地铁区间消防管道故障定位及处理方案研究

季 新

（北京城建设计发展集团股份有限公司，北京）

引言

地铁地下区间隧道根据规范，设置区间消火栓给水系统，即设置消火栓给水管网和消火栓口[1]。地下区间隧道消防用水由相邻车站供水，每个车站水力计算分别负责半个相邻区间的消防供水[2]。车站相邻两端地下区间每条隧道分别从地下车站消防给水环状管网上引入一根DN150 消火栓给水干管，沿隧道行车方向右侧敷设，车站和相邻两端区间隧道的消防管网相连，形成一个完整的环状消防给水管网。接至区间消防管道进入区间隧道前设控制阀组。

地下区间隧道（单洞）按每不大于50 m 布置一个消火栓口[3]。区间端头消火栓离车站区间分界不大于5 m，管按每隔5 个消火栓口设置一个检修蝶阀[4]，在系统最低点设放水阀，在系统最高处设排气阀；在车站站台层两端（车站与区间交接处）各设置两套（共八套）消防器材箱，每套消防器材箱内放2 根25 m 长水龙带，配两支Φ19 喷嘴水枪，供区间消防时使用。

地下区间隧道内消防给水管道易因不均匀沉降、列车运行震动、质量等原因出现管道接口损坏破裂、接口脱落，从而导致爆管，管道喷射水流，轨道面充满消防水而影响列车运行，严重时甚至导致列车停运[5]。

区间消火栓管网发生漏水、爆管时，现有技术条件下依靠人员处理[6]。具体措施：列车限速运行或暂时停运；关闭区间两端的车站去往区间消防管道的电动阀门查找事故管段，明确故障点；紧急抢修。

1 存在问题

1.1 无法及时发现故障

日间运营时，由于车辆速度快，司机可能忽略或未及时观察到消防管道故障。只有管道接口爆管急流喷向行车时，司机容易发现，其余故障，通过司机或车载视频第一时间觉察极其困难。

夜间运营时，除运营检修人员例行检查外，发生漏水或爆管，通常由第二天第一班列车运行时发现，而此时，很大可能已出现严重水淹情况。

1.2 无法及时明确故障点

当区间消防管道发生故障时，尤其夜间，车控室无法准确判断故障位置；而日间运营时，可通过司机和车站视频察觉故障，但并不能明确故障点所在的区间，以及更具体的里程位置。

1.3 需要人力排查，过程消耗时间长

按照既有运营管理模式，当区间消防管道发生漏水、爆管时，处理方式为：第一时间关闭区间两端电动蝶阀。此时无法明确故障点所在位置，需要列车停运后，人员进入区间排查故障点。因此，消耗时间较长。

1.4 消防管道爆管的影响

日间运营时，如突发消防管道故障，事态严重的，会引起乘客的恐慌，同时出现触发紧急停营的条件，启动应急管理程序，打断正常运营组织，产生比较严重的社会影响，同时引起连带的经济损失。夜间发生故障，会造成水淹隧道事故发生，甚至衍生灾害，抢险不及时影响第二天的正常运行。

此外，上述处理措施并不满足消防要求。发生故障时关闭区间两侧车站去往区间的消防管道，导致整个区间消防管道无水源，若此时区间发生火灾无法进行灭火扑救，不满足“同时关闭消火栓个数不超过5 个[4]”的规范要求，无法保证检修状态下的必要消防供水。特别是长大区间，长大区间可能存在两辆列车同时在区间的情况，发生故障对于长大区间的运营、防灾方面影响较大。

针对区间消防管道故障定位和处理的盲区，本研究进行了深入的思考和分析，提出了基于监控系统的设计思路和设计方案。

2 设计思路

2.1 基本思路

设计基本思路：采用设置一种监测水流状态或数据的设备来判断管道漏水故障状态，设置电动蝶阀关闭故障管道的方式，并结合地铁的综合监控系统达到自动控制目的。

2.2 研究分析

确定了基本思路，对与目标相关的各种因素及要件进行研究分析。研究分析的主要有故障的定义、监测设备、水力计算、联动控制。

2.2.1 故障的定义 区间消防消火栓管网出现或产生危害、泄漏的现象，称为故障，故障包括管道间接口，消火栓口的三通接口，发生少量的漏水，急速喷水，接口错位或脱落引起的爆管。

2.2.2 监测设备 监测水流状态或数据的设备主要有水流指示器（设备），流量传感器（流量计）、压力传感器。

水流指示器（设备）：具有监视水流和传感功能的水流指示器，用于监测消防管网的水流状态。正常情况下，消防管网的水属于静止状态，当管道水发生流动时，水流指示器感应并触发动作信号。

流量传感器（流量计）：管道水流动时，通过管道的流量数据来判断和触发动作信号，主要有电磁流量计和超声波流量计。

压力传感器：管道水流动时，通过管道某一点的压力突变来判断水流和触发动作信号。

2.2.3 水力计算 区间消火栓管网的水力计算的主要有管道材质、坡度、管径、流量、压力、速度等计算参数。

管道材质：常规设计中区间消防管采用内外热镀锌钢管、内外涂环氧钢管等。

坡度：管道安装坡度与隧道坡度一致，隧道坡度与线路坡度一致。《地铁设计规范》第6.3.1 条正线的最大坡度宜采用30‰，困难地段最大坡度可采用35‰；区间隧道的线路最小坡度宜采用3‰，困难条件下可采用2‰。一个连续地下区间通常为V字坡，人字坡或一字坡。

管径：消火栓主管管径为DN150，接消火栓口支管为DN65。

流量：《地铁设计规范》第28.3.3 条消火栓给水系统用水定额，地下区间隧道应为10 L/s；故障时流量无法确定，水力计算以10 L/s 为例。

速度：《消防给水及消火栓系统技术规范》8.1.8 消防给水管道的设计流速不宜大于2.5 m/s。

区间水源：区间消火栓系统水源，由车站提供两根水管，车站端头处接区间消火栓管道压力估计值为0.30 MPa。

区间长度：区间整个长度为1 000 m，计算时以L=250 m 为一个单元，包含5 个消火栓口的一个单元。计算参数见表1。

表1 计算参数

根据《消防给水及消火栓系统技术规范》第10.1 条公式及伯努利方程结合以上参数进行水力计算，结果为：当线路坡度为6.5‰时，监测设备位于计算单位的中心线；线路坡度小于6.5‰时，监测设备应位于计算单位的线路高程低的一端；线路坡度大于6.5‰时，监测设备应位于计算单位的线路高程高的一端。不同区间根据线路坡度，确定监测设备放于线路高程高端或低端，防止多个监测设备同时动作。水力计算结果见表2。

表2 水力计算结果

2.2.4 联动控制 根据上述水力计算结果确定监测设备的位置。该位置的监测设备仅联动其相邻两端的电动蝶阀，关闭两电动蝶阀间的管道；管道故障点附近压力传导时间最短的监测设备最先动作，避免了多个监测设备同时动作，关闭多个电动蝶阀的情况。

3 设计方案

3.1 设计原理

如图1 所示，为本设计方案的控制逻辑图。当水流指示器动作时，是否同时有火灾报警信号，如有，则判断为火灾情况下的水流指示器动作，水流指示器不联动关闭相邻两端的电动蝶阀，此时车站及区间应进入火灾模式；如水流指示器动作时无火灾报警信号，则判断为非火灾情况下水流指示器动作，即管道漏水或爆管等故障，此时水流指示器联动关闭相邻两端电动蝶阀，同时向车控室反馈动作的水流指示器及电动蝶阀的状态及位置里程。而当水流指示器联动关闭电动蝶阀失效时，由车控室通过综合监控系统联动关闭相关位置电动蝶阀。而后，运营人员组织检修，检修完成后恢复管网及监测系统。

图1 逻辑控制

3.2 设计方案

地铁区间隧道消防给水管道故障监测及处理的设计方案：每间隔5 个消火栓口（1）设置电动蝶阀（2），每两个电动蝶阀（2）之间设置水流指示器（3），每个电动蝶阀（2）对应设置电动蝶阀控制箱（5），每个水流指示器设置水流指示器控制箱（6），水流指示器控制箱（6）和电动蝶阀控制箱（5）与综合监控系统（4）连接。见图2。

图2 设计方案示意

3.2.1 就地自动控制方式 水流指示器控制箱（6）接受综合监控系统（4）的火灾信息，同时反馈水流指示器（3）的动作、故障信号、位置里程参数等，无火灾状态时，水流指示器（3）动作，表示消防管道出现漏水或爆管故障，给两侧的电动蝶阀控制箱（5）联动控制信号，关闭对应的电动蝶阀（2），从而关闭发生故障的消防管段；火灾状态时，虽然水流指示器（3）动作，不联动关闭两侧的电动蝶阀（2）。

电动蝶阀控制箱（5）与综合监控系统（4）连接，反馈水流指示器（3）动作时，电动蝶阀是否按指令动作，反馈电动蝶阀（2）的动作、故障信号、位置里程参数。

电动蝶阀控制箱（5）与水流指示器控制箱（6）控制原理图见图3。

图3 控制箱原理

3.2.2 远程控制方式 当无火灾时，水流指示器（3）动作，综合监控系统（4）收到水流指示器（3）动作信号，电动蝶阀（2）的状态正常，无故障信号，但没有收到电动蝶阀（2）的联动信号，水流指示器控制箱（6）和电动蝶阀控制箱（5）之间可能出现故障，此时，由综合监控系统（4）给水流指示器（3）两侧的电动蝶阀控制箱（5）联动控制信号，关闭对应的电动蝶阀（2），实现车控室远程控制。

3.2.3 专业接口 地铁区间隧道设置有动力照明、综合监控系统。本方案需要动力照明提供电动蝶阀的电源；综合监控设置模块箱，接收水流指示器和电动蝶阀的控制、故障状态。给排水专业设置电动蝶阀代替原管道的手动蝶阀，并增加水流指示器。

3.2.4 优点及效益 能够及时发现故障问题，由故障判断到处理的过程，均为全自动智能控制，无需人员参与，反应快、处理及时，有效避免区间发生水淹状况，不影响运营行车，采取有效措施及时智能化处理问题，保障行车运营的安全；故障管道位置明确，工作人员可详细定位，无需判断与排查，大大缩短查找时间，检修更加及时；可以减少夜间运营维护，监控掌握区间隧道消防给水管网状态，提高了消防给水系统的安全性。

特别适用长大区间隧道和无人驾驶线路的区间隧道。

社会效益和经济效益，主要体现在及时发现故障并处理，时间短，漏水量少，减少了水资源损失；减少因为暂停运营带来的经济损失，减少因为暂停运营而采取的紧急抢险、疏散旅客等措施费用，减少因为水淹带来的衍生害处，如设备更换等，减少因为暂停运营带来的社会负面影响。

结束语

地铁区间消防管道故障定位及处理设计方案，具有一定的社会效益和经济效益，不仅适用于普通地铁区间，更适用于长大区间、无人驾驶线路的区间。本研究在地铁区间消火栓给水管道故障定位及处理设计水力计算上有待进一步利用模型验证，在本方案设计思考和前期研究过程的方法上希望能够为地铁智慧消防的设计提供一些参考。