瘦西湖水底的秘密--單管雙層水底隧道消防及排水系統設計
以揚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設計。通過隧道內管道布置位置、最低點廢水泵房設備及其壓力排水管安裝的創新設計，解決了單管雙層隧道無專用管廊情況下給排水管道布置問題、隧道狹小空間內的潛污泵及管道安裝問題。揚州瘦西湖隧道已開通運行數年，實踐證明設計的消防系統合理、排水系統防汛效果良好，創新的設計技術可確保車輛運行安全，方便管理、維修。
近年來，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勢逐漸增多，但對于其消防及排水系統的設計，尚無系統的規范、規定。揚州瘦西湖隧道為單管雙層隧道，本文主要對其消防系統、排水系統及相關創新設計進行介紹。
1 工程概況
揚州瘦西湖隧道為世界最大直徑單管雙層盾構隧道，隧道全長3.6 km。起點自揚州市維揚路與楊柳青路的交點，沿楊柳青路東行以隧道方式穿越瘦西湖景區，然后出地面接漕河西路，至漕河西路與史可法路交叉口。隧道在揚子江北路南側設A、B匝道。主線隧道為雙向4車道，上、下層均為2車道、長度分別為1789.0m、2350.0m。匝道隧道為單向1車道，分上、下層與主線隧道對應連接，上層B匝道長310.0m，下層A匝道長520.0m。根據結構形式，隧道由西向東分為湖西敞開段、湖西明挖暗埋段、湖西工作井、盾構段、湖東工作井、湖東明挖暗埋段和湖東敞開段,設計時速為60km/h，道路等級為城市主干道，僅限客車通行，隧道縱斷面示意見圖1。
2 消防系統
2.1 消防系統選擇
該工程位于5A級風景名勝區瘦西湖湖底，隧道建設影響面廣、工程造價高、施工難度大；該隧道為單管雙層，空間封閉、狹長，一旦發生火災，人員疏散困難。對于水底隧道消防設計國內尚無專門的規范，且單管雙層隧道消防設計也無現狀案例可參考，如何設計合理、可行，既能消滅初期火災、又能在火災嚴重時保護隧道結構安全的消防滅火系統，是本工程的重難點。
消防滅火系統主要有消火栓、滅火器、固定式水成膜、水噴霧、泡沫-水噴霧系統。鑒于該單管雙層隧道重要性，瘦西湖隧道消防滅火系統采用消火栓系統、滅火器及泡沫-水噴霧消防系統的組合系統。該組合消防系統安全可靠，滅火性能極強，如能及時發現火災，可通過消火栓、滅火器將初期火災撲滅；如未及時控制初期火災，則可自動啟動泡沫-水噴霧消防系統，迅速、及時滅火、控火。
2.2 消防系統設計
2.2.1 消防泵房
該隧道較長，且上、下2層，為減少管道沿程損失、減小消防泵揚程及節省能耗、保證消防供水安全，在湖西管理中心及湖東風塔處各設1座消防泵房，泵房內設泡沫泵、水噴霧泵和消火栓泵。2座消防泵房均與隧道內環狀消防管網連接。湖西消防泵房設2座500m3消防水池，湖東消防泵房處設2座400m3消防水池，儲存泡沫-水噴霧及消火栓一次消防最大用水量。消防泵房設備配置見表1。
表1 消防泵房設備配置
2.2.2 泡沫-水噴霧消防系統
2.2.2.1 設計參數確定
根據《泡沫滅火系統設計規范》《水噴霧滅火系統設計規范》《泡沫-水噴淋系統和泡沫-水噴霧系統標準》，隧道內泡沫噴霧最低供給強度6.5 L/（min·m2），泡沫混合液混合比不應小于3%，泡沫噴射時間為30min，水噴霧防護冷卻持續時間為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，系統響應時間不大于45s。
2.2.2.2 系統設計
（1）系統流量及噴頭設計。在隧道明挖暗埋段及盾構段設置泡沫-水噴霧滅火系統。隧道內25 m為一個滅火分區，泡沫-水噴霧按照相臨兩個滅火分區同時作用計算系統設計流量及相應的滅火設施，火災次數按一次考慮，每個滅火分區設置一個獨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-水噴霧噴頭保護范圍小于隧道寬度，在該段隧道兩側布置泡沫-水噴霧噴頭，采用隧道專用遠近射程泡沫-水噴霧噴頭（q=250L/min，K=134，2個噴口）；其余隧道段單側布置泡沫-水噴霧噴頭，采用隧道專用遠中近射程組合泡沫-水噴霧噴頭（q=393L/min，K=210，3個噴口）。經計算，隧道主線與匝道并行段，上、下層每個滅火分區設10只噴頭，間距5m，安裝高度在5 m以內；其余隧道段，上、下層隧道北側上部每個滅火分區設5個噴頭，噴頭間距5m，安裝高度在5 m以內。火災時相鄰2個滅火分區50m范圍內的2組噴頭同時作用滅火。湖西水噴霧系統設計流量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）；湖東水噴霧系統設計流量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）。全線設遠近射程泡沫-水噴霧噴頭130個、遠中近射程組合泡沫-水噴霧噴頭925個。
（2）管道布置設計。在明挖暗埋段上、下層隧道北側空間內各鋪1根DN250水噴霧干管和1根DN70泡沫液干管、在盾構段上層隧道北側弧形消防管廊內鋪2根DN250水噴霧干管和2根DN70泡沫液干管，明挖暗埋段與盾構段的水噴霧干管、泡沫液干管在湖西、湖東工作井對應連通，水噴霧干管、泡沫液干管全線貫通，各自成環，對應與湖西、湖東消防泵房內干管連接，通過支管接入泡沫水噴霧控制閥組。為使消防系統響應快速、可靠，平時泡沫管道內充滿泡沫原液。
2.2.3 消火栓消防系統
2.2.3.1 設計參數確定
根據《建筑設計防火規范》（GB 50016-2014），隧道內消火栓設計流量20L/s，火災延續時間3h，最不利點消火栓充實水柱≥10m，消火栓栓口距車行道高度1.1m，栓口出水壓力大于0.5MPa時，采用減壓消火栓。經計算，在上、下層隧道單側，每隔50m設置一只消火栓箱，每只箱內設DN65單頭單閥消火栓2個。共設消火栓箱119個，其中減壓消火栓箱40個。經計算，消火栓要求壓力不小于18.5m水柱，消防流量20L/s, 湖西、湖東最不利點消火栓所需壓力分別為45.14m、42.98m。
2.2.3.2 系統設計
消火栓沿隧道敞開段、明挖暗埋段、盾構段設置，在上、下層隧道單側，每隔50m設一只消火栓箱，每只箱內設DN65單頭單閥消火栓2個、19mm水槍2支、消防軟管卷盤（25m）1副、啟泵按鈕等配套設施。在明挖暗埋段上、下層隧道北側消防管廊內各鋪1根DN150消防干管、在盾構段上層隧道北側弧形消防管廊內鋪2根DN150消防干管，明挖暗埋段與盾構段的消防干管在湖西、湖東工作井內連接，全線貫通、成環，同時與湖西、湖東消防泵房內干管連接，通過支管接入消火栓箱，消防干管最高點設排氣閥、最低點設排泥閥、每隔5個消火栓箱設一個檢修閥。
2.2.4 滅火器
因隧道內發生的火災多為A類、B類火災和帶電火災，滅火器選用手提式磷酸銨鹽滅火器。根據《建筑滅火器配置設計規范》（GB 50140-2005），單具滅火器最小配置滅火級別為3A，單位滅火級別最大保護面積為50 m2。經計算，在上、下層隧道敞開段、明挖暗埋段、盾構段的兩側每隔50m設一只滅火器箱，交錯布置，每只箱內設置4具5kg磷酸銨鹽滅火器，供撲滅初期火災使用。
3 廢水排水系統
3.1 系統設計
該隧道縱坡為“V”字形、位于湖底、埋深較深，隧道產生的滲漏水、沖洗水及火災時消防廢水等均無法重力排出隧道，為保證隧道正常運行，設廢水排水泵站，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，經市政污水處理廠處理后排放。
根據隧道縱坡，在湖中最低點、湖西工作井、湖東工作井內各設一座廢水泵房。湖中廢水泵房位于隧道最低點下層車道弧形空間。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，廢水泵房設在第三層車道擋墻與工作井內壁之間，第四層為集水池。湖中最低點廢水泵房收集湖西工作井至湖中最低點及湖東工作井至湖中最低點間的廢水，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 設計參數確定及排水設備
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)。經測算，隧道盾構段結構滲漏水量為26.7m3/d、西側明挖段結構滲漏水量為7.5 m3/d，東側明挖段結構滲漏水量為3.0 m3/d、沖洗廢水1L/（m2·d）（消防時不考慮沖洗廢水）。廢水泵流量按一次火災最大的消防廢水量加上結構滲漏水量計算。各廢水泵房設備選型配置見表2。
4 雨水排水系統
4.1 系統設計
雨水排水系統由雨水收集系統和雨水排水泵房構成。由于隧道進出口敞開段露天設置，敞開段與明挖暗埋段交界處設駝峰，靠近駝峰在敞開段側設雨水橫截溝，臨近雨水橫截溝在隧道側面設雨水泵房。敞開段和橫截溝組成雨水收集系統，將隧道進出口敞開段雨水分別收集至各雨水泵房，由泵房內潛污泵將雨水提升至地面壓力井，消能后排入雨水管網，確保雨天隧道運行安全。
4.2 設計參數確定及排水設備
雨水量計算采用揚州地區暴雨強度公式，如式（1）所示：
對于單管雙層隧道敞開段暴雨重現期，國內尚無相關規范規定，參照《室外排水設計規范》（GB 50014）：大城市內澇防治設計重現期為30～50年；《地鐵設計規范》（GB 50157）規定：隧道洞口的雨水泵站的排水能力，應按當地50年一遇的暴雨強度計算；結合該隧道重要性，敞開段出入口暴雨強度取50年。敞開段雨水漫流至橫截溝，故t2=0min，t1取5min。經計算得q=460.7 L/(s·hm2)。
隧道雨水設計流量如式（2）所示：
雨水泵房設計流量按Q泵=1.2QR計，雨水泵房設備選型配置見表3。
表3 雨水泵房設備配置
5 設計創新
5.1 管道布置位置技術創新
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，在雙管隧道中間設有縱向貫穿隧道的專用管廊，用于鋪設給排水管道。而本隧道為單管雙層，無管廊。隧道明挖暗埋段主線寬度9.6m、匝道寬度7.5m，均為行車空間，管道無處可放。以上諸多管道若掛在隧道壁上，不便檢修且影響行車安全。對管道布置空間進行大膽創新設計：將隧道明挖暗埋段橫斷面右側加寬0.6m，加寬的空間用于布置管道；隧道盾構段為圓形斷面，內分上下二層車道，下層車道下方及車道兩側弧形空間用于鋪管。湖中廢水泵房的2根DN300壓力排水管敷設在下層車道下方弧形空間，沿此空間從湖中廢水泵房至湖西工作井，盾構段各類消防管道均設在隧道上層北側弧形空間內，明挖暗埋段上、下層消防管道分別設在上、下層隧道右側加寬的0.6m空間內。該創新設計使各類管道布置合理、保證了行車安全且方便檢修。給水排水管道布置分別見圖2、圖3。
圖3 明挖暗埋段給排水管布置
5.2 最低點廢水泵房設備及其壓力排水管安裝技術創新
湖中廢水泵房設在隧道盾構段最低點處（K1+173.97），位于下層車道下方弧形空間，該空間低狹，弧形空間最大凈高不足1.2m。若采用國產潛污泵，其空間不能滿足安裝要求，若采用定制潛污泵，造價高。經多方研究比選，采用小尺寸合資泵，解決了泵房空間狹小問題。因泵房管道及閥件均位于車道板下，需定期檢修，在潛污泵及閥件處的車道板上設檢修孔。
湖中廢水泵房的2根DN300壓力廢水管道，采用無縫鋼管，位于盾構段下層車道下方弧形空間，該空間底部為弧形、狹小，極難固定、安裝管道。本工程拋棄傳統做法，獨創管道支架，采用4個膨脹螺栓將200mm×200mm×10mm不銹鋼板固定在隧道弧形內壁，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，管道設在角鋼上。因該空間同時兼廢水排水溝，火災時排放的泡沫液具有腐蝕性，須對支架及管道進行加強防腐處理。管道支架防腐采用刷三道紅丹防銹漆，外刷一層銀粉漆；排水管內外采用IPN8710加強防腐。
6 小結
（1）隧道明挖暗埋段橫斷面右側加寬0.6m、盾構段利用兩側弧形空間鋪管的創新設計，可以解決單管雙層隧道管道布置難題，方便管道維修、管理，且不影響行車安全。
（2）對位于下層車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、自制管道支架的創新設計，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、消火栓系統及滅火器的組合滅火系統，既有撲滅初期火災功能，又有冷卻降溫、避免高溫引起隧道混凝土內襯爆裂和坍塌，保護隧道結構安全的功能。在現有技術條件下做到了單管雙層隧道消防安全的最大化。
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