综合管廊防火研究

2020-04-16坤高级工程师磊教授级高工李宏文研究员顾广悦工程师

安全 2020年2期

相坤高级工程师李磊教授级高工李宏文研究员顾广悦工程师

(中国建筑科学研究院建筑防火研究所，北京 100013)

0 引言

随着我国城镇化进程的快速发展，城市地下管线建设需求越来越强，建设规模和敷设密度越来越大，相互交叉的地下管线给城市地下管网健康运行带来安全隐患。同时，建设过程中反复开挖路面，使得管线泄漏、火灾、爆炸及路面塌陷等城市地下管线安全事故时有发生，对城市交通和安全运行造成不利影响。营造稳定、环保、安全的地下管网显得越来越重要。

城市基础设施的现代化已成为提高城市运转效率，促进城市发展的重要前提。建设城市地下综合管廊能够改善市政管线布设混乱的现状，将成为保障城市运行的重要基础设施和“生命线”。城市地下综合管廊将电力、通信、热力、燃气、雨污水等多种工程管线集中设置于同一地下空间，统一设计、统一建设管理，具有现代化、集约化的特点[1-5]。

1 综合管廊发展情况

在城市建设中，地下管线综合管廊源于19世纪的法国巴黎，距今已有近200年之久。经过不断的发展探索，一些发达国家的大型给排水系统、雨污水系统及大型能源供应系统均实现与地下管线并行共通，综合管廊、轨道交通和地下街道三层次结合，构成完整的地下空间综合利用系统[6-8]。

城市地下综合管廊是目前国家确定重点支持的民生工程，据不完全统计，截止2019年初中国大陆地区管廊规划长度约800km。我国第一条具现代化的综合管廊于1994年建于上海浦东新区张扬路。尽管起步较晚，但我国的综合管廊建设目前处于飞速发展阶段。近年来，随着国家越来越重视城市基础设施建设，已印发多个文件推动城市地下综合管廊建设。相关建设政策，见表1。

表1 综合管廊建设政策一览表

2 综合管廊防火设计规范发展

目前发达国家已经有比较完善的综合管廊标准和技术规范体系，我国综合管廊建设的规范性和科学性却相对滞后。我国直到2012年才发布了国家标准《城市综合管廊工程技术规范》GB 50838-2012。在该规范实施之前，由于综合管廊通常为独立建造的市政设施，作为构筑物，其消防设计并没有引起足够的重视，因此在已经建造的综合管廊中，电力舱主要参考了电缆沟、电缆廊道方面的规范要求，从整体看仅少量的综合管廊进行了消防设计。在《城市综合管廊工程技术规范》GB 50838-2012的基础上，规范组进行了修编，发布了GB 50838-2015，进一步明确了综合管廊规划、工艺设计、管线设计、结构设计、附属设施设计的新标准和要求，也对综合管廊的燃气舱、电力舱和电信舱部分消防设计进行了规定，综合管廊的消防设计开始被重视。

国家标准《城镇综合管廊监控与报警系统工程技术标准》GBT 51274-2017自2018年7月1日起实施。国家标准《城市地下综合管廊运行维护及安全技术标准》GB 51354-2019自2019年8月1日起实施。为指导各地进一步提高城市地下综合管廊建设规划编制水平、因地制宜推进城市地下综合管廊建设，住房和城乡建设部组织编制了《城市地下综合管廊建设规划技术导则》(以下简称《导则》)已于2019年6月印发，《城市地下综合管廊工程规划编制指引》同时废止。

2.1 防火分隔

上世纪50年代，北京市长安街修建了我国第一条城市地下综合管廊，长度为1.08km。90年代，上海修建了我国第一条具有现代化意义的综合管廊，长度11.13km。

早期综合管廊防火分区的划分原则，基本上参考《建筑设计防火规范》《人民防空工程设计防火规范》等规范的有关要求，将管廊每个防火分区的面积控制在2000m2左右，但由于综合管廊已经不属于通常意义的民用建筑，采用《建筑设计防火规范》的相关规定按面积进行划分并不适用于管廊工程，因此后期综合管廊的设计主要参考《城市电力电缆线路设计技术规定》(DL/T 5221-2005)第13.3.1条的规定，阻火分隔按照200m左右设置。

《世博会园区综合管沟建设标准》(DG/TJ 08-2017-2007)，提出了综合管沟内每隔200m应设置防火墙、甲级防火门、阻火包等进行防火分隔。《城市综合管廊工程技术规范》(GB 50838-2012)中第5.1.4条明确规定：综合管廊内防火分区最大间距不应大于200m。防火分区应设置防火墙、甲级防火门、阻火包等进行防火分隔。综合管廊的管线类型较多，对于给水管、中水管、污水管等无火灾危险性的管舱来说，设置防火分区的意义不大，因此2015发布的国家标准《城市综合管廊工程技术规范》(GB 50838-2015)中明确了需要设置防火分隔的区域：天然气管道舱及容纳电力电缆的舱室应每隔200m采用耐火极限不低于3.0h的不燃性墙体进行分隔。

目前，我国新建设的综合管廊中，电力电缆舱和燃气舱参考国家标准按照200m设置防火分隔，但是由于需要考虑燃气舱通风分区的要求、电力电缆舱灭火分区的要求以及地面出入口的设置等条件限制，对于管廊防火分区的划分原则也存在不同的做法。通过对综合管廊火灾危险性及灾害损失分析，防火分隔的设置可结合通风、疏散等要求进行综合考虑。

电力电缆舱的火灾危险主要是电力电缆，根据国家标准《城市综合管廊工程技术规范》(GB 50838-2015)的相关要求，电力电缆应采用阻燃电缆或不燃电缆，与普通的电缆沟/隧道不同，综合管廊内的电力电缆舱从电缆材料本身已经降低了火灾的发生及蔓延的可能性，同时综合管沟内每隔200m设置了人员逃生口，因此电力电缆舱在进行防火分区划分时，应综合考虑以下两点：

(1)人员逃生的安全性，通过将人员逃生的时间与电缆火灾时烟气、毒气蔓延的速率、时间进行对比，合理的划分防火分隔。

(2)电力电缆的材料特性，通过研究电缆的水平燃烧性能、火灾蔓延特性，同时根据管廊的重要程度合理划分防火分隔，避免导致重大的经济损失。

由于天然气管道舱发生火灾后会引发爆炸等危险，严重时会危及到其他管道，造成重大的经济损失，因此，对于天然气管道舱，设置防火分隔主要是从经济损失角度来考虑，应结合通风分区合理划分。

2.2 火灾自动报警系统

综合管廊的空间较小，且为狭长结构，两侧通常敷设电缆桥架。电缆由于散热需要，当温度过热发生火灾时通常是阴燃火或者火焰被电缆桥架遮挡，使得电缆火灾探测较为困难。管廊内烟尘大、温度高、湿度大，通常不使用感烟类或感光类探测报警系统进行电缆隧道火灾探测。另外，电缆隧道及综合管廊电力舱中工况条件恶劣，存在大量的电磁干扰、机械振动和工业尘埃，常规传感器很难正常工作。对于电力电缆管廊火灾自动报警系统的选用，由于规范要求并结合管廊内结构特点，一般的做法是设置温度自动探测报警系统。

目前在电力电缆管廊中一般采用温度分布监测的系统是分布式光纤温度传感系统。近十几年光纤的应用技术发展尤为迅速，光纤本身已从单纯作为光传播的媒介发展成为可作为温度、压力、变形、振动、流量、放电等种种物理量的探测器，广泛应用于现代工业的监测、控制和保护系统。在电缆隧道中，对于线路和设备的温度监控非常关键。除对其温度变化监测并进行分析外，还要确保事故发生时能够快速报警。对动力电缆的在线监测，采用分布式光纤。国内有关电力电缆管廊内设置火灾自动报警探测器的标准有《城市综合管廊工程技术规范》(GB 50838-2015)、《火灾自动报警系统设计规范》(GB 50116-2013)、《城市综合管廊工程设计规范》(DB 111505-2017)、《城镇综合管廊监控与报警系统工程技术标准》(DB 111505-2017)与《钢铁冶金企业设计防火规范》(GB 50414-2018)，这些标准均对电力电缆管廊或类似管廊结构的建筑提出了火灾自动报警的要求，经过对比，各规范关于自动报警的要求，见表2。

表2 不同规范的报警要求

2.3 自动灭火设施

在《城市综合管廊工程技术规范》GB 50838未出台前，电力电缆隧道灭火系统的设计主要依据《城市电力电缆线路设计技术规定》DL/T 5221-2005和《电力工程电缆设计规范》GB 50217-2007的相关要求。《城市电力电缆线路设计技术规定》DL/T 5221-2005，其中13.3.3条：“在电力电缆进出线集中的隧道、电缆夹层和竖井中，如未全部采用阻燃电缆，为了把火灾事故限制在最小范围，尽量减少事故损失，可加设监控报警和固定自动灭火装置。” 《电力工程电缆设计规范》GB 50217-2007，其中7.0.14条：“在地下公共设施的电缆密集部位，多回重油电缆的终端装置处等安全要求较高的场所，可装设水喷雾灭火等专用消防设施”。

目前，各省市对于综合管廊的灭火系统设计主要是依据《城市综合管廊工程技术规范》GB 50838-2015，而该规范仅规定了干线综合管廊中容纳电力电缆的舱室，支线综合管廊中容纳6根及以上电力电缆的舱室应设置自动灭火系统；其他容纳电力电缆的舱室宜设置自动灭火系统，但是对自动灭火系统的选择并未做出明确规定。在实际工程中，主要依赖于设计师和当地消防部门对工程特点和自动灭火系统的理解进行选择，包括水喷雾灭火系统、高压细水雾自动灭火系统、超细干粉灭火系统等[9]。

《细水雾灭火系统技术规范》GB 50898-2013给出了全淹没开式系统在电缆隧道中的设计要求，但并未考虑电缆敷设类型和敷设特点。此外全淹没开式系统的防护区数量不应大于3个，限制了细水雾在综合管廊中的应用；超细干粉灭火系统目前尚无国家规范，仅湖北省、山东省以及福建省等地颁布了地方标准，目前较多工程采用了无管网式超细干粉灭火系统，由于超细干粉灭火系统对阴燃火灾的灭火效果不佳，因此对于超细干粉灭火系统应用于电缆隧道的灭火效果、控制方式等方面存在较大争议。另外，《电力电缆隧道设计规程》DL/T 5484-2013中第9.2.8条提及：“在电缆隧道的进出口处、接头区和每个防火分区内，均宜设置灭火器、黄沙箱等消防器材”。

综上所述，现行自动灭火系统的相关规范中，大都没有针对综合管廊电缆类型、规模、材料、布置和敷设特点提供相应自动灭火系统的选择原则以及关键参数的设计依据，导致综合管廊的自动灭火系统设计在适用性和合理性方面较为欠缺。

2.4 应急逃生设计

现行规范对应急逃生设施做了相应的要求，主要参考现行规范、报批稿及导则等，其中要求逃生口、出入口应与吊装口、进风口结合设置，具体要求,见表3。

表3 不同规范的逃生设计要求

既有研究主要强调应设计逃生口，且与通风口、吊装口等共同设计，其他无相关要求。

3 防火研究展望

3.1 火灾危险性研究

通过对国内外电缆隧道火灾方面的研究现状进行归纳总结，可发现当前关于电缆燃烧特性的研究存在如下问题：

(1)国内外研究重点仍集中在电线电缆燃烧性能研究等方面，由于条件限制，国内外针对电缆隧道火灾的研究集中于计算机模拟和利用缩尺寸模型进行试验，全尺寸实体火灾试验开展较少。需要进一步对缩尺寸与全尺寸试验的相关性以及数值模拟及实体试验的对应性进行深入研究，开展全尺寸的电缆隧道环境实体火试验，并对火灾发展规律进行深入研究。

(2)隧道结构火灾温度特性研究方面，大量的研究集中于交通隧道，对于电缆隧道火灾温度特性和温度预测方面的研究非常少。还需要对不同环境、不同管廊断面、不同分支节点等因素影响下电缆隧道火灾温度特性、带电电缆火灾燃烧特性、电缆接头火灾危险及火灾蔓延规律等进行深入研究。

3.2 防火封堵研究

鉴于防火封堵技术的广泛应用和快速发展，为适应防火封堵技术的迫切需求，对各类封堵措施和封堵材料加以规范和管理，根据住房和城乡建设部《关于印发2014年度工程建设标准规范制订修订计划的通知》(建标[2013]169号文)的要求，由公安部天津消防研究所会同有关单位正在开展对《建筑防火封堵应用技术》的编制工作。而电气防火封堵，无论是从电气防火角度考量，还是作为防火封堵中的重要组成，都会在这一规范中有所体现。因此，研究电气线路贯穿孔口的防火封堵性能，既能为标准的制订提供可靠的试验数据支撑和参考依据，也能为电气防火封堵的实际工程提供解决方案和理论指导。更重要的是能够进一步完善和推动防火封堵性能检测的技术标准，增强电气防火封堵技术的可靠性。

通过对实际管廊工程调研发现，由于电缆后期接入施工或者修复的需求，部分综合管廊工程在防火分隔处未设置防火封堵，导致防火分隔存在较大的安全隐患。依据相关规范的建议，大部分实际管廊工程采用防火包作为防火封堵措施，但防火包封堵的防火隔墙不具有结构稳定性，后期增容修复易造成防火包坍塌，也不具有防火严密性，其有效封堵效果并不确定。因此研发具有防火、防水及结构稳定性的防火封堵材料及工法具有重要的现实意义。

3.3 火灾自动报警系统研究

通过对国内外电力管廊现状的总结，以及对规范的整理概括，发现当前电力电缆管廊内自动报警系统的研究应集中在：

(1)传统探测器的布点方式。由于电力电缆管廊结构与传统建筑、隧道不同，传统探测器(如点式)分布较散，无法满足探测区域长度和高度。

(2)火灾自动探测报警装置使用的规范要求。有关于管廊内的火灾自动探测报警装置并未有统一明确的规范要求，部分规范要求感烟型、感温型组合设置，部分规范要求点式即可。

(3)管廊火灾自动探测报警器的选择。带有管廊内特点的火灾研究较少，针对此类型火灾设置的火灾自动报警探测器的选用几乎为空白。

3.4 自动灭火系统研究

在国内外综合管廊消防研究中，有针对综合管廊烟气蔓延、温度场分布的研究，也有针对灭火方式选择的研究。但在全尺寸管廊内进行细水雾灭火系统试验开展较少，部分试验采取的手段为点火源上方设置喷头去探究细水雾灭火的有效性。另一部分试验在管廊中点火，后期没有关闭点火源，那么灭火系统扑灭的火灾不仅仅包含线缆的燃烧，还包括点火源本身，对灭火有效性与灭火时间的探究将出现偏差。项目组在国内外研究学者的基础上，进行了全尺寸实体火灾试验，将试验研究和数值模拟研究方法相结合，分析综合管廊高压细水雾、中压细水雾、超细干粉灭火特性。主要研究内容包括：

(1)比较不同通风系统、细水雾系统不同喷放强度、不同喷头安装方式(直立喷洒和侧喷)、不同线缆充满度下细水雾灭火的全尺寸试验研究。

(2)细化通风风速、细水雾喷放强度条件下的数值模拟研究。

(3)不同火源条件及不同火源位置处，超细干粉的灭火效果。

但上述研究仅是考虑一定的环境特点、设计参数等对灭火系统的灭火效果的影响，可为实际工程设计提供参考。针对带电电缆的灭火效果，电缆复燃后的灭火系统控制方式，和火灾报警系统的联动、不同分支节点处的灭火系统设计等方面仍有很多问题没有解决。