包志明　張憲忠　靖立帥　胡成　傅學成　陳濤

(公安部天津消防研究所　天津 300381)

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公路隧道自動滅火系統(tǒng)應用研究及展望*

包志明張憲忠靖立帥胡成傅學成陳濤

(公安部天津消防研究所天津 300381)

分析了我國目前公路隧道滅火裝置的設置現(xiàn)狀，評估了自動滅火系統(tǒng)設置的必要性。通過對國內外自動滅火系統(tǒng)實體試驗及應用分析，明確了各類自動滅火系統(tǒng)的滅火效能及降溫冷卻效果，對公路隧道自動滅火系統(tǒng)未來的發(fā)展趨勢進行了展望，指出壓縮空氣泡沫滅火系統(tǒng)具備在公路隧道內應用的潛力。

公路隧道火災自動滅火系統(tǒng)水噴霧滅火系統(tǒng)細水霧滅火系統(tǒng)壓縮空氣泡沫滅火系統(tǒng)

0　引言

隨著我國交通運輸和物流行業(yè)的快速發(fā)展，公路隧道交通流量不斷加大，運行車輛類型日趨復雜，車載貨物的火災荷載日益增大。加上公路隧道普遍具有結構復雜、空間狹小，封閉性強等特點，一旦發(fā)生火災，人員疏散和火災撲救困難，往往會造成難以估量的損失。

自動滅火系統(tǒng)作為建筑內應用最廣泛的一種主動滅火設施，可以實現(xiàn)早期探測、自動啟動，在撲救初起火災方面具有明顯的優(yōu)勢。但目前對于在公路隧道內的應用尚存在一定的爭議[1]。本文通過對公路隧道內自動滅火系統(tǒng)設置的必要性進行分析，并對國內外公路隧道內固定滅火系統(tǒng)的滅火試驗及應用情況進行討論，比較不同類型自動滅火系統(tǒng)的效能及適用性，為未來公路隧道自動滅火系統(tǒng)的研究及應用提供參考和建議。

1　公路隧道自動滅火系統(tǒng)設置的必要性分析

根據(jù)我國《建筑設計防火規(guī)范》(GB 50016—2014)規(guī)定，城市交通隧道僅要求設置消火栓和滅火器。最新的《公路隧道交通工程設計規(guī)范 第二冊 交通工程與附屬設施》(JTG/D 70/2—2014)中規(guī)定，等級最高的A類公路隧道應當設置消火栓、滅火器和固定式水成膜泡沫滅火裝置。國家標準和規(guī)范中并無要求設置自動滅火系統(tǒng)的規(guī)定，并且目前國內在用的長大高速公路隧道，一般也僅設置了這3種滅火設施，并未設置自動滅火系統(tǒng)。

消火栓系統(tǒng)具有造價低廉、可靠性高的特點，可有效撲滅初期規(guī)模較小的A類火災，但對B類火災的滅火效果較差，在發(fā)生流淌火時使用還會導致火勢的擴大，在公路隧道內的應用有一定的局限性。公路隧道中使用的滅火器每具充裝量最大僅有6～9 L，火災撲救能力有限，無法撲救快速發(fā)展的火災。高速公路隧道中普遍使用的固定式水成膜泡沫滅火裝置雖可有效撲滅燃油泄漏引發(fā)的B類火災，但該裝置也存在著僅適用于火災發(fā)生初期和規(guī)模較小火災的不足，對已形成一定規(guī)模的火災無法有效控制[2]。

另外還需要注意的是，上述3種滅火設施的使用均需要人工手動操作，無法實現(xiàn)自動啟動。尤其是固定式水成膜泡沫滅火裝置，由于其操作復雜，未經培訓的人員操作具有一定的難度。公路隧道火災具有較強的隨機性，且火災規(guī)模大、火勢發(fā)展蔓延速度快，有研究報道公路隧道內重載貨車僅在10～15 min時間內即可達到70～200 MW的峰值HRR熱釋放速率。在快速發(fā)展的火勢面前，汽車司機及其他人員的第一反應通常為棄車逃生，因此在火災的初期階段很難利用這些消防設施開展有效的火災撲救，導致錯過最佳的滅火時機致使火勢蔓延擴大。在近年來很多國內公路隧道火災案例中，消火栓、滅火器和固定式水成膜泡沫滅火裝置均未在火災中發(fā)揮應有的作用。因此，目前公路隧道標準規(guī)范中要求設置的消防設施僅立足于火災初期的人員自救，無法滿足公路隧道，尤其是長大公路隧道的火災防控實際需求。

自動滅火系統(tǒng)可與火災探測和報警系統(tǒng)相結合，在發(fā)生火災的第一時間將信號傳送到消防控制室，通過人工或自動方式遠程啟動系統(tǒng)，可實現(xiàn)火災的早期報警、早期撲救。根據(jù)公路隧道火災特點，有必要考慮在公路隧道中設置自動滅火系統(tǒng)，以有效控制火災蔓延，確保隧道結構安全，降低隧道火災造成的人身和財產損失。

2　公路隧道中不同類型自動滅火系統(tǒng)的應用分析

國內外研究機構針對不同類型的自動滅火系統(tǒng)開展了大量的實體隧道滅火實驗，滅火系統(tǒng)主要以水為介質，還有部分以泡沫為介質。

2.1水滅火系統(tǒng)

2.1.1自動噴水滅火系統(tǒng)

最早將自動滅火系統(tǒng)應用于隧道的實體滅火試驗于1965年在瑞士Ofenegg隧道進行[3]。該試驗采用6.6，47.5和95 m2三種規(guī)格的油盤火作為火源，采用開式灑水噴頭，噴水強度為19 L/(min·m2)。噴頭啟動后可在短時間內迅速滅火，但滅火過程中產生了大量熱蒸汽和煙霧，導致隧道內能見度明顯降低。隧道通風將產生的煙氣和熱蒸汽推向火源下風向很遠的地方，導致火源下風向溫度比噴頭啟動前明顯升高。滅火后燃料蒸汽繼續(xù)揮發(fā)，20 min后引發(fā)復燃。盡管該試驗能夠滅火，但試驗結果引發(fā)了在公路隧道內采用自動滅火系統(tǒng)的質疑。各界普遍認為自動噴水滅火系統(tǒng)產生的濃煙和熱蒸汽不僅會導致能見度降低，并且還會對人體健康造成損害，不利于人員的逃生和疏散。因此，美國NFPA502不提倡在公路隧道內使用自動噴水滅火系統(tǒng)，目前自動噴水滅火系統(tǒng)在公路隧道中的實際工程應用較少。

2.1.2水噴霧滅火系統(tǒng)

2000—2001年在荷蘭Benelux公路隧道開展了一系列水噴霧滅火系統(tǒng)實體隧道火試驗[4]，火災規(guī)模為15～40 MW。水噴霧系統(tǒng)啟動后環(huán)境氣體溫度由250～350 ℃顯著降低至20～30 ℃，有效阻止了火勢向周圍車輛的蔓延，且產生的蒸汽也并不顯著。但滅火過程中能見度會顯著下降導致無法看清逃生路線，不利于人員疏散。2011年新加坡陸路交通管理局開展了一項公路隧道滅火試驗[5]，火源包括228個木托盤(占80%)以及塑料托盤(占20%)，水噴霧噴水強度為8～12 L/(min·m2)。試驗結果表明，水噴霧系統(tǒng)可將木托盤火的火災規(guī)模由115～150 MW顯著降至40 MW，有效控制了火災規(guī)模。但系統(tǒng)的啟動并未滅火，只是延長了火災的持續(xù)時間，另外系統(tǒng)啟動后隧道頂部溫度由1 200 ℃降至300 ℃，表明系統(tǒng)對于隧道降溫效果比較明顯。2013年在挪威Runehamar隧道開展了簡化的水噴霧系統(tǒng)滅火試驗[6]。試驗選取木托盤作為燃燒物，預計其HRR為100 MW，系統(tǒng)噴水強度為10 L/(min·m2)。系統(tǒng)啟動10～20 min后火勢得到了有效控制，可將預設的100 MW火災降至不超過50 MW，系統(tǒng)啟動后隧道頂部溫度未超過400～800 ℃。同時研究結果還表明，如果系統(tǒng)啟動時間太晚會導致有害物質以及煙塵產生量的增加。

在水噴霧系統(tǒng)公路隧道實際應用方面，日本是最早在公路隧道內設置滅火設施的國家，早在1969年就首次設置了水噴霧系統(tǒng)。目前日本已有超過120個公路隧道安裝了水噴霧系統(tǒng)[7]。澳大利亞也在公路隧道中廣泛設置了水噴霧系統(tǒng)，近年來澳大利亞國內已有19座安裝有水噴霧滅火系統(tǒng)的隧道投入運營。

2.1.3細水霧滅火系統(tǒng)

細水霧滅火系統(tǒng)的作用原理與水噴霧一致，但前者壓力更大，產生的水滴粒徑更小，因此霧滴的吸熱能力更強，可迅速降低空氣溫度。同時，細水霧滅火系統(tǒng)的用水量顯著低于水噴霧系統(tǒng)，可在用水量更少且管徑更小的情況下，提供同等或者更優(yōu)的滅火效果，因此細水霧系統(tǒng)在公路隧道實際應用中更具有優(yōu)勢。

歐洲各國開展了大量的細水霧在公路隧道內的滅火試驗。2002—2004年在位于挪威奧斯陸的IF隧道開展了低壓細水霧和高壓細水霧系統(tǒng)滅火試驗[3]。燃燒物分別為柴油池火和木垛火，火災規(guī)模為25 MW。兩種系統(tǒng)的水壓力分別為0.5～0.9 MPa和6～12 MPa，供水強度分別為1.1～3.3和0.5～2.3 L/(min·m2)。試驗中有效控制了火災規(guī)模，熱釋放速率降低了50%，但無法最終撲滅火災。2004年Marioff在上述隧道開展的24次細水霧滅火試驗中，也無法撲滅火災，但系統(tǒng)啟動后顯著降低了環(huán)境氣體的溫度。

TUOMISSAAR M在瑞士Versuchstollen Hagerbach隧道開展了一系列細水霧滅汽車火試驗[8]，在相鄰兩個車道內放置3輛轎車，考察細水霧系統(tǒng)對于隧道內不同汽車間火災蔓延的影響，試驗表明系統(tǒng)啟動后有效阻止了火勢向相鄰汽車的蔓延。

Marioff公司2006年在西班牙San Pedro de Anes試驗隧道開展了一系列實體火災試驗，評估HI-FOG細水霧系統(tǒng)對于大型載貨汽車燃料火災的滅火效果[8]?；鹪礋後尫潘俾始s為75 MW，細水霧系統(tǒng)的壓力為8～10 MPa。系統(tǒng)啟動后燃燒物的HRR降低了20%～37%，隧道頂部溫度由213 ℃降低至80 ℃，顯著降低了氣體溫度。

在歐洲SOLIT項目中，采用細水霧系統(tǒng)開展了50多次滅火試驗，包括HRR為200 MW的卡車火以及HRR為35 MW的表面部分遮擋的油池火[9]。細水霧滅火系統(tǒng)啟動后，輻射熱的冷卻和衰減使熱釋放速率降低至50 MW以下。試驗結果表明細水霧系統(tǒng)可有效控制或抑制木托盤火，但對于油池火的控制作用有限。歐洲各國的大型實體滅火試驗驗證了細水霧系統(tǒng)應用于公路隧道火災防控的可行性。2005年以來，歐洲許多新建隧道均采用的是細水霧滅火系統(tǒng)。

2.2泡沫滅火系統(tǒng)

相比于水系統(tǒng)，公路隧道中采用泡沫滅火系統(tǒng)的相關實體試驗研究和實際工程應用相對較少。目前關注較多的主要是泡沫水噴霧和壓縮空氣泡沫滅火系統(tǒng)。

2.2.1泡沫水噴霧滅火系統(tǒng)

泡沫水噴霧滅火系統(tǒng)是在水噴霧滅火系統(tǒng)的基礎上發(fā)展而來的。水噴霧滅火系統(tǒng)盡管可以控制火勢并降低環(huán)境溫度，但無法實現(xiàn)滅火，尤其對于液體可燃物泄漏造成的流淌火，系統(tǒng)的滅火效果較差。在水噴霧滅火系統(tǒng)中添加水成膜泡沫滅火劑，可以在發(fā)揮水噴霧滅火系統(tǒng)降溫、控火優(yōu)勢的同時提高滅火效果。

1993—1995年間在美國Memorial隧道中開展了泡沫水噴霧系統(tǒng)滅油池火的大規(guī)模實體火災滅火試驗[10]。試驗以4.5～45 m2的柴油池火為火源，熱釋放速率分別為10，20，50和100 MW。試驗采用3%水成膜泡沫滅火劑，強度為2.4～3.8 L/(min·m2)。4次滅火試驗中泡沫水噴霧系統(tǒng)均在30 s內成功撲滅火災。隧道內4.2 m/s的縱向通風并未對泡沫的施放及滅火效果產生影響。

在工程實際應用方面，泡沫-水噴霧滅火系統(tǒng)在國內城市水下隧道中得到了較為廣泛的應用。盡管我國隧道建設規(guī)范中并未要求設置該系統(tǒng)，但由于城市水下隧道交通流量大、隧道結構處于高水壓條件下對消防系統(tǒng)的要求較高等特點，各地普遍參照國外滅火設施設置情況，強化了自動滅火系統(tǒng)的設置。從表1中可以看出，2010年之前國內城市水下隧道就普遍設置了水噴霧滅火系統(tǒng)，近年來新建的城市水下隧道則以泡沫水噴霧為主，提高了水噴霧系統(tǒng)的滅火效果。

表1　我國城市水下隧道自動滅火系統(tǒng)設置情況

2.2.2壓縮空氣泡沫滅火系統(tǒng)

壓縮空氣泡沫滅火系統(tǒng)是近年來新發(fā)展起來的一種滅火系統(tǒng)，將壓縮空氣直接充入泡沫溶液中產生細膩、穩(wěn)定泡沫的系統(tǒng)，系統(tǒng)具有混合比例和發(fā)泡倍數(shù)連續(xù)可調、泡沫穩(wěn)定性和滅火效能高的特點。

2005年在挪威的Runehamar測試隧道中開展了5次壓縮空氣泡沫滅火系統(tǒng)滅隧道實體火試驗[11]。試驗分別用100 m2柴油池火和100 m2木托盤模擬油罐泄漏火災以及汽車碰撞火災。木托盤自由燃燒時溫度可達1 000～1 100 ℃，系統(tǒng)啟動時可顯著降低環(huán)境溫度，系統(tǒng)啟動2 min后，溫度降至280 ℃以下，啟動7 min后實現(xiàn)滅火。

作為一項新技術，目前壓縮空氣泡沫滅火系統(tǒng)在公路隧道內的試驗和應用相對較少。德國施密茨公司研發(fā)的一七式壓縮空氣泡沫系統(tǒng)在德國圖林根州的“P?rzberg”公路隧道中得到了實際應用。系統(tǒng)每25 m設置為1個滅火分區(qū)，火災發(fā)生時，正對火源的分區(qū)及其相鄰2個分區(qū)同時啟動，滅火強度為6 L/(min·m2)，采用旋轉噴頭施加泡沫，泡沫的連續(xù)噴射時間為60 min。正庚烷火以及汽車火在內的多次實體火試驗結果表明該系統(tǒng)具有很好的滅火效能。

3　公路隧道中自動滅火系統(tǒng)的應用展望

與傳統(tǒng)的吸氣式泡沫滅火系統(tǒng)相比，壓縮空氣泡沫滅火系統(tǒng)具有滅火速度快、水利用率高、水漬損失少等特點，正在越來越多的場所得到廣泛的應用。課題組前期的試驗研究結果表明，該系統(tǒng)對A類火和B類火均具有優(yōu)異的滅火性能，非常適用于撲救具有A、B類混合火特征的公路隧道火災。同時該系統(tǒng)還具有良好的降溫冷卻效果，可在有效滅火的同時保護隧道結構不被高溫破壞，是公路隧道滅火系統(tǒng)未來的一個發(fā)展方向。

在未來公路隧道自動滅火系統(tǒng)的選擇方面，需要針對隧道的實際用途、交通流量和火災危險性來確定需設置的自動滅火系統(tǒng)類型。如以水噴霧和細水霧為代表的水滅火系統(tǒng)能夠控制火勢并可有效降低環(huán)境溫度，可用于長大公路隧道的火災防護手段使用；而壓縮空氣泡沫滅火系統(tǒng)、泡沫水噴霧系統(tǒng)則具有很好的滅火效果，可用于需要通行危險品運輸車輛的隧道。

另外，無論是水系統(tǒng)還是泡沫系統(tǒng)，使用時均不同程度存在著擾亂煙氣層的問題，系統(tǒng)啟動后易導致煙氣充滿整個隧道，降低能見度，并使人員呼吸困難。這也是很多組織不建議隧道內采用自動滅火系統(tǒng)的理由之一。未來需針對這一問題，研究不同系統(tǒng)和施放方式對煙氣層的影響，以切實降低系統(tǒng)啟動時對煙氣層的擾動，確保滅火過程中疏散及救援人員的安全，提高系統(tǒng)使用時的安全性。

4　結語

公路隧道火災具有火災規(guī)模大、火勢發(fā)展和火災蔓延速度快的特點，常規(guī)消防設施無法滿足公路隧道的火災防控需求，有必要考慮在公路隧道中設置自動滅火系統(tǒng)，以有效控制火災蔓延，確保隧道結構安全，降低火災造成的人身和財產損失。

由國外公路隧道大型實體火災滅火試驗研究結果看出，水噴霧滅火系統(tǒng)和細水霧滅火系統(tǒng)無法撲滅公路隧道火災，但可有效控制火災規(guī)模和火勢蔓延，并可降低隧道環(huán)境溫度；泡沫水噴霧滅火系統(tǒng)還可提升水噴霧系統(tǒng)的滅火效果。壓縮空氣泡沫系統(tǒng)作為新型的滅火技術，對A類火和B類火均具有優(yōu)異的滅火性能，具備在公路隧道內應用的能力，是未來公路隧道自動滅火系統(tǒng)的一個發(fā)展方向。

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Research and Prospect of Automatic Fire Extinguishing System in Road Tunnel

BAO ZhimingZHANG XianzhongJING LishuaiHU ChengFU XuechengCHEN Tao

(TianjinFireResearchInstituteofMPSTianjin300381)

The present situation of fire extinguishing appliance used in road tunnel in China is analyzed, and the necessity of applying automatic fire extinguishing system in road tunnel is evaluated. Based on the review of automatic fire extinguishing system experiments and their application at home and abroad, several kinds of automatic fire extinguishing systems are compared. The development tread of automatic fire extinguishing systems in the future is prospected and it is pointed out that compressed air foam system has the potential to be used in road tunnel fire extinguishing in the future.

road tunnel fireautomatic fire extinguishing systemwater spray systemwater mist systemcompressed air foam system

國家科技支撐計劃課題(2014BAK17B01)。

包志明，男，1979年生, 吉林長春人，副研究員，主要從事滅火劑產品研發(fā)及應用工作。

2015-11-04)