統（4）的火災信息，同時反饋水流指示器（3）的動作、故障信號、位置里程參數等，無火災狀態時，水流指示器（3）動作，表示消防管道出現漏水或爆管故障，給兩側的電動蝶閥控制箱（5）聯動控制信號，關閉對應的電動蝶閥（2），從而關閉發生故障的消防管段；火災狀態時，雖然水流指示器（3）動作，不聯動關閉兩側的電動蝶閥（2）。

電動蝶閥控制箱（5）與綜合監控系統（4）連接，反饋水流指示器（3）動作時，電動蝶閥是否按指令動作，反饋電動蝶閥（2）的動作、故障信號、位置里程參數。

電動蝶閥控制箱（5）與水流指示器控制箱（6）控制原理圖見圖3。

圖3 控制箱原理

3.2.2 遠程控制方式 當無火災時，水流指示器（3）動作，綜合監控系統（4）收到水流指示器（3）動作信號，電動蝶閥（2）的狀態正常，無故障信號，但沒有收到電動蝶閥（2）的聯動信號，水流指示器控制箱（6）和電動蝶閥控制箱（5）之間可能出現故障，此時，由綜合監控系統（4）給水流指示器（3）兩側的電動蝶閥控制箱（5）聯動控制信號，關閉對應的電動蝶閥（2），實現車控室遠程控制。

3.2.3 專業接口 地鐵區間隧道設置有動力照明、綜合監控系統。本方案需要動力照明提供電動蝶閥的電源；綜合監控設置模塊箱，接收水流指示器和電動蝶閥的控制、故障狀態。給排水專業設置電動蝶閥代替原管道的手動蝶閥，并增加水流指示器。

3.2.4 優點及效益 能夠及時發現故障問題，由故障判斷到處理的過程，均為全自動智能控制，無需人員參與，反應快、處理及時，有效避免區間發生水淹狀況，不影響運營行車，采取有效措施及時智能化處理問題，保障行車運營的安全；故障管道位置明確，工作人員可詳細定位，無需判斷與排查，大大縮短查找時間，檢修更加及時；可以減少夜間運營維護，監控掌握區間隧道消防給水管網狀態，提高了消防給水系統的安全性。

特別適用長大區間隧道和無人駕駛線路的區間隧道。

社會效益和經濟效益，主要體現在及時發現故障并處理，時間短，漏水量少，減少了水資源損失；減少因為暫停運營帶來的經濟損失，減少因為暫停運營而采取的緊急搶險、疏散旅客等措施費用，減少因為水淹帶來的衍生害處，如設備更換等，減少因為暫停運營帶來的社會負面影響。

結束語

地鐵區間消防管道故障定位及處理設計方案，具有一定的社會效益和經濟效益，不僅適用于普通地鐵區間，更適用于長大區間、無人駕駛線路的區間。本研究在地鐵區間消火栓給水管道故障定位及處理設計水力計算上有待進一步利用模型驗證，在本方案設計思考和前期研究過程的方法上希望能夠為地鐵智慧消防的設計提供一些參考。