何奇飞 朱 欢

(贵州省交通规划勘察设计研究院股份有限公司 贵阳 550000)

贵州省地貌属典型喀斯特地形，高速公路隧道占比大，其中3 km以上的特长隧道逐步增多。由于特长隧道内部空间环境特殊，火灾事故的发生率和严重性明显提高，给隧道行车安全带来了很大的挑战，在设计过程中如何选取经济、合理的供水方案是有待解决的问题之一。

1 工程概况

拟建的贵州省武隆(渝黔界)至道真高速公路是贵州省“678”高速公路网中“三纵”道真至新寨的首段，其中蔡家梁子隧道为本条高速公路最长隧道之一，为分离式特长隧道，长5 762 m，最大埋深约690 m。设计速度80 km/h，双向四车道，建筑限界净宽10.25 m。

2 隧道消防供水方案现状

对于山区特长隧道消防供水方案需要综合考虑地形条件、经济效益、施工难易程度等多个方面的影响，不同的供水方案有其各自的适用特点。目前，我国应用较多的消防供水方案主要有如下几种[1-2]。

1) 单端供水。根据隧道两端洞口高程计算，在高程较高的一端设计高、低位水池供水系统，管网压力依靠高程较高一端的高位水池提供，管网压力由高位水池端向另一端不断增大，当静压达到0.75 MPa 则通过可调式减压稳压阀组(动、静压可调)将静压调整为0.4 MPa。此方案施工难度较小，系统之间相互干扰也较少，但整体管网较长，供水系统的整体压力较大，仅依靠减压稳压供水使系统的压力可控性较差。

2) 单端供水+隧道内消防水池分区供水。隧道洞口单端设置高位水池，同时在隧道横洞内设置转运水池，结合隧道高差使管道内水压保持在0.4～0.75 MPa范围内，在隧道横洞内设置转运水池分区将隧道内消防设施供水划分为若干段落，隧道消防供水采用分区段供水方案，区段1兼顾一次性消防用水和补水的及时性，通过洞外设置高位水池，利用自然高程差向隧道洞内区段1供水；之后区段在洞内设置消防水池，从前一区段管网中补水，充分利用隧道自然坡度，实现对应区段内消防设施供水。

3) 两端分区供水。在隧道两端洞口分别设计高低位水池，利用两端隧道高位水池的高程与隧道高程差压力为隧道内管网提供压力需求；两端供水可通过各自高水池提供相应压力，但由于隧道一般设置人字坡或者单坡隧道，则势必导致高程低的一端形成反坡供水，为克服管道水头损失和高程差导致供水管道不宜过长。

4) 斜/竖井内设置消防水池。对于人字坡隧道，由于两端洞口与变坡点高程差较大，而隧道中部的斜/竖井在相对于两端洞口与变坡点的高程差较小，可结合工程实践情况，利用在隧道斜/竖井内设置高位水池为隧道内消防设施分区供水，管网由斜/竖井内敷设至交叉口后各自向不同分区供水，此方案的优势由隧道中部集中供水，可有效地降低管网整体压力。

3 方案比选分析

3.1 构建方案评价体系

由于消防供水方案均有各自特点和适用性，在进行方案比选时，需要对其进行综合性的评价，以期达到最优效果。结合目前消防供水方案的现状，总结不同消防供水方案特点见表1。

表1 4种常见消防供水方案特点分析

由表1可知，对供水方案比选时需要兼顾不同消防供水方案的适用特点和影响因素，选用合理的指标及方法，才能进行综合、全面的评价。由于消防供水方案具有影响因素多、难以量化等特点，可采用层次分析法，将评价目的、影响因素和评价指标划分为不同结构层次构建评价模型，进行比选分析。层次分析法结合了定性分析的优势，又建立相应的数学模型来计算分析，能够有效地处理多准则或无结构特性的复杂决策问题，在进行多因素决策时有广泛地应用[3-4]。

因此，基于上述4种消防供水方案的特点，结合本项目的特点，构建评价指标体系见图1。

图1 消防供水方案评价体系

3.2 评价方法及计算

3.2.1构建判断矩阵

根据图1消防供水方案评价体系，采用三级层次分析结构，分别对同一层次的各元素按重要性进行两两比较，构建判断矩阵。为避免建立判断矩阵出现片面性或较大的主观影响，收集专家、业主、施工等专业技术人员的意见，采用1～9标度法对判断结果进行量化(见表2)，构造判断矩阵。

表2 1～9标度法

3.2.2层次排序及其一致性检验

通过计算量化以后的判断矩阵，得出被比较元素对于该因素的相对权重，并进行一致性检验。计算矩阵特征根来确定权向量Aw=λmxw，计算其最大特征根λmax。采用一致性指标CI衡量判断矩阵的不一致程度，其计算方法见式(1)。

CI=(λmax-n)/(n-1)

(1)

定义随机一致性指标RI，当阶数大于2时，其一致性的指标用CR表示，CR值计算方法见式(2)。

(2)

当CR<0.1时，可表示该判断矩阵的一致性满足要求，否则就需要进行调整。

3.2.3权值计算

根据调查收集意见，按1～9标度法进行量化，构建中间层和基础指标层判断矩阵，并进行一致检验，对于当基础指标出现小于或等于2项时可直接按加权平均值确定权重，权值计算过程及结果如下。

计算最大特征根λmax及其特征向量w

λmax=4.032，w=[0.106 0.362 0.411 0.121]T

判断矩阵一致性检验。n=4，取得RI=9，计算CR值。

矩阵符合一致性检验要求，权重值分配合理，结果见表3。

表3 中间层权重

同理，按上述过程依次构建基础指标层判断矩阵，分别计算特征向量wi并进行一致检验，对于当基础指标出现小于或等于2项时可直接按加权平均值确定权重，权值计算过程及结果见表4～表7。

表4 经济性指标层权重

表5 技术性指标层评判及权重

表6 施工便利性指标层权重

表7 环境影响性指标层权重

根据上述各层权重计算结果，对层次总排序进行一致性检验，总排序一致性比率计算方法见式(3)。

(3)

层次总排序CR=0.020<0.10，符合一致性检验要求。评价指标权重汇总见表8。

表8 评价体系指标权重汇总

4 实例应用

基于消防供水方案比选模型，通过问卷调查方式，收集施工、设计、业主方各2名技术人员对表1中4种备选方案进行打分评判(评分越高则该项指标越优)，同一基础指标取调查人员打分平均值为评判分数，表9为方案一调查评分结果。

表9 调查评分结果表(以方案一为例)

通过对评分结果进行收集和整理，分别对备选方案各项评价指标进行综合评判，计算综合得分越高则方案越优，备选方案综合评价结果见表10。

表10 备选方案综合评价结果

根据计算结果，备选方案排序结果为：方案一>方案三>方案二>方案四，方案一单端供水方案综合评分最高，优选为本项目消防供水方案。结合项目实际条件，对本项目消防供水方案进行具体设计如下。

隧道洞口设置高位水池供水，从变坡点后管网压力由小桩号向大桩号方向不断增大，为控制保证管网供水压力，经计算当静压达到0.75 MPa则通过可调式减压稳压阀组(动、静压可调)将静压调整为0.4 MPa。同时，结合隧道纵坡长度及人行横洞设置情况，对蔡家梁子隧道单洞需要进行2次减压处理，分别设置于5号人行横洞和8号人行横洞附近，供水点位布置见图2。

图2 供水点位布设图

根据供水布设点位，考虑供水管道流量、流速及供水压力的需求[5-7]，均衡系统管道能耗，选择以不超过2.5 m/s管道流速确定管径，并以尽量节省管道、降低水泵功率为目标，确定管道材料，具体参数设计见表11。

表11 管材参数选取

5 结语

通过对山区高速公特长隧道消防供水方案进行分析，综合考虑经济性、技术性、施工便利性、环境影响等多方面因素，提出了特长隧道消防供水方案综合评价体系，并构建了方案比选模型，选择以单端供水作为该项目消防供水方案，并结合项目实际条件，从消防管道、管材、供水压力等方面进行了具体设计，直接指导实际施工作业，提高隧道消防供水系统的可靠行。