上海外環(huán)沉管隧道給排水、消防設(shè)計(jì)

1、上海外環(huán)沉管隧道設(shè)計(jì)(八給排水、消防設(shè)計(jì)及運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)的總結(jié)與剖析李勝杰郭志清(上海市隧道工程軌道交通設(shè)計(jì)研究院摘要上海外環(huán)隧道是亞洲最大的沉管法施工雙向八車道隧道,給排水、消防設(shè)計(jì)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)高,技術(shù)難點(diǎn)多,介紹工程的設(shè)計(jì)特點(diǎn)、技術(shù)創(chuàng)新及設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)。關(guān)鍵詞越江隧道給排水消防消火栓水噴霧江中廢水泵房橫截溝1引言外環(huán)隧道自2003年6月正式通車以來(lái),已正常運(yùn)行了一年多的時(shí)間。作為國(guó)內(nèi)第一條雙向8車道大型沉管隧道,它連接著外環(huán)線北段浦東、浦西兩側(cè),發(fā)揮著極為重要的交通樞紐的作用。作為隧道正常安全運(yùn)營(yíng)的必要保障設(shè)施之一,給排水、消防系統(tǒng)的設(shè)計(jì)從一開(kāi)始就面臨著一些新課題,設(shè)計(jì)從以往類似工程以及國(guó)外隧道設(shè)計(jì)中吸取

2、了不少成功經(jīng)驗(yàn)。同時(shí)經(jīng)過(guò)這段時(shí)間的運(yùn)行實(shí)踐,不斷完善了隧道給排水、消防設(shè)施的管理,為隧道正常安全運(yùn)行提供了可靠保證,也為今后隧道設(shè)計(jì)積累了寶貴經(jīng)驗(yàn)。本文將對(duì)外環(huán)隧道給排水、消防系統(tǒng)設(shè)計(jì)作綜合闡述,同時(shí)對(duì)運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題及解決方法作一介紹與分析。2外環(huán)隧道給排水、消防設(shè)計(jì)為滿足隧道消防、排水及管理人員日常工作需求,隧道內(nèi)設(shè)置消防系統(tǒng)、排水系統(tǒng)及生產(chǎn)生活給水系統(tǒng)。2.1消防系統(tǒng)(1消防簡(jiǎn)介在世界各地已建的隧道中,火災(zāi)隱患至始至終伴隨著它們。多年來(lái)國(guó)內(nèi)外頻發(fā)的隧道火災(zāi),造成了人員生命及財(cái)產(chǎn)損失,給人們留下了慘痛的教訓(xùn)。早年有美國(guó)紐約霍蘭隧道、日本鈴鹿隧道火災(zāi)等,近年來(lái)有日本坂隧道、上海市打浦路隧

3、道、連接法、意的勃郎峰隧道、意大利巴勒莫(palermo隧道、我國(guó)云南省貓貍嶺隧道火災(zāi)等。造成這些隧道的火災(zāi)的原因具有多方面綜合因素,大多可歸結(jié)為:運(yùn)載易燃易爆危險(xiǎn)品的車輛發(fā)生事故、人為交通事故造成車輛起火、隧道自身電氣設(shè)備老化以及發(fā)生初期火災(zāi)后,報(bào)警滅火系統(tǒng)不完善,未能及時(shí)撲滅初起火災(zāi)等。因此,隧道消防系統(tǒng)是參與保障隧道內(nèi)車輛、人員、設(shè)備安全的必不可少的設(shè)施,將大大降低火災(zāi)損失。由于本工程為城市隧道,而國(guó)內(nèi)目前尚未有為城市隧道消防而編寫(xiě)的設(shè)計(jì)規(guī)范。故為確定本工程的消防系統(tǒng)采用何種組合方式,設(shè)計(jì)曾針對(duì)國(guó)內(nèi)外類似城市隧道的消防設(shè)施做了較為全面的了解,并與消防主管部門共同探討適合本工程的消防系統(tǒng)。

4、目前國(guó)內(nèi)已建城市隧道的消防組合方式有:上海市延安東路南線隧道采用消火栓系統(tǒng)、水噴霧系統(tǒng)和滅火器設(shè)置;寧波市常洪隧道采用消火栓系統(tǒng)、水成膜滅火系統(tǒng)和滅火器設(shè)置等?？梢?jiàn)消防設(shè)施的配置都較為齊全,只是在系統(tǒng)的選擇上有所不同。國(guó)外城市隧道中,日本隧道的消防設(shè)施較為完善,大都配置了消火栓系統(tǒng)、水噴霧系統(tǒng)、滅火器等裝置,也有的采用了較為先進(jìn)的水噴霧-泡沫聯(lián)用系統(tǒng)等。而歐美隧道內(nèi)的消防設(shè)施一般較為簡(jiǎn)潔,有的只設(shè)滅火器或消火栓系統(tǒng)。但通過(guò)近年來(lái)隧道火災(zāi)的教訓(xùn),一些隧道也增加了消防設(shè)施,如勃郎峰隧道已增設(shè)了水噴霧系統(tǒng)。由此看來(lái),綜合比較國(guó)內(nèi)外隧道的消防系統(tǒng),其趨勢(shì)應(yīng)是朝著更加完善合理的方向發(fā)展。(2系統(tǒng)設(shè)計(jì)通過(guò)

5、綜合論證及專家評(píng)審,本工程的消防系統(tǒng)最終確定為:消火栓系統(tǒng)、水噴霧系統(tǒng)及滅火器設(shè)置。其各系統(tǒng)具有以下優(yōu)點(diǎn):消火栓系統(tǒng)成熟可靠的消防系統(tǒng),可撲滅多種類型火災(zāi),由專業(yè)消防人員操作,能大大降低火災(zāi)損失。水噴霧系統(tǒng)與報(bào)警等系統(tǒng)協(xié)同工作,及時(shí)發(fā)現(xiàn)初期火災(zāi),對(duì)火場(chǎng)區(qū)域進(jìn)行防護(hù)冷卻,為及時(shí)撲滅火災(zāi)創(chuàng)造了必要的前提條件。滅火器配置使用方便、性能可靠,通過(guò)正確使用能及時(shí)撲滅隧道內(nèi)各類火災(zāi)。消火栓系統(tǒng)系統(tǒng)按中危險(xiǎn)級(jí)設(shè)置,用水量為20L/s ,最不利點(diǎn)消火栓充實(shí)水柱長(zhǎng)度不小于10m 。由浦西、浦東工作井內(nèi)的消防泵房各引出2根消火栓系統(tǒng)供水總管,在兩條管廊內(nèi)全線貫通,并于敞開(kāi)段處連通,從而形成安全可靠的消防供水環(huán)網(wǎng)。

6、詳見(jiàn)消火栓系統(tǒng)示意圖1。 圖1消火栓系統(tǒng)示意圖隧道暗埋段及沉管段內(nèi),在中間管廊每側(cè)隔45m 設(shè)消火栓箱一套,內(nèi)設(shè)DN65消火栓一個(gè)、25m 水龍帶一盤(pán)、<19水槍一把、自救式消防軟管卷盤(pán)一套、報(bào)警啟泵按鈕一個(gè)。在敞開(kāi)段則設(shè)于兩側(cè)擋墻內(nèi),間距、布置同前。系統(tǒng)按浦東、浦西消防泵房各引入兩路市政水源,每端泵房各供至隧道中點(diǎn)的原則進(jìn)行水力計(jì)算。由于隧道中點(diǎn)埋設(shè)深,其自由水頭已遠(yuǎn)大于由泵房至該處的沿程水頭損失。因此,消火栓泵的揚(yáng)程以同端敞開(kāi)段最遠(yuǎn)端處的消火栓為最不利點(diǎn),同時(shí)復(fù)核江中消火栓栓口動(dòng)壓,若超過(guò)0.5MPa ,則設(shè)減壓設(shè)施。水噴霧系統(tǒng)水噴霧系統(tǒng)主要保護(hù)范圍為:火災(zāi)發(fā)生時(shí),消防救援人員不能及

7、時(shí)到達(dá)的區(qū)域。因此,本工程沉管段及浦西暗埋段近江中處100m (浦西暗埋段距離較長(zhǎng),總長(zhǎng)約840m 的區(qū)段均設(shè)置水噴霧系統(tǒng)。從系統(tǒng)使用效果來(lái)分析,水噴霧的用水量當(dāng)然是越大越好,規(guī)范中用于撲滅易燃液體火災(zāi)的用水量為20L/(min m 2,而在設(shè)計(jì)中僅采用了防護(hù)冷卻的用水標(biāo)準(zhǔn)為6L/(min m 2。這主要是受以下幾方面限制:a.過(guò)大的用水量造成水噴霧輸水管管徑加大,將使消火栓管、水噴霧管、廢水管難以同時(shí)布置在沉管法隧道狹小的管廊下部空間。b.水噴霧系統(tǒng)用水量的成倍增加,在加上消火栓系統(tǒng)的用水量,大大增加了發(fā)生火災(zāi)時(shí)消防系統(tǒng)釋出的大量廢水,給本來(lái)布置已相當(dāng)困難的江中廢水泵房帶來(lái)更大壓力,甚至短期

8、內(nèi)無(wú)法排除的消防廢水可能積聚在隧道中央,造成隧道結(jié)構(gòu)、電氣設(shè)備的損壞,同時(shí)給逃生救援帶來(lái)的困難。c.消防時(shí)從市政給水管抽取的水量將大幅增加,可能會(huì)造成周邊地區(qū)用水暫時(shí)短缺。因此,本工程水噴霧系統(tǒng)的用水量標(biāo)準(zhǔn)為6L/(min m 2,最不利點(diǎn)噴頭的工作壓力不小于0.2MPa 。在系統(tǒng)分組的過(guò)程中,按合理分配、有序布置的原則,在兩側(cè)的3車道邊孔為22.5m 一組,2車道的中孔為30m 一組。控制水噴霧系統(tǒng)動(dòng)作的雨淋閥箱在可能條件下與消火栓箱、滅火器箱合并布置,既統(tǒng)一美觀,又便于管理、使用。水噴霧系統(tǒng)見(jiàn)詳圖2。在常規(guī)的水噴霧系統(tǒng)中,每組系統(tǒng)由一組雨淋閥來(lái)控制,其配置包括文丘里式加速器、過(guò)濾器、止回閥

9、、電磁閥、手動(dòng)緊急開(kāi)關(guān)、開(kāi)關(guān)閥、滴水檢測(cè)器、壓力表開(kāi)關(guān)閥、排水閥、手動(dòng)復(fù)位開(kāi)關(guān)等。隧道工程中每組水噴霧系統(tǒng)控制閥均設(shè)于管廊側(cè)墻的設(shè)備箱 圖2水噴霧系統(tǒng)示意圖內(nèi),安裝空間非常有限。故在本工程的設(shè)計(jì)中,設(shè)計(jì)人員提出舍棄一些不必要的配置,如:水力警鈴測(cè)試閥、水力警鈴開(kāi)關(guān)閥、水力警鈴、用于開(kāi)啟水泵及反饋到控制室的壓力開(kāi)關(guān)等,使布置在隧道內(nèi)的閥體簡(jiǎn)潔實(shí)用,便于維護(hù)和保養(yǎng)。這一設(shè)想得到了消防部門的認(rèn)可,并最終得以實(shí)施。2.2排水系統(tǒng)隧道排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)的合理與否,將對(duì)隧道安全及正常運(yùn)營(yíng)的百年大計(jì)產(chǎn)生重大影響。隧道總體排水遵循高水高排,低水低排的原則,并適當(dāng)留有余地,滿足了隧道日常運(yùn)行及消防時(shí)緊急事故排水的要求

10、。系統(tǒng)主要由雨水系統(tǒng)、廢水系統(tǒng)及局部排水設(shè)施組成。(1雨水系統(tǒng)在隧道兩端峒口處各設(shè)一座雨水泵房,泵房橫截溝設(shè)于暗埋段內(nèi)約5m處,這主要是考慮到雨水可能呈斜角飄入隧道的原因。敞開(kāi)段雨水的設(shè)計(jì)暴雨重現(xiàn)期取30年一遇,徑流系數(shù)為0.9,地面集流時(shí)間按坡面流公式計(jì)算。由于隧道的敞開(kāi)段為8車道,寬度>40m,且路面坡度由中孔坡向兩側(cè),而泵房卻在一側(cè)。因此另一側(cè)的雨水要完全靠橫截溝攔截后,反向排入泵房集水池,這在以前的設(shè)計(jì)中也未曾嘗試。若讓未能及時(shí)攔截的雨水進(jìn)入隧道,將給隧道正常安全運(yùn)營(yíng)帶了巨大威脅。為此,設(shè)計(jì)中通過(guò)嚴(yán)格計(jì)算雨水量和橫截溝過(guò)水量,并采取加大起點(diǎn)深度和橫截溝坡度的措施,有效地解決了雨水

11、攔截問(wèn)題。浦東、浦西雨水泵房?jī)?nèi)均設(shè)3臺(tái)潛水泵,二用一備;并設(shè)用于水泵檢修、吊裝的電動(dòng)起重設(shè)備。(2廢水系統(tǒng)根據(jù)線路縱坡布置,隧道設(shè)一處最低點(diǎn),并在該處設(shè)一座江中廢水泵房,以排除結(jié)構(gòu)滲入水、沖洗廢水及消防廢水。上述三類廢水中的前兩種水量較小,而消防廢水量為57L/s,故廢水泵房的設(shè)計(jì)流量按后者選取。由于沉管法隧道的管段需預(yù)制后沉放,為保證沉放的精確到位,其底面通常需呈平面,廢水泵房集水池不太可能突出于管段對(duì)底板面之下。因此,本工程江中廢水泵房集水池的設(shè)置成為一個(gè)新的課題。設(shè)計(jì)中通過(guò)與建筑、結(jié)構(gòu)專業(yè)的反復(fù)研究協(xié)調(diào),認(rèn)為在有限的條件下,只能利用隧道兩條設(shè)備管廊下部空間作為集水池。同時(shí)為滿足水池的有效

12、容積要求,在兩管廊下部集水池間設(shè)連通管,使之成為一個(gè)大容器。但即使如此,用于安裝水泵及閥門、管配件的空間仍十分狹小。為此,設(shè)計(jì)廣泛了解其外形尺寸及水泵性能均能達(dá)到要求的水泵,并首次選用了知名品牌ITT2飛力公司生產(chǎn)的非固定式安裝的B泵,大大減小了潛水泵的安裝尺寸。該泵曾廣泛地應(yīng)用于礦山、坑道排水,工效顯著。關(guān)于該泵在本工程中的應(yīng)用狀況,將在下文中敘述。流至最低點(diǎn)的廢水經(jīng)泵提升后,由較近的浦西風(fēng)井出地面,通過(guò)壓力窨井,排入市政排水管道。(3局部排水設(shè)施 在浦西風(fēng)井敞開(kāi)口底部及浦東工作井的電纜夾層內(nèi),設(shè)用于排除雨水及結(jié)構(gòu)滲水的局部排水泵各2臺(tái),互為備用。2.3生產(chǎn)生活給水系統(tǒng)本工程生產(chǎn)生活給水系統(tǒng)

13、主要供浦東管理中心管理人員的生活用水及沖洗車的加水,供隧道清掃用水。上述部分即為外環(huán)隧道給排水、消防設(shè)計(jì)中的各個(gè)主要系統(tǒng),以及在各系統(tǒng)設(shè)計(jì)中遇到的技術(shù)難點(diǎn)和解決措施。這些技術(shù)措施中有的是經(jīng)驗(yàn)成熟,技術(shù)先進(jìn),有的尚屬首次采用,它們都將通過(guò)實(shí)際運(yùn)營(yíng)的效果來(lái)評(píng)判設(shè)計(jì)合理與否。3運(yùn)行中出現(xiàn)一些問(wèn)題的分析及解決方案外環(huán)隧道通車已一年有余,通過(guò)這段時(shí)間的實(shí)際運(yùn)行,發(fā)現(xiàn)了一些問(wèn)題,集中在排水方面。以下即對(duì)其原因以及解決的方案作詳細(xì)介紹:3.1雨量大時(shí),峒口雨水不能有效被截流留,進(jìn)入隧道外環(huán)隧道通車以來(lái),在2003年68月暴雨時(shí)隧道江中最低點(diǎn)發(fā)生了積水問(wèn)題。針對(duì)上述現(xiàn)象,在業(yè)主和施工單位的配合下,設(shè)計(jì)認(rèn)真研究

14、發(fā)生問(wèn)題的原因,認(rèn)為主要原因?yàn)橐韵聝牲c(diǎn):(1由于隧道通行車輛噸位較高(集卡,致使雨水泵房橫截溝蓋板的設(shè)計(jì)中過(guò)多考慮了行車安全性,而忽略了其攔截雨水的主要作用。原設(shè)計(jì)蓋板的泄水孔為長(zhǎng)條形,且與水流方向平行,開(kāi)孔寬度與橫截溝寬度之比僅為12.5,加之外環(huán)隧道敞開(kāi)段寬度遠(yuǎn)大于其它隧道。因而,在雨量大時(shí),造成大量雨水不能被有效截流,而直接進(jìn)入江中段。(2根據(jù)施工及管理方的實(shí)測(cè),位于中間管廊下的橫截溝連通管及橫截溝進(jìn)入泵房集水池的進(jìn)水口存在較大施工誤差,有的地方過(guò)水面積比設(shè)計(jì)減小了40%。由于以上原因,直接導(dǎo)致部分雨水直接進(jìn)入隧道最低點(diǎn)處,并造成積水。而隧道江中泵房的設(shè)計(jì)流量是按排除消防廢水量而定,大量

15、的雨水遠(yuǎn)大于其排水量,無(wú)法迅速排除積水。通過(guò)對(duì)上述問(wèn)題的原因查找分析,設(shè)計(jì)方提出了解決措施,即重新更換兩側(cè)路邊各2m范圍內(nèi)橫截溝蓋板,雨水集中通過(guò)的新蓋板的泄水孔亦為長(zhǎng)條形。關(guān)鍵在于其排列方向與水流呈30°角,當(dāng)水流通過(guò)蓋板時(shí),所有的泄水孔均能發(fā)揮作用,形成全斷面截流,其寬度也比原設(shè)計(jì)略寬,以防止水表面張力的作用。該形式的橫截溝尚屬首次設(shè)計(jì),其攔水效果大大優(yōu)于原設(shè)計(jì)。另在邊溝處順?biāo)鞣较蛟黾恿?gt;3m多橫截溝,其作用是于水量較集中處重點(diǎn)設(shè)防。同時(shí)施工單位也對(duì)一些不足之處進(jìn)行了整改,從各方面完善了隧道峒口雨水的攔截設(shè)施。該方案實(shí)施后已通過(guò)了2004年汛期的考驗(yàn),經(jīng)管理部門反映,效果

16、非常顯著。3.2江中廢水泵在運(yùn)行中出現(xiàn)的問(wèn)題在江中廢水泵的選型中,設(shè)計(jì)選用了瑞典飛力公司生產(chǎn)的B型泵。該泵具有體積小,揚(yáng)程高、功率小、所需停泵水位低,能在礦井內(nèi)長(zhǎng)期連續(xù)無(wú)故障運(yùn)轉(zhuǎn)等特點(diǎn),且經(jīng)國(guó)內(nèi)外大量工程實(shí)踐表明,該泵的工作狀態(tài)相當(dāng)穩(wěn)定,故障率也很小。但在隧道運(yùn)行不久,即發(fā)現(xiàn)該泵電流不穩(wěn)定,偏離工作點(diǎn)的現(xiàn)象。水泵經(jīng)運(yùn)營(yíng)方拆卸后,發(fā)現(xiàn)磨損環(huán)已損壞,不能正常工作,隨即替換了磨損環(huán),在短暫地正常運(yùn)行了一段時(shí)間后,又發(fā)生了原先的故障。為此設(shè)計(jì)方、安裝單位與廠方共同研究,并專門咨詢?cè)摫蒙a(chǎn)方的瑞典的技術(shù)人員,發(fā)現(xiàn)主要的原因是由于該類水泵采用了柔性材質(zhì)的磨損環(huán)。雖然在排除含硬度較高的小顆粒雜質(zhì)的礦井廢水中

17、表現(xiàn)出眾,但在隧道通車的環(huán)境下,一些不規(guī)則雜質(zhì),在水流的帶動(dòng)下能鑲嵌在磨損環(huán)的表面,造成流道阻塞,使水泵失去功效。因此,認(rèn)為B泵不適合在通車隧道中使用。對(duì)此經(jīng)綜合調(diào)研,獲知了新近進(jìn)口的Robert 泵,同樣由飛力公司代理。該泵同樣具有體積小、流量大、揚(yáng)程高、電耗小的特點(diǎn),并且適用于輸送多種介質(zhì)類型的污廢水。經(jīng)試用后,完全能滿足設(shè)計(jì)工況要求,解決了水泵適用性的問(wèn)題。4結(jié)束語(yǔ)通過(guò)對(duì)上海首條沉管法隧道外環(huán)隧道的給排水、消防系統(tǒng)設(shè)計(jì)及運(yùn)營(yíng)狀況的綜合介紹、分析,從中總結(jié)了一些經(jīng)驗(yàn)。尤其是在隧道消防設(shè)施方面,需做深入研究,對(duì)不同類型的消防系統(tǒng),如水噴霧-泡沫聯(lián)用系統(tǒng)、細(xì)水霧系統(tǒng)、水成膜泡沫系統(tǒng)等作綜合比較

18、,以推選出隧道中最適合使用的消防系統(tǒng)組合。另外,對(duì)于設(shè)計(jì)中存在的一些不足之處,要充分了解成因,以避免類似情況的發(fā)生。相信隨著科技日新月異的發(fā)展,在隧道工程技術(shù),各種新工藝、新設(shè)備將層出不窮,未來(lái)的隧道必將充滿科技生命力。(收稿日期:2004-12-24The Y itianX iangmi Lake tunnel section in the1st pha se of Shenzhen Metro is constructed by drill2and2 bla st method and T BM tunneling.Thus,the combination of the se two co

19、nstruction method sp eeds up the con2 struction p eriod,reduce s of the project co st,and maintains normal ground traffic op eration,a s well a s pro2 tects the building along the tunnel route.This pap er,which introduce s the construction step s and key points, can be used a s a reference to simila

20、r projects.(33TBM R enovation of Xiangyin Road Tunnel Chen H ua et al The pap er discusse s the po ssibility of T BM renovation for X iangyin road tunnel and outline s the renovation procedure.It also summarize s the exp erience s with regard to the selection of technical parameters,renova2 tion of

21、important TMB parts and attentions on T BM driving and give s out some useful exp erience and refer2 ence s for the de sign and manu facture of large diameter slurry balanced T BM afterwards.(37Design of Shanghai Outer Ring Immersed TunnelW ater Supply&Drainage,Fire Design and Opera2tion Experie

22、nce Li Shengjie et al Shanghai outer ring immersed tunnel is the large st immersed tunnel in Asia,with eight lane s in bi2direc2 tion.Its water supply&drainage and fire de sign is featured with high technical standard,and with much more difficultie s.In regard to this a sp ect,the de sign charac

23、teristics,technical innovation,and de sign exp erience s are introduced.(41Design of W ater Firef ighting System for U rban River2crossing Tunnel Xiang H engfeiThe pap er analyze s the characteristics of fire in river2cro ssing tunnels,overviews the events of tunnel fire s all around the world,briefly introduce s the pre sent used de sign scheme of water firefighting in urban riv2 er2cro ssing tunnels.And thus,it propo se s the adoption of low foam sprinkle system in urban river2cro