瘦西湖水底的秘密--单管双层水底隧道消防及排水系统设计
以扬州瘦西湖隧道工程为例，介绍了单管双层水底隧道消防及排水系统设计。通过隧道内管道布置位置、最低点废水泵房设备及其压力排水管安装的创新设计，解决了单管双层隧道无专用管廊情况下给排水管道布置问题、隧道狭小空间内的潜污泵及管道安装问题。扬州瘦西湖隧道已开通运行数年，实践证明设计的消防系统合理、排水系统防汛效果良好，创新的设计技术可确保车辆运行安全，方便管理、维修。
近年来，水底交通隧道工程以不占用地面空间、高效缓解城市交通压力的显著优势逐渐增多，但对于其消防及排水系统的设计，尚无系统的规范、规定。扬州瘦西湖隧道为单管双层隧道，本文主要对其消防系统、排水系统及相关创新设计进行介绍。
1 工程概况
扬州瘦西湖隧道为世界最大直径单管双层盾构隧道，隧道全长3.6 km。起点自扬州市维扬路与杨柳青路的交点，沿杨柳青路东行以隧道方式穿越瘦西湖景区，然后出地面接漕河西路，至漕河西路与史可法路交叉口。隧道在扬子江北路南侧设A、B匝道。主线隧道为双向4车道，上、下层均为2车道、长度分别为1789.0m、2350.0m。匝道隧道为单向1车道，分上、下层与主线隧道对应连接，上层B匝道长310.0m，下层A匝道长520.0m。根据结构形式，隧道由西向东分为湖西敞开段、湖西明挖暗埋段、湖西工作井、盾构段、湖东工作井、湖东明挖暗埋段和湖东敞开段,设计时速为60km/h，道路等级为城市主干道，仅限客车通行，隧道纵断面示意见图1。
2 消防系统
2.1 消防系统选择
该工程位于5A级风景名胜区瘦西湖湖底，隧道建设影响面广、工程造价高、施工难度大；该隧道为单管双层，空间封闭、狭长，一旦发生火灾，人员疏散困难。对于水底隧道消防设计国内尚无专门的规范，且单管双层隧道消防设计也无现状案例可参考，如何设计合理、可行，既能消灭初期火灾、又能在火灾严重时保护隧道结构安全的消防灭火系统，是本工程的重难点。
消防灭火系统主要有消火栓、灭火器、固定式水成膜、水喷雾、泡沫-水喷雾系统。鉴于该单管双层隧道重要性，瘦西湖隧道消防灭火系统采用消火栓系统、灭火器及泡沫-水喷雾消防系统的组合系统。该组合消防系统安全可靠，灭火性能极强，如能及时发现火灾，可通过消火栓、灭火器将初期火灾扑灭；如未及时控制初期火灾，则可自动启动泡沫-水喷雾消防系统，迅速、及时灭火、控火。
2.2 消防系统设计
2.2.1 消防泵房
该隧道较长，且上、下2层，为减少管道沿程损失、减小消防泵扬程及节省能耗、保证消防供水安全，在湖西管理中心及湖东风塔处各设1座消防泵房，泵房内设泡沫泵、水喷雾泵和消火栓泵。2座消防泵房均与隧道内环状消防管网连接。湖西消防泵房设2座500m³消防水池，湖东消防泵房处设2座400m³消防水池，储存泡沫-水喷雾及消火栓一次消防最大用水量。消防泵房设备配置见表1。
表1 消防泵房设备配置
2.2.2 泡沫-水喷雾消防系统
2.2.2.1 设计参数确定
根据《泡沫灭火系统设计规范》《水喷雾灭火系统设计规范》《泡沫-水喷淋系统和泡沫-水喷雾系统标准》，隧道内泡沫喷雾最低供给强度6.5 L/（min·m²），泡沫混合液混合比不应小于3%，泡沫喷射时间为30min，水喷雾防护冷却持续时间为2h，喷头工作压力≥0.35MPa，泡沫水喷雾控制阀组箱水管入口压力0.5~1.0MPa，泡沫液管入口压力0.6~1.2MPa，系统响应时间不大于45s。
2.2.2.2 系统设计
（1）系统流量及喷头设计。在隧道明挖暗埋段及盾构段设置泡沫-水喷雾灭火系统。隧道内25 m为一个灭火分区，泡沫-水喷雾按照相临两个灭火分区同时作用计算系统设计流量及相应的灭火设施，火灾次数按一次考虑，每个灭火分区设置一个独立的雨淋阀组控制箱。隧道主线与匝道并行段（K0+700~K0+860），隧道宽度大于13.0m，由于泡沫-水喷雾喷头保护范围小于隧道宽度，在该段隧道两侧布置泡沫-水喷雾喷头，采用隧道专用远近射程泡沫-水喷雾喷头（q=250L/min，K=134，2个喷口）；其余隧道段单侧布置泡沫-水喷雾喷头，采用隧道专用远中近射程组合泡沫-水喷雾喷头（q=393L/min，K=210，3个喷口）。经计算，隧道主线与匝道并行段，上、下层每个灭火分区设10只喷头，间距5m，安装高度在5 m以内；其余隧道段，上、下层隧道北侧上部每个灭火分区设5个喷头，喷头间距5m，安装高度在5 m以内。火灾时相邻2个灭火分区50m范围内的2组喷头同时作用灭火。湖西水喷雾系统设计流量87.51～91.67 L/s，水喷雾泵流量取值90 L/s，则泡沫原液流量为90×3%=2.7 （L/s）；湖东水喷雾系统设计流量68.8～72.05 L/s，水喷雾泵流量取值70 L/s，则泡沫原液流量为70×3%=2.1 （L/s）。全线设远近射程泡沫-水喷雾喷头130个、远中近射程组合泡沫-水喷雾喷头925个。
（2）管道布置设计。在明挖暗埋段上、下层隧道北侧空间内各铺1根DN250水喷雾干管和1根DN70泡沫液干管、在盾构段上层隧道北侧弧形消防管廊内铺2根DN250水喷雾干管和2根DN70泡沫液干管，明挖暗埋段与盾构段的水喷雾干管、泡沫液干管在湖西、湖东工作井对应连通，水喷雾干管、泡沫液干管全线贯通，各自成环，对应与湖西、湖东消防泵房内干管连接，通过支管接入泡沫水喷雾控制阀组。为使消防系统响应快速、可靠，平时泡沫管道内充满泡沫原液。
2.2.3 消火栓消防系统
2.2.3.1 设计参数确定
根据《建筑设计防火规范》（GB 50016-2014），隧道内消火栓设计流量20L/s，火灾延续时间3h，最不利点消火栓充实水柱≥10m，消火栓栓口距车行道高度1.1m，栓口出水压力大于0.5MPa时，采用减压消火栓。经计算，在上、下层隧道单侧，每隔50m设置一只消火栓箱，每只箱内设DN65单头单阀消火栓2个。共设消火栓箱119个，其中减压消火栓箱40个。经计算，消火栓要求压力不小于18.5m水柱，消防流量20L/s, 湖西、湖东最不利点消火栓所需压力分别为45.14m、42.98m。
2.2.3.2 系统设计
消火栓沿隧道敞开段、明挖暗埋段、盾构段设置，在上、下层隧道单侧，每隔50m设一只消火栓箱，每只箱内设DN65单头单阀消火栓2个、19mm水枪2支、消防软管卷盘（25m）1副、启泵按钮等配套设施。在明挖暗埋段上、下层隧道北侧消防管廊内各铺1根DN150消防干管、在盾构段上层隧道北侧弧形消防管廊内铺2根DN150消防干管，明挖暗埋段与盾构段的消防干管在湖西、湖东工作井内连接，全线贯通、成环，同时与湖西、湖东消防泵房内干管连接，通过支管接入消火栓箱，消防干管最高点设排气阀、最低点设排泥阀、每隔5个消火栓箱设一个检修阀。
2.2.4 灭火器
因隧道内发生的火灾多为A类、B类火灾和带电火灾，灭火器选用手提式磷酸铵盐灭火器。根据《建筑灭火器配置设计规范》（GB 50140-2005），单具灭火器最小配置灭火级别为3A，单位灭火级别最大保护面积为50 m²。经计算，在上、下层隧道敞开段、明挖暗埋段、盾构段的两侧每隔50m设一只灭火器箱，交错布置，每只箱内设置4具5kg磷酸铵盐灭火器，供扑灭初期火灾使用。
3 废水排水系统
3.1 系统设计
该隧道纵坡为“V”字形、位于湖底、埋深较深，隧道产生的渗漏水、冲洗水及火灾时消防废水等均无法重力排出隧道，为保证隧道正常运行，设废水排水泵站，因隧道废水含有泡沫液等污染物，抽升出的隧道废水排入市政污水管网，经市政污水处理厂处理后排放。
根据隧道纵坡，在湖中最低点、湖西工作井、湖东工作井内各设一座废水泵房。湖中废水泵房位于隧道最低点下层车道弧形空间。湖西、湖东工作井废水泵房分别位于湖西及湖东工作井第三、四层，废水泵房设在第三层车道挡墙与工作井内壁之间，第四层为集水池。湖中最低点废水泵房收集湖西工作井至湖中最低点及湖东工作井至湖中最低点间的废水，湖西工作井废水泵房收集湖西明挖暗埋段至湖西工作井间的废水，湖东工作井废水泵房收集湖东明挖暗埋段至湖东工作井间的废水。
3.2 设计参数确定及排水设备
隧道消防废水水量按消防水量取值，消火栓废水水量为20L/s、泡沫-水喷雾废水水量为70L/s(湖中、湖东废水泵房)及90L/s(湖东废水泵房)。经测算，隧道盾构段结构渗漏水量为26.7m³/d、西侧明挖段结构渗漏水量为7.5 m³/d，东侧明挖段结构渗漏水量为3.0 m³/d、冲洗废水1L/（m²·d）（消防时不考虑冲洗废水）。废水泵流量按一次火灾最大的消防废水量加上结构渗漏水量计算。各废水泵房设备选型配置见表2。
4 雨水排水系统
4.1 系统设计
雨水排水系统由雨水收集系统和雨水排水泵房构成。由于隧道进出口敞开段露天设置，敞开段与明挖暗埋段交界处设驼峰，靠近驼峰在敞开段侧设雨水横截沟，临近雨水横截沟在隧道侧面设雨水泵房。敞开段和横截沟组成雨水收集系统，将隧道进出口敞开段雨水分别收集至各雨水泵房，由泵房内潜污泵将雨水提升至地面压力井，消能后排入雨水管网，确保雨天隧道运行安全。
4.2 设计参数确定及排水设备
雨水量计算采用扬州地区暴雨强度公式，如式（1）所示：
对于单管双层隧道敞开段暴雨重现期，国内尚无相关规范规定，参照《室外排水设计规范》（GB 50014）：大城市内涝防治设计重现期为30～50年；《地铁设计规范》（GB 50157）规定：隧道洞口的雨水泵站的排水能力，应按当地50年一遇的暴雨强度计算；结合该隧道重要性，敞开段出入口暴雨强度取50年。敞开段雨水漫流至横截沟，故t2=0min，t1取5min。经计算得q=460.7 L/(s·hm²)。
隧道雨水设计流量如式（2）所示：
雨水泵房设计流量按Q泵=1.2QR计，雨水泵房设备选型配置见表3。
表3 雨水泵房设备配置
5 设计创新
5.1 管道布置位置技术创新
该隧道纵向管道较多：2根DN150消火栓干管、2根DN250水喷雾干管、2根DN70泡沫干管及二根DN300废水压力排水管。一般水底隧道多为双管单层，在双管隧道中间设有纵向贯穿隧道的专用管廊，用于铺设给排水管道。而本隧道为单管双层，无管廊。隧道明挖暗埋段主线宽度9.6m、匝道宽度7.5m，均为行车空间，管道无处可放。以上诸多管道若挂在隧道壁上，不便检修且影响行车安全。对管道布置空间进行大胆创新设计：将隧道明挖暗埋段横断面右侧加宽0.6m，加宽的空间用于布置管道；隧道盾构段为圆形断面，内分上下二层车道，下层车道下方及车道两侧弧形空间用于铺管。湖中废水泵房的2根DN300压力排水管敷设在下层车道下方弧形空间，沿此空间从湖中废水泵房至湖西工作井，盾构段各类消防管道均设在隧道上层北侧弧形空间内，明挖暗埋段上、下层消防管道分别设在上、下层隧道右侧加宽的0.6m空间内。该创新设计使各类管道布置合理、保证了行车安全且方便检修。给水排水管道布置分别见图2、图3。
图3 明挖暗埋段给排水管布置
5.2 最低点废水泵房设备及其压力排水管安装技术创新
湖中废水泵房设在隧道盾构段最低点处（K1+173.97），位于下层车道下方弧形空间，该空间低狭，弧形空间最大净高不足1.2m。若采用国产潜污泵，其空间不能满足安装要求，若采用定制潜污泵，造价高。经多方研究比选，采用小尺寸合资泵，解决了泵房空间狭小问题。因泵房管道及阀件均位于车道板下，需定期检修，在潜污泵及阀件处的车道板上设检修孔。
湖中废水泵房的2根DN300压力废水管道，采用无缝钢管，位于盾构段下层车道下方弧形空间，该空间底部为弧形、狭小，极难固定、安装管道。本工程抛弃传统做法，独创管道支架，采用4个膨胀螺栓将200mm×200mm×10mm不锈钢板固定在隧道弧形内壁，钢板上焊接10#不锈钢槽钢，槽钢顶部焊接L75mm×75mm×10mm不锈钢角钢，管道设在角钢上。因该空间同时兼废水排水沟，火灾时排放的泡沫液具有腐蚀性，须对支架及管道进行加强防腐处理。管道支架防腐采用刷三道红丹防锈漆，外刷一层银粉漆；排水管内外采用IPN8710加强防腐。
6 小结
（1）隧道明挖暗埋段横断面右侧加宽0.6m、盾构段利用两侧弧形空间铺管的创新设计，可以解决单管双层隧道管道布置难题，方便管道维修、管理，且不影响行车安全。
（2）对位于下层车道下方低狭弧形空间的废水泵房及其压力排水管，采用小尺寸合资潜污泵、自制管道支架的创新设计，可以解决潜污泵安装空间小、弧形断面管道安装、固定难题。
（3）泡沫-水喷雾消防系统、消火栓系统及灭火器的组合灭火系统，既有扑灭初期火灾功能，又有冷却降温、避免高温引起隧道混凝土内衬爆裂和坍塌，保护隧道结构安全的功能。在现有技术条件下做到了单管双层隧道消防安全的最大化。
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