城市地下綜合管廊超細干粉滅火系統(tǒng)應用研究

張巨龍

(中鐵建昆侖地鐵投資建設管理有限公司 四川成都 610031)

1 引言

隨著我國城市化進程的不斷推進，城市路網(wǎng)工程及配套供電、通信、天燃氣、供熱、給排水管線等地下基礎設施不斷完善，但地下基礎設施建設普遍滯后于地面工程，主要存在地下空間資源利用不合理，地下管網(wǎng)排水能力不足，城市防洪、防災狀況嚴峻等問題。加快地下基礎設施建設特別是統(tǒng)籌考慮“地上空間”與“地下空間”各類工程的建設時序，使城市空間利用立體化、集約化、綜合化顯得尤為重要。將供電、通信、天燃氣、供熱、給排水等管線集中設置在綜合管廊實行一體化管理[1]，同時地下綜合管廊與地面工程同步規(guī)劃、同步實施、同步投入使用，可大幅度減少運行維護成本以及對社會經(jīng)濟活動的影響，是按期實現(xiàn)“碳中和、碳達標”的重要舉措之一，也是城市各類管線統(tǒng)一布局、統(tǒng)一維護、統(tǒng)一管理的發(fā)展新趨勢[2]。

地下綜合管廊的電力艙室、控制夾層內(nèi)各類電纜集中布置，同時還布局了電源箱、控制箱、環(huán)控柜、網(wǎng)絡柜、變壓器等電力設施，發(fā)生火災隱患較大。目前我國已有上百座大中城市建設了數(shù)千公里不同規(guī)模的城市地下綜合管廊，部分城市在工程管線設施較多、交通運輸繁忙的主干道需同時配合建設地鐵、下穿隧道、高架橋等工程，受斷面空間限制，普遍采用地下綜合管廊工程達到合理利用地下空間斷面的目的。綜合管廊各類事故隨之呈多發(fā)、高發(fā)態(tài)勢，而綜合管廊各類災害中消防安全事故發(fā)生次數(shù)最多、影響范圍最廣。據(jù)不完全統(tǒng)計，自1958年我國首條地下綜合管廊在北京投入運營以來，發(fā)生了100起以上各類消防安全事故，嚴重影響城市各類管線的正常運行，造成了較大的社會影響。因地下綜合管廊不屬于人員密集型場所，發(fā)生火災不會造成大規(guī)模人員傷亡現(xiàn)象，社會各界對地下綜合管廊消防安全的重視程度較低，本文從如何才能在火災初期有效實施控火滅火，保障城市地下管線運行安全為出發(fā)點，在前期各類研究的基礎上，對地下綜合管廊采用何種自動滅火系統(tǒng)進行分析研究。

2 地下綜合管廊火災的特點

通過對大量地下綜合管廊火災實際案例及模擬案例的分析研究，主要特點如下。

2.1 風險隱患源點多面廣

地下綜合管廊的各個艙室、設備夾層分布著大量的電力電纜、機電設備等，各類機電設備、線纜在運行過程中出現(xiàn)的絕緣層老化、接觸不良、短路、過載等狀況都是引發(fā)火災的重要因素，同時外來火源、運行維護人員的不當管理等也是引起火災的重要因素[3](據(jù)統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，因電氣設備不當發(fā)熱、散熱不良、接觸不良閃絡、通風故障、過載、短路等造成的火災報警占總量的45%[4])，另外地下綜合管廊內(nèi)部橫向空間狹小、縱向空間貫通，一旦著火，火勢會順著管廊向兩端蔓延，迅速布滿整個防火分區(qū)。隨著地下綜合管廊技術的不斷完善，越來越多的市政管線將入廊實行一體化管理，特別是天然氣管線發(fā)生泄露、燃燒和爆炸會對管廊內(nèi)各類管線、設備造成重大影響，同時對周邊居民的社會生活會造成不可估量的損失，潛在風險隱患源點多面廣。

2.2 疏散難度大

地下綜合管廊一般深埋地下，層高較低，可供人員快速疏散的通道較少，人員逃生口疏散效率低，一旦發(fā)生火災易產(chǎn)生大量高溫有毒濃煙，造成人員恐慌，現(xiàn)場混亂，增加了疏散的難度；例如成都某地下綜合管廊全長約6 km，設計5個艙室，僅設置2個人行出入口，若突發(fā)火災，面對如此長的疏散路徑，極短的疏散時間，人員有序撤離極度困難；火災發(fā)生后原有照明立即中斷，自然采光無法有效利用，應急照明是唯一可供疏散人員利用的光源，但燃燒產(chǎn)生的大量有毒有害高溫煙氣，影響疏散人員視線及正確識別逃生路線，使逃生效率較低；除此以外，在疏散路徑長且單一、疏散空間狹窄、有效逃生時間短[5]、特殊的垂直逃生路徑等不利因素的共同影響下，有序疏散難度更大。

2.3 消防救援難度大

與一般地面建筑相比，地下綜合管廊發(fā)生火災后不能采用常規(guī)的外部滅火，只能依靠人行口、車行口、逃生口或通風投料口等進行內(nèi)攻滅火，救援路徑單一。火災發(fā)生后，大量濃煙從人行口、逃生口等涌出，同時人行口、逃生口又要優(yōu)先供撤離人員使用，消防救援人員、救援工器具無法迅速進入撲救；既有通訊系統(tǒng)迅速中斷，需重新建立外部指揮人員與內(nèi)部救援人員的臨時通訊系統(tǒng)；此外，地下綜合管廊空間狹小、人員疏散路徑單一、熱煙無法及時有效排出、有害氣體濃度迅速升高、熱量集聚、空間溫度急劇升高等因素，極易造成消防救援人員的傷亡，致使消防救援難度大。

2.4 恐慌性高

地下綜合管廊若發(fā)生火災，如此狹小的空間內(nèi)，熱煙會迅速彌漫管廊的整個空間，短時間內(nèi)溫度急劇升高，正常照明中斷，通風設備、聲光報警裝置先后開啟，容易造成疏散人員極度恐慌，在慌亂逃生過程中容易造成碰撞、跌落、燒傷、窒息等次生事故，造成更大的傷亡[6]。

2.5 后果嚴重

往往一個片區(qū)甚至整個城市的供電、通信、天燃氣、供熱、給排水等管線會在地下綜合管廊一體化運行，一旦發(fā)生火災，會造成一個片區(qū)甚至整個城市供電、通信、供氣、供熱、給排水等系統(tǒng)“停擺”，且災后修復時間較長，容易造成居民停電停氣，工商業(yè)大面積長時間停產(chǎn)，嚴重影響人民群眾的經(jīng)濟社會生活，造成嚴重的社會影響；人員需先通過爬梯爬至設備夾層，再通過垂直逃生口疏散，極易造成高處墜落、灼傷等次生事故；同時部分地下綜合管廊與下穿隧道、公交車站、人行過街通道等合建，發(fā)生火災后很容易連帶影響上述區(qū)域的正常運營，造成衍生事故。

因此地下綜合管廊消防與安全管理壓力巨大，如何在火災初期實現(xiàn)自動化、可視化火災報警，聯(lián)動控火滅火功能，減少人民群眾生命財產(chǎn)損失顯得尤為重要。

3 超細干粉滅火系統(tǒng)的優(yōu)缺點分析

3.1 超細干粉滅火系統(tǒng)的優(yōu)點

通過對大量設置了超細干粉滅火系統(tǒng)的地下綜合管廊的分析研究，優(yōu)點集中在以下幾個方面。

(1)能在火災初期達到控火滅火的目的，遏制火災蔓延。通過對大量火災事故發(fā)生過程及模擬火災發(fā)生過程的統(tǒng)計表明，超細干粉滅火裝置能夠在3 s內(nèi)迅速響應，3～15 s內(nèi)噴出滅火劑實施滅火，有效撲滅明火的時間在3 s內(nèi)，能夠在火災初期達到控火滅火的目的，遏制火災蔓延。

(2)能有效降低高溫對管廊空間內(nèi)設備設施的破壞。超細干粉滅火系統(tǒng)響應后，迅速噴出干粉滅火劑，能夠對火災空間起到降溫的作用，有效降低高溫高熱對地下綜合管廊的結構、機電設備及其他管線產(chǎn)生的破壞。

(3)可實現(xiàn)全淹沒無死角式滅火。超細干粉滅火系統(tǒng)采用惰性氣體驅動，高壓干粉噴放后，迅速彌漫整個管廊，比表面積大、90%的粒徑小于或等于20 μm，滅火時能充分反應，實現(xiàn)全淹沒無死角式滅火。同時，不會腐蝕保護對象，在常態(tài)下不分解、不吸濕、不結塊，具有良好的流動性、彌散性和電絕緣性，是普通干粉滅火效率的6～10倍[7]。

(4)能實現(xiàn)無管網(wǎng)滅火，安裝簡單。超細干粉滅火系統(tǒng)設計簡單，無需單獨設置管網(wǎng)，每個單體可獨立實現(xiàn)滅火功能，頂部安裝，相較于有管網(wǎng)系統(tǒng)，無須單獨設置設備房、穩(wěn)壓設備、管網(wǎng)、控制設備等。

(5)設計簡單、利于施工及后期運營維護。設置壓力表便于運行維護，同時自帶自巡檢裝置可實現(xiàn)遠程監(jiān)控；控制方式多樣，可實現(xiàn)就地啟動、手動啟動和火災報警聯(lián)動啟動；屬于無水消防，對保護對象和現(xiàn)場不會產(chǎn)生二次損害[8]；滅火速度快、滅火效率高；使用溫度范圍寬(在-40～＋50℃范圍內(nèi)均可使用)，同時滿足高寒、高熱地區(qū)使用等優(yōu)點。

3.2 超細干粉滅火系統(tǒng)的缺點

超細干粉滅火系統(tǒng)主要有以下幾個缺點。

(1)容易造成二次污染。干粉噴放后會產(chǎn)生大量高溫粉塵，全淹沒式滅火，粉塵會迅速蔓延至整個受災空間；聯(lián)動風機開啟后粉塵會散落至整個艙室、設備夾層甚至外部空間，導致整個艙室、設備夾層等區(qū)域的污染，飄落至室外會造成人員恐慌、環(huán)境污染等；滅火后的粉塵在高溫下容易形成玻璃狀覆蓋層，此外超細干粉噴放后會與鄰近防火分區(qū)迅速產(chǎn)生氣壓差，造成鄰近防火分區(qū)二次污染。

(2)噴放的干粉擾動煙氣層，影響人員疏散。在空間斷面上，高壓干粉噴放后會迅速對上部煙氣層產(chǎn)生擾動，短時間內(nèi)粉塵、煙氣彌漫整個管廊，人體吸入后會造成呼吸道中毒，影響人員不能利用相對清潔的下部空氣進行逃生。

(3)增加后期運營維護費用。超細干粉滅火裝置需要每隔5～6年重新充裝或更換，勢必造成耗費大量人力物力，同時在更換期間會造成時間及空間上的滅火盲區(qū)，具有較大消防安全隱患。

3.3 超細干粉滅火系統(tǒng)優(yōu)缺點分析

對比超細干粉滅火系統(tǒng)的優(yōu)缺點，總體來說矛盾焦點在于影響疏散、滅火盲區(qū)及增加后期運營維護費用等幾方面，對于影響疏散問題，地下綜合管廊為非人員密集型場所，一般為2～3人同行巡檢，一個防火分區(qū)的長度在200 m以內(nèi)，正常成年人能夠在超細干粉動作前的14 s內(nèi)逃生至鄰近防火分區(qū)，避免受到傷害；滅火盲區(qū)問題可以在管廊內(nèi)設置一定數(shù)量的備品備件，在巡檢過程中及時更換來有效避免。

增加運營維護費用方面，圖1為某較早設置超細干粉滅火系統(tǒng)的地下綜合管廊的各類費用提高的原因和所占比例的統(tǒng)計。由此可以看出，由于后期運營維護而提高的費用只占1%，占比很小。

圖1 各類費用提高的原因和所占比例

因此從滅火原理、使用性能、后期運營管理以及投資造價等方面考慮，設置超細干粉滅火系統(tǒng)是可行的。

4 超細干粉滅火系統(tǒng)的應用

4.1 應用范圍

按照《城市綜合管廊工程技術規(guī)范》(GB 50838—2015)關于設置自動滅火系統(tǒng)的要求，干線綜合管廊中容納電力電纜的艙室，支線綜合管廊中容納6根及以上電力電纜的艙室應設置自動滅火系統(tǒng)；其他容納電力電纜的艙室宜設置自動滅火系統(tǒng)[9]。

4.2 裝置分析

目前國內(nèi)應用比較成熟的超細干粉滅火裝置主要有貯壓懸掛式和非貯壓懸掛式等形式，不同形式適用于不同的環(huán)境。影響超細干粉滅火裝置選型的因素很多，地下綜合管廊深埋地下、空間狹小、設置了大量與經(jīng)濟社會發(fā)展密切相關的管線，一旦發(fā)生火災，火勢迅速蔓延，有毒煙氣快速彌漫，綜合管廊內(nèi)密集布置著各類機電設備、電力電纜等，誤動作會影響綜合管廊的正常運行，這里針對地下綜合管廊的特點，進行對比選型。

非貯壓懸掛式超細干粉滅火裝置主要由裝有干粉和噴發(fā)劑的罐體、噴發(fā)劑組件、電引發(fā)器、鋁箔噴口等組成[10]。火災發(fā)生后，滅火裝置的滅火噴發(fā)部件立即啟動，噴發(fā)部件內(nèi)迅速利用安全電壓打火，噴口鋁箔在急劇升高的氣體發(fā)生劑作用下釋放，干粉在1 s內(nèi)瞬間從噴口噴出，因在極短的時間內(nèi)迅速噴發(fā)，且噴射具有方向性，定向滅火，區(qū)域內(nèi)無法短時間形成均勻的霧化濃度，滅火效果差、明火熄滅后容易復燃；如果未能定向噴射到目標保護對象，干粉不能形成均衡有效的霧化濃度，不能達到正常滅火效果，造成大部分干粉掉落到非目標保護對象，保護滅火效率較低；同時非貯壓懸掛式超細干粉滅火裝置以鋁膜壓邊封口，密封性一般，且極易受低溫和潮濕環(huán)境影響，長時間處于高濕狀態(tài)的地下綜合管廊不適用非貯壓懸掛式超細干粉滅火裝置。

貯壓懸掛式超細干粉滅火裝置主要由容器、噴頭組件、壓力表、熱敏元件等組成[11]。火災發(fā)生后，超過設定溫度時玻璃熱敏元器件迅速崩裂，噴頭脫落，因儲罐內(nèi)預加設了一定壓力的驅動氣體，干粉在驅動氣體作用下3～15 s內(nèi)快速噴出，迅速形成均勻的霧化濃度，將目標保護對象迅速包裹，實施滅火。貯壓懸掛式超細干粉滅火裝置噴放時一般能均勻維持噴放超過5 s，均勻地噴射出粒徑一致性較好的干粉，干粉噴射后能迅速形成滿足設計要求的均勻霧化濃度，通過預加驅動氣體的驅動可以快速霧化到防護區(qū)各個角落，全淹沒無死角式滅火；同時均勻的霧化滅火劑可在較長時間持續(xù)滅火，使保護對象難以復燃，直至明火徹底熄滅。另外貯壓懸掛式超細干粉滅火裝置上安裝有壓力表，方便運行維護人員快速識別滅火裝置是否處于有效區(qū)間，反饋裝置可實時監(jiān)控滅火裝置運行狀態(tài)，實現(xiàn)遠程監(jiān)視，在溫度-45～＋60℃，濕度≥95%的寬泛溫度范圍及高濕環(huán)境均可正常運行。

4.3 系統(tǒng)選型

根據(jù)上述分析，貯壓懸掛式超細干粉滅火裝置是最適合于地下綜合管廊自動滅火的形式。對于新建綜合管廊，可與火災自動報警系統(tǒng)聯(lián)動控制，并可聯(lián)動通風設備、防火門、疏散指示等系統(tǒng)[12]；對于既有綜合管廊改造，可在艙室增設貯壓懸掛式超細干粉滅火裝置，結合既有火災報警系統(tǒng)進行擴容升級，即可實現(xiàn)聯(lián)動功能。

5 結束語

隨著城市化進程的不斷推進，對城市地下空間斷面集約化利用的要求越來越高，在城市新區(qū)開發(fā)及老區(qū)有機更新區(qū)域會形成縱橫交錯、干支結合的城市地下綜合管廊系統(tǒng)，更多的管線會進入綜合管廊實行一體化管理。地下綜合管廊艙室內(nèi)設置超細干粉滅火系統(tǒng)可有效撲救初期火源，迅速控制火災蔓延趨勢，達到控火滅火的目的，為消防救援爭取更多時間，成為有效遏制事故擴大，降低火災事故后果，保障人民群眾生命財產(chǎn)安全的消防新利器。