长大双层过江城市隧道泡沫水喷雾灭火系统的应用

张保军 吴铁军

（中交隧道工程局有限公司，重庆 400000）

1 目前国内长大隧道灭火设施的主要配置

随着经济的发展，长大过江隧道在沿海城市交通发挥越来越重要的作用，隧道消防系统安全系数的提高至关重要，不定因素的车祸、故障、火灾等因素导致的应急事件，越来越影响到隧道的正常运转，见表1。

表1 国内主要隧道里程表

目前国内隧道主要的消防灭火系统主要有消火栓系统、灭火器系统、感温感烟探测系统、火焰探测器报警系统、固定式水成膜泡沫灭火装置、自动喷水灭火系统、固定式水喷雾系统、火灾报警系统等。

在长大公路城市隧道发生火灾时，如果火势较大，得不到及时控制，出现大量人员、车辆停滞的情况，无法前行导致出现重大安全事故，由于隧道公里数的增加以及车流量较大堵车、缓行等因素等导致救援到达现场后，已经错失最佳救援时间。因此，泡沫/水喷雾灭火系统的增设必不可少，泡沫/水喷雾灭火系统是泡沫阀组完成比例混合后采用喷头喷洒至火源位置的灭火方式，它通过泡沫比例混合器将泡沫灭火剂与水按比例混合成泡沫混合液，经喷头喷射泡沫到着火点部位精准灭火，喷洒一定时间的泡沫灭火（不少于20min）。主要由泡沫/水喷雾喷头、泡沫阀组箱、水喷雾泵组、泡沫泵组、稳压装置、泡沫罐、控制柜和水喷雾总管等组成。该系统为隧道内行驶人员的安全逃离赢得宝贵时间，同时为隧道主体结构提供了有利保障。以下内容以南京扬子江隧道为例来阐述泡沫/水喷雾灭火系统的应用[1]。

2 灭火原理

灭火的原理和方法：隔离法灭火，隔离法灭火的基本原理就是将燃烧物体与可燃物质进行分离，或者是分割。燃烧无可支持物，就无法持续燃烧，然后逐渐停止；窒息灭火法，燃烧的持续需要有氧气去助燃窒息，灭火法就是阻止氧气空气进入燃烧区，将燃烧物质与氧气隔绝，然后使燃烧不能持续，逐渐灭火；冷却灭火法，就是将低于火焰温度的灭火剂直接喷洒在燃烧物上，可以使燃烧物质的温度降到燃点之下，从而使燃烧停止，最常见的就是用水灭火；抑制灭火法，就是灭火剂与可燃物质进行亲密接触，抑制可燃因素的产生，使燃烧反应停止，最常见的就是用干粉灭火器进行灭火。

长大公路城市隧道火灾主要是以小型汽车火灾为主要火源点，泡沫灭火剂采用3%AFFF 灭火剂，可以通过物理、化学作用，充填大量气体后形成。泡沫密度远小于可燃物密度，与水按照一定比例混合后因此可以漂浮于可燃物表面，形成一个连续的泡沫覆盖层，在降温、冷却、窒息、覆盖条件下实现灭火作用。

3 设置泡沫水喷雾系统的重要性

长大双层隧道火灾的原因主要有车辆追尾、车辆故障、自燃等，其特点见表2。

表2 隧道主要火灾特点

针对隧道火灾的原因及特点，常规的喷水和现场干粉灭火器灭火效果不明显，影响了最佳灭火时间，主要理由：1）突发火情主要发生在行驶车辆下部或车辆车厢内部，火焰开始时较小，遮挡火灾位置，导致顶部喷水效果不明显，部分部位喷射不到等情况。2）在采用水灭火时，反而将产生大量水蒸汽，视线受阻且水蒸汽与浓烟的混合物比烟雾危害性更大。3）隧道距离较长，随着行车方向存在坡度且是联动通风后，热量随着行车道方向转移。4）浓烟层流沿着隧道顶部随着车流量方向移动，影响到逃生及救援人员撤离及进入现场；5）喷水会导致浓烟分开，将空气和浓烟混合，导致人吸氧困难，出现窒息危险，严重威胁隧道行车中的人员自身安全。

可以在距火灾60 米范围内使用泡沫/水喷雾灭火系统，能够使火势减少，冷却热气，降低火势蔓延速度，大幅度提高其固体物质火灾和液体火灾、可熔化的固体物质火灾（如汽车轮胎和其他车载固体可燃物）的灭火效果，同时使扑救活动顺利进行，为火灾救援提供宝贵的时间。

长大双层过江城市隧道既有消火栓系统、灭火器系统灭火效果有限，须在救援人员达到现场后采用该系统，且逃生区域拥挤，长大双层过江城市隧道固有设置配置消火栓灭火系统和灭火器系统，此时选用泡沫/水喷雾系统灭火显得尤为重要。

4 系统组成

泡沫/水喷雾灭火系统是以泡沫阀组完成比例混合后采用固定喷头为喷洒装置的泡沫/水喷雾灭火系统，它通过泡沫比例混合器将泡沫灭火剂与水按一定比例混合成泡沫混合液，经喷头喷射泡沫到着火点上进行灭火。喷洒一定时间的水喷雾泡沫液，然后再喷雾冷却。隧道泡沫水喷雾灭火系统由供水管路、泡沫水喷雾泵及稳压装置、供水管路、泡沫泵、泡沫罐、气压罐、减压阀组、检修阀组、控制阀组、隧道专用泡沫/喷雾控制阀组、隧道专用泡沫喷雾喷头、泡沫管路及配件以及火灾报警联动控制系统等组成。

系统供水为稳高压系统，平时由水喷雾稳压泵维持系统工作压力；泡沫泵与泡沫稳压罐将充满泡沫原液的泡沫管道维持在工作压力状态。灭火系统的启动方式为同时启动相邻的三个防火分区（60m）的阀组箱。当发生火灾时，由两路探测器（手动报警按钮信号、光栅光纤火灾探测自动报警信号、双波长火灾探测自动报警信号中的两种报警信号组合）同时发出火警信号并确认火灾，火灾报警控制器与阀组箱之间通过输入、输出模块联动，消防联动控制系统打开相应火灾区和紧邻车型方向两个区阀组箱中的雨淋阀电磁阀和泡沫电磁阀，供水管道压力下降，水喷雾主泵启动；同时泡沫原液管道压力下降泡沫泵工作。泡沫液经比例混合器混合后，向火灾区域供泡沫混合液，经专用泡沫喷头进行灭火；系统具有自动、手动、应急启动三种启动方式。如隧道火情通过隧道内的火焰探测器，或手动报警按钮，或光纤光栅，或人工远程触发等方式产生报警信号，上传控制中心消防控制主机，待人工确认后进行联动喷淋灭火。雨淋阀组的控制方式包括就地手动控制、消防联动控制和远程手动控制等。 整个隧道发生火灾后隧道扩禁止车辆进入。火灾发生时，着火点前后相邻三组泡沫/水喷雾系统喷头同时动作，喷射低倍数泡沫与水混合液进行灭火，持续时间20min 左右，后改喷水喷雾冷却，持续时间60min，保护隧道长度为60m。隧道内泡沫水喷雾系统进出水侧设置压力远程监测及控制 ，防止阀组误喷方面带来安全隐患。由于隧道内泡沫水喷雾阀组每隔20 米一组，数量庞大，每台现场检修耗时长并且隧道内车辆较大比较危险。提高在线监测能力，减少事故处理的故障率。

阀组箱内设置远程监测压力源，可判断各阀组各部件的压力状况，可在线判断各阀组故障点。压力变送器是一种将压力转换成气动信号或电动信号进行控制和远传的设备。它能将测压元件传感器感受到的气体、液体等物理压力参数转变成标准的电信号（如4-20mADC 等），以供给指示报警仪、记录仪、调节器等二次仪表进行测量、指示和过程调节。

设置光电水侵传感器，可判断各阀组是否有渗漏。便于及时维修。水浸传感器是检测被测范围是否发生漏水的传感器，一旦发生漏水，立即发出警报，防止漏水事故造成相关损失和危害。水浸传感器广泛应用于数据中心、通信机房、发电站、仓库、档案馆等一切需要防水的场所。

监测各阀组的传感器所传输数据所对应的问题点进行收集分析对比，对问题点进行总结。提高事故反应能力及故障排除能力。

长大双层过江城市隧道泡沫/水喷雾阀组监测系统的研究，包括雨淋报警阀、混合装置、压力监测及控制系统。根据远程监测进口压力及雨淋阀控制腔压力，以到达判断水喷雾系统中的压力变化值。每组水喷雾系统都对应所属监测系统，最终集中统一管理。每组水喷雾系统配置两个压力传送装置分别监测进口管网压力和雨淋阀控制腔压力，一个压力开关监测判断雨淋阀是否开启关闭，两个信号蝶阀监测阀组管网进出口是否开启关闭，两个控制电磁阀分别控制消防水管网及泡沫液管网的开关。

在使用中，因控制腔失压很大，造成雨淋阀开启误喷现象，管网压力下降，造成雨淋阀开启由于压力不足，无法达到喷射效果。管道中有异物在使用中造成雨淋阀阀瓣卡阻，导致管网无法关闭持续喷射等很多问题，无法及时判断及处理。

根据监测数据，可及时判断水喷雾阀组出现的很多问题，防止因雨淋阀控制腔压力不足造成的管网误喷现象，及时定点出勤维护。可远程开关进行调试实验，分段控制，判断水喷雾阀组的可靠性及使用效果。在周巡检及月巡检中大大缩短巡检时间。水喷雾系统阀组进出水侧设置压力监测及控制误喷通过信号传输系统代替人工现场观测，大大降低人员出勤频率，远程压力监测系统识别判断操作简单，提高分析判断问题的效率，大大缩短寻找问题的时间，及时处理问题起到很重要的因素。

5 泡沫/水喷雾系统布置

5.1 喷头布置

国内外隧道内火灾试验报告，火灾影响范围一般为20m～30m，因此水喷雾喷水范围的长度一般定为50m 左右。为考虑隧道车流量较大且存在车量起火存在移动现象，采用三组配合同时动作，无论何处发生火灾均在最中间，达到最佳灭火效果。设置泡沫/水喷雾总管沿隧道纵向划分灭火分区，每区段长度为20m，每区段隧道单侧侧墙上部分别设置泡沫/水喷雾远近射程组合喷头4 只，每个区段设置独立的泡沫/水喷雾控制阀组箱（内含雨淋阀组、比例混合器、泡沫阀组）。火灾发生时，火灾点及其前后共三组泡沫/水喷雾系统喷头同时动作，喷射低倍数泡沫/水喷雾灭火，持续时间满足20min 灭火应急时间要求，后改水喷雾冷却，持续时间60min，有效覆盖长度为60m[2]。

5.2 喷头选型

根据隧道路面宽度、高度和隧道专用泡沫喷头的设计参数选用合适的泡沫喷头；隧道内选用隧道专用水成膜泡沫喷头，喷头材质为304 及以上不锈钢材质（隧道潮湿，避免锈蚀等现象），喷头规格按照隧道实际情况选取；隧道路面宽度小于 9.8 米，选用喷头Q=5.4L/s，流量系数K=174，单侧布置喷头，满足喷雾强度 6.5L/min·m2。 隧道路面宽度大于 9.8 米，选用喷头Q=5.4L/s，流量系数K=174，双侧布置喷头，满足喷雾强度 6.5L/min·m2；泡沫水喷雾系统的强度≥6.5L/（min·m2），泡沫混合液喷射时间为20min，水喷雾防护冷却时间≥60min，合计作用时间≥80min。泡沫混合液的浓度在3%～4%，所有隧道专用泡沫水喷雾喷头处的压力不小于0.35MPa；根据现场实际情况最终选用选用喷头Q=5.4L/s，流量系数K=174，单侧布置喷头，最低工作压力 0.35MPa。

综合考虑以上因素，将保护长度定为60m，三组同时灭火，泡沫/水喷雾系统水量为64.8L/s，由泡沫阀组控制，利用双波长火焰探测器的探测功能与感温光纤有效结合，并根据监控中心无死角覆盖监控，明火出现及温度较高事故发生点位置，确定后控制任意前、后及中间三组水喷雾喷头同时开放，这样可有效地进行全覆盖，无任何遗漏盲点，使泡沫/水喷雾系统灭火系统最大限度地发挥灭火作用，有效灭火，实现有效救援。

5.3 设备及管道布置

隧道共设两处泵房，分别位于江北消防泵房和江南消防泵房。水泵选型即满足江北端的消防泵房可供水至江北暗埋段及盾构段约一半长度的消防用水，江南端的消防泵房可供水至江南端的各匝道及盾构段约一半长度的消防用水，每处消防泵房均设消防泵、稳压泵、泡沫罐、气压罐等；N 线盾构段泡沫/水喷雾系统的水喷雾干管为上层设置两根DN200热镀锌水喷雾干管和一根DN80 不锈钢的泡沫干管，S 线盾构段泡沫/水喷雾系统的水喷雾干管为上层设置两根DN200热镀锌水喷雾干管和一根DN80 不锈钢的泡沫干管，如下图1 所示；供水干管分别在出消防泵房后、进入隧道前成环以及泵房供水分区的末端成环。其中两根水喷雾干管在盾构段的两端，并在干管的中部约200 米设置一根联通环管，泡沫干管在盾构段的两端成环，进阀组箱通过比例混合器实现混合。

图1 管道现场布置图

系统供水管道进入隧道的供水管前设有过滤器和控制阀信号阀和水流指示器，在系统供水上每200m 设置一只检修蝶阀；消防给水管道穿越路面时应有保护措施，穿越结构变形缝须采取抗变形措施。为了防止极端情况下管道爆管，在系统供水管道上每200 米设置一套电动检修阀，用于紧急使用，最大限度减小影响。 DN80 不锈钢水成膜泡沫原液管道穿越结构变形缝时，须安装不锈钢伸缩接头。泡沫原液管道上每200 米设置一套检修阀，同样在进入隧道的两端泡沫原液管上设置信号阀和水流指示器等。隧道的每条隧道上、下层行车通道内，沿纵向划分灭火分区，间距20m 左右设置隧道泡沫/水喷雾阀组箱，沿隧道行车方向左侧布置，主管道规格为国标DN100 热镀锌无缝钢管，材质为内外壁热镀锌无缝钢管（内壁先镀锌后涂塑以减小管损），承压等级不小于2.5MPa，阀体采用材质为304 及以上等级不锈钢。每个阀组箱连接4 只泡沫水喷雾喷头，喷头单侧布置，两个喷头的间距为5m。每个区段设置独立的泡沫/水喷雾控制阀组箱（内含雨淋阀组、比例混合器、清水电磁阀、泡沫电磁阀、压力表、信号蝶阀等设施）。泡沫与水按照比例混合有效实现灭火且泡沫水喷雾灭火系统在江南消防泵房设置10套水泵接合器，江北消防泵房水泵接合器5 套水泵接合器在突发事件中实现供水。在泡沫阀组箱内设放水管，消防测试及火灾报警使用后管道及时放空，便于日常养护又避免了漏水事件。

6 结语

综上所述，采用三组60 米的灭火区域有效地实现火灾全覆盖，避免了火势左右蔓延的情况且采用泡沫/水配合的方式，达到及时降温的效果，随着越来越多长大双层过江城市隧道的建设越来越多，里程越来越长，泡沫/水喷雾系统在火灾应急事件中发挥了重要的作用，在火灾来临和发生时，在救援人员无法到达的时间范围内，可以大大减少火灾造成人员伤亡、财产损失；可以让人们通行更加安全、放心、安心地行驶在便捷的道路上。