瘦西湖水底的秘密--單管雙層水底隧道消防及排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)

全康環(huán)保:以揚(yáng)州瘦西湖隧道工程為例，介紹了單管雙層水底隧道消防及排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)。通過(guò)隧道內(nèi)管道布置位置、最低點(diǎn)廢水泵房設(shè)備及其壓力排水管安裝的創(chuàng)新設(shè)計(jì)，解決了單管雙層隧道無(wú)專(zhuān)用管廊情況下給排水管道布置問(wèn)題、隧道狹小空間內(nèi)的潛污泵及管道安裝問(wèn)題。揚(yáng)州瘦西湖隧道已開(kāi)通運(yùn)行數(shù)年，實(shí)踐證明設(shè)計(jì)的消防系統(tǒng)合理、排水系統(tǒng)防汛效果良好，創(chuàng)新的設(shè)計(jì)技術(shù)可確保車(chē)輛運(yùn)行安全，方便管理、維修。

近年來(lái)，水底交通隧道工程以不占用地面空間、高效緩解城市交通壓力的顯著優(yōu)勢(shì)逐漸增多，但對(duì)于其消防及排水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，尚無(wú)系統(tǒng)的規(guī)范、規(guī)定。揚(yáng)州瘦西湖隧道為單管雙層隧道，本文主要對(duì)其消防系統(tǒng)、排水系統(tǒng)及相關(guān)創(chuàng)新設(shè)計(jì)進(jìn)行介紹。

1 工程概況

揚(yáng)州瘦西湖隧道為世界最大直徑單管雙層盾構(gòu)隧道，隧道全長(zhǎng)3.6 km。起點(diǎn)自揚(yáng)州市維揚(yáng)路與楊柳青路的交點(diǎn)，沿楊柳青路東行以隧道方式穿越瘦西湖景區(qū)，然后出地面接漕河西路，至漕河西路與史可法路交叉口。隧道在揚(yáng)子江北路南側(cè)設(shè)A、B匝道。主線隧道為雙向4車(chē)道，上、下層均為2車(chē)道、長(zhǎng)度分別為1789.0m、2350.0m。匝道隧道為單向1車(chē)道，分上、下層與主線隧道對(duì)應(yīng)連接，上層B匝道長(zhǎng)310.0m，下層A匝道長(zhǎng)520.0m。根據(jù)結(jié)構(gòu)形式，隧道由西向東分為湖西敞開(kāi)段、湖西明挖暗埋段、湖西工作井、盾構(gòu)段、湖東工作井、湖東明挖暗埋段和湖東敞開(kāi)段,設(shè)計(jì)時(shí)速為60km/h，道路等級(jí)為城市主干道，僅限客車(chē)通行，隧道縱斷面示意見(jiàn)圖1。

2 消防系統(tǒng)

2.1 消防系統(tǒng)選擇

該工程位于5A級(jí)風(fēng)景名勝區(qū)瘦西湖湖底，隧道建設(shè)影響面廣、工程造價(jià)高、施工難度大；該隧道為單管雙層，空間封閉、狹長(zhǎng)，一旦發(fā)生火災(zāi)，人員疏散困難。對(duì)于水底隧道消防設(shè)計(jì)國(guó)內(nèi)尚無(wú)專(zhuān)門(mén)的規(guī)范，且單管雙層隧道消防設(shè)計(jì)也無(wú)現(xiàn)狀案例可參考，如何設(shè)計(jì)合理、可行，既能消滅初期火災(zāi)、又能在火災(zāi)嚴(yán)重時(shí)保護(hù)隧道結(jié)構(gòu)安全的消防滅火系統(tǒng)，是本工程的重難點(diǎn)。

消防滅火系統(tǒng)主要有消火栓、滅火器、固定式水成膜、水噴霧、泡沫-水噴霧系統(tǒng)。鑒于該單管雙層隧道重要性，瘦西湖隧道消防滅火系統(tǒng)采用消火栓系統(tǒng)、滅火器及泡沫-水噴霧消防系統(tǒng)的組合系統(tǒng)。該組合消防系統(tǒng)安全可靠，滅火性能極強(qiáng)，如能及時(shí)發(fā)現(xiàn)火災(zāi)，可通過(guò)消火栓、滅火器將初期火災(zāi)撲滅；如未及時(shí)控制初期火災(zāi)，則可自動(dòng)啟動(dòng)泡沫-水噴霧消防系統(tǒng)，迅速、及時(shí)滅火、控火。

2.2 消防系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.2.1 消防泵房

該隧道較長(zhǎng)，且上、下2層，為減少管道沿程損失、減小消防泵揚(yáng)程及節(jié)省能耗、保證消防供水安全，在湖西管理中心及湖東風(fēng)塔處各設(shè)1座消防泵房，泵房?jī)?nèi)設(shè)泡沫泵、水噴霧泵和消火栓泵。2座消防泵房均與隧道內(nèi)環(huán)狀消防管網(wǎng)連接。湖西消防泵房設(shè)2座500m3消防水池，湖東消防泵房處設(shè)2座400m3消防水池，儲(chǔ)存泡沫-水噴霧及消火栓一次消防最大用水量。消防泵房設(shè)備配置見(jiàn)表1。

表1 消防泵房設(shè)備配置

2.2.2 泡沫-水噴霧消防系統(tǒng)

2.2.2.1 設(shè)計(jì)參數(shù)確定

根據(jù)《泡沫滅火系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》《水噴霧滅火系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》《泡沫-水噴淋系統(tǒng)和泡沫-水噴霧系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)》，隧道內(nèi)泡沫噴霧最低供給強(qiáng)度6.5 L/（min?m2），泡沫混合液混合比不應(yīng)小于3%，泡沫噴射時(shí)間為30min，水噴霧防護(hù)冷卻持續(xù)時(shí)間為2h，噴頭工作壓力≥0.35MPa，泡沫水噴霧控制閥組箱水管入口壓力0.5~1.0MPa，泡沫液管入口壓力0.6~1.2MPa，系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間不大于45s。

2.2.2.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

（1）系統(tǒng)流量及噴頭設(shè)計(jì)。在隧道明挖暗埋段及盾構(gòu)段設(shè)置泡沫-水噴霧滅火系統(tǒng)。隧道內(nèi)25 m為一個(gè)滅火分區(qū)，泡沫-水噴霧按照相臨兩個(gè)滅火分區(qū)同時(shí)作用計(jì)算系統(tǒng)設(shè)計(jì)流量及相應(yīng)的滅火設(shè)施，火災(zāi)次數(shù)按一次考慮，每個(gè)滅火分區(qū)設(shè)置一個(gè)獨(dú)立的雨淋閥組控制箱。隧道主線與匝道并行段（K0+700~K0+860），隧道寬度大于13.0m，由于泡沫-水噴霧噴頭保護(hù)范圍小于隧道寬度，在該段隧道兩側(cè)布置泡沫-水噴霧噴頭，采用隧道專(zhuān)用遠(yuǎn)近射程泡沫-水噴霧噴頭（q=250L/min，K=134，2個(gè)噴口）；其余隧道段單側(cè)布置泡沫-水噴霧噴頭，采用隧道專(zhuān)用遠(yuǎn)中近射程組合泡沫-水噴霧噴頭（q=393L/min，K=210，3個(gè)噴口）。經(jīng)計(jì)算，隧道主線與匝道并行段，上、下層每個(gè)滅火分區(qū)設(shè)10只噴頭，間距5m，安裝高度在5 m以?xún)?nèi)；其余隧道段，上、下層隧道北側(cè)上部每個(gè)滅火分區(qū)設(shè)5個(gè)噴頭，噴頭間距5m，安裝高度在5 m以?xún)?nèi)?；馂?zāi)時(shí)相鄰2個(gè)滅火分區(qū)50m范圍內(nèi)的2組噴頭同時(shí)作用滅火。湖西水噴霧系統(tǒng)設(shè)計(jì)流量87.51～91.67 L/s，水噴霧泵流量取值90 L/s，則泡沫原液流量為90×3%=2.7 （L/s）；湖東水噴霧系統(tǒng)設(shè)計(jì)流量68.8～72.05 L/s，水噴霧泵流量取值70 L/s，則泡沫原液流量為70×3%=2.1 （L/s）。全線設(shè)遠(yuǎn)近射程泡沫-水噴霧噴頭130個(gè)、遠(yuǎn)中近射程組合泡沫-水噴霧噴頭925個(gè)。

（2）管道布置設(shè)計(jì)。在明挖暗埋段上、下層隧道北側(cè)空間內(nèi)各鋪1根DN250水噴霧干管和1根DN70泡沫液干管、在盾構(gòu)段上層隧道北側(cè)弧形消防管廊內(nèi)鋪2根DN250水噴霧干管和2根DN70泡沫液干管，明挖暗埋段與盾構(gòu)段的水噴霧干管、泡沫液干管在湖西、湖東工作井對(duì)應(yīng)連通，水噴霧干管、泡沫液干管全線貫通，各自成環(huán)，對(duì)應(yīng)與湖西、湖東消防泵房?jī)?nèi)干管連接，通過(guò)支管接入泡沫水噴霧控制閥組。為使消防系統(tǒng)響應(yīng)快速、可靠，平時(shí)泡沫管道內(nèi)充滿(mǎn)泡沫原液。

2.2.3 消火栓消防系統(tǒng)

2.2.3.1 設(shè)計(jì)參數(shù)確定

根據(jù)《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》（GB 50016-2014），隧道內(nèi)消火栓設(shè)計(jì)流量20L/s，火災(zāi)延續(xù)時(shí)間3h，最不利點(diǎn)消火栓充實(shí)水柱≥10m，消火栓栓口距車(chē)行道高度1.1m，栓口出水壓力大于0.5MPa時(shí)，采用減壓消火栓。經(jīng)計(jì)算，在上、下層隧道單側(cè)，每隔50m設(shè)置一只消火栓箱，每只箱內(nèi)設(shè)DN65單頭單閥消火栓2個(gè)。共設(shè)消火栓箱119個(gè)，其中減壓消火栓箱40個(gè)。經(jīng)計(jì)算，消火栓要求壓力不小于18.5m水柱，消防流量20L/s, 湖西、湖東最不利點(diǎn)消火栓所需壓力分別為45.14m、42.98m。

2.2.3.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

消火栓沿隧道敞開(kāi)段、明挖暗埋段、盾構(gòu)段設(shè)置，在上、下層隧道單側(cè)，每隔50m設(shè)一只消火栓箱，每只箱內(nèi)設(shè)DN65單頭單閥消火栓2個(gè)、19mm水槍2支、消防軟管卷盤(pán)（25m）1副、啟泵按鈕等配套設(shè)施。在明挖暗埋段上、下層隧道北側(cè)消防管廊內(nèi)各鋪1根DN150消防干管、在盾構(gòu)段上層隧道北側(cè)弧形消防管廊內(nèi)鋪2根DN150消防干管，明挖暗埋段與盾構(gòu)段的消防干管在湖西、湖東工作井內(nèi)連接，全線貫通、成環(huán)，同時(shí)與湖西、湖東消防泵房?jī)?nèi)干管連接，通過(guò)支管接入消火栓箱，消防干管最高點(diǎn)設(shè)排氣閥、最低點(diǎn)設(shè)排泥閥、每隔5個(gè)消火栓箱設(shè)一個(gè)檢修閥。

2.2.4 滅火器

因隧道內(nèi)發(fā)生的火災(zāi)多為A類(lèi)、B類(lèi)火災(zāi)和帶電火災(zāi)，滅火器選用手提式磷酸銨鹽滅火器。根據(jù)《建筑滅火器配置設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50140-2005），單具滅火器最小配置滅火級(jí)別為3A，單位滅火級(jí)別最大保護(hù)面積為50 m2。經(jīng)計(jì)算，在上、下層隧道敞開(kāi)段、明挖暗埋段、盾構(gòu)段的兩側(cè)每隔50m設(shè)一只滅火器箱，交錯(cuò)布置，每只箱內(nèi)設(shè)置4具5kg磷酸銨鹽滅火器，供撲滅初期火災(zāi)使用。

3 廢水排水系統(tǒng)

3.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

該隧道縱坡為“V”字形、位于湖底、埋深較深，隧道產(chǎn)生的滲漏水、沖洗水及火災(zāi)時(shí)消防廢水等均無(wú)法重力排出隧道，為保證隧道正常運(yùn)行，設(shè)廢水排水泵站，因隧道廢水含有泡沫液等污染物，抽升出的隧道廢水排入市政污水管網(wǎng)，經(jīng)市政污水處理廠處理后排放。

根據(jù)隧道縱坡，在湖中最低點(diǎn)、湖西工作井、湖東工作井內(nèi)各設(shè)一座廢水泵房。湖中廢水泵房位于隧道最低點(diǎn)下層車(chē)道弧形空間。湖西、湖東工作井廢水泵房分別位于湖西及湖東工作井第三、四層，廢水泵房設(shè)在第三層車(chē)道擋墻與工作井內(nèi)壁之間，第四層為集水池。湖中最低點(diǎn)廢水泵房收集湖西工作井至湖中最低點(diǎn)及湖東工作井至湖中最低點(diǎn)間的廢水，湖西工作井廢水泵房收集湖西明挖暗埋段至湖西工作井間的廢水，湖東工作井廢水泵房收集湖東明挖暗埋段至湖東工作井間的廢水。

3.2 設(shè)計(jì)參數(shù)確定及排水設(shè)備

隧道消防廢水水量按消防水量取值，消火栓廢水水量為20L/s、泡沫-水噴霧廢水水量為70L/s(湖中、湖東廢水泵房)及90L/s(湖東廢水泵房)。經(jīng)測(cè)算，隧道盾構(gòu)段結(jié)構(gòu)滲漏水量為26.7m3/d、西側(cè)明挖段結(jié)構(gòu)滲漏水量為7.5 m3/d，東側(cè)明挖段結(jié)構(gòu)滲漏水量為3.0 m3/d、沖洗廢水1L/（m2?d）（消防時(shí)不考慮沖洗廢水）。廢水泵流量按一次火災(zāi)最大的消防廢水量加上結(jié)構(gòu)滲漏水量計(jì)算。各廢水泵房設(shè)備選型配置見(jiàn)表2。

4 雨水排水系統(tǒng)

4.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

雨水排水系統(tǒng)由雨水收集系統(tǒng)和雨水排水泵房構(gòu)成。由于隧道進(jìn)出口敞開(kāi)段露天設(shè)置，敞開(kāi)段與明挖暗埋段交界處設(shè)駝峰，靠近駝峰在敞開(kāi)段側(cè)設(shè)雨水橫截溝，臨近雨水橫截溝在隧道側(cè)面設(shè)雨水泵房。敞開(kāi)段和橫截溝組成雨水收集系統(tǒng)，將隧道進(jìn)出口敞開(kāi)段雨水分別收集至各雨水泵房，由泵房?jī)?nèi)潛污泵將雨水提升至地面壓力井，消能后排入雨水管網(wǎng)，確保雨天隧道運(yùn)行安全。

4.2 設(shè)計(jì)參數(shù)確定及排水設(shè)備

雨水量計(jì)算采用揚(yáng)州地區(qū)暴雨強(qiáng)度公式，如式（1）所示：

對(duì)于單管雙層隧道敞開(kāi)段暴雨重現(xiàn)期，國(guó)內(nèi)尚無(wú)相關(guān)規(guī)范規(guī)定，參照《室外排水設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50014）：大城市內(nèi)澇防治設(shè)計(jì)重現(xiàn)期為30～50年；《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50157）規(guī)定：隧道洞口的雨水泵站的排水能力，應(yīng)按當(dāng)?shù)?0年一遇的暴雨強(qiáng)度計(jì)算；結(jié)合該隧道重要性，敞開(kāi)段出入口暴雨強(qiáng)度取50年。敞開(kāi)段雨水漫流至橫截溝，故t2=0min，t1取5min。經(jīng)計(jì)算得q=460.7 L/(s?hm2)。

隧道雨水設(shè)計(jì)流量如式（2）所示：

雨水泵房設(shè)計(jì)流量按Q泵=1.2QR計(jì)，雨水泵房設(shè)備選型配置見(jiàn)表3。

表3 雨水泵房設(shè)備配置

5 設(shè)計(jì)創(chuàng)新

5.1 管道布置位置技術(shù)創(chuàng)新

該隧道縱向管道較多：2根DN150消火栓干管、2根DN250水噴霧干管、2根DN70泡沫干管及二根DN300廢水壓力排水管。一般水底隧道多為雙管單層，在雙管隧道中間設(shè)有縱向貫穿隧道的專(zhuān)用管廊，用于鋪設(shè)給排水管道。而本隧道為單管雙層，無(wú)管廊。隧道明挖暗埋段主線寬度9.6m、匝道寬度7.5m，均為行車(chē)空間，管道無(wú)處可放。以上諸多管道若掛在隧道壁上，不便檢修且影響行車(chē)安全。對(duì)管道布置空間進(jìn)行大膽創(chuàng)新設(shè)計(jì)：將隧道明挖暗埋段橫斷面右側(cè)加寬0.6m，加寬的空間用于布置管道；隧道盾構(gòu)段為圓形斷面，內(nèi)分上下二層車(chē)道，下層車(chē)道下方及車(chē)道兩側(cè)弧形空間用于鋪管。湖中廢水泵房的2根DN300壓力排水管敷設(shè)在下層車(chē)道下方弧形空間，沿此空間從湖中廢水泵房至湖西工作井，盾構(gòu)段各類(lèi)消防管道均設(shè)在隧道上層北側(cè)弧形空間內(nèi)，明挖暗埋段上、下層消防管道分別設(shè)在上、下層隧道右側(cè)加寬的0.6m空間內(nèi)。該創(chuàng)新設(shè)計(jì)使各類(lèi)管道布置合理、保證了行車(chē)安全且方便檢修。給水排水管道布置分別見(jiàn)圖2、圖3。

圖3 明挖暗埋段給排水管布置

5.2 最低點(diǎn)廢水泵房設(shè)備及其壓力排水管安裝技術(shù)創(chuàng)新

湖中廢水泵房設(shè)在隧道盾構(gòu)段最低點(diǎn)處（K1+173.97），位于下層車(chē)道下方弧形空間，該空間低狹，弧形空間最大凈高不足1.2m。若采用國(guó)產(chǎn)潛污泵，其空間不能滿(mǎn)足安裝要求，若采用定制潛污泵，造價(jià)高。經(jīng)多方研究比選，采用小尺寸合資泵，解決了泵房空間狹小問(wèn)題。因泵房管道及閥件均位于車(chē)道板下，需定期檢修，在潛污泵及閥件處的車(chē)道板上設(shè)檢修孔。

湖中廢水泵房的2根DN300壓力廢水管道，采用無(wú)縫鋼管，位于盾構(gòu)段下層車(chē)道下方弧形空間，該空間底部為弧形、狹小，極難固定、安裝管道。本工程拋棄傳統(tǒng)做法，獨(dú)創(chuàng)管道支架，采用4個(gè)膨脹螺栓將200mm×200mm×10mm不銹鋼板固定在隧道弧形內(nèi)壁，鋼板上焊接10#不銹鋼槽鋼，槽鋼頂部焊接L75mm×75mm×10mm不銹鋼角鋼，管道設(shè)在角鋼上。因該空間同時(shí)兼廢水排水溝，火災(zāi)時(shí)排放的泡沫液具有腐蝕性，須對(duì)支架及管道進(jìn)行加強(qiáng)防腐處理。管道支架防腐采用刷三道紅丹防銹漆，外刷一層銀粉漆；排水管內(nèi)外采用IPN8710加強(qiáng)防腐。

6 小結(jié)

（1）隧道明挖暗埋段橫斷面右側(cè)加寬0.6m、盾構(gòu)段利用兩側(cè)弧形空間鋪管的創(chuàng)新設(shè)計(jì)，可以解決單管雙層隧道管道布置難題，方便管道維修、管理，且不影響行車(chē)安全。

（2）對(duì)位于下層車(chē)道下方低狹弧形空間的廢水泵房及其壓力排水管，采用小尺寸合資潛污泵、自制管道支架的創(chuàng)新設(shè)計(jì)，可以解決潛污泵安裝空間小、弧形斷面管道安裝、固定難題。

（3）泡沫-水噴霧消防系統(tǒng)、消火栓系統(tǒng)及滅火器的組合滅火系統(tǒng)，既有撲滅初期火災(zāi)功能，又有冷卻降溫、避免高溫引起隧道混凝土內(nèi)襯爆裂和坍塌，保護(hù)隧道結(jié)構(gòu)安全的功能。在現(xiàn)有技術(shù)條件下做到了單管雙層隧道消防安全的最大化。