路世昌副研究員 謝天光工程師

(1.應(yīng)急管理部天津消防研究所，天津 300381； 2.天津盛達(dá)安全科技有限責(zé)任公司，天津 300382)

0 引言

強(qiáng)流重離子加速器裝置(High Intensity Heavy-ion Accelerator Facility，HIAF)被列入國家“十四五”規(guī)劃，作為國家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施建筑項目，HIAF項目建設(shè)內(nèi)容主要包括加速器系統(tǒng)、實(shí)驗(yàn)終端系統(tǒng)、相關(guān)配套設(shè)施及土建隧道工程等[1]。加速器系統(tǒng)以直線加速器和同步加速器為主體，采用一系列新技術(shù)，提供高流強(qiáng)、高能量、高品質(zhì)的重離子束流，以及產(chǎn)生并提供極端遠(yuǎn)離穩(wěn)定線的放射性核素。實(shí)驗(yàn)終端系統(tǒng)圍繞HIAF可提供的束流布局，為核物理、原子物理、核天體物理基礎(chǔ)科學(xué)研究及材料、生物等應(yīng)用技術(shù)研究提供國際領(lǐng)先的實(shí)驗(yàn)平臺。

HIAF項目在實(shí)驗(yàn)進(jìn)行過程中將會產(chǎn)生比較大的輻射量，因此加速器一般以隧道的形式布置在地下，具有建筑空間大、使用人員數(shù)量少等特點(diǎn)，目前國內(nèi)對此類建筑防火設(shè)計研究較少，現(xiàn)行工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)中對于此類型建筑的建筑性質(zhì)、火災(zāi)危險等級、消防設(shè)施等未做出明確規(guī)定，因此有必要對此類特殊建筑的消防設(shè)計開展分析研究，在滿足工藝上科學(xué)研究需要的同時，使該建筑的防火設(shè)計能夠達(dá)到限制火災(zāi)大規(guī)模蔓延和保證人員安全疏散的設(shè)計目標(biāo)。

1 工程概況

某工程土建部分包括地下HIAF加速器隧道、在線設(shè)備大廳、綜合測試大廳、科研綜合樓、宿舍及給水、污水處理機(jī)房等建筑。本文主要研究對象為HIAF加速器隧道，隧道總長約1.2km，隧道主要區(qū)域凈寬約為6.5～9.0m、凈高約為6.5～8.5m，為單層地下建筑，耐火等級為一級，總建筑面積約2×104m2。HIAF加速器隧道主要由強(qiáng)流超導(dǎo)離子源(Superconducting Ion Source)、強(qiáng)流超導(dǎo)離子直線加速器(Superconducting Ion Linac，iLinac)、增強(qiáng)器(Booster Ring，BRing)、高精度環(huán)形譜儀(Spectrometer Ring，SRing)、放射性束流線、高能綜合終端及相關(guān)配套設(shè)施構(gòu)成。HIAF加速器隧道功能區(qū)分布，如圖1。

圖1 HIAF加速器隧道功能區(qū)分布示意Fig.1 The distribution diagram of the HIAF tunnel function area

加速器隧道內(nèi)部主要設(shè)備為實(shí)驗(yàn)用精密儀器，包括磁鐵、加速腔,以及相應(yīng)的支架等，由金屬、環(huán)氧樹脂、陶瓷等材料組成，均為不燃、難燃或阻燃材料。由于輻射原因，加速器裝置在運(yùn)行時隧道內(nèi)嚴(yán)禁人員進(jìn)入，檢修時只有少量人員進(jìn)入，每個防火分區(qū)最多不超過3人。隧道內(nèi)部分設(shè)備，如圖2。

圖2 加速器裝置(HIAF)隧道內(nèi)設(shè)備示意Fig.2 The schematic diagram of equipment in the HIAF tunnel

2 消防設(shè)計難點(diǎn)

2.1 防火分區(qū)

加速器裝置采用隧道形式，隧道內(nèi)部按工藝控制區(qū)分為多個防火分區(qū)。加速器隧道內(nèi)各工藝控制區(qū)之間采用混凝土屏蔽墻、甲級防火門劃分為不同防火分區(qū)，混凝土屏蔽墻耐火極限不低于3h。由于工藝控制區(qū)內(nèi)部實(shí)驗(yàn)工藝連續(xù)性等需求，防火分區(qū)僅能依據(jù)工藝的空間功能要求進(jìn)行劃分，不能在隧道內(nèi)相關(guān)部位設(shè)置防火墻或防火卷簾，防火分區(qū)的建筑面積不滿足現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)《建筑設(shè)計防火規(guī)范(2018年版)》(GB 50016-2014)的有關(guān)要求[2]，加速器裝置(HIAF)隧道各個防火分區(qū)劃分，如圖3。

圖3 加速器裝置(HIAF)隧道防火分區(qū)示意Fig.3 The fire compartment diagram of the HIAF tunnel

2.2 安全疏散

加速器隧道共設(shè)置10座疏散樓梯間疏散至隧道外，基于輻射防護(hù)要求，隧道內(nèi)不宜設(shè)置過多疏散出口，隧道內(nèi)最遠(yuǎn)點(diǎn)至最近疏散樓梯或相鄰防火分區(qū)的疏散距離約為100m，隧道內(nèi)疏散設(shè)施布置的合理性以及火災(zāi)情況人員疏散的安全性，需要結(jié)合防火分隔措施進(jìn)行綜合研究分析。

2.3 排煙系統(tǒng)

加速器隧道內(nèi)部空間相對較高，內(nèi)部主要設(shè)備均為不燃、難燃材料制作，隧道內(nèi)除集中檢修時各防火分區(qū)至多有3人進(jìn)入外，其余時間均為無人區(qū)域。因隧道使用功能的特殊性，無法按照常規(guī)隧道設(shè)置排煙設(shè)施，需要對加速器隧道內(nèi)是否需要設(shè)置獨(dú)立排煙設(shè)施進(jìn)行研究分析。

2.4 滅火系統(tǒng)

由于加速器隧道的功能用途特殊，隧道內(nèi)設(shè)備多為精密實(shí)驗(yàn)儀器，一旦進(jìn)水將直接導(dǎo)致設(shè)備損壞，無法參照常規(guī)建筑設(shè)置室內(nèi)消火栓系統(tǒng)。隧道各工藝設(shè)備空間內(nèi)是否設(shè)置室內(nèi)消火栓系統(tǒng)需要進(jìn)行研究分析。

3 消防設(shè)計方案

3.1 火災(zāi)危險性分析

加速器裝置隧道主要用于產(chǎn)生高速能量離子，并引出高速離子供實(shí)驗(yàn)站的人員分析研究，除電力電纜外，內(nèi)部設(shè)備主體均為不燃和難燃材料制成，且設(shè)備主體和控制系統(tǒng)的電線電纜均采用燃燒性能為B1級以上的阻燃電纜，火災(zāi)危險性較小，只有在隧道內(nèi)在線設(shè)備操作失誤、違反規(guī)程以及電線電纜日常管理不當(dāng)或意外事故狀態(tài)下，可能會導(dǎo)致電氣火災(zāi)發(fā)生。

因?qū)嶒?yàn)進(jìn)行過程中會產(chǎn)生比較大的輻射量，隧道內(nèi)需保持負(fù)壓狀態(tài)以防止輻射物質(zhì)逸散，加速器裝置在運(yùn)行時隧道內(nèi)嚴(yán)禁人員進(jìn)入，檢修時只有少量人員進(jìn)入且人員對環(huán)境相對熟悉，在緊急情況下易于采取滅火救援和疏散行動。

3.2 消防設(shè)計措施

3.2.1 防火分隔

(1)隧道內(nèi)部按工藝控制區(qū)劃分防火分區(qū)，防火分區(qū)之間采用防火墻進(jìn)行分隔，局部需要人員通行的部位設(shè)置甲級防火門，管線穿越防火隔斷部位應(yīng)采取防火封堵措施進(jìn)行嚴(yán)密封堵[3]。

(2)隧道內(nèi)設(shè)備間、放射性廢物暫存間等輔助用房采用耐火極限不低于2h防火隔墻和乙級防火門與隧道空間進(jìn)行分隔。

3.2.2 安全疏散

(1)隧道內(nèi)每個防火分區(qū)的安全出口數(shù)量不少于2個，建筑面積不大于1 000m2的防火分區(qū)，直通室外的安全出口不少于1個，與相鄰防火分區(qū)相通的甲級防火門可作為安全出口，安全出口間距不大于200m。

(2)隧道內(nèi)疏散樓梯均設(shè)置前室，隧道通向前室的門和前室通向樓梯間的門均采用乙級防火門，樓梯間內(nèi)設(shè)置機(jī)械加壓送風(fēng)系統(tǒng)，前室內(nèi)不設(shè)置機(jī)械加壓送風(fēng)系統(tǒng)(隧道在事故狀態(tài)下仍能保持負(fù)壓)，前室內(nèi)設(shè)置室內(nèi)消火栓。前室的使用面積等設(shè)計參數(shù)按照《建筑設(shè)計防火規(guī)范(2018年版)》(GB 50016-2014)的有關(guān)要求，如在前室內(nèi)設(shè)置電梯，需滿足消防電梯相關(guān)規(guī)定，并確保電梯僅供加速器隧道使用且電梯在首層能夠直通室外安全區(qū)。

3.2.3 消防設(shè)施

(1)加速器隧道內(nèi)可燃物較少，除檢修外，正常運(yùn)行時無人員停留，不設(shè)排煙設(shè)施。隧道內(nèi)設(shè)置有清潔通風(fēng)系統(tǒng)，利用清潔通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行災(zāi)后煙氣清除，清潔通風(fēng)機(jī)房滿足以下要求：機(jī)房內(nèi)設(shè)置自動噴水滅火系統(tǒng)；機(jī)房內(nèi)不得設(shè)置用于機(jī)械加壓送風(fēng)的風(fēng)機(jī)與管道；管道采用金屬材質(zhì)，采用不燃燒材料保溫，管道穿越防火隔墻、樓板和防火墻時設(shè)置70℃時能自行關(guān)閉的防火閥；風(fēng)機(jī)風(fēng)量按每小時不小于3次換氣次數(shù)確定，隧道內(nèi)設(shè)置機(jī)械補(bǔ)風(fēng)。

(2)隧道內(nèi)設(shè)置帶消火栓箱的干式消防豎管。干式消防豎管的設(shè)置間距不大于50m；消火栓箱內(nèi)配備DN65室內(nèi)消火栓、消防水帶(2盤)和消防水槍。

(3)隧道內(nèi)在線設(shè)備間內(nèi)工控機(jī)、網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)等實(shí)驗(yàn)用控制和測試設(shè)備放置于封閉機(jī)柜內(nèi)，機(jī)柜采用直接式七氟丙烷探火管滅火裝置進(jìn)行保護(hù)。

(4)在隧道沿線、人員出入口等處設(shè)置滅火器，滅火器的設(shè)置間距不大于50m[4]。滅火器的選擇需綜合考慮隧道內(nèi)火災(zāi)種類、滅火器的效能和通用性、滅火劑對保護(hù)物品的污損程度、地下空間滅火劑噴放的窒息風(fēng)險、滅火劑相容性等。

3.2.4 消防電氣

(1)隧道內(nèi)設(shè)置吸氣式感煙火災(zāi)探測器。干線電纜橋架沿線敷設(shè)纜式線型感溫火災(zāi)探測器。

(2)消防干線采用礦物絕緣耐火電纜，隧道內(nèi)集中布置的電纜燃燒性能不應(yīng)低于B1級；建筑內(nèi)非消防用電負(fù)荷設(shè)置電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)。

(3)為提高疏散出口的利用效率，快速引導(dǎo)人員疏散，隧道內(nèi)疏散路線距地面高度1.0m以下的墻面上設(shè)置帶有米標(biāo)的方向標(biāo)志燈；單側(cè)通行時，其間距不大于10.0m，雙側(cè)通行時，兩側(cè)墻面均設(shè)置方向標(biāo)志燈，每側(cè)間距不大于10.0m，標(biāo)志燈設(shè)置在轉(zhuǎn)角處時，間距不大于1.0m，標(biāo)志燈在兩側(cè)墻面均勻間隔布置。

(4)隧道內(nèi)應(yīng)急照明燈具的照度須保證地面最低水平照度不低于5.0lx，應(yīng)急照明燈具連續(xù)供電時間不小于90min。

3.2.5 消防救援

(1)加速器隧道各安全出口附近設(shè)置消防車道。

(2)圍繞BRing區(qū)域和SRing區(qū)域內(nèi)環(huán)設(shè)置消防車道，并與外環(huán)消防車道連通，同時在內(nèi)環(huán)安全出口附近設(shè)置不少于2處消防車救援操作場地。

4 消防設(shè)計方案可行性分析

設(shè)定火災(zāi)場景是消防設(shè)計分析研究的基礎(chǔ)，針對設(shè)定的消防安全目標(biāo)，綜合考慮火災(zāi)的可能性與潛在后果，基于安全出口被封堵的最不利原則，選擇火災(zāi)風(fēng)險性較大的火災(zāi)場景作為設(shè)定火災(zāi)場景[5]。綜合運(yùn)用消防安全工程學(xué)原理對強(qiáng)流重離子加速器裝置隧道的安全性進(jìn)行定量分析，結(jié)合建筑幾何特征和可燃物分布情況，設(shè)定隧道內(nèi)電子設(shè)備機(jī)柜和電線電纜火災(zāi)，選取美國消防工程師協(xié)會SFPE《消防工程手冊》(第五版)中有關(guān)電子設(shè)備火災(zāi)試驗(yàn)作為火災(zāi)增長速率分析的依據(jù)，危險性較大材料為電纜外表皮的聚氯乙烯等聚合物，火災(zāi)增長系數(shù)為0.046 89kW/s2。根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)《建筑防煙排煙系統(tǒng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》(GB 51251-2017)的有關(guān)規(guī)定，同時結(jié)合加速器隧道內(nèi)未設(shè)置自動噴水滅火系統(tǒng)的情況，將火災(zāi)最大熱釋放速率確定為6.0MW[6]。

在設(shè)定火災(zāi)場景假定條件下，在隧道未設(shè)置排煙系統(tǒng)的情況下，運(yùn)用火災(zāi)動力學(xué)模擬軟件對設(shè)定火災(zāi)場景的火災(zāi)蔓延和煙氣流動狀態(tài)進(jìn)行模擬計算，得到各安全出口附近區(qū)域設(shè)定極限值的情況，清晰高度處的溫度不大于60℃，能見度大于10m，一氧化碳濃度不大于500 mg/m3，加速器隧道內(nèi)影響人員安全疏散的主要性能參數(shù)均未到達(dá)危險值，隧道的消防設(shè)計方案能夠達(dá)到防止火災(zāi)大規(guī)模蔓延和保障建筑內(nèi)人員安全的設(shè)計目標(biāo)，同時建議加強(qiáng)在隧道使用過程中的安全管理，制定相應(yīng)的檢修和工作計劃，保障科研數(shù)據(jù)采集和檢修過程中的人員安全[7]。各個設(shè)定火災(zāi)場景的煙氣蔓延和人員疏散模擬過程，如圖4、5。

圖4 設(shè)定火災(zāi)場景煙氣蔓延示意Fig.4 The schematic schematic diagram of the smoke spread in fire scenarios

圖5 設(shè)定疏散場景人員疏散模擬過程示意Fig.5 The schematic diagram of the evacuation simulation process in evacuation scenarios

5 結(jié)論

HIAF隧道作為一類專業(yè)性極強(qiáng)的地下建筑，

無論在科學(xué)研究方面還是在人員生命財產(chǎn)安全方面都十分重要，本文通過對設(shè)定火災(zāi)場景和疏散場景的模擬結(jié)果進(jìn)行分析，可得出以下結(jié)論：

(1)iLinac直線加速器區(qū)域?yàn)橹本€狹長區(qū)間，長度較短，發(fā)生火災(zāi)后煙氣擴(kuò)散速度較快，煙氣在直線隧道兩端安全出口處積聚、沉降。

(2)BRing環(huán)隧道區(qū)域?yàn)榄h(huán)形空間，長度較長，蓄煙能力較強(qiáng)。

(3)在消防設(shè)施有效的情況下，煙氣能夠得到較好的控制，建筑內(nèi)人員能夠在危險來臨之前通過臨近的安全出口疏散至安全區(qū)域。

(4)基于加速器隧道實(shí)驗(yàn)工藝連續(xù)性帶來的消防設(shè)計難點(diǎn)提出技術(shù)要求能夠限制火災(zāi)情況下煙氣蔓延，同時保證隧道內(nèi)人員安全疏散，為其他同類工程的消防設(shè)計提供參考。