深中通道海底隧道工程消防系统设计

刘飞

（中铁第四勘察设计院集团有限公司环境工程设计研究院，湖北 武汉 430063）

为打通江河湖海的交通屏障、增进城市内或邻近城市群间的经济发展，近年来国内越江隧道及海底隧道建设越来越多。已开通运营的包括江西省南昌市艾溪湖隧道、江苏省南京市和燕路过江通道、湖北省武汉市长江公铁隧道、山东省济南市黄河济泺路隧道等，正在建设的包括江苏省海太长江隧道、山东省青岛市胶州湾第二隧道、广东省深中通道等。

穿越江海湖河的水下隧道与城市下穿隧道、山岭隧道不同，因其埋深大和水下的特殊性一般具有人员疏散救援困难的特点。如果发生火灾，安全危害极大，经济损失严重[1～3]。因此，做好水下隧道消防设计是防灾救援工作的重中之重。本文以深中通道海底隧道工程项目为例，论述其较为完善的消防系统设计，为今后类似标准的水下隧道工程消防设计提供借鉴。

一、工程概况

深中通道建设工程项目是跨越珠江口连接深圳市与中山市的世界级“桥、岛、隧、地下互通”集群工程，是国家“十三五”重大工程和《珠江三角洲地区改革发展规划纲要（2008-2020年）》确定的重大基础设施项目，也是珠三角两大功能组团“深莞惠”与“珠中江”之间的唯一公路直连通道。该项目于2016年底开工建设，总投资约460亿元，路线全长约24km，其中海底隧道段全长6870m，是世界首条大规模采用钢壳混凝土组合结构的沉管隧道[4～7]。

二、隧道消防系统设计

（一）隧道灭火系统设置原则

该项目隧道消防系统设计遵循“以防为主，防消结合”的原则，根据《公路隧道设计规范（第二册交通工程与附属设施）》（JTG D70/2-2014），隧道属于“A+”级，必须设置的消防灭火设施包括灭火器、消火栓、固定式水成膜泡沫灭火装备[8]。考虑隧道消防安全重要性，结合相关研究结论[9～10]，参考相关工程设计实例[11～13]，除满足规范要求外适当加强，补充了泡沫-水喷雾联用系统。其中，在隧道敞开段洞口附近设室外消火栓系统，在隧道行车主洞设置水成膜泡沫消火栓系统、灭火器、泡沫-水喷雾联用系统，在安全通道设置灭火器。隧道洞口及隧道内消火栓系统均采用临时高压系统，消防管按环状管网布置。隧道消防灭火系统设置如图1所示。

图1 隧道消防灭火系统设置图

因隧道为W型纵断面，且隧道长度较长，如仅在单侧设置消防泵房，则由最不利点计算出的消防泵扬程偏高，消防管道压力过大，局部管道压力甚至超过2MPa，存在运营及安全风险。考虑以上情况，水消防系统设计采用以W型隧道中间高点为分界线，设置东、西两个系统，在东、西两人工岛分别设置消防泵房及消防水池的方案。

（二）消火栓系统

1.系统构成

以隧道W型纵断面中间高点为分界线，设置东、西两个系统，从东、西人工岛消防泵房中室外消火栓泵组分别接出两根DN200室外消火栓管网，形成可靠的环状管网，以供隧道洞口附近室外消防用水；从两人工岛消防泵房中隧道消火栓泵组分别接出两根DN150消火栓管网至隧道管沟，在管廊内全线贯通形成可靠的环状管网，以供隧道内消火栓用水，其中F、G匝道消火栓管与主线消火栓管在汇入主线处连通，形成环状管网。隧道内消火栓系统如图2所示。

图2 隧道内消火栓系统示意图

在隧道中间管廊两边侧墙及匝道的一侧墙内，设置一组间隔不大于40m消火栓箱，每只箱内设双阀双出口消火栓，栓口压力超过0.50MPa采用减压稳压型消火栓，栓口直径DN65，以及25m衬胶水龙带2条、Φ19mm多功能水枪、Φ9mm吸气型泡沫枪，自救式消防软管卷盘1盘，消火栓箱报警按钮1只，并配40L不锈钢泡沫液罐1个。

2.设计参数

隧道洞口及敞开段室外消火栓系统：消防设计流量为30L/s，火灾延续时间为4h，消火栓设置距离敞开洞口不超过120m，室外消火栓系统栓口动压不小于0.25MPa，满足10m充实水柱；按每个室外消火栓、消防水泵接合器为10L/s～15L/s计，每处设2个室外消火栓；同时在隧道洞口附近设置消防水泵接合器，每处设置2个。

隧道内消火栓系统：隧道内消火栓消防设计流量为20L/s，火灾延续时间为4h，消火栓设置间距不超过40m。隧道固定式水成膜泡沫灭火装置混合液流量不小于1L/s；室内消火栓系统最不利点工作压力不小于0.35MPa，固定水成膜系统的有效射程不小于6m，水成膜泡沫灭火装置作用时间不小于22min。

（三）泡沫-水喷雾联用系统

1.系统构成

以隧道W型纵断面中间高点为分界线，设置东、西两个系统，从东、西人工岛各设1座消防泵房，分别接出2根DN350消防管和2根DN80泡沫液管至隧道管廊，在管廊内贯通形成可靠的环状管网。在隧道沿线每个灭火分区内设置独立的泡沫或水喷雾控制阀组箱，内含雨淋阀组、比例混合器、泡沫阀组等设施，以及水雾喷头。隧道内泡沫-水喷雾系统如图3所示。

图3 隧道内泡沫-水喷雾系统示意图

2.设计参数

泡沫-水喷雾联用系统的喷雾强度≥6.5L/（min·m2），泡沫混合液喷射时间参考港珠澳大桥沉管隧道消防设计标准，在《泡沫灭火系统设计规范》（GB 50151-2010）规定的基础上适当提高标准，取≥30min，水喷雾喷射时间≥60min。泡沫混合液的浓度≥3%，所有隧道专用泡沫水喷雾喷头处的压力≥0.35MPa。沿隧道纵向划分灭火分区，分区长度根据不同宽度隧道段采用不同设计值，泡沫-水喷雾阀组设置箱间距具体根据设备布设情况确定，但均不大于设计值。隧道标准段灭火分区最大长度为21m，经计算，不同里程段的各隧道断面宽度对应的灭火分区最大长度及喷头布置间距详如表1所示，其中最宽处创新性的增加了车道中间顶喷的方式。

表1 各段隧道灭火分区最大长度及喷头布置间距表

3.系统设计流量

最大用水量点为东岛隧道并线渐宽段k6+718～k7+030处，隧道行车道宽24m～30m，考虑设备布设影响，分区最大长度按14m，喷头采用“双侧侧喷+中间顶喷”的3排布置形式，两侧侧喷选择单个喷头流量4.2L/s（流量系数K=135），有效覆盖距离约10m；中间顶喷选择单个喷头流量6.8L/s（流量系数K=218），有效覆盖距离约12.5m。单个喷头工作压力0.35MPa。系统设计流量核算如下。

灭火分区保护面积：S=30×14=420m2

根据喷雾强度计算所需流量：Q需=420×6.5=2730L/min

按设计喷头布设方案核算流量 ：Qj=6×4.2×60+3×6.8×60=2736L/min＞Q需（满足设计要求）

每组设计流量：Qs=K·Qj=1.05×2736/60=47.88 L/s

发生火灾时，同时启动火灾探测器周边相邻的3组泡沫水喷雾阀组，则系统设计流量为：Qs=47.88×3＝143.64 L/s

（四）消防泵房及消防水池

在东、西两座人工岛各设一座消防泵房。经选泵计算，每座隧道消防泵房内设置室外消火栓泵两台（一用一备），型号为Q=30L/s、H=0.50MPa、N=37kW，配XW(L)-II-1.0-54-ADL型增压稳压设备，带SQL800×1.0气压水罐；设隧道内消火栓泵两台（一用一备），型号为Q=20L/s、H=1.10MPa、N=55kW，配XW(L)-II-1.0-109-ADL型增压稳压设备，带SQL800×1.6气压水罐；设水喷雾泵三台（两用一备），型号为Q=80L/s、H=0.85MPa、N=132kW，配XW(L)-II-2.0-97-ADL型增压稳压设备，带SQL800×1.6气压水罐；设泡沫消防泵两台（一用一备），型号为Q=5L/s、H=94m、N=11kW，配两座泡沫液罐单座泡沫罐容积为4m3（Φ1500mm、不锈钢材质）。在泵房附近消防车道旁设置消防水泵接合器，与岛上室外消火栓相对应，距离岛上室外消火栓或消防水池5m～40m。

消防水池容积按照一次火灾设计。在东、西两岛消防泵房旁各设两座消防水池，两座消防水池的有效容积需满足一次室外消火栓系统用水量、隧道消火栓系统用水量、水成膜用水量和泡沫-水喷雾联用系统用水量之和。其中，消火栓系统消防水量为：432m3（室外消火栓）+288m3（隧道内消火栓）+1.32m3（水成膜）=721.32m3；泡沫水喷雾系统消防用水量按143.64L/s、持续（30+60）min得775.66m3，合计1496.98m3。每座泵房配套消防水池容积为1600m3，单座消防水池设计容积为800m3。东、西人工岛消防水池分别由各岛DN200市政给水管引入，消防水池引入管管径为DN150，满足48小时补满水的要求。

（五）启动方式

室外消火栓系统启动方式为：根据管网压力变化自动启动，泵房内手动启动，控制中心遥控启动。

隧道消火栓系统启动方式为：消火栓箱内按钮作为报警信号启动，泵房内手动启动，控制中心遥控启动，根据管网压力变化自动启动。

泡沫/水喷雾灭火系统启动方式为：自动报警后信号传至控制中心自动启动或经控制中心人工确认后启动，泵房内手动启动，控制中心遥控启动。

（六）灭火器系统的设置

1.设置依据

根据《公路隧道设计规范（第二册交通工程与附属设施）》（JTG D70/2-2014）第10.2.2条的规定：公路隧道内灭火器宜选用磷酸铵盐干粉手提式灭火器，灭火器充装量不应小于5kg且不应大于8kg；单洞四车道公路隧道应在隧道两侧交错设置灭火器，灭火器单侧设置间距不应大于50m[8]。

2.隧道行车孔灭火器

在隧道车道两侧交错布置灭火器箱（中间安全通道侧与消火栓同箱设置），结合标准管节的设备布设需求综合考虑，灭火器单侧间距不大于40m，每个箱内设6kg磷酸铵盐干粉手提式灭火器4具，以供扑灭初期火灾时使用，另配火灾逃生面具3套，以供火灾期间人员逃生使用。

3.安全通道灭火器

安全通道内上行隧道行车孔侧安全门内的两侧设置灭火器箱，箱内放置6kg磷酸铵盐干粉手提式灭火器4具。

三、基于物联网的消防救援联动系统构想

本着“安全第一、以人为本”的建设理念，结合深中通道运营安全保障与应急救援整体体系框架的要求[14]，基于隧道内的技术装备，从影响隧道安全的三个主要因素——隧道管理者、隧道使用者及隧道本身出发，提出基于物联网的消防救援联动系统构想。即：在区域救援组织架构下从火灾事故的预防及事故后的交通控制、广播、照明、监控、紧急通风、公共救援部门沟通及相邻隧道和上游路段的交通管制等环节实施联动预案的研究编制，为提高隧道安全性及事故工况下救援力量的快速介入提供参考，为编制自动控制软件提供逻辑依据。

深中通道工程隧道消防联动由火灾自动报警系统、消防系统灭火部分、交通监控系统、通信系统、通风系统、照明系统、电力监控系统等相关专业系统联合实现，如图4所示。

图4 消防救援联动系统构想示意图

四、结语

深中通道工程项目是跨越珠江口的一项大型隧岛桥集群工程项目，作为世界首条大规模采用钢壳混凝土组合结构的沉管隧道，海底隧道工程建设及设计标准极高。本文考虑项目特点及各方综合因素，在规范基础上适当提高标准，设置了隧道洞口室外消火栓系统、含固定式水成膜泡沫灭火装置的隧道内消火栓系统、泡沫-水喷雾联用系统、灭火器系统，4个消防系统独立设置组成了消防灭火系统，并在此基础上提出基于物联网的消防救援联动系统构想，确保火灾发生时能及时灭火。该海底隧道消防系统设计方案对今后类似高标准水下隧道工程，尤其是海底隧道工程的设计及有关规范标准的制订、修编具有重要的参考意义。