城市隧道消防水系统设计探讨

梁 印

（苏交科集团股份有限公司，南京 210019）

随着城市交通量的日益增长，地上交通堵塞情况加剧，地下隧道日渐兴起且迅速发展。由于城市隧道结构相对封闭，只有出入口与外界相连通，一旦发生火灾，火势会迅速向隧道出入口两端蔓延，导致人员伤亡和财产损失。因此，当隧道内发生火灾时，合理有效的消防系统能够在火灾初期阶段将其扑灭，防止火势进一步的扩大。然而城市隧道包括一般下穿隧道和水下城市隧道，隧道又可分为一类、二类、三类和四类隧道[1]。不同类型的隧道所需配置的消防水系统不同，目前国家标准中仅GB50016—2014《建筑设计防火规范》（2018版）（简称《建规》）和GB50974—2014《消防给水及消火栓系统技术规范》（简称《消规》）中针对城市交通隧道消火栓系统布置和灭火器配置做出简单的规定，但通过对工程案例调研发现，常用的消防水系统还包括固定式水成膜系统、泡沫-水喷雾系统等，但不同消防水系统的适用隧道未有明确的规定，本文通过分析各消防水系统的灭火机理以及结合现有隧道工程的消防水系统配置，进一步对城市隧道消防水系统方案选择进行探讨，同时，由于二类城市隧道在城市中更为常见，因此本文以某二类城市隧道工程为例对消防水系统技术参数进行设计。

1 工程概况

文章基于某二类城市隧道实际工程对消防水系统设计参数展开探讨，该隧道为双洞单向隧道，暗埋段共910 m，暗埋段两端通过敞开段与接地点连接。每个洞室横断面长均为12.7 m，高5.45 m，均设置3个车道，设计时速为60 km/h，仅限通行机动车，且允许通行危化品车辆，根据《建规》中规定，该城市隧道属于二类城市隧道。

2 消防水系统比选

2.1 规范规定差异性

目前所参考的规范中，均规定了允许通行危险化学品的车辆以及长度超过500 m的城市隧道需设置消火栓系统。然而不同规范对于其他消防水系统规定不同，如下：

1）《消规》[2]中规定了通行危化品车辆的城市隧道应加设泡沫水枪或水雾系统。

2）JTG D70/2—2014《公路隧道设计规范 第二册交通工程与附属设施》[3]（简称《公路隧道规范》）提出了A级及以上的公路隧道必须加设固定式水成膜系统。

3）DG/TJ08-2033—2008[4]《道路隧道设计规范》（简称《道路隧道规范》）以及JTG/T 3371—2022《公路水下隧道设计规范》[5]（简称《水下隧道规范》）规定还需设置水喷雾系统、泡沫-水喷雾系统及泡沫消火栓系统，但并未对各消防系统的适用隧道长度或类型做出要求。

对于消防水系统设计参数差异性主要表现在城市水下隧道室外消火栓设置间距，《消规》中规定室外消火栓距离洞口不宜小于5 m，且不宜大于40 m，而《水下隧道规范》中规定室外消火栓距离洞口不应大于10 m。

2.2 消火栓系统

消火栓系统采用的灭火剂为水，主要用于扑救A类固体火灾，当发生火灾时，对可燃物进行冷却降温，以达到灭火的目的。因灭火剂经济、维护方便和灭火速度快等优点被广泛应用。

由于隧道内每隔一段距离设置一个变形缝，为避免等距布置时消火栓箱位于变形缝处以需局部调整消火栓箱位置时而影响整体布局，在规范要求的基础上，其布置间距可取40 m，且每个消火栓箱内设置2个消火栓，以保证2股充实水柱能够到达隧道的任意位置。然而针对室外消火栓设置间距的差异性，由于隧道发生火灾时，烟气会通过洞口向外扩散，若室外消火栓布置距离洞口较近，救援人员使用室外消火栓时将会受到烟气扩散的影响，造成视觉能见度降低，且高温有毒烟气同样会对救援人员造成伤害，因此室外消火栓布置不宜距洞口较近，应以不大于40 m的规定为准。

2.3 水喷雾系统

水喷雾系统是以水作为灭火剂并以水雾滴的形态进行喷射，然而在隧道初期火灾时，一般发生在机动车底部，水喷雾系统无法立即浸渍渗透至车辆着火部位，导致灭火速度较慢且存在火灾继续扩大的风险，因此在城市隧道内不推荐采用水喷雾系统进行灭火。

2.4 固定式水成膜系统

该系统的灭火剂为泡沫，在发生火灾时喷放泡沫并附着在可燃物表面将其与氧气隔离，以达到灭火的目的，可用于扑救隧道内B类火灾[6]，常与消火栓系统联用。其通常在消火栓箱内增设泡沫枪、泡沫比例混合器及泡沫罐等，并与消火栓共用消防供水管道，在发生火灾时，泡沫液与供水管道的有压水混合，形成压力不小于0.35 MPa的泡沫混合液进行灭火，其供水量可根据《道路隧道规范》中的1 L/s设计。通常可使用泡沫消火栓系统扑救危化品火灾，实现灭火。除此之外，当城市隧道内不允许通行危化品车辆时，若隧道长度超过1 000 m，火灾危险性增大，需设置固定式水成膜系统增加消防系统可靠性，但由于水成膜属于腐蚀性物质，为保证灭火剂的有效性，需不超过2年即对泡沫液进行一次性能检查[7]，增加人工成本。若隧道长度超过3 000 m，每个消火栓箱内均需设置泡沫罐，经济性较差，此时可采用泡沫-水喷雾系统取代泡沫-消火栓系统。

2.5 泡沫-水喷雾系统

该系统是指将泡沫灭火系统与水喷雾灭火系统联用，通过水喷雾管道及泡沫管道将水和泡沫液运输至隧道内的泡沫-水喷雾阀组箱。当发生火灾时，先利用喷头持续喷射不少于20 min泡沫混合液进行灭火后，利用水喷雾进行冷却，防止回燃。该方式能够在火灾初期利用泡沫快速灭火，后利用水喷雾系统冷却降温，比单一的泡沫灭火系统更加经济，又比水喷雾系统更加高效，灭火可靠性高。然而泡沫-水喷雾系统需要在隧道内形成2套独立的供水及供泡沫管网，且泡沫具有腐蚀性需要定期检查维护，成本较高。近年来常用于城市水下隧道[8-9]，如南京市定淮门隧道、南京长江隧道等，同时长度超过3 000 m的一类城市隧道因其火灾危险性更大，火灾荷载更高的特点也应采用泡沫-水喷雾系统。其参数可根据《公路隧道规范》以及《道路隧道规范》中要求设计。

3 消防水系统设计

3.1 消防供水

常用的消防系统供水方式主要有市政供水和消防水池/水箱等，然而由于消防用水较为严格，必须满足不间断供水，而市政供水方式通常会存在检修时段，此时若发生火灾，则无法提供安全可靠的消防连续供水，因此本项目采用消防水池对消防系统进行供水的方式。

根据《建规》中的规定，二类城市隧道的室内消火栓用水量为20 L/s，室外消火栓用水量30 L/s，火灾延续时间3 h，固定式水成膜用水量为1 L/s。消防泵房设置于隧道一侧洞口，在泵房一侧设置一座总有效容积不少于550.8 m3的消防水池，并分格设置，且消防水池底面不低于消防泵房地面。

3.2 消防泵房设计

3.2.1 消防水泵设置方案选择

对于隧道内外消火栓泵的配置有共用消火栓泵（方案一）和分别设置隧道内外消火栓泵（方案二，常用于地上民用建筑）2种，无论选择哪种方案，消火栓管网经济差异性不大，但方案二所需的消防泵房面积增大，增加地下建筑施工成本，同时2组消防水泵也会增加电气控制柜、设备采购费以及维护成本，因此本文采用隧道内外消火栓系统共用一组消火栓泵的方案。

3.2.2 泵房管线设计方案选择

目前城市隧道的内外消火栓共用消火栓泵时，室外消火栓大多通过一根室外消火栓管道连接至室内消火栓环管上，但由于室外消火栓还承担了利用水泵接合器向室内消火栓系统供水的功能，因此，若将室外消火栓直接连接至室内消火栓环管上时，则输水路容易转变为“消防水池→消防泵房→消火栓管网→室外消火栓→水泵接合器→消火栓管网→室外消火栓”，产生无效循环，室外消火栓无法起到向室内消火栓输送消防用水的功能。因此，提出一种新的管线设计方案，即隧道内外消火栓共用消火栓泵，但在消火栓泵出水总管上分别设置独立的室外消火栓管网和室内消火栓管网，二者分别向各自的消火栓系统供水。管线布置图如图1所示。

图1 消防泵房管线布置平面图（图片为作者的设计图，下同）

图1给出了泵房管线布置图，从图中可以看出，消防水池内储存水经消防泵房加压后共用水泵出水管，在出水总管上分别引出2根DN150的室内消火栓管网向室内消火栓供水，以及2根DN200的室外消火栓管网向室外消火栓供水。此时，为防止室外消火栓通过水泵接合器向室内消火栓供水时依次经消火栓管网和水泵出水总管回流至室外消火栓的情况发生，本项目在消防泵房内水泵出水总管上引出的DN150的室内消火栓管网上增设止回阀，使消防水仅能由泵房向隧道单向流动，即水输送路为“消防水池→消防泵房→室外消火栓管网→室外消火栓→水泵接合器→室内消火栓管网→室内消火栓”。该设计方案仅通过增加止回阀便使室外消火栓既能承担室外火灾扑救功能，又起到了向室内消火栓有效供水的作用，增加供水管网可靠性的同时又提高了经济性。

根据以上系统供水方式，可计算出共用消火栓泵扬程和压力，计算结果见表1。

表1 消火栓泵选型计算表

根据设备厂家提供的消防水泵样本，本项目消防水泵选型为XBD7.9/55G-FLG，流量55 L/s，扬程79 m，电机功率90 kW，必需气蚀余量5.0 m。

同时，由于消防泵房位于隧道一侧洞口，靠近洞口附近的室外消火栓会出现超压的现象，因此需设置减压阀。

3.3 消火栓管网设计

室内消火栓管网为DN150环状管网，布置在隧道行车方向右侧装饰板后方并在隧道两侧洞口成环；室外消火栓管网为DN200支状管网，明敷在隧道内装饰板后方，敷设至隧道洞口时再埋地敷设至室外消火栓处。室内消火栓管网和室外消火栓管网在消防泵出水总管引出管后均为独立的管网系统，且在消火栓管网最高点均设置排气阀，最低点均设置泄水阀。隧道洞室内消火栓管网布置横断面图如图2所示。

图2 消火栓管网布置横断面图

3.4 泡沫-消火栓箱体

消火栓箱布置在隧道行车方向右侧装饰板后方，布置间距40 m，每个消火栓箱内设置2个DN65消火栓，直径19 mm水枪、25 m长DN65衬胶水龙带各2套，消防卷盘1套、喷枪1支，消防按钮1个及其配套阀门、管路等，一条长25 m、口径19 mm的消防卷盘，低倍数泡沫喷枪，1套低倍数比例式混合器，30 L水成膜泡沫原液，并配置4具手提式ABC6干粉灭火器，如图3所示。其中泡沫混合液流量不小于30 L/min，连续供给时间不小于20 min，泡沫混合液浓度为3%。泡沫-消火栓箱体内部布置如图3所示。

图3 泡沫-消火栓箱布置图

4 结束语

本文结合各消防水系统灭火机理、经济性及现有隧道消防水系统配置案例提出了各消防水系统适用隧道场景，同时基于实际工程案例提出采用消防水池供水方式时隧道内外消火栓系统的设计方案。

1）为保证在隧道变形缝的影响下，消火栓箱微调后依然能够保证2股充实水柱到达隧道任意位置，其布置间距可取40 m，且每个消火栓箱设置2个消火栓。

2）允许通行危化品车辆的城市隧道以及隧道长度超过1 000 m但不超过3 000 m的普通隧道需增设固定式水成膜灭火系统。泡沫-水喷雾灭火系统应设置在隧道长度超过3 000 m以及水下城市隧道中。

3）当采用消防水池作为供水方式时，隧道内外消火栓系统共用水泵出水总管后，需分别从出水总管引出室内消火栓管网及室外消火栓管网保证管网各自独立，且应在引出的室内消火栓管网增设止回阀，同时需校核室外消火栓是否超压，若超压需在泵房内与其对应的室外消火栓引出管上设置减压阀。