公路隧道水消防系统分区设计

潘坤龙 孙 语

（1.中铁第六勘察设计院集团有限公司，天津 300000；2.洛阳市规划建筑设计研究院有限公司，河南 洛阳 471000）

0 引言

随着我国基建行业快速发展，截至2020 年末，全国公路隧道21316 处、2199.93 万m，其中特长隧道1394 处、623.55万m，长隧道5541 处、963.32 万m。随着长大隧道数目的逐年增加，相关公路隧道规范并没有逐步完善，规范对公路隧道消防系统计算及分区原则仍然缺失。超长公路隧道由于管路长，隧道进、出口高差大，如果水力计算及分区不合适，消防管件承受的静压大，消火栓的后推力过大，对消防系统安全可靠性有很大影响。笔者就此相关问题展开分析。

1 消防供水系统

根据现行《公路隧道设计规范第二册交通工程与附属设施》（JTGD70/2-2014）（以下简称《公路隧道规》[1]），隧道消防给水宜采用高位消防水池供水的常高压供水系统；当无条件设置高位水池时，可采用稳高压供水系统。

常高压供水系统：在隧道口部（标高高的一端）设置高位消防水池，水池内储存全部的消防用水量，依靠高位水池与隧道消防设施的高差，提供消防系统所需要的压力。高位消防水池通常由低位管井+深井泵+低位消防水池+补水泵进行补水。

稳高压供水系统：在隧道口部设置低位消防水池，水池内储存全部的消防用水量，依靠消防主泵+稳压泵+稳压罐的形式加压，提供消防系统所需要的压力。低位消防水池通常由管井+深井泵进行补水。

除以上常用的常高压供水系统和稳高压供水系统外，还有其他一些供水系统，例如采用市政管网供水+消防恒压泵组联合供水的系统，常高压供水系统与稳高压供水系统分区供水的方式等。

2 消防系统压力要求

长隧道水消防系统通常设置有消火栓和水成膜灭火系统；根据《消防给水及消防栓系统技术规范》（GB 50974-2014）[2]（以下简称《水消规》[2]）7.4.12 消火栓栓口动压应不小于0.25Mpa，且消防水枪充实水柱应按10m 计算；，若栓口动压大于0.5MPa，则需采用减压稳压消火栓或者减压孔板。

根据《公路隧道规》[1]第10.2.4 条 及水成膜隧道内的水成膜泡沫灭火系统采用25 m、口径19mm 的胶管，泡沫混合液流量不小于30L/min ，连续供给时间不小于20min，射程不小于6 m。当系统以0.4MPa～0.8MPa 的压力水经过比例混合器时可使水与泡沫液按规定比例自动混合，经发泡枪产生泡沫并喷射泡沫液。

根据《水消规》[2]第6.2.1 条 系统工作压力大于2.4MPa或消火栓栓口处静压大于1.0MPa 时均应分区供水； 综合以上各种压力要求，确定整个管网最不利点处动压应维持0.4MPa～0.8MPa。各分区管网最大静压应小于1.0MPa。

3 消防系统分区形式

长大隧道进出口高差通常在100m 以上，甚者可达到200m 以上，与民建的超高层类似，可以类比超高层相关分区减压的相关经验。同时也应注意两者的不同；不同之处主要体现在工程条件上，民建超高层建筑核心筒处设置有水暖井及消防管井，可以敷设多跟立管；与之相比隧道内管道一般设置在管沟内，尺寸狭小，专业管线繁多，这就要求隧道内水消防管道的数目应尽可能的少，系统尽量简洁。

3.1 减压阀分区

主要用于常高压系统，高位消防水池通常设置在隧道相对标高一端，为保证最不利点栓口压力为0.4MPa，高位消防水池底标高需设置在最不利栓口以上约50m，所以隧道进出口高差超过50m 的必须设置减压阀组。通常做法是在隧道中的消防主管上设置减压阀组，来减少下游管路的动压及静压。

依宝塔山隧道为例，宝塔山隧道为特长人字坡隧道，起讫桩号K19+535～K30+015，采用1.8%（8195m）和-0.4%（2285m）的人字坡，隧道进出口高差138m，在大里程段口部设置高位消防水池，管网采用减压阀分区，设置三组减压阀组，4 个分区。消防系统示意图如图1。

图1 宝塔山隧道消防系统示意图

这样设置减压阀组可以满足分区内消防系统的压力在0.4MPa～0.8MPa，满足要求。但同样存在着一些问题：1）根据《水消规》6.2.4 4 减压阀仅应设置在单向流动的供水管上，不应设置在有双向流动的输水干管上；12.3.6 条文说明 减压阀的性能能要求水流方向是不能变的。比例式减压阀，如果水流方向改变了，则把减压变成升压可调式减压阀如果水流方向反了，则不能工作，减压阀变成止回阀……；图1中A～B 点及C～D 点均为单向流，无法实现消防系统的环装供水，不满足规范要求；2）同时左端水泵接合器供水时，仅能实现1 区的供水，2、3、4 区均无法实现由左端水泵接合器供水，消防救援存在巨大的安全隐患。

对此问题笔者提出改进措施，如图2 所示。

图2 减压阀组分区改进示意图

减压阀组结合横通道位置设置，横通道处设置2 根左右线消防联通管（分别设置在减压阀组的前后），同时设置减压阀组的位置，原消防主管依旧保持联通，并设置止回阀（止回阀的水流方向与减压阀组反向设置）；减压阀组前后设置两根联通管可以满足每个分区内消防管网双向供水；通过设置止回阀可以阻挡上游的静压和动压，同时水泵接合器供水时，能够正常供水，满足规范要求。

同时借鉴超高层的减压分区经验，减压阀组的使用按照不超过2 级减压进行控制为宜；根据估算，在满足最不利灭火设施压力需求的情况下，一级减压阀分区高差大约在50m左右，在使用2 级减压的情况下，此分区方式可以应对总高差在150m 左右的隧道消防系统。

3.2 横通道（或侧壁）消防水池分区

用于常高压系统，利用横通道在隧道中间设置消防水池（或在结构侧壁外扩消防水池），利用中间消防水池，来满足下游管网的压力及水量；依新疆东天山隧道为例，隧道为长13km 的单向坡隧道，隧道进出口高差190m，根据消防系统的压力要求，分为3 个区（I 区长5km，II 区长4km，III 区长4km），各个分区具有自己独立的消防水池，依靠重力供水，Ⅰ区由低位水池+消防泵组供水；Ⅱ区由1#侧壁消防水池供水，1#侧壁消防水池补水接自I 区消防管道；Ⅲ 由2#侧壁消防水池供水，2#侧壁消防水池补水接自Ⅱ区消防管道；消防系统示意图如图3 所示。

图3 东天山隧道消防系统示意图

该方案的优点是，整个隧道系统依靠重力供水，系统可靠性强；缺点是为满足下游分区最不利点的供水压力，侧壁水池实施困难并且水池通常要高于供水分区最不利点50m左右，局部里程段出现4 根管路的情况，对工程条件有较高的要求；同时本方案依旧存在水泵接合器供水仅能满足III区的情况，笔者就此问题提出改进措施：1）水池位置由侧壁调整为横通道处，便于施作；2）水池出水管上均设置止回阀；同时利用隧道设置的错车道，在中间分区管网上设置水泵接合器和室外消火栓，这样每个分区都有自己单独的水泵接合器和室外消火栓；并在隧道进出口部及水泵接合器旁做好标识，注明水泵接合器服务的里程段，以便消防队员快速分辨。 该方案横通道（或侧壁）消防水池的作用是释放高位水池势能，防止系统超压，与减压阀分区相比，更安全可靠。计算横通道（或侧壁）消防水池容积时，根据《水消规》[2]6.2.5条 “减压水箱的有效容积不应小于18m3，且宜分成两格”。从减压的功能上来看，因整个系统的水源为高位消防水池，横通道（或侧壁）消防水池容积仅需保证通过系统流量的连续性和延展性即可，不需要提供额外的消防水量，因此，有效容积只需考虑上游水池向本级水池补水控制阀延时开启时间内所泄漏的水量，同时避免下游用水时出现瞬间断流所需水量。但从供水安全考虑，横通道（或侧壁）消防水池有效容积须适当放大，参照超高层减压水箱的通用做法，一般还是以扑灭初期火灾所需10min 供水段系统用水量计算，并与18m3比较，取大值。

3.3 横通道消防水池+消防泵组分区

与3.2 横通道消防水池分区类似，下游分区由重力供水改为加压供水，横通道设置消防水池和加压泵组；依秦岭天台山隧道为例，隧道为长15km 的单坡隧道，隧道进出口高差254m，根据消防系统的压力要求，分为3 个区（I，II，III区），I 区由高位消防水池供水；II 由横通道消防水池（1#）和加压泵组供水，横通道消防水池（1#）补水接自I 区消防管道；III 由横通道消防水池（2#）消防水池和加压泵组供水，横通道消防水池（2#）补水接自II 区消防管道；消防系统示意图如图4 所示。

图4 天台山隧道消防系统示意图

该方案的优点是，因为有加压泵组加压，横通道水池的设置位置灵活，同时避免了局部历程段4 根消防管道的弊端，对工程条件要求低；缺点是泵组众多，控制麻烦，不如重力供水可靠；同时本方案依旧存在水泵接合器供水仅能满足III 区的情况，解决方案可参考3.2 章节的优化措施。 该方案对横通道（或侧壁）消防水池有效容积的要求如下：横通道（或侧壁）消防水池仅作为下一级消防水泵的吸水池，不提供额外的消防水量，其有效容积满足消防水泵的吸水要求即可。关于吸水池（井）容积的相关规范规定如下： 根据《水消规》[2]11.0.3 条“消防水泵应确保从接到启泵信号到水泵正常运转的自动启动时间不应大于2min”；根据该规范则水池有效容积应大于等于消防主泵2min 的供水量。因上下级分区间存在联动，参照《水消规》[2]11.0.12 条“机械应急启动时，应确保消防水泵在报警后5.0min 内正常工作”；根据该规范则其有效容积应大于等于消防主泵5min 的供水量。根据规定并结合超高层转输水箱的通用做法，应当适当加大对横通道（或侧壁）消防水池的有效容积，一般还是以扑灭初期火灾所需10min 其供水段系统用水量计算。

3.4 组合式分区

对于高差特别大的隧道，可采用组合3.1～3.3 的分区形式，以简化系统设计同时满足消防系统压力要求；依太行山隧道为例，隧道长13.9km，坡度1.9%（12240m）和坡度1.1%（1691m），隧道进出口高差约251m。分区方案为共设7 个供水分区，由1 个洞外常高压、2 个横洞泵站稳高压、4 个减压阀组实现。消防系统示意图如图5 所示。

图5 太行山隧道消防系统示意图

该方案的优点是，化繁为简，先分为3 个大区，在每个区内再用减压阀组划分小区，系统简洁明了；同时本方案依旧问题：1）存在水泵接合器供水仅能满足III 区的情况，解决方案参考3.1～3.3 章节的优化措施；2）存在减压阀组设置在消防主管上，不满足环状供水的要求，解决方案参考3.1章节的优化措施。

4 最不利点的位置探讨

最不利点位置确定，直接影响到分区的合规性，笔者在调查中发现，国内已运营部分公路隧道消防系统看似能满足各处消防设施的压力需求，实则是仅能满足正常工况下各设备的压力需求，对于检修工况下不满足压力需求，对公路隧道消防系统的安全性大打折扣。隧道消防系统计算简图如图6 所示。

图6 隧道消防系统计算简图

有一些公路隧道设计思路为：“对于1 个系统分区，系统的压力最不利点为分区末端，距离减压阀组位置最远的位置即图示中A 处，按照E～A 和F～A 进行计算，来确定E、F点减压阀组的阀后压力或A 点的位置”，由系统图可知，这种划分方式，在系统正常工作时可以满足各种要求，但对于检修工况下，则未必能满足各个消防设施的压力要求；举例分析：“按原设计，当靠近B 点左边发生火灾时，但若管道B～C 发生故障，则需要关闭环网上就近的阀门，则对于B 点左边最近的消火栓，只能通过F～D～A～B 来供水，此处消火栓的压力不一定能满足要求”，因此笔者认为，应按照《水消规》[2]第10.1.9 条 “消火栓系统的管网在水力计算时不应简化，因根据枝状或事故状态下环状管网进行水力计算”，考虑最不利情况（检修工况下）的消防供水。

分区内最不利点划分不应为管线中点A 处；对于E 点减压阀组，管线最不利点应为D 点，对于F 点减压阀组，管线最不利点为C 点，如此设计，减压阀阀后压力才能使消防水系统在检修工况下也能满足压力需求，提高消防系统的安全性。

5 结论

隧道最高点与最低点高差不超过150m 的，建议设置高位水池，采用单端供水方式，采用减压阀组分区减压，节省投资，且能满足消防管网需求。

隧道最高点与最低点高差超过150m 的，建议将隧道合理划分供水分区，在隧道内设置横洞消防水池，并结合实际的工程条件选择加压供水或重力供水，灵活组合各种分区措施，化繁为简确保隧道消防管网安全可靠。

长隧道可类比民建超高层减压分区，超高层分区主要依托于避难层及核心筒管井，隧道分区主要依托于横通道及管沟，两者有诸多相似之处，可灵活借鉴，为隧道消防系统分区提供思路。

系统计算时，除考虑正常工况外，还应考虑检修工况，合理选择系统分区内的最不利点位置，核算消防供水压力，确保分区后各种工况下均能满足消防设施的供水压力。在不同分区形式的设计方案中，横通道（或侧壁）消防水池容积提供的功能并不完全相同，应根据其所提供的功能，参照《水消规》的相关规定，并结合超高层减压的相关经验，以扑灭初期火灾所需10min 其供水段系统用水量计算，合理地确定横通道（或侧壁）水池的有效容积，以策安全。