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        太行山特長隧道消防供水系統(tǒng)設(shè)計

        2021-07-02 09:23:18武瑞兵
        山東交通科技 2021年2期
        關(guān)鍵詞:太行山水池高位

        武瑞兵

        (山西省交通規(guī)劃勘察設(shè)計院有限公司,山西 太原 030032)

        引言

        擬建項目昔陽(晉冀界)至榆次高速公路,是《山西省高速公路網(wǎng)調(diào)整規(guī)劃》中“三縱十二橫十二環(huán)”中第七橫的重要一段,位于山西省中部地區(qū),項目向東通往河北省衡水市,西接榆祁高速榆次段,路線方案中有一座長度約13.931 km的特長隧道穿越太行山山脈,太行山特長隧道作為本條高速公路的特大控制性工程,保證其安全可靠運營至關(guān)重要,其水消防系統(tǒng)的設(shè)計是隧道附屬工程設(shè)計的關(guān)鍵。

        太行山隧道為雙洞單向交通特長單坡隧道,隧道右線長13 931 m,坡度1.9%(12 240 m)和坡度1.1%(1 691 m),起迄樁號為-K3+735—K10+196;隧道左線長13 920 m,坡度-1.9%(12 215 m)和坡度-1.16%(1 705 m),起迄樁號為-ZK3+725—ZK10+195。為滿足隧道救援和逃生需要,在隧道內(nèi)共設(shè)置有55處人行橫洞和18處車行橫洞。隧道水消防系統(tǒng)組成:根據(jù)《公路隧道設(shè)計規(guī)范 第二冊 交通工程與附屬設(shè)施》(JTG D70/2—2014)[1],隧道消防系統(tǒng)由洞內(nèi)滅火設(shè)施和洞內(nèi)、外供水系統(tǒng)組成。洞內(nèi)滅火設(shè)施包括:化學(xué)滅火器、消火栓、水成膜泡沫滅火裝置等。洞內(nèi)、外供水系統(tǒng)包括消防水源、低位蓄水池、水泵房、高位水池、上山管道、下山管道、電伴熱保溫加熱系統(tǒng)等[2]。

        1 設(shè)計難點

        1.1 隧道供水系統(tǒng)方案

        1.1.1 洞外消防給水方案

        根據(jù)《公路隧道設(shè)計規(guī)范(第二冊)交通工程與附屬設(shè)施》(JTG D70/2—2014)[1],隧道消防給水宜采用高位消防水池供水的常高壓供水系統(tǒng);當(dāng)無條件設(shè)置高位水池時,可采用穩(wěn)高壓供水系統(tǒng),本項目太行山隧道出口山西側(cè)山體坡度較緩,地形具備建設(shè)高位水池條件,且太行山隧道出口與另一隧道相距201 m,構(gòu)成了連續(xù)隧道群,適合在該處設(shè)置消防供水,最終確定洞外消防給水?dāng)M采用常高壓供水方案。隧道消防用水量應(yīng)按發(fā)生一次火災(zāi)的滅火用水量計算,長度超過3 km的隧道火災(zāi)延續(xù)時間按照4 h計算,隧道內(nèi)消火栓一次滅火用水量按20 L/s計算,經(jīng)計算隧道內(nèi)消火栓、水成膜系統(tǒng)的一次消防滅火用水量288 m3,洞外消防水池確定選用500 m3高位水池。

        1.1.2 管網(wǎng)超壓問題

        太行山隧道為單坡隧道,隧道兩端洞口路面的高差約251 m,假設(shè)隧道按照一個供水分區(qū)考慮,洞內(nèi)管道一個環(huán)網(wǎng),高位水池池底與洞口最不利點高差假設(shè)取45 m,由高位水池重力加壓供給環(huán)網(wǎng)。按照洞內(nèi)供水干管為DN200,隧道最不利點供水壓力為0.4 MPa計算,隧道最遠(yuǎn)點的靜水壓力達(dá)到2.9 MPa,供水動壓達(dá)到2.35 MPa。消防干管的公稱壓力一般為1.6 MPa、2.5 MPa,按照隧道不分區(qū)的供水方案,其供水靜壓、動壓均遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了常規(guī)鋼管的公稱壓力,如再使用公稱壓力更高的管道既不經(jīng)濟(jì)也容易造成管道漏損甚至爆管等事故,且消火栓出水壓力過高,滅火時難以把控操作,甚至?xí)`傷到消防人員。

        1.2 地上式高位水池的防凍保溫問題

        高位水池保溫常規(guī)做法為埋地覆土方式,該方案結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性好、保溫簡單可靠,不需要增設(shè)電伴熱系統(tǒng),運營成本低,設(shè)計方案是依據(jù)國家建筑標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計圖集《矩形鋼筋混凝土蓄水池》(05S804)[3]進(jìn)行施工,其適用條件為埋置深度在地面以下≥2 m的蓄水池。但是太行山隧道高位水池受現(xiàn)場地形地質(zhì)限制,不具備深埋條件,無法采用傳統(tǒng)的深挖覆土回填的防凍保溫方案,因此擬采用地上式澆筑施工方案,如何對地上式鋼筋混凝土高位水池進(jìn)行保溫是一個設(shè)計難點。

        2 太行山隧道水消防系統(tǒng)設(shè)計總體方案

        根據(jù)《消防給水及消火栓系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范》(GB50974—2014)[4]第6.2.2條,當(dāng)系統(tǒng)的工作壓力大于2.4 MPa時,應(yīng)采用消防水泵串聯(lián)或減壓水箱分區(qū)供水形式??紤]到隧道兩端的高差達(dá)到251 m,故先利用隧道縱坡所產(chǎn)生的高差重力供水,在洞內(nèi)適當(dāng)位置設(shè)置減壓水箱或減壓閥進(jìn)行再次分區(qū),分區(qū)目標(biāo)是保證管網(wǎng)供水壓力維持在0.35~0.8 MPa之間。分區(qū)方案為共設(shè)7個供水分區(qū),由1個洞外常高壓、2個橫洞泵站穩(wěn)高壓、4個減壓閥組實現(xiàn)。供水系統(tǒng)方案見圖1,方案如下:(1)洞外常高壓:距洞外高差約56 m處設(shè)置一座500 m3的高位水池,用于隧道5.296 km段(樁號K10+196—K4+900)的消防用水;(2)2#橫洞泵站穩(wěn)高壓:在洞內(nèi)K4+900處設(shè)置2#橫洞泵站,放置一座400 m3的消防水箱及加壓泵組(加壓泵組用于保證本分區(qū)最不利點處壓力不小于0.35 MPa),其出水供給隧道4.214 km段(樁號K4+900—K0+686)的消防用水;(3)1#橫洞泵站穩(wěn)高壓:在洞內(nèi)K0+686處設(shè)置1#橫洞泵站,放置一座400 m3的消防水箱及加壓泵組,其出水供給隧道4.421 km段(樁號K0+686—-K3+735)的消防用水。

        圖1 太行山特長隧道供水系統(tǒng)方案

        根據(jù)《消防給水及消火栓系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范》(GB50974—2014)[4],消防水槍充實水柱應(yīng)不小于10 m,消火栓支管處的最小動壓應(yīng)不低于0.25 MPa,隧道內(nèi)水成膜泡沫滅火系統(tǒng)最小動壓應(yīng)不低于0.35 MPa。綜合各種設(shè)施壓力要求,需在3個大分區(qū)段內(nèi)再減壓分區(qū),增設(shè)減壓閥,保證分區(qū)管網(wǎng)供水壓力應(yīng)維持在0.35~0.8 MPa之間, 減壓閥設(shè)置位置分別為:-K1+525、K2+896、K6+673、K8+199,隧道消防管網(wǎng)水壓見圖2。

        圖2 太行山隧道消防管網(wǎng)水壓

        隧道外常高壓供水系統(tǒng)由消防水源、高位水池和供水管網(wǎng)組成。隧道消防水源由深井泵房、500 m3鋼筋混凝土低位蓄水池、消防補(bǔ)水泵房及補(bǔ)水管網(wǎng)組成,低位水池和消防補(bǔ)水泵房負(fù)責(zé)給高位水池補(bǔ)水,保證48 h內(nèi)能給高位水池注滿水,低位水池自身補(bǔ)水由深井泵房實現(xiàn)。隧道內(nèi)穩(wěn)高壓供水系統(tǒng)由400 m3不銹鋼復(fù)合消防水箱及加壓泵組構(gòu)成,加壓泵組包括消防主泵兩臺,消防氣壓給水裝置一套,消防氣壓給水裝置由2臺穩(wěn)壓泵+1臺立式隔膜式氣壓罐組成,平時由消防氣壓給水裝置保壓運行,供給隧道消防干管足夠的水壓,發(fā)生火災(zāi)時,消防主泵啟動,供給所在隧道分區(qū)內(nèi)水量和水壓。

        消防泵設(shè)計參數(shù):設(shè)計流量20 L/s,揚程40 m,在滿足消防滅火設(shè)施用水量需求的同時保證最不利點消防設(shè)施動壓不小于0.35 MPa。消防氣壓給水裝置設(shè)計參數(shù):穩(wěn)壓泵設(shè)計流量3 L/s、揚程40 m,氣壓罐選用立式隔膜式罐。氣壓罐總?cè)莘e1 400 L。消防水箱的補(bǔ)水由上游消防管網(wǎng)實現(xiàn)。

        3 地上式高位水池的防凍保溫設(shè)計

        隧址區(qū)年平均氣溫9.3 ℃,一月份最冷,平均氣溫-6.2 ℃,最低曾降至-23.9 ℃,小氣候較多。高位水池保溫采用了一種膠粘劑+外貼XPS(擠塑聚苯板)保溫板+抹面砂漿+復(fù)合玻纖網(wǎng)格布+鍍鋅鐵絲網(wǎng)+飾面砂漿施工工藝法進(jìn)行保溫,具有施工簡單、保溫可靠、運營成本低的特點,總體設(shè)計見圖3。

        圖3 隧道高位水池保溫設(shè)計方案/mm

        保溫板采用膠粘劑固定在基層上,并使用M10加長螺桿垂直于壁面輔助固定,保溫板與基層墻體的有效粘貼面積不得小于保溫板面積的40%[5],膠粘劑厚度15 mm。抹面層采用抹面膠漿復(fù)合玻纖網(wǎng)格布(加強(qiáng)型增設(shè)一層耐堿玻纖網(wǎng)格布),抹面層刷兩遍抗裂砂漿,抹面層厚度10 mm,在抹面層增設(shè)鍍鋅鋼絲網(wǎng)防護(hù)。飾面層采用飾面砂漿涂刷,厚度10 mm。整體設(shè)置抗裂伸縮縫,管孔、洞口四角處保溫板不得拼接,應(yīng)采用整塊保溫板切割成形。水池在外保溫實施完畢之后,在水池頂部及側(cè)壁和頂部銜接處、管孔窗的凸凹接合處用防水卷材捆綁或錨固并做好防水,以避免夏季雨水、冬季冰融雪滲水侵入保溫層加速保溫老化。

        XPS保溫板參數(shù):導(dǎo)熱系數(shù)0.036 W/(m·K),蓄熱系數(shù)0.38 W/(m2·K)[6],尺寸(寬×高)=1 200 mm×600 mm。為保證冬季水池保溫可靠,采用了經(jīng)驗法對保溫層厚度進(jìn)行選取,調(diào)查實際已實施的工程案例,例如天黎高速太安嶺隧道,地處山西省北部忻州市繁峙縣,年平均氣溫8.3 ℃,冬季極端最低氣溫-25.7 ℃,整體上比太行山隧址區(qū)環(huán)境溫度要低,該工程采用地上式500 m3高位水池設(shè)計,選用的保溫層設(shè)計厚度為500 mm,2013年11月通車,已運營7 a多,養(yǎng)護(hù)單位反映運營良好,未出現(xiàn)水池受凍情況,實用效果不錯。另外,山西陽城至濟(jì)源高速公路陽城至蟒河段云嶺3號隧道消防也采用了類似做法。綜上所述,擬建項目水池外保溫層設(shè)計厚度取500 mm是可行的。

        4 結(jié)語

        (1)對于大高差、長距離隧道,消防管網(wǎng)動靜壓超標(biāo)一直以來都是水消防系統(tǒng)的設(shè)計難點,通過分析論證,確定特長隧道采用洞內(nèi)穩(wěn)高壓供水系統(tǒng)和洞外常高壓供水系統(tǒng)相結(jié)合的方式,降低了豎向分區(qū)供水壓力,解決了管網(wǎng)超壓問題。(2)減壓閥在各個分區(qū)中對布置分配非常重要,在實際運營當(dāng)中常高壓系統(tǒng)的管網(wǎng)壓力穩(wěn)定性好于穩(wěn)高壓系統(tǒng),因此在常高壓分區(qū)段設(shè)置了兩處減壓閥組,在穩(wěn)高壓分區(qū)段設(shè)置了一處減壓閥組,降低了系統(tǒng)故障率。(3)針對地上式高位水池的防凍保溫問題,給出了一種新型防凍保溫設(shè)計方案,解決了山區(qū)公路隧道高位水池?zé)o法埋地敷設(shè)進(jìn)行保溫的問題。

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