城市二类交通隧道排水及消防系统设计探讨

毕 秀 梅

(中铁第四勘察设计院集团有限公司，湖北 武汉 430063)

0 引言

在快速发展的经济带动下，我国城市隧道交通工程也突飞猛进。但与之配套的给排水、消防系统的设计，国内尚无具体的规范规定。关于城市二类隧道给排水及消防研究较少，而该类工程又很多，设计合理、经济、完善的排水及消防系统对隧道交通运营至关重要。笔者结合某城市交通隧道设计案例，对城市二类交通隧道排水及消防系统方案、关键参数进行探讨。

1 工程概况

该城市隧道东西走向，长1 980 m，属二类城市交通隧道，单层双孔，盾构施工，分别在东西两端各设一座工作井，盾构段长1 260 m，盾构直径11.3 m，隧道设计车速为60 km/h，仅限通行非危险化学品等机动车。隧道盾构段两侧设明挖暗埋段与道路衔接。隧道平面示意图见图1。

2 隧道消防系统设计

2.1 消防系统方案分析

汽车油箱、驾驶室、行李或货物等是城市交通隧道发生火灾的主要部位，火灾类型一般为A，B类[1]。火灾特点主要表现为：行驶中的车辆导致火灾发生的时间和地点均具有随机性；因隧道密闭，火灾时升温快，大部分火灾在起火后10 min即可达到很高的温度；火灾时，因燃烧缺氧产生的有毒有害气体，可能会导致司乘人员窒息、死亡；隧道横断面小、狭长，救援人员疏散困难。结合火灾特点，以下对各类可用于隧道的消防系统进行分析，以确定适用于城市二类隧道的合理、经济、可行的消防灭火系统。

2.1.1水成膜泡沫灭火系统

火灾时水成膜除具有一般泡沫灭火剂的冷却和窒息作用外，还能在燃烧体表面形成一种水膜，水膜与泡沫层共同封闭燃烧液体表面，隔绝空气，阻止可燃液体继续燃烧。对油类火灾，水成膜泡沫灭火系统能较好的控火、灭火。固定式水成膜泡沫系统与消火栓系统联合工作，泡沫喷枪、泡沫容器、比例混合器等水成膜设施与消火栓设在同一个箱内，水成膜用水取自消火栓，与消火栓共用消防给水干管及消防泵。火灾时，水成膜泡沫灭火剂通过泡沫混合装置与水混合后，输出的泡沫混合液经泡沫喷枪产生灭火泡沫，靠泡沫和保护膜双重作用，达到快速灭火的效果，水成膜泡沫不与水混合时有效期可长达8年。固定水成膜泡沫系统管理简单、操作简便，一般司乘人员就能使用。若采用该系统，仅需在消火栓箱内放入水成膜设施，通过一根DN25金属管与消火栓连接，消防干管、消防泵、报警设施等均与消火栓共用，工程投资少、管理简单、维护运行费用低。隧道内火灾多以汽车油类火灾居多，城市二类隧道内宜设置固定式水成膜泡沫灭火系统，以便及时扑灭初期火灾。

2.1.2消火栓系统

水是一种常用、廉价且经济的灭火剂，可用于扑灭A 类火灾。水在温度升高时，可以吸收大量的热，能有效地降低燃烧物质和周围物质的温度，扑灭火焰、阻止燃烧。对于二类及以上隧道，《建筑设计防火规范》[2]和《公路隧道设计规范 第二册 交通工程与附属设施》[3]规定消火栓是必备的消防设施。故城市二类隧道内应设消火栓系统，用于扑灭初期火灾，防止火灾扩大。

2.1.3泡沫—水喷雾消防系统

泡沫—水喷雾消防系统是由泡沫系统和水喷雾系统组成、喷头为共用喷洒装置的系统，火灾时，先喷洒一定时间的泡沫灭火，然后再喷水雾冷却。除泡沫水喷雾阀组箱至喷头段为泡沫系统与水喷雾系统共用外，其余部分完全独立，泡沫系统和水喷雾系统均各自设有独立的泡沫干管、泡沫泵及水喷雾干管、水喷雾泵，两套系统的干管平行沿隧道纵向贯通，且在隧道内成环。该系统需较大空间布置管道系统，管道多、泵多，所需投资大，且管理维修费用高。平时泡沫干管内充满水成膜，须定期更换。水成膜具有腐蚀性，滴、漏及消防时有腐蚀给排水管道的风险。该系统自动操作，需配置监测、报警、自动响应启动等复杂的自控系统。现该系统多用于江、湖、海等的水底隧道[4-6]，如南京长江隧道、武汉东湖隧道、扬州瘦西湖隧道等水底隧道设置了泡沫—水喷雾消防系统。鉴于城市二级隧道位于城市内，以扑灭初期火灾自救为主，同时考虑经济性，不推荐采用此系统。

2.1.4水喷淋系统

水喷淋灭火系统是由开式或闭式喷头、传动装置、喷水管网、湿式报警阀等组成。发生火灾时，启动喷淋泵喷水灭火。隧道相对封闭、空间小，初期火灾一般发生在车厢内部、下部，在顶部喷水灭火效果不佳。在高温火焰上喷水，不但不会扑灭火焰，还有可能使烟雾层向下移动，降低隧道内能见度，影响现场人员的救援、疏散。因而城市交通隧道不建议采用此消防系统。

2.1.5灭火器[7]

灭火器操作简单、使用方便、灭火性能可靠，一般司乘人员就会使用，是扑灭初期小规模火灾的重要工具。《建筑设计防火规范》《公路隧道设计规范 第二册 交通工程与附属设施》规定城市隧道需设置灭火器，并对灭火器的设置作了原则规定。磷酸铵盐干粉灭火剂，可用于扑救除活泼金属外的其他各类火灾，因而城市二级隧道内推荐采用手提式磷酸铵盐灭火器。

2.2 消防系统设计

由于城市二类隧道位于城市内，发生火灾时消防队接到报警赶赴现场时间短，同时根据隧道火灾特点，消防系统设计立足于以司乘人员可以使用灭火设施来控制、扑灭初期火灾为目的。火灾中期或大火灾时以城市专业消防队员和消防车为主体进行消防。结合以上消防系统分析，城市二类隧道消防灭火系统采用固定式水成膜消防系统、消火栓系统、灭火器三种消防系统组合的消防系统。

2.2.1固定式水成膜、消火栓消防系统

1)系统设置。

隧道消防水源采用城市自来水，市政供水管径、供水压力不能满足隧道消防直供用水要求，需设消防加压泵房。该隧道两孔，消防管道沿隧道纵向铺设，管线长，为减少管道沿程损失，以降低消防泵扬程及节省能耗、降低部分消防管道压力，保证消防供水安全，在东、西工作井内各设一座消防泵房。东工作井消防泵房设消火栓泵(Q=21 L/s，H=53 m，N=30.0 kW)2台(互为备用)、西工作井消防泵房设消火栓泵(Q=21 L/s，H=56 m，N=30.0 kW)2台(互为备用)，每座消防泵房内设稳压设备一套。紧邻消防泵房各设一座有效容积300 m3消防水池，储存消火栓与水成膜一次消防最大用水量。

固定式水成膜系统依附于消火栓系统取水，沿每孔隧道单侧间隔45 m设一座水成膜与消火栓共用的消防箱，箱内设单阀单头DN65消火栓2个、DN19水枪2支、30 L泡沫液罐1个、泡沫喷枪、负压式比例混合器、报警按钮1个、水带及报警器。

自隧道两端的工作井消防泵房内各引出两根DN150消防干管与隧道内消防环状管网连接。隧道内DN150消防干管沿隧道明挖暗埋段及盾构段管廊铺设，敞开段埋地铺设。消防干管在两孔隧道贯通且在隧道两端连接成环，消火栓通过DN65支管与隧道内DN150消防干管连接，消防环状管网每隔5个消防箱设1个检修阀，管网最高点设排气阀、最低点设排泥阀，遇隧道结构缝处设伸缩节，消防管道采用镀锌钢管。

2)设计参数。

固定式水成膜泡沫混合液流量不小于30 L/min，射程不小于6 m，泡沫混合液连续供给时间20 min，水成膜泡沫灭火装置用水量为1 L/s；隧道内消火栓系统用水量为20 L/s，隧道洞口外消火栓用水量为30 L/s，火灾延续时间3 h；最不利点消火栓水枪充实水柱不小于10 m；消火栓栓口距车行道高度1.1 m。消火栓、水成膜消防箱示意图见图2，消火栓、水成膜系统图见图3。

2.2.2灭火器配置

在每孔隧道行车道两侧每隔50 m设一只灭火器箱，交错布置，每只箱内设置4具4 kg装的磷酸铵盐灭火器，供扑灭初期火灾使用。

2.2.3工作井内设备用房灭火系统

工作井内通风机房、弱电机房、民用通信机房、变电所、消防泵房内设气体灭火系统，采用全淹没柜式超细干粉灭火装置，超细干粉灭火设计浓度C=0.12 kg/m3,单位体积超细干粉设计量为：M=(1+δ1)CK1K2。其中,δ1=0.1，C=0.12 kg/m3，K1=1.5，K2=1.1，则M=0.217 8 kg。根据《建筑灭火器配置设计规范》，工作井内风机房、弱电设备室、民用通信设备室、变电所及消防泵房均属于E类火灾场所，设手提式磷酸铵盐灭火剂；城市隧道属于中危险级，最大保护距离20 m(A类)，单具灭火器最小配置灭火级别为2A，单位灭火级别最大保护面积为75 m2。

3 隧道排水系统设计

3.1 废水排水系统

1)系统设置。

隧道内废水主要来源：正常情况下为冲洗废水、结构渗漏水、雨天车辆行驶带进隧道内的雨水等；在发生火灾时废水的主要来源为消防废水，即隧道内水成膜废水和消火栓消防废水。由于消防时废水中含有泡沫液，废水泵房废水须排入市政污水管网，经市政污水处理厂处理后排放。

根据高水高排、低水低排的原则，隧道最低点设废水泵房，东、西工作井内各设一座废水泵房。最低点废水泵房排水有两种设计方案，方案一：最低点废水泵房直接将废水抽升出隧道，排至地面污水管网；方案二：最低点废水泵房的废水就近排入东工作井废水泵房，经工作井废水泵房转输至地面的污水管网。综合分析，方案二较优：这样最低点废水泵房潜污泵扬程小、能低耗、节省了工作井至地面雨水检查井之间的压力排水管长度。故该隧道设计采用方案二。隧道最低点废水泵房内设自动搅匀潜污泵(Q=40 m3/h，H=43 m，N=15 kW)3台，2用1备；东、西工作井废水泵房内均各设自动搅匀潜污泵(Q=40 m3/h，H=28 m，N=7.5 kW)3台，2用1备。废水泵房控制方式采用集水池内水位控制、手动启动、控制室远程启动。

2)设计参数。

盾构段结构渗入水为5.7 m3/d，明挖段结构渗漏水：10.0 m3/d(1号)、8.5 m3/d(2号)、9 m3/d(3号)、6.0 m3/d(4号)、消火栓与水成膜废水21 L/s。

3.2 雨水排水系统

1)系统设置。

雨水排水系统是确保隧道雨天安全运营的保障。该隧道由敞开段、明挖暗埋段和盾构段三部分组成，雨水排水系统排除的是敞开段至接线道路驼峰点之间的雨水，由雨水收集系统、雨水泵房组成。在隧道出入口各设一座雨水泵房，在暗埋段与敞开段交界处设置两道横截沟，拦截雨水进入雨水泵房集水池。泵房内设潜污泵，将雨水提升后排入雨水管网。在隧道出入口雨水泵房内均各设自动搅匀潜污泵(Q=250 m3/h，H=15 m，N=22 kW)3台，2用1备。雨水泵房控制方式采用集水池内水位控制、手动启动、控制室远程启动，所有泵的启闭状态均在控制室内显示。

2)设计参数。

暴雨重现期决定雨水设施规模、排水能力，目前关于城市交通隧道敞开段暴雨重现期，国内尚无相关规范规定。GB 50014—2006室外排水设计规范(2016年版)[8]第3.2.4B条规定：特大城市内涝防治设计重现期为50年～100年；GB 50157—2013地铁设计规范[9]第14.3.1条规定：隧道洞口的雨水泵站的排水能力，应按当地50年一遇的暴雨强度计算；欧盟推荐地下铁路/地下通道设计内涝重现期为50年。综上，为确保雨天隧道运行安全，降低隧道积水、车陷雨水的风险，敞开段出入口宜按50年一遇的暴雨强度计算。雨水量计算暴雨强度公式：

其中，i为设计暴雨强度，mm/min；P为设计重现期，年；t为降雨历时，t=t1+t2，min；t1为地面集水时间；t2为管渠内雨水流行时间,min,t2=0。

计算得：q=3.949 34 mm/min。

隧道雨水设计流量Q=Ψ·i·F。

其中，Ψ为径流系数，Ψ=0.9；F为汇水面积,hm2。

雨水泵房设计流量取雨水计算流量的1.2倍，雨水泵房集水池的有效容积取最大1台排水泵5 min～10 min出水量。

4 结语

城市隧道出口少、空间小、封闭性强，设置合理、经济的给排水及消防系统，是保障城市交通隧道安全运营关键。城市二类交通隧道消防采用固定水成膜泡沫灭火系统、消火栓系统、灭火器的组合消防系统，可有效扑灭隧道内各类初期火灾、降低火灾造成的损失。

最低点废水泵房的废水通过工作井转输模式，能耗低，投资少；敞开段出入口雨水泵房按50年一遇的暴雨强度计算，雨水泵房集水池的有效容积取最大1台排水泵5 min～10 min出水量。