城市地下铁路(简称地铁)作为一种快速、环保、舒适、客运能力大的城市交通工具在世界主要发达国家及地区已经得到了广泛的应用。近十年来随着我国经济的快速发展和综合国力的不断增强,地铁建设在我国取得了长足进展,除已经运营的北京、上海、广州等地铁外,南京、杭州、重庆的地铁已在建设中。预计到2008年,北京的地铁运营线路总长将达150km。

发生在地铁中的火灾,由于其独特的地形条件,给人员疏散和消防扑救带来了极大的困难,极易造成群死群伤和巨大的经济损失。

消火栓给水系统作为地铁火灾扑救的主要设施,它的可靠性与否对控制、消灭火灾起着决定性的作用。但现有的湿式消火栓给水系统在实际使用中存在一些问题。当消防给水管道安装于有可能结冻的部位时,采取的保温措施一般为:高架车站室外明装部分、隧道出入线洞口管道防冻采用的是电伴热系统;隧道内风机房出风口附近管道采用的保温材料为复合硅酸镁管壳,保护层为铝箔,保温及保护层材料燃烧等级均为A级。在设备联检期间,发现铝箔有损坏现象,由于铝箔为导电材料,且地铁内电器设备及电力线路较多,存在事故隐患,不适用于地铁工程。高架站和出入段消防管道大量采用电伴热保温措施,需要增加部分工程投资,增加运营成本,同时也浪费能源。另外在地铁工程运营中,还出现过区间消防管道因漏水影响行车的事故。如何最大限度的减少工程投资、节约能源、杜绝事故隐患是水消防设计中需要进一步解决的问题。而干式水消防系统不需要管道保温,不存在事故隐患,为解决以上问题提供了思路。

在寒冷地区的地铁设计中探讨采用干式水消防系统的可行性是非常必要的,尤其是目前天津、沈阳、北京、大连、哈尔滨等城市地铁正在进行紧张的建设,干式水消防系统的适用研究显得尤为重要。由此引出一个问题:即地铁消防给水是否可采用干式系统以解决水管结冻问题。

干式消火栓系统是以手、电动快开阀为界,阀入口侧接水源,管道内充满水;阀出口侧接管网,快开阀平时处于关闭状态,该管网平时为空管。火灾发生时,可通过以下几种方式打开阀门:消火栓处按钮启动;通过火灾探测器报警自动启动;现场手动应急开启。这样可以保证该阀门在任何情况下都能开启供水灭火。

《建筑设计防火规范》第8.4.2条第九款提出:“严寒和寒冷地区非采暖厂房、库房及其他建筑的室内消火栓系统可采用干式消火栓系统,进水管应设快速启闭装置,管道最高处应设自动排气阀。”,此条款提出了干式系统使用的可行性。

1 干式消火栓系统的组成、特点及优缺点

干式消火栓系统的主要组成部分:远程控制的快速启闭装置、设置一定坡度的管道、快速排气装置以及必备的消火栓及组件。干式消火栓系统的主要特点是在快速启闭装置后的管路内无水,可以确保管路在外界气温较低时不被冻结。

在发生火灾时,车站或控制中心的火灾报警系统接到报警信号,开启快速启闭阀,同时向中控室发出开泵和报警信号,消防泵启动后管道内空气迅速排除,管道在短时间内由干式迅速转变为湿式系统,消火栓口接出水龙带和水枪达到灭火的目的。

1.1 与湿式系统相比,干式系统主要优点

区间车站干湿式消火栓系统示意图见图1。

(1)平时管道内无水,不存在冻结问题,因此,不需要保温;

(2)因为平时管道内无水,因此,即使个别管道的接口不够严密,也不会因滴漏水而影响生产运营;

(3)可以适当减少分段阀门的设置。

1.2 与湿式系统相比,干式系统主要缺点

(1)因为平时管道内无水,需要一定的充水时间,使用消火栓的时间滞后于湿式系统;

(2)如系统内不充气,定期检查不力,存在消防管道损坏而不能即时发现的隐患;

(3)快速启、闭阀门要能实现远程控制,可靠性略低,排气阀有可能堵塞,不能有效排除管道内的空气。

2 干式消火栓系统分类

2.1 固定式全自动干式系统

主要特点是在报警阀后管路内无水,充满有压力的气体,不怕冻结,不怕环境温度高。在发生火灾时,车站或控制中心的火灾报警系统接到报警信号,开启快速启闭阀,同时向中控室发出开泵和报警信号,消防泵启动后管道内空气迅速排除,管道在短时间内由干式迅速转变为湿式系统,消火栓口接出水龙带和水枪达到灭火的目的。

该系统适用于环境温度在4℃以下或70℃以上、不宜采用湿式消火栓系统的地方。因增加一套充气设备及联动装置,且要求管网内的气压要经常保持在一定范围内,因此,管理比较复杂,投资较大。

2.2 固定式半自动干式系统

与湿式系统比较,这种系统在预作用阀以后的管网中平时不充水,而充低压空气或氮气,或是干管。只有在发生火灾时,由消防控制中心或消火栓附近的手动报警按钮发出指令,开启快速启闭阀,同时向中控室发出开泵和报警信号,消防泵启动后管道内空气迅速排除,管道在短时间内由干式迅速转变为湿式系统,消火栓出水达到灭火的目的。

系统平时管道内无水,不会有冻结问题,与全自动干式系统比较不需要设置管道气体增压设备,管道内可以是空管,相对来说系统的反应速度较快,设备管理简单,投资少,明显优于全自动干式系统,因此在干式系统设计中一般采用半自动干式系统。

适用于环境温度在4℃以下或70℃以上、不宜采用湿式消火栓系统的地方。

2.3 半固定式干式系统

半固定式干式系统管道内为干式,且系统没有永久的给水水源,系统需要的消防用水来自消防车的消防泵通过消防接合器向系统供水,这种系统对市政水源以及市政救援的消防车的要求较高。

综合分析,固定式半自动干式系统比较符合我国的国情。

3 固定式半自动干式系统应用分析

3.1 系统充水时间

系统充水时间决定了采用干式系统的管道长度,管道流速按照最大2.0~2.5m/s考虑,以下分别以车站和区间为例进行相应的计算。

(1)车站:以一个有效长度150m的岛式车站为例,最不利情况下的消防干管长度约达到600m,这样的管道长度充水时间约为5min,也就是说车站采用干式系统的情况下,火灾的前4~5min消火栓系统不能保证消防用水。

(2)区间:以一个长度1.2km的区间为例,考虑最不利情况,水源从一端车站供水,则需要的充水时间为10min。也就是说,火灾发生后的10min内不能保证消防用水。

3.2消火栓投入使用的时间分析

在车站,当火灾发生后的4~5min内,主要是乘客疏散的时间。如果由车站工作人员取用消火栓进行灭火,则5min后或更短的时间可能需要使用消火栓灭火,如果等待专门的消防人员则需要更长一些的时间,由于地铁车站是人员密集场所,消防用水量大于区间,且《建筑设计防火规范》要求充水时间应尽可能短,灭火应尽可能早。因此,对于车站而言,如果采用干式系统时,可能会产生打开消火栓消防用水不能满足要求的问题,因此地铁车站宜采用湿式系统,以确保在火灾第一时间能够顺利使用消火栓。

当列车在区间发生火灾时,一般情况下,列车应尽可能行驶到下一车站进行灭火,只有当列车在区间发生火灾又不能牵引到车站时,才需要在区间实施灭火,区间隧道的灭火需要专门的消防人员实施,即便是最近的消防队从接到信号到进入隧道的火灾地点可能也需要10min以上,而这10min内,如果干式系统各组件正常运行,系统已经从干式转变湿式,当消防人员赶到火灾地点的地下区间,打开消火栓时,其水量水压是可以满足消防用水要求的。

3.3 消防压力要求

为确保管道的流速,应加大消防水泵的扬程,如管道直径DN150,v=1.83m/s时,管道沿程水头损失43.2m,因此当需要的充水时间短,管道的流速则要求增加,提供水源的水泵的扬程需要增加;反之,当水泵的扬程降低,管道的充水时间会增加。

从上述的分析可以看出,地铁消火栓系统可以考虑采用如下的局部干式的方式:地下车站采用湿式系统,地面、高架车站及区间隧道采用干式系统,车站设置消防泵组,提供车站及区间管道的消防用水的压力和流量。

区间的干式系统为固定式半自动干式系统。区间干式系统的快速开启阀安装在车站靠近区间的端部,使每个区间能够从相邻的两个车站取得水源,按每个车站承担两相邻区间的1/2计算,火灾时消火栓管道的充水时间可以进一步缩短。此外,从车站两端的活塞风井或区间风井内接出消防结合器,以备消防车从市政取水补给区间消防管道。