公路隧道自动灭火系统应用研究及展望*

包志明　张宪忠　靖立帅　胡成　傅学成　陈涛

(公安部天津消防研究所　天津 300381)



公路隧道自动灭火系统应用研究及展望*

包志明张宪忠靖立帅胡成傅学成陈涛

(公安部天津消防研究所天津 300381)

分析了我国目前公路隧道灭火装置的设置现状，评估了自动灭火系统设置的必要性。通过对国内外自动灭火系统实体试验及应用分析，明确了各类自动灭火系统的灭火效能及降温冷却效果，对公路隧道自动灭火系统未来的发展趋势进行了展望，指出压缩空气泡沫灭火系统具备在公路隧道内应用的潜力。

公路隧道火灾自动灭火系统水喷雾灭火系统细水雾灭火系统压缩空气泡沫灭火系统

0　引言

随着我国交通运输和物流行业的快速发展，公路隧道交通流量不断加大，运行车辆类型日趋复杂，车载货物的火灾荷载日益增大。加上公路隧道普遍具有结构复杂、空间狭小，封闭性强等特点，一旦发生火灾，人员疏散和火灾扑救困难，往往会造成难以估量的损失。

自动灭火系统作为建筑内应用最广泛的一种主动灭火设施，可以实现早期探测、自动启动，在扑救初起火灾方面具有明显的优势。但目前对于在公路隧道内的应用尚存在一定的争议[1]。本文通过对公路隧道内自动灭火系统设置的必要性进行分析，并对国内外公路隧道内固定灭火系统的灭火试验及应用情况进行讨论，比较不同类型自动灭火系统的效能及适用性，为未来公路隧道自动灭火系统的研究及应用提供参考和建议。

1　公路隧道自动灭火系统设置的必要性分析

根据我国《建筑设计防火规范》(GB 50016—2014)规定，城市交通隧道仅要求设置消火栓和灭火器。最新的《公路隧道交通工程设计规范 第二册 交通工程与附属设施》(JTG/D 70/2—2014)中规定，等级最高的A类公路隧道应当设置消火栓、灭火器和固定式水成膜泡沫灭火装置。国家标准和规范中并无要求设置自动灭火系统的规定，并且目前国内在用的长大高速公路隧道，一般也仅设置了这3种灭火设施，并未设置自动灭火系统。

消火栓系统具有造价低廉、可靠性高的特点，可有效扑灭初期规模较小的A类火灾，但对B类火灾的灭火效果较差，在发生流淌火时使用还会导致火势的扩大，在公路隧道内的应用有一定的局限性。公路隧道中使用的灭火器每具充装量最大仅有6～9 L，火灾扑救能力有限，无法扑救快速发展的火灾。高速公路隧道中普遍使用的固定式水成膜泡沫灭火装置虽可有效扑灭燃油泄漏引发的B类火灾，但该装置也存在着仅适用于火灾发生初期和规模较小火灾的不足，对已形成一定规模的火灾无法有效控制[2]。

另外还需要注意的是，上述3种灭火设施的使用均需要人工手动操作，无法实现自动启动。尤其是固定式水成膜泡沫灭火装置，由于其操作复杂，未经培训的人员操作具有一定的难度。公路隧道火灾具有较强的随机性，且火灾规模大、火势发展蔓延速度快，有研究报道公路隧道内重载货车仅在10～15 min时间内即可达到70～200 MW的峰值HRR热释放速率。在快速发展的火势面前，汽车司机及其他人员的第一反应通常为弃车逃生，因此在火灾的初期阶段很难利用这些消防设施开展有效的火灾扑救，导致错过最佳的灭火时机致使火势蔓延扩大。在近年来很多国内公路隧道火灾案例中，消火栓、灭火器和固定式水成膜泡沫灭火装置均未在火灾中发挥应有的作用。因此，目前公路隧道标准规范中要求设置的消防设施仅立足于火灾初期的人员自救，无法满足公路隧道，尤其是长大公路隧道的火灾防控实际需求。

自动灭火系统可与火灾探测和报警系统相结合，在发生火灾的第一时间将信号传送到消防控制室，通过人工或自动方式远程启动系统，可实现火灾的早期报警、早期扑救。根据公路隧道火灾特点，有必要考虑在公路隧道中设置自动灭火系统，以有效控制火灾蔓延，确保隧道结构安全，降低隧道火灾造成的人身和财产损失。

2　公路隧道中不同类型自动灭火系统的应用分析

国内外研究机构针对不同类型的自动灭火系统开展了大量的实体隧道灭火实验，灭火系统主要以水为介质，还有部分以泡沫为介质。

2.1水灭火系统

2.1.1自动喷水灭火系统

最早将自动灭火系统应用于隧道的实体灭火试验于1965年在瑞士Ofenegg隧道进行[3]。该试验采用6.6，47.5和95 m2三种规格的油盘火作为火源，采用开式洒水喷头，喷水强度为19 L/(min·m2)。喷头启动后可在短时间内迅速灭火，但灭火过程中产生了大量热蒸汽和烟雾，导致隧道内能见度明显降低。隧道通风将产生的烟气和热蒸汽推向火源下风向很远的地方，导致火源下风向温度比喷头启动前明显升高。灭火后燃料蒸汽继续挥发，20 min后引发复燃。尽管该试验能够灭火，但试验结果引发了在公路隧道内采用自动灭火系统的质疑。各界普遍认为自动喷水灭火系统产生的浓烟和热蒸汽不仅会导致能见度降低，并且还会对人体健康造成损害，不利于人员的逃生和疏散。因此，美国NFPA502不提倡在公路隧道内使用自动喷水灭火系统，目前自动喷水灭火系统在公路隧道中的实际工程应用较少。

2.1.2水喷雾灭火系统

2000—2001年在荷兰Benelux公路隧道开展了一系列水喷雾灭火系统实体隧道火试验[4]，火灾规模为15～40 MW。水喷雾系统启动后环境气体温度由250～350 ℃显著降低至20～30 ℃，有效阻止了火势向周围车辆的蔓延，且产生的蒸汽也并不显著。但灭火过程中能见度会显著下降导致无法看清逃生路线，不利于人员疏散。2011年新加坡陆路交通管理局开展了一项公路隧道灭火试验[5]，火源包括228个木托盘(占80%)以及塑料托盘(占20%)，水喷雾喷水强度为8～12 L/(min·m2)。试验结果表明，水喷雾系统可将木托盘火的火灾规模由115～150 MW显著降至40 MW，有效控制了火灾规模。但系统的启动并未灭火，只是延长了火灾的持续时间，另外系统启动后隧道顶部温度由1 200 ℃降至300 ℃，表明系统对于隧道降温效果比较明显。2013年在挪威Runehamar隧道开展了简化的水喷雾系统灭火试验[6]。试验选取木托盘作为燃烧物，预计其HRR为100 MW，系统喷水强度为10 L/(min·m2)。系统启动10～20 min后火势得到了有效控制，可将预设的100 MW火灾降至不超过50 MW，系统启动后隧道顶部温度未超过400～800 ℃。同时研究结果还表明，如果系统启动时间太晚会导致有害物质以及烟尘产生量的增加。

在水喷雾系统公路隧道实际应用方面，日本是最早在公路隧道内设置灭火设施的国家，早在1969年就首次设置了水喷雾系统。目前日本已有超过120个公路隧道安装了水喷雾系统[7]。澳大利亚也在公路隧道中广泛设置了水喷雾系统，近年来澳大利亚国内已有19座安装有水喷雾灭火系统的隧道投入运营。

2.1.3细水雾灭火系统

细水雾灭火系统的作用原理与水喷雾一致，但前者压力更大，产生的水滴粒径更小，因此雾滴的吸热能力更强，可迅速降低空气温度。同时，细水雾灭火系统的用水量显著低于水喷雾系统，可在用水量更少且管径更小的情况下，提供同等或者更优的灭火效果，因此细水雾系统在公路隧道实际应用中更具有优势。

欧洲各国开展了大量的细水雾在公路隧道内的灭火试验。2002—2004年在位于挪威奥斯陆的IF隧道开展了低压细水雾和高压细水雾系统灭火试验[3]。燃烧物分别为柴油池火和木垛火，火灾规模为25 MW。两种系统的水压力分别为0.5～0.9 MPa和6～12 MPa，供水强度分别为1.1～3.3和0.5～2.3 L/(min·m2)。试验中有效控制了火灾规模，热释放速率降低了50%，但无法最终扑灭火灾。2004年Marioff在上述隧道开展的24次细水雾灭火试验中，也无法扑灭火灾，但系统启动后显著降低了环境气体的温度。

TUOMISSAAR M在瑞士Versuchstollen Hagerbach隧道开展了一系列细水雾灭汽车火试验[8]，在相邻两个车道内放置3辆轿车，考察细水雾系统对于隧道内不同汽车间火灾蔓延的影响，试验表明系统启动后有效阻止了火势向相邻汽车的蔓延。

Marioff公司2006年在西班牙San Pedro de Anes试验隧道开展了一系列实体火灾试验，评估HI-FOG细水雾系统对于大型载货汽车燃料火灾的灭火效果[8]。火源热释放速率约为75 MW，细水雾系统的压力为8～10 MPa。系统启动后燃烧物的HRR降低了20%～37%，隧道顶部温度由213 ℃降低至80 ℃，显著降低了气体温度。

在欧洲SOLIT项目中，采用细水雾系统开展了50多次灭火试验，包括HRR为200 MW的卡车火以及HRR为35 MW的表面部分遮挡的油池火[9]。细水雾灭火系统启动后，辐射热的冷却和衰减使热释放速率降低至50 MW以下。试验结果表明细水雾系统可有效控制或抑制木托盘火，但对于油池火的控制作用有限。欧洲各国的大型实体灭火试验验证了细水雾系统应用于公路隧道火灾防控的可行性。2005年以来，欧洲许多新建隧道均采用的是细水雾灭火系统。

2.2泡沫灭火系统

相比于水系统，公路隧道中采用泡沫灭火系统的相关实体试验研究和实际工程应用相对较少。目前关注较多的主要是泡沫水喷雾和压缩空气泡沫灭火系统。

2.2.1泡沫水喷雾灭火系统

泡沫水喷雾灭火系统是在水喷雾灭火系统的基础上发展而来的。水喷雾灭火系统尽管可以控制火势并降低环境温度，但无法实现灭火，尤其对于液体可燃物泄漏造成的流淌火，系统的灭火效果较差。在水喷雾灭火系统中添加水成膜泡沫灭火剂，可以在发挥水喷雾灭火系统降温、控火优势的同时提高灭火效果。

1993—1995年间在美国Memorial隧道中开展了泡沫水喷雾系统灭油池火的大规模实体火灾灭火试验[10]。试验以4.5～45 m2的柴油池火为火源，热释放速率分别为10，20，50和100 MW。试验采用3%水成膜泡沫灭火剂，强度为2.4～3.8 L/(min·m2)。4次灭火试验中泡沫水喷雾系统均在30 s内成功扑灭火灾。隧道内4.2 m/s的纵向通风并未对泡沫的施放及灭火效果产生影响。

在工程实际应用方面，泡沫-水喷雾灭火系统在国内城市水下隧道中得到了较为广泛的应用。尽管我国隧道建设规范中并未要求设置该系统，但由于城市水下隧道交通流量大、隧道结构处于高水压条件下对消防系统的要求较高等特点，各地普遍参照国外灭火设施设置情况，强化了自动灭火系统的设置。从表1中可以看出，2010年之前国内城市水下隧道就普遍设置了水喷雾灭火系统，近年来新建的城市水下隧道则以泡沫水喷雾为主，提高了水喷雾系统的灭火效果。

表1　我国城市水下隧道自动灭火系统设置情况

2.2.2压缩空气泡沫灭火系统

压缩空气泡沫灭火系统是近年来新发展起来的一种灭火系统，将压缩空气直接充入泡沫溶液中产生细腻、稳定泡沫的系统，系统具有混合比例和发泡倍数连续可调、泡沫稳定性和灭火效能高的特点。

2005年在挪威的Runehamar测试隧道中开展了5次压缩空气泡沫灭火系统灭隧道实体火试验[11]。试验分别用100 m2柴油池火和100 m2木托盘模拟油罐泄漏火灾以及汽车碰撞火灾。木托盘自由燃烧时温度可达1 000～1 100 ℃，系统启动时可显著降低环境温度，系统启动2 min后，温度降至280 ℃以下，启动7 min后实现灭火。

作为一项新技术，目前压缩空气泡沫灭火系统在公路隧道内的试验和应用相对较少。德国施密茨公司研发的一七式压缩空气泡沫系统在德国图林根州的“Pørzberg”公路隧道中得到了实际应用。系统每25 m设置为1个灭火分区，火灾发生时，正对火源的分区及其相邻2个分区同时启动，灭火强度为6 L/(min·m2)，采用旋转喷头施加泡沫，泡沫的连续喷射时间为60 min。正庚烷火以及汽车火在内的多次实体火试验结果表明该系统具有很好的灭火效能。

3　公路隧道中自动灭火系统的应用展望

与传统的吸气式泡沫灭火系统相比，压缩空气泡沫灭火系统具有灭火速度快、水利用率高、水渍损失少等特点，正在越来越多的场所得到广泛的应用。课题组前期的试验研究结果表明，该系统对A类火和B类火均具有优异的灭火性能，非常适用于扑救具有A、B类混合火特征的公路隧道火灾。同时该系统还具有良好的降温冷却效果，可在有效灭火的同时保护隧道结构不被高温破坏，是公路隧道灭火系统未来的一个发展方向。

在未来公路隧道自动灭火系统的选择方面，需要针对隧道的实际用途、交通流量和火灾危险性来确定需设置的自动灭火系统类型。如以水喷雾和细水雾为代表的水灭火系统能够控制火势并可有效降低环境温度，可用于长大公路隧道的火灾防护手段使用；而压缩空气泡沫灭火系统、泡沫水喷雾系统则具有很好的灭火效果，可用于需要通行危险品运输车辆的隧道。

另外，无论是水系统还是泡沫系统，使用时均不同程度存在着扰乱烟气层的问题，系统启动后易导致烟气充满整个隧道，降低能见度，并使人员呼吸困难。这也是很多组织不建议隧道内采用自动灭火系统的理由之一。未来需针对这一问题，研究不同系统和施放方式对烟气层的影响，以切实降低系统启动时对烟气层的扰动，确保灭火过程中疏散及救援人员的安全，提高系统使用时的安全性。

4　结语

公路隧道火灾具有火灾规模大、火势发展和火灾蔓延速度快的特点，常规消防设施无法满足公路隧道的火灾防控需求，有必要考虑在公路隧道中设置自动灭火系统，以有效控制火灾蔓延，确保隧道结构安全，降低火灾造成的人身和财产损失。

由国外公路隧道大型实体火灾灭火试验研究结果看出，水喷雾灭火系统和细水雾灭火系统无法扑灭公路隧道火灾，但可有效控制火灾规模和火势蔓延，并可降低隧道环境温度；泡沫水喷雾灭火系统还可提升水喷雾系统的灭火效果。压缩空气泡沫系统作为新型的灭火技术，对A类火和B类火均具有优异的灭火性能，具备在公路隧道内应用的能力，是未来公路隧道自动灭火系统的一个发展方向。

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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

国家科技支撑计划课题(2014BAK17B01)。

包志明，男，1979年生, 吉林长春人，副研究员，主要从事灭火剂产品研发及应用工作。

2015-11-04)