汕头苏埃湾海底长大隧道 (下称汕头苏埃通道) 是汕头市干线公路网规划纵线国道G324的复线, 位于海湾大桥与礐石大桥之间, 路线全长6 680m, 隧道封闭段长4 320m (北岸暗埋段长690m, 盾构段长3 047.5m, 南岸暗埋段长437.5m) , 两洞双向6车道, 是我国第一条海底长大盾构公路隧道, 同时具备城市交通隧道的功能。

水下隧道消防系统设计目前尚无专门的设计规范标准、细则及其他相关技术要求, 汕头苏埃通道消防系统设计主要参考现行相关的设计规范标准^[1~6]、细则、专题研究^[7]及国内外类似工程的设计经验进行。本文简要介绍隧道消防方案比选、消防系统设计, 并对设计中的某些关键技术参数进行探讨。

隧道交通层具有公路隧道和城市交通隧道的特点, 以客运为主, 同时会有部分货车通过, 火灾特点比较突出, 一旦发生火灾, 烟雾大、温度高、能见度低, 疏散救援困难, 根据相关研究, 隧道内主要发生的火灾类型为A、B类火灾, B类火灾更为突出。根据水下隧道火灾的类型和特点, 对下述3种消防方案进行比选。

方案一:消火栓系统+固定式水成膜泡沫灭火装置 (手动) +灭火器。

该方案是国内山岭隧道最常用的设计方案, 消火栓系统一般以城市自来水或消防水池作为水源, 消火栓在隧道一侧按照一定距离间隔设置, 在消火栓箱一侧设固定式水成膜泡沫灭火装置, 灭火器在隧道两侧按照一定距离交错设置。该方案特点是:可以有效扑灭A类、B类初期火灾, 固体物质着火后由于缺乏流动性, 水体易附着于燃烧物表面, 使燃烧物和空气隔绝, 从而有效扑灭A类火灾;发生油类或流淌火灾时, 在泡沫和水成膜的双重作用下, 迅速冷却并覆盖油面, 使燃烧物和空气隔绝, 以达到扑灭B类火灾的效果;灭火器使用方便、性能可靠, 可以有效扑灭各类初期小范围火灾。

方案二:消火栓系统+固定式水成膜泡沫灭火装置 (手动) +固定式水喷雾系统+灭火器。

该方案是在方案一基础上增设固定式水喷雾系统。消火栓系统、固定式水成膜泡沫灭火装置和灭火器的功能与方案一相同。固定式水喷雾系统要达到灭火效果, 固体火灾设计喷雾强度不小于15L/ (min·m²) , 液体火灾 (闪点在60~120℃) 设计喷雾强度不小于20L/ (min·m²) ;要达到防护冷却效果, 设计喷雾强度不小于6L/ (min·m²) 。一般情况下, 由于市政给水管管径小或消防水池设置困难, 另外海底隧道空间有限, 喷雾水量达不到灭火要求, 设计标准通常定位为防护冷却, 将火情控制在一定的状态, 降低火场温度, 防止结构高温崩塌, 同时便于消防队员靠近救援。

方案三:消火栓系统+泡沫-水喷雾联用灭火系统+灭火器。

该方案是将方案二的固定式水成膜泡沫灭火装置 (手动) +固定式水喷雾系统由泡沫-水喷雾联用灭火系统取代。泡沫-水喷雾联用系统灭火时首先喷出泡沫, 泡沫与水的混合比为3%, 之后喷水进行冷却。扑灭A类火灾时, 与水相比泡沫液更容易沿固体表面流淌并覆盖于固体表面, 泡沫对固体表面的覆盖率较单纯以水为灭火介质的覆盖率更高, 相对灭火盲点较少, 灭火效果更好;扑灭B类火灾时, 覆盖于油面的泡沫, 能隔绝空气和抑制油气蒸发, 同时泡沫析出的液体又能对燃油起到冷却作用, 因此, 对隧道内发生的油类火灾及流淌火灾, 能在极短的时间内扑灭。

隧道交通层消防方案性能比选见表1。

泡沫-水喷雾联用灭火系统是一种较新的隧道消防系统, 近年来被国内外较有影响的水下长大隧道广泛使用, 如厦门翔安海底隧道、日本东京湾海底隧道, 根据表1性能比较, 为隧道消防安全考虑, 隧道交通层消防系统采用方案三。

电缆通道内敷设通信、信号、电力等大量重要的电缆, 对于隧道的安全运营极为重要, 同时电缆通道内防火、救火条件相对恶劣, 除了设置常规的灭火器外, 还需要配备适宜的自动灭火设施, 下面仅对自动灭火系统进行方案比选。

方案一:脉冲超细干粉自动灭火系统方案。

在电缆通道内全线设置脉冲超细干粉自动灭火系统, 该系统由脉冲超细干粉自动灭火装置、启动组件、消防电源及显示盘组成。火灾发生时, 组件传递火灾温度信号, 实现灭火装置自动组合启动, 高速喷射超细干粉灭火剂, 淹没服务范围内的保护对象, 达到瞬间高效灭火的目的。该装置适用于各电缆沟工程及电缆夹层的消防, 在电力行业工程中应用广泛。

方案二:高压细水雾灭火系统。

在电缆通道内全线设置高压细水雾灭火系统, 该系统由高压细水雾泵组、细水雾喷头、区域控制阀组、高压不锈钢管道以及火灾报警控制系统等组成。火灾发生时, 火灾报警控制系统启动, 喷头喷出的细水雾在隧道内四处弥散, 降落速度缓慢、与烟气大面积长时间接触, 可大量吸收火场中的烟雾和毒气, 降低火场温度, 保护电缆安全, 可有效扑灭火灾。国内较有影响的上海长江隧道电缆通道设置了高压细水雾灭火系统。

隧道下层电缆通道消防方案性能比选见表2。

脉冲超细干粉自动灭火装置在电缆通道内的使用寿命仅为5年, 汕头苏埃通道工程建设时一次性投资700万元, 之后每隔5年更换一次, 所需费用约400万元, 隧道服务年限100年的工程总造价约为8 300万元。高压细水雾灭火系统一次性投资较高, 约2 000万元, 但使用寿命长、维护管理也比较方便、同时具有降温冷却、烟雾除尘功能, 再根据表2性能比较, 电缆通道自动灭火系统采用方案二。

在隧道北岸工作井、南岸控制中心各设一处消防泵房及消防水池, 消防水池有效容积均为800m³。隧道两端消防泵房分别引出2根DN150的消火栓总管, 沿两条隧道纵向敷设, 全线贯通, 形成安全可靠的消火栓总管环网。在每条隧道及匝道的一侧墙内, 每隔40m设置1组消火栓箱。下层疏散通道不单独设置消火栓给水系统, 只在消防人员进出的救援楼梯处增设消火栓, 其间距与救援楼梯一致, 该消火栓从车道层消火栓系统干管上接出。

消火栓系统用水量20L/s, 火灾延续时间4h, 最不利点水枪充实水柱长度不小于10m, 两股水柱同时到达着火点, 隧道内均设置减压稳压型消火栓。在消火栓总管上每隔5组消火栓设1个手动蝶阀, 在总管最高点设放气阀, 在海中最低点设放水阀。

隧道两端消防泵房内各设消火栓泵机组1套, 包括2台消防水泵 (互为备用) , 单台水泵参数为:Q=20L/s, H=80m, N=37kW, 2台稳压泵 (互为备用) , 单台稳压泵参数为:Q=1.0L/s, H=90m, N=4.0kW。

隧道两端消防泵房内的水喷雾泵引出2根DN250管道, 经泵加压后沿两条隧道纵向敷设, 全线贯通, 为隧道内泡沫-水喷雾联用系统供水, 消防泵房内的泡沫泵引出2根DN65泡沫管道, 沿两条隧道纵向敷设, 全线贯通, 为隧道内泡沫-水喷雾联用系统供泡沫液。泡沫-水喷雾联用灭火系统沿隧道纵向划分若干独立的灭火分区, 每区段长度约20m, 单侧设泡沫水喷雾喷头5只, 每个区段设置独立的泡沫水喷雾控制阀组, 消防灭火时火灾区及相邻区段同时作用。

1个灭火分区泡沫-水喷雾系统用水量28.6L/s, 3个灭火分区同时作用用水量86L/s, 喷雾强度≥6.5L/ (min·m²) , 混合比3%, 泡沫喷射时间20min, 水喷雾冷却时间1h, 最不利点喷头压力0.35 MPa。在水喷雾供水总管上每隔10组泡沫水喷雾控制阀组设1个阀门, 在总管的最高点设放气阀, 在海中最低点设放水阀。

隧道两端消防泵房内各设泡沫水喷雾泵机组1套, 包括3台水喷雾泵 (2用1备) , 单台水泵参数为:Q=50L/s, H=90m, N=75kW, 2台水喷雾稳压泵 (互为备用) , 单台稳压泵参数为:Q=2.5L/s, H=100m, N=5.5kW, 2台泡沫泵 (互为备用) , 单台水泵参数为:Q=3.0L/s, H=105m, N=7.5kW。

在隧道交通层的一侧, 相距40m设置灭火器箱1组, 在隧道的另一侧, 相距40 m与消火栓共箱设置灭火器1组, 隧道两侧灭火器洞室与消火栓洞室交错等间距布置;隧道下层的纵向疏散通道相距25m设置挂壁式灭火器1组;每组内设4具5kg装磷酸铵盐灭火器。在电缆通道内每隔25m设置2具5kg装磷酸铵盐灭火器。

隧道两端消防泵房内的高压细水雾泵引出2根DN65管道, 经泵加压后沿两条电缆通道纵向敷设, 海中盾构段全线贯通, 为高压细水雾灭火系统供水。高压细水雾沿盾构段电缆通道纵向划分若干独立的灭火分区, 每区段长度约30 m, 通道顶板下中间位置设置开式喷头, 喷头的安装间距2.5m, 在准工作状态时, 分区控制阀至喷头之间管网为干式, 高压泵组至分区控制阀间有1.6 MPa的稳压水。火灾时, 主泵启动并达到设计压力 (12 MPa) , 火灾区及相邻区段同时作用。

1个灭火分区高压细水雾用水量93.3L/min, 3个灭火分区同时作用用水量280L/min, 细水雾强度≥1L/ (min·m²) , 延续时间30 min, 最不利点喷头压力≥10 MPa。系统的水质不低于现行《生活饮用水卫生标准》 (GB 5749-2006) 的规定。在细水雾供水总管上每隔10组细水雾控制阀组设1个阀门, 在总管的最高点设放气阀, 在海中最低点设放水阀。

隧道两端消防泵房内各设高压细水雾泵机组1套, 包括高压细水雾泵4台 (3用1备) , 单台水泵参数为:Q=100L/min, H=12MPa, N=45kW, 稳压泵2台 (1用1备) , 单台水泵参数为:Q=11.8L/min, H=1.6MPa, N=0.55kW。

在隧道北岸工作井、南岸控制中心、洞口及匝道洞口地面附近各设8套水泵接合器, 其中2套接消火栓环状管网、5套接水喷雾环状管网、1套接泡沫液环状管网, 并在距水泵接合器15~40m范围内设置对应的室外消火栓。隧道洞口外消火栓用水量30L/s, 火灾延续时间4h。

到目前为止, 国家标准《公路隧道消防技术规范》尚未正式颁布, 交通运输部行业标准《公路隧道设计规范第二册交通工程及附属设施》 (JTG D70/2-2014) , 在总则中强调“本规范适用于各等级公路的新建和改建山岭隧道”, 不包括水下公路隧道, 能够参考的规范只有《建筑设计防火规范》 (GB 50016-2014) 及《消防给水及消火栓系统技术规范》 (GB50974-2014) , 这两本规范均要求:“隧道内消火栓的间距不应大于50m”, 国内很多隧道以此为标准, 消火栓间距按50m取值, 部分为45m, 笔者认为不妥, 消火栓间距应按现行规范:“室内消火栓的布置应满足同一平面有2支消防水枪的2股充实水柱到达任何部位”的要求, 经计算确定。以本隧道为例, 建筑限界高度:H=5 m, 单洞隧道宽度:L=12.25m, 消火栓保护半径:R=2×25×0.8+5×0.71=43.55 (m) , 则消火栓间距:S= (43.55²-12.25²) ^0.5=41.79 (m) , 取40m。

对于灭火器间距的设置, 《建筑设计防火规范》要求:“通行机动车的一、二类隧道和3条及以上的车道的三类隧道, 在隧道两侧均应设置灭火器, 灭火器设置点的间距不应大于100 m”, 而《建筑灭火器配置设计规范》 (GB 50140-2005) 要求:“严重危险级, 手提式灭火器最大保护距离A类火灾15m, B、C类火灾9 m”, 调查国内已通行的水下三车道隧道, 上海长江隧道双侧交错布置, 单侧设置间隔50m, 青岛胶州湾海底隧道双侧交错布置, 单侧设置间距45m, 隧道灭火器的设置间距也不统一。笔者认为, 《建筑设计防火规范》灭火器间距设置距离偏大, 一旦发生火灾, 对扑灭初期火灾不利;《建筑灭火器配置设计规范》适用的建筑通常以人为主体, 而公路隧道以车辆为主体, 两者对象不同, 车辆一般携带有灭火器, 从这个角度考虑, 隧道内灭火器的设置间距可以适当加大;结合国内已建水下隧道灭火器的单侧设置间距通常不大于50m, 同时考虑本隧道消火栓的设置间距为40m, 灭火器单侧也按40m进行设置比较合适, 一侧与消火栓共箱设置, 另一侧与消火栓箱等距离交错布置, 这种布置方式既可以满足消防要求, 又可以使隧道两侧箱体整齐美观。隧道消火栓和灭火器布置见图1。

本隧道是海底盾构公路隧道, 盾构段因地质原因, 为结构安全考虑不设置联络通道, 针对此类型的长大隧道, 消防水泵压力如何确定才能使消防水系统管线成环, 笔者在调查中发现, 国内已运营部分水下隧道消防管线看似成环, 实则是支状管线, 下面以本隧道为例进行探讨, 隧道消防水系统布置示意见图2。

隧道两端分别设有消防泵房, 国内有一些水下隧道设计思路为:“南北岸消防泵房各控制半个环状管网, 即系统的压力最不利点为管段A-C或D-F的中点B或E处”, 由图2可知, 这种划分方式, 消防水系统管线并不是真正意义上的环状管网, 不符合规范的要求。举例分析:按原设计, 当4点处发生火灾时, 应启动南岸消防泵房, 但若管道D-4发生故障, 南岸消防泵不能满足压力要求, 启动北岸消防泵也不能满足压力要求, 此时管线实际为支状管线, 因此笔者认为, 南北岸消防泵房最不利点划分不应为管线中点B或E处, 对于南岸消防泵房, 管线最不利点应为F点, 对于北岸消防泵房, 管线最不利点为D点, 如此设计, 消防水泵压力才能使消防水系统管线成环。

汕头苏埃通道消防水系统设计, 隧道交通层设置消火栓系统、灭火器、泡沫-水喷雾联用灭火系统;隧道下层电缆通道设置灭火器、高压细水雾灭火系统 (为国内海底公路隧道首次采用) ;隧道下层疏散通道设置灭火器;为了满足救援的需要, 在隧道敞口段设置室外消火栓和水泵接合器等地面消防系统。

隧道各个消防系统的设计要满足规范的要求, 当和规范不一致或者规范间有矛盾时, 要依据隧道本身的特点, 对一些关键技术参数进行探讨, 在此基础上完成隧道消防系统的设计。