近年来,国内大中型城市的道路建设,形成向空间发展、向地下发展的趋势,其中,隧道工程以其独特的优势得到迅速发展。

　　 深圳市东部过境高速公路,全线共设置隧道4座,分别为莲塘隧道、仙湖隧道、林果场隧道和北公坳隧道,设计车速60km/h,为目前国内跨境(即宽度)最大的地下互通隧道,也是目前国内第一座真正意义上的地下互通立交。

　　 立交隧道的消防系统设计,目前国家尚无针对性的设计规范可以套用,笔者以道路纵断高程差最大的莲塘隧道为例,系统总结了消防设计的思路、方法和特点,并对隧道消防工程设计中几个关键问题进行探讨,提出相关建议供设计人员参考。

　　 公路隧道可分为高速公路、一级公路、二级公路及二级以下的隧道,根据隧道单洞长度和单洞年平均日交通量两个因素,可分别划分为A+、A、B、C、D五级消防设施的配置等级,综上可确定出公路隧道的消防设施种类。

　　 深圳市东部过境高速公路工程公路等级为高速公路,主线设计时速60km/h,单洞长度约3.1km,远期隧道单洞平均日交通量15 000pcu/d。按照《公路隧道设计规范》(第二册交通工程与附属设施)(JTG D70/2-2014,以下简称“公路规”),其消防设施配置等级为A+,设计应选用灭火器、消火栓、固定式水成膜泡沫灭火装置相结合的方案。

　　 地下互通式立交隧道是指隧道之间通过地下匝道互相连通,形成类似于地上立交形式的互通式的隧道群。顾名思义地下立交会出现两条隧道上下层跨越和交叠的情况,因此立交隧道与一般隧道相比在高程上存在较大的差异,即立交隧道内道路的高点和低点之间可达到近几十米的高差,这必将加大隧道内消防管网设计的难度,成为地下互通式立交隧道消防系统整体方案的决定性因素。

　　 关于立交隧道消防系统的设计,目前国家尚无专门的消防规范可依据,主要参考“公路规”、《消防给水及消火栓系统技术规范》(GB 50974-2014,以下简称“水消规”)、《建筑设计防火规范》(GB 50016-2014,以下简称“建规”)及《建筑灭火器配置设计规范》(GB 50140-2005,以下简称“灭火器规”),用以确定立交隧道消防的各主要设计参数。

　　 隧道内消火栓系统的管网压力应严格按照规范中的各项规定执行。根据“水消规”7.4.16条规定:“管道内的消防供水压力应保证用水量达到最大时,最低压力不应小于0.30 MPa”;“公路规”10.2.3条规定:“消火栓栓口处的出水压力大于0.5 MPa时,应设置减压设施”;“建规”8.4.3条规定:“静水压力大于1.0 MPa时,应采用分区给水系统”;《给水排水设计手册》(第2册建筑给水排水,第2版,以下简称“手册”)2.2.4条规定:“消火栓栓口的静水压力不应大于0.8MPa,在高层建筑内当消火栓栓口的静水压力大于0.8MPa时,应采取分区给水系统”。

　　 深圳市东部过境高速公路工程隧道消防设施采用灭火器、消火栓、固定式水成膜泡沫灭火装置相结合的设计,因此消防环状管网的系统压力应统一考虑:消火栓动压范围为0.3~0.5 MPa,固定式水成膜泡沫灭火装置动压范围为0.4~0.8MPa,故本工程消防管网各节点动压标准采用0.4~0.5MPa,各节点静压标准为小于0.8 MPa。

　　 莲塘隧道分为南北走向的左线(K线)和右线(R0、R1 线),为保证消防管网的安全运行,需选取管网中最高点、最远点和最低点处的消火栓分别计算各关键节点的栓口压力,以满足规范中动压和静压的设计标准。

　　 左线(K线)南北两端的高点分别为道路桩号0+660,设计路面高程31.427m、桩号3+180,设计路面高程45.951m;道路低点为桩号1+700,设计路面高程6.572m。右线(R0、R1线)南北两端的高点分别为道路桩号0+650,设计路面高程32.841m、桩号3+080,设计路面高程44.643m;道路低点为桩号1+470,设计路面高程8.927m。其立交隧道的高程差接近40m。经计算,各关键控制点的消火栓栓口压力如表1所示。左线和右线在道路最低点处的消火栓栓口静压均超过0.8 MPa,不利于日后管网的长期安全运行。考虑到莲塘隧道单洞长度较长,且高差较大,为减小洞内消火栓的静水压力,提高消防系统的安全性,应在整条隧道内根据设计路面高差,进行合理分区。

　　 本工程各消火栓栓口动压建议参照下式计算:

　　 (1)“水消规”10.1.7公式:P=k₂(P_f+P_p)+0.01 H+P₀(公式各代号参见规范,下同)。

　　 本工程各消火栓栓口静压建议参照下式计算:栓口静压=高位水箱水位—各点栓口高程。

　　 经多方案计算分析,确定将莲塘隧道内的消防管网分成南、北两套环路,分别由分设在两端洞口的消防水池和消防泵房向其供水。其系统图详见图1。其分界点定为A7#人行横通道,南洞口消防管网环入左线和右线的南端最高点和最低点,北洞口消防管网环入左线和右线的北端最高点。

　　 各关键控制点的消火栓栓口压力计算如表2、表3所示。分区后,南北两个环状管网内的各消火栓的栓口静压和最小栓口动压均可满足规范要求,同时所有动压超过0.5 MPa的消火栓均应设置减压阀。

　　 莲塘隧道消防系统主要包括隧道外消防供水系统、隧道洞口消防系统和隧道内消防系统。

　　 莲塘隧道外消防供水系统主要包括3部分:消防水池、消防泵房和高位消防水箱(分别在南、北洞口各设置1座)。

　　 莲塘隧道南洞口消防水源来自罗沙路现状DN600给水管道,北洞口消防水源来自仙湖公园DN100给水管道。由于莲塘隧道位于广东深圳,考虑到南方雨季时间长、雨量大的特点,故本工程将隧道围岩裂隙水收集回用,与市政供水进行叠加组合使用,共同补给洞口外的消防水池(消防水池内应设水位遥测装置)。

　　 根据“公路规”表10.2.6隧道消防用水量:隧道内消火栓一次灭火用水量取为20L/s(本工程隧道内消火栓一次灭火用水量为20L/s,固定式水成膜泡沫灭火器为1L/s,共计21L/s);火灾延续时间为4h,通过以上参数可计算得出消防水池有效容积。此外,消防水池的容积除应能容纳隧道内一次消防用水量外,尚应能容纳隧道内冲洗所需的调节容积,并需校核其补水时间不宜超过48h。

　　 由于莲塘隧道属立交隧道,其道路高差大,市政给水管网不能满足消防设施所需的工作压力,故本工程采用临时高压消防给水系统,即设置消防泵房,火灾时能自动启动消防水泵以满足消防设施所需的工作压力和流量的供水系统。

　　 根据消防系统的分区设计,分别在莲塘隧道的南、北洞口各设置1座消防泵房,每座泵房内共设置3台水泵,其中2台水泵(1用1备)供给隧道内消火栓管路;另外1台水泵供给高位消防水箱。供给隧道消防用水的消防水泵应采用自灌式引水(并应保证在火警后30s内启动),并在吸水管路上设置检修阀门。消防泵房应有不少于2条的出水管直接与环状消防给水管网连接,出水管上应设置试验和检查用的压力表和DN65的放水阀门,当存在超压可能时,出水管上应设置防超压设施。其泵房型式见图2。

　　 莲塘隧道采用临时高压消防给水系统,其高位消防水箱的有效容积应满足初期火灾消防用水量的要求:箱内储存10min的消防用水量(本工程隧道内消火栓一次灭火用水量为21L/s),且不应小于12m³。

　　 根据“水消规”5.2.2条:“高位消防水箱的设置位置应高于其所服务的水灭火设施,且最低有效水位应满足水灭火设施最不利点处的静水压力。”莲塘隧道为山岭隧道,且为高差较大的立交隧道,基于以上两个特点,本工程南、北洞口各设置1座高位消防水箱,其箱内最低有效水位建议参照下式计算:最低有效水位=最高点消火栓栓口高度+栓口最小动压+管路总损失,式中:最高点消火栓栓口高度为隧道内环状消防管网内道路最高点高程+1.1 m;本工程消防管网各节点动压标准采用0.4~0.5MPa,栓口最小动压取为0.4 MPa;管路总损失为高位消防水箱出水管至隧道内消防管网之间的管道沿程损失与局部损失之和。

　　 隧道洞口消防系统主要包括3部分:消防水泵接合器、室外消火栓系统和洞口消防管道。

　　 消防水泵接合器分别在莲塘隧道的左线(K线)和右线(R0、R1线)的南、北两侧洞口外行车方向的右侧处设置,用于消防车给隧道内消防管网补水,做法详见标准图集《消防水泵接合器安装》(99S203-30)。按照“建规”12.2.2条规定:“隧道洞口外的消火栓用水量不应小于30L/s”和“水消规”5.4.3条规定:“消防水泵接合器的给水流量宜按每个10L/s~15L/s计算”,可配备相应数量的水泵接合器。

　　 室外消火栓分别在莲塘隧道的左线(K线)和右线(R0、R1线)的南、北两侧洞口外行车方向的右侧处设置,用于火灾时供给消防车取水用,型号选用SS100/65 型干管浅装式消火栓。 按照 “建规”12.2.2条规定:“隧道洞口外的消火栓用水量不应小于30L/s”和“水消规”7.3.2条规定:“每个室外消火栓的出流量宜按10L/s~15L/s计算”,可配备相应数量的室外消火栓。

　　 隧道外消防管道采用DN200 热镀锌钢管,卡箍式接口,在出入洞口处均连接成环状,并在每个隧道洞口设置检修阀。根据现场条件尽量采用埋地敷设管道,横穿道路时设置钢套管,覆土不小于0.7m,用以保护管道。埋地敷设的管道、明设管道及池内安装管道内外壁防腐均采用IPN8710 互穿网络涂料加强级防腐。隧道入口和出口消防管道最低点处均设置泄水阀井,其排出口尽量接入新建涵洞或向路基外侧散排,避免冲刷路基边坡。

　　 隧道内消防系统主要包括2 部分:消防箱(组合)和隧道内消火栓管道。

　　 莲塘隧道内的消防设施采用消火栓、固定式水成膜泡沫消火栓、手提式灭火器相结合的设计方案。采用暗装方式,消防设备洞室内安装消防设备箱,箱内配置室内消火栓系统[消火栓采用2个SN65型(2个单阀单口),65mm口径,配备DN65消防水带2条(30m长),QZG19型19mm直流水枪1支;箱内需设火灾自动报警按钮]、水成膜泡沫灭火系统(混合液贮量为40L,泡沫液浓度为3%,喷射距离≥6m,喷射时间≥22min,25m长软管1盘,配有泡沫枪)和4具灭火器(2具手提式水基型灭火器和2具手提式磷酸铵盐干粉灭火器)。

　　 由于莲塘隧道横断面型式的多样性:隧道主线为单洞四车道设计,交叉口部分断面为单洞三车道设计,口岸段K线和R0线为单洞双车道设计,因此隧道内消防箱的设置位置应严格按照 “公路规”10.2.2条规定:“单洞双车道公路隧道应在隧道一侧设置灭火器,单洞三车道公路隧道宜在隧道两侧交错设置灭火器、单洞四车道公路隧道应在隧道两侧交错设置灭火器”和10.2.3条规定:“消防栓箱宜固定安装在隧道沿行车方向的右侧壁消防洞室内”。莲塘隧道的组合式消防箱布置在隧道内行车方向的右侧壁消防洞室内,单洞三车道、四车道还应在隧道左侧设置灭火器箱。此外,在分叉大断面处需考虑消火栓的覆盖面积,适当增加消防箱的个数。

　　 莲塘隧道内消防给水管道采用DN200内外壁热镀锌钢管,卡箍式接口,敷设在车行道右侧电缆沟内,支管接至消防箱。隧道内消防给水管道为环状布置,每间隔约5个消火栓设一处检修阀(参考“建规”8.2.7条规定),以保证当某段供水管路发生故障或检修时,其他段的管道能保持消防所需的流量和压力。隧道纵断最高处设置自动进(排)气阀,低处设置排泥阀。隧道行车方向右侧墙壁上每间隔约30m设置一个消防设备洞室,具体位置需与扬声器、照明自控等预埋位置协调后确定,但间隔不得超过“公路规”10.2.3条规定。

　　 此外,在莲塘隧道的左线(K线)和右线(R0、R1线)南洞口外分别设置了长度约120m和60m的全封闭声屏障,其内部消火栓管路的设置原则也应严格按照“公路规”规定执行。

　　 随着城市隧道应用日益广泛,特别是地下互通式立交隧道的型式已逐步在一些经济发达的地区采用,其消防系统的设计难度也随之加大,但目前尚未形成针对立交隧道消防设计的适用性规范。本文总结了深圳市莲塘隧道消防工程设计的思路、方法和特点,仅结合实际工程的设计经过,提出自己的浅见。

　　 (1)地下互通式立交隧道以其长度长、纵断高差大为显著特点,建议隧道内消防管网采用分区设计,降低管网内各栓口的静水压力(宜小于0.8 MPa),用以确保隧道消防系统长期安全运行。

　　 (2)穿越山岭的立交隧道采用临时高压消防给水系统时,其高位消防水箱的最低有效水位宜参照下式计算:最低有效水位=最高点消火栓栓口高度+栓口最小动压+管路总损失。

　　 (3)隧道消防水源除采用市政自来水、地下水或天然水源外,还可考虑隧道围岩裂隙水的充分利用,特别是位于雨季时间长、雨量充沛的区域,宜将隧道围岩裂隙水与市政供水或其他水源进行叠加组合使用,以保证隧道水源能长期、可靠地取水。

　　 (4)隧道洞口处如设置全封闭声屏障,其声屏障内的消防系统设计原则应严格按照 “公路规”规定执行。

　　 (5)隧道内分叉大断面处需核实消火栓的保护半径,适当增加消防箱的数量。

　　 (6)目前国家尚无专门的针对高速公路隧道的消防规范可以套用,本工程在设计过程中需交叉查阅“公路规”、“水消规”、“建规”及“灭火器规”,用以确定公路隧道消防设计的各主要设计参数。