高速公路越岭隧道水消防设计

罗可

中冶南方城市建设工程技术有限公司 湖北省武汉市 430070

摘要：随着我国高速公路建设的迅速发展以及道路等级的日益提高，穿越高山丘陵等偏远地区的高等级公路隧道的规模也越来越大，但随之而来的隧道安全问题也日益严峻起来。以湖北某隧道的消防设计为例，介绍了国内越岭隧道消防系统所包含的设计内容。

关键词：隧道；消防设计；水消防

隧道是公路交通的咽喉，具有环境封闭，空间狭窄等特点，火灾时通常会造成烟雾大、温度高、能见度低等不利条件。而且隧道断面较小，火灾在车辆之间蔓延非常迅速，给火灾扑救和人员疏散带来相当大的困难^[1]。特别是一些山区隧道，由于远离城市，缺乏可靠的消防水源，短时间内消防救援力量难以到达，使得消防扑救变得更加困难。所以，对于隧道消防工程来说，隧道自身消防设施的作用就显的尤其重要。

1. 工程概况

该隧道采用分离式双线四车道，左右线均为单向两车道，长度均为2816m，标准段车行道宽度为8m，共设置车行横洞6处，人行横洞7处，紧急停车带12处。

2. 隧道消防系统设计

隧道内的火灾分A、B、C类与金属火灾四种，其中以B类火灾为主。消防设计一般依据《建筑设计防火规范》（GB 50016-2018）^[2]（以下简称《建规》）、《消防给水及消火栓系统技术规范》（GB 50974-2014）^[3]（以下简称《消水规》）和《公路隧道设计规范（第二册 交通工程与附属设施）》（JTG D70/2-2014）^[4]（以下简称《公隧规》）进行，设计内容包括：隧道消防取水及供水系统，隧道消防管网系统，消火栓，泡沫灭火装置等。

1. 1. 隧道分类

不同规范对隧道分类有所有不同。《建规》第12.1.2条将隧道分为一、二、三、四类。本隧道双孔均超过了1500m，可通行危化品车辆，属于一类隧道。《公隧规》第3章将隧道分为A+、A、B、C、D五个等级。本隧道为双洞四车道，单洞年平均日交通量为6854pcu/d，属于A级。

《建规》分类侧重于火灾救援难度，隧道越长，通行车辆越危险，救援难度越高，隧道等级越高。《公隧规》强调隧道发生事故的概率，隧道越长，交通量越高，事故概率越高，隧道分级就越高。

笔者认为，消防设计应淡化概率因素，消防设施的目的就是保证其能够有效扑灭火灾，应当在一定会发生火灾的情况下去考虑消防需求，不应因火灾概率低就降低消防标准。套用《公隧规》，假设有长度同为800m的B、C级两条隧道，如果隧道可通行危化品机动车，即使概率再低，一旦发生危化品泄露导致的火灾事故，由于C级隧道仅设置灭火器，在没有外部消防力量的干预下，会对隧道的火灾扑救工作带来极大的困难。因此笔者更推荐《建规》的分类方式。

1. 2. 消防设施配置

确定隧道等级后，即可确定隧道内的消防设施。《建规》第12.2.1条规定除四类隧道和仅限人行或通行非机动车的隧道外，其余隧道均应设置消防给水系统。根据《公隧规》第3.0.3条，A+和A级隧道必须设置消火栓和固定式水成膜泡沫灭火装置，B级隧道宜设置，C、D级隧道不作要求。根据《消水规》7.4.16条，对于允许通行危化品机动车且长度超过3km的隧道要求配置水雾或泡沫消防水枪。

《建规》仅对消火栓作了规定，《公隧规》要求部分类型隧道设置泡沫灭火装置，《消水规》规定长度超过3km可通行危化品机动车的隧道应设置水雾或泡沫消防水枪。由于隧道内火灾类型主要为B类，而泡沫灭火剂能够有效抑制B类火灾^[5]。部分地方标准也对除消火栓以外的诸如泡沫、水喷雾等消防设施作了要求，如《上海市道路隧道设计规范》（DG/TJ 08-2033-2017）、《湖南省公路隧道消防规范》（DB43/729-2012）等。泡沫—水喷雾灭火系统在城市水下隧道中有着广泛应用，泡沫灭火系统在隧道消防中的应用也逐渐成为一种趋势^[6]。因此笔者认为，在满足规范的同时，还应参考《公隧规》和相应的地方标准对消防设施进行补充。

基于以上论述，该隧道需要设置的水消防设施主要有消火栓和固定式水成膜泡沫灭火装置。

1. 3. 消防设施布置

隧道内的消火栓多采用双栓系统，并与水成膜泡沫灭火装置设置于同一消防洞室内，每座消火栓在其保护范围内均能够满足2支水枪的充实水柱同时到达。根据《消规》10.2.1节，按25m长水带，10m长充实水柱计，消防水带弯曲折减系数取0.8，消火栓最小保护半径为27.1m。因此可以计算得出消火栓的间距为51.7m，但《建规》、《消水规》均规定消火栓间距不应大于50m，《公隧规》要求单洞双车道不大于50m，故消火栓间距取50m。

然而一旦某一消火栓故障或该处发生火灾无法使用，该消火栓附近一定范围将成为消防盲区，无法被其他任何消火栓保护到。

因此，笔者建议采用民建设计中比较常规的单栓消火栓，按图1的布置方式，计算出消火栓的最小间距为25.9m，图中阴影部分为中间消火栓失效情况下只有一股水柱能够到达的区域。

图1 隧道单栓系统仅一股水柱保护区域

固定式水成膜装置含一条25m长软管，泡沫喷枪的最大射程为10m，因此与消火栓布置在同一洞室时可满足隧道内所有区域都能得到保护。目前该装置十分成熟，市面上也有成套装置，确定了布置间距后，可以直接进行安装。

1. 4. 消防水源

消防水源有山涧溪流、泉水、深井水和市政水源等。山涧溪流水质水量不稳定，泉水、深井水水量充沛，受季节影响小。有市政管网的话也可采用市政用水。本隧道消防水源即采用的是市政用水，其流量不小于12.5m³/h，符合作为隧道消防水源的要求。

在实际工程中，隧道消防水源仍广泛采用溪流和深井水。如果溪流位置高于高位蓄水池，且水质水量充足，则可以经简单的沉淀处理后自流至高位蓄水池。如果其位置较低，可通过拦坝或设置提升设施的方式抬高水位，将其送至高位蓄水池。如果没有溪流，或溪流不稳定，则可采用深井水代替。

在选择消防水源时，要做好实地调查、比较分析工作，因地制宜，确保满足消防要求，节省投资。

1. 5. 消防水量

消防水量按一次灭火用水量计算。根据《建规》、《消水规》、《公隧规》计算出隧道内外一次灭火用水量分别为216m³、216m³、216m³和324m³、324m³、无规定，则一次灭火总用水量分别为540m³、540m³、216m³。《消水规》还规定，对于一类城市交通隧道，火灾延续时间应根据火灾危险性分析确定，确有困难时，可按不小于3.0h计。从世界各地的隧道火灾实测数据来看，一般一场大中型火灾的延续时间在几小时到十几小时不等，所以对于一些位置偏僻、水源匮乏的隧道，还应经专家论证，适当增加火灾延续时间，增加消防用水量。

1. 6. 消防管网设计

消防给水系统有常高压给水系统和临时高压给水系统，其中常高压系统又分为管网高压系统和重力高压系统。常高压系统要求系统的水压、水量、流量均满足要求，临时高压给水系统是在无法满足水压、水量、流量中的一项或多项时，通过消防加压设备以同时满足上述三项参数的给水系统。

1. 常高压系统

若隧道周边存在两路市政管网，且管网水压、水量、流量均能满足要求，则可以直接从市政管网上引两路给水管与消防管网连接，隧道室内外消火栓共用一套管网。如果隧道周边没有管网或管网压力不够，则需要设置高位水池，水池最低水位、有效容积、出水流量满足系统水压、水量、流量要求。通常隧道周边地势起伏，能够满足水箱高度要求，因此这种给水方式广泛应用于越岭隧道中。

图2为常高压系统示意图，其中实线框为重力高压系统需设置内容，虚线框为管网高压系统需设置内容。

图2 常高压系统示意图

2. 临时高压系统

当无法满足常高压系统的各项要求时，需设置泵房、水箱等设施，如图3所示。目前规范对隧道是否设置高位消防水箱还没有明确规定，但为了保证临时高压系统平时的压力，满足水泵启动前的消防用水，建议从严设置，容积取10min消防用水量^[7]。如无法设置高位水箱，也可通过设置稳压泵及气压罐的形式代替。

图3 临时高压系统示意图

以上是隧道消防中三种基本的给水方式，实际应用中还有隧道外消火栓采用市政管网直供，隧道内采用重力高压或临时高压给水方式，都是以上三种方式的组合，此处不再赘述。

1. 7. 消防系统水力计算

确定给水方式后，需计算系统中的各项参数，以临时高压为例，其他形式可类比参考。《建规》和《公隧规》均要求水枪充实水柱不小于10m，《消水规》要求最低压力不应低于0.30MPa，因此从严取0.30MPa。由于固定式水成膜泡沫灭火装置也会产生一定水损，具体数值需根据实际产品确定，本工程取5m水头，故消防设施供水压力不应低于0.35MPa。

本隧道供水简图如图4，标高均为管中心标高，栓口标高按高于消防干管中心2m计，初步确定最高点为最不利点，水泵流量为50L/s。

图4 管网水力计算示意图

根据《消规》中的流速规定，管径定为DN200，沿程水头损失采用海澄—威廉公式计算，从泵房至最不利点处的沿程水损为0.23MPa，局部水损取沿程水损的20%，即0.05MPa，消防水池最低有效水位为34.1m，根据《消规》10.1.7条，安全系数取1.2，水泵设计扬程为0.94MPa，取1.00MPa，经校核距离泵房最近、最远处的栓口压力分别为1.01MPa、0.42MPa，故对于栓口动压超过0.50MPa的，采用减压稳压型消火栓，栓口压力0.45MPa。

高位水箱有效容积取10min消防水量，即30m³，其最低水位应满足最不利灭火设施静压不低于0.10MPa，当采用稳压泵代替高位水箱时，不低于0.15MPa。本工程高位消防水箱最低有效水位为70.00m。

对于采用高位消防水池直接供水的常高压系统，应校核水箱出水管的流量能否满足消防流量，采用管嘴出流公式进行校核，管嘴流量系数取0.82，得出流量为50L/s时的过水断面面积为0.022m

²，此时对应的管道直径为167mm，故水池出水管管径至少取DN200。

若采用稳压泵来稳压，可参考《〈消防给水及消火栓系统技术规范〉图示》（15S909）^[8]第45、46页来进行计算。

3. 结语

1. 目前在隧道消防设计中还缺少隧道专项规范作为设计依据^[9]，只能参考其他规范。而且不同的规范对消防设施及参数的规定还有差异，对于不一致的，建议从严执行，具备条件的，还应参考某些地方标准的做法。

2. 对隧道进行分类时，建议淡化火灾发生概率的概念，侧重于火灾危险程度、救援难度等方面，因此《建规》的分类方式更为合理。

3. 对于临时高压消防系统，还缺少有关高位消防水箱的规定，但鉴于在真实发生的火灾事故中，高位消防水箱确实能发挥一定的灭火功效，因此建议条件允许的应尽量设置。

4. 对于采用消防水池的常高压系统，还应校核出水管在重力自流情况下的过流能力能否满足消防流量。

5. 根据隧道火灾类型多以B类火灾的特点，应当有针对性的采用一些泡沫灭火装置。对于需要设置消火栓的工程，建议在消火栓箱内增设固定式水成膜泡沫灭火系统。

6. 对于隧道是否需要设置自动喷水灭火系统，还需进一步研究，国标规范也未对此做相关要求，建议在设计时查阅当地地方标准是否有相关规定。

参考文献

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[2]GB50016-2014，建筑设计防火规范[M].北京：中国计划出版社，2018

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[9]曹文娟.某城市隧道水消防系统的设计与思考[J].消防科学与技术，2019，38(11)：1561～1566