城市地下综合管廊超细干粉灭火系统应用研究

张巨龙

(中铁建昆仑地铁投资建设管理有限公司 四川成都 610031)

1 引言

随着我国城市化进程的不断推进，城市路网工程及配套供电、通信、天燃气、供热、给排水管线等地下基础设施不断完善，但地下基础设施建设普遍滞后于地面工程，主要存在地下空间资源利用不合理，地下管网排水能力不足，城市防洪、防灾状况严峻等问题。加快地下基础设施建设特别是统筹考虑“地上空间”与“地下空间”各类工程的建设时序，使城市空间利用立体化、集约化、综合化显得尤为重要。将供电、通信、天燃气、供热、给排水等管线集中设置在综合管廊实行一体化管理[1]，同时地下综合管廊与地面工程同步规划、同步实施、同步投入使用，可大幅度减少运行维护成本以及对社会经济活动的影响，是按期实现“碳中和、碳达标”的重要举措之一，也是城市各类管线统一布局、统一维护、统一管理的发展新趋势[2]。

地下综合管廊的电力舱室、控制夹层内各类电缆集中布置，同时还布局了电源箱、控制箱、环控柜、网络柜、变压器等电力设施，发生火灾隐患较大。目前我国已有上百座大中城市建设了数千公里不同规模的城市地下综合管廊，部分城市在工程管线设施较多、交通运输繁忙的主干道需同时配合建设地铁、下穿隧道、高架桥等工程，受断面空间限制，普遍采用地下综合管廊工程达到合理利用地下空间断面的目的。综合管廊各类事故随之呈多发、高发态势，而综合管廊各类灾害中消防安全事故发生次数最多、影响范围最广。据不完全统计，自1958年我国首条地下综合管廊在北京投入运营以来，发生了100起以上各类消防安全事故，严重影响城市各类管线的正常运行，造成了较大的社会影响。因地下综合管廊不属于人员密集型场所，发生火灾不会造成大规模人员伤亡现象，社会各界对地下综合管廊消防安全的重视程度较低，本文从如何才能在火灾初期有效实施控火灭火，保障城市地下管线运行安全为出发点，在前期各类研究的基础上，对地下综合管廊采用何种自动灭火系统进行分析研究。

2 地下综合管廊火灾的特点

通过对大量地下综合管廊火灾实际案例及模拟案例的分析研究，主要特点如下。

2.1 风险隐患源点多面广

地下综合管廊的各个舱室、设备夹层分布着大量的电力电缆、机电设备等，各类机电设备、线缆在运行过程中出现的绝缘层老化、接触不良、短路、过载等状况都是引发火灾的重要因素，同时外来火源、运行维护人员的不当管理等也是引起火灾的重要因素[3](据统计数据显示，因电气设备不当发热、散热不良、接触不良闪络、通风故障、过载、短路等造成的火灾报警占总量的45%[4])，另外地下综合管廊内部横向空间狭小、纵向空间贯通，一旦着火，火势会顺着管廊向两端蔓延，迅速布满整个防火分区。随着地下综合管廊技术的不断完善，越来越多的市政管线将入廊实行一体化管理，特别是天然气管线发生泄露、燃烧和爆炸会对管廊内各类管线、设备造成重大影响，同时对周边居民的社会生活会造成不可估量的损失，潜在风险隐患源点多面广。

2.2 疏散难度大

地下综合管廊一般深埋地下，层高较低，可供人员快速疏散的通道较少，人员逃生口疏散效率低，一旦发生火灾易产生大量高温有毒浓烟，造成人员恐慌，现场混乱，增加了疏散的难度；例如成都某地下综合管廊全长约6 km，设计5个舱室，仅设置2个人行出入口，若突发火灾，面对如此长的疏散路径，极短的疏散时间，人员有序撤离极度困难；火灾发生后原有照明立即中断，自然采光无法有效利用，应急照明是唯一可供疏散人员利用的光源，但燃烧产生的大量有毒有害高温烟气，影响疏散人员视线及正确识别逃生路线，使逃生效率较低；除此以外，在疏散路径长且单一、疏散空间狭窄、有效逃生时间短[5]、特殊的垂直逃生路径等不利因素的共同影响下，有序疏散难度更大。

2.3 消防救援难度大

与一般地面建筑相比，地下综合管廊发生火灾后不能采用常规的外部灭火，只能依靠人行口、车行口、逃生口或通风投料口等进行内攻灭火，救援路径单一。火灾发生后，大量浓烟从人行口、逃生口等涌出，同时人行口、逃生口又要优先供撤离人员使用，消防救援人员、救援工器具无法迅速进入扑救；既有通讯系统迅速中断，需重新建立外部指挥人员与内部救援人员的临时通讯系统；此外，地下综合管廊空间狭小、人员疏散路径单一、热烟无法及时有效排出、有害气体浓度迅速升高、热量集聚、空间温度急剧升高等因素，极易造成消防救援人员的伤亡，致使消防救援难度大。

2.4 恐慌性高

地下综合管廊若发生火灾，如此狭小的空间内，热烟会迅速弥漫管廊的整个空间，短时间内温度急剧升高，正常照明中断，通风设备、声光报警装置先后开启，容易造成疏散人员极度恐慌，在慌乱逃生过程中容易造成碰撞、跌落、烧伤、窒息等次生事故，造成更大的伤亡[6]。

2.5 后果严重

往往一个片区甚至整个城市的供电、通信、天燃气、供热、给排水等管线会在地下综合管廊一体化运行，一旦发生火灾，会造成一个片区甚至整个城市供电、通信、供气、供热、给排水等系统“停摆”，且灾后修复时间较长，容易造成居民停电停气，工商业大面积长时间停产，严重影响人民群众的经济社会生活，造成严重的社会影响；人员需先通过爬梯爬至设备夹层，再通过垂直逃生口疏散，极易造成高处坠落、灼伤等次生事故；同时部分地下综合管廊与下穿隧道、公交车站、人行过街通道等合建，发生火灾后很容易连带影响上述区域的正常运营，造成衍生事故。

因此地下综合管廊消防与安全管理压力巨大，如何在火灾初期实现自动化、可视化火灾报警，联动控火灭火功能，减少人民群众生命财产损失显得尤为重要。

3 超细干粉灭火系统的优缺点分析

3.1 超细干粉灭火系统的优点

通过对大量设置了超细干粉灭火系统的地下综合管廊的分析研究，优点集中在以下几个方面。

(1)能在火灾初期达到控火灭火的目的，遏制火灾蔓延。通过对大量火灾事故发生过程及模拟火灾发生过程的统计表明，超细干粉灭火装置能够在3 s内迅速响应，3～15 s内喷出灭火剂实施灭火，有效扑灭明火的时间在3 s内，能够在火灾初期达到控火灭火的目的，遏制火灾蔓延。

(2)能有效降低高温对管廊空间内设备设施的破坏。超细干粉灭火系统响应后，迅速喷出干粉灭火剂，能够对火灾空间起到降温的作用，有效降低高温高热对地下综合管廊的结构、机电设备及其他管线产生的破坏。

(3)可实现全淹没无死角式灭火。超细干粉灭火系统采用惰性气体驱动，高压干粉喷放后，迅速弥漫整个管廊，比表面积大、90%的粒径小于或等于20 μm，灭火时能充分反应，实现全淹没无死角式灭火。同时，不会腐蚀保护对象，在常态下不分解、不吸湿、不结块，具有良好的流动性、弥散性和电绝缘性，是普通干粉灭火效率的6～10倍[7]。

(4)能实现无管网灭火，安装简单。超细干粉灭火系统设计简单，无需单独设置管网，每个单体可独立实现灭火功能，顶部安装，相较于有管网系统，无须单独设置设备房、稳压设备、管网、控制设备等。

(5)设计简单、利于施工及后期运营维护。设置压力表便于运行维护，同时自带自巡检装置可实现远程监控；控制方式多样，可实现就地启动、手动启动和火灾报警联动启动；属于无水消防，对保护对象和现场不会产生二次损害[8]；灭火速度快、灭火效率高；使用温度范围宽(在-40～＋50℃范围内均可使用)，同时满足高寒、高热地区使用等优点。

3.2 超细干粉灭火系统的缺点

超细干粉灭火系统主要有以下几个缺点。

(1)容易造成二次污染。干粉喷放后会产生大量高温粉尘，全淹没式灭火，粉尘会迅速蔓延至整个受灾空间；联动风机开启后粉尘会散落至整个舱室、设备夹层甚至外部空间，导致整个舱室、设备夹层等区域的污染，飘落至室外会造成人员恐慌、环境污染等；灭火后的粉尘在高温下容易形成玻璃状覆盖层，此外超细干粉喷放后会与邻近防火分区迅速产生气压差，造成邻近防火分区二次污染。

(2)喷放的干粉扰动烟气层，影响人员疏散。在空间断面上，高压干粉喷放后会迅速对上部烟气层产生扰动，短时间内粉尘、烟气弥漫整个管廊，人体吸入后会造成呼吸道中毒，影响人员不能利用相对清洁的下部空气进行逃生。

(3)增加后期运营维护费用。超细干粉灭火装置需要每隔5～6年重新充装或更换，势必造成耗费大量人力物力，同时在更换期间会造成时间及空间上的灭火盲区，具有较大消防安全隐患。

3.3 超细干粉灭火系统优缺点分析

对比超细干粉灭火系统的优缺点，总体来说矛盾焦点在于影响疏散、灭火盲区及增加后期运营维护费用等几方面，对于影响疏散问题，地下综合管廊为非人员密集型场所，一般为2～3人同行巡检，一个防火分区的长度在200 m以内，正常成年人能够在超细干粉动作前的14 s内逃生至邻近防火分区，避免受到伤害；灭火盲区问题可以在管廊内设置一定数量的备品备件，在巡检过程中及时更换来有效避免。

增加运营维护费用方面，图1为某较早设置超细干粉灭火系统的地下综合管廊的各类费用提高的原因和所占比例的统计。由此可以看出，由于后期运营维护而提高的费用只占1%，占比很小。

图1 各类费用提高的原因和所占比例

因此从灭火原理、使用性能、后期运营管理以及投资造价等方面考虑，设置超细干粉灭火系统是可行的。

4 超细干粉灭火系统的应用

4.1 应用范围

按照《城市综合管廊工程技术规范》(GB 50838—2015)关于设置自动灭火系统的要求，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[9]。

4.2 装置分析

目前国内应用比较成熟的超细干粉灭火装置主要有贮压悬挂式和非贮压悬挂式等形式，不同形式适用于不同的环境。影响超细干粉灭火装置选型的因素很多，地下综合管廊深埋地下、空间狭小、设置了大量与经济社会发展密切相关的管线，一旦发生火灾，火势迅速蔓延，有毒烟气快速弥漫，综合管廊内密集布置着各类机电设备、电力电缆等，误动作会影响综合管廊的正常运行，这里针对地下综合管廊的特点，进行对比选型。

非贮压悬挂式超细干粉灭火装置主要由装有干粉和喷发剂的罐体、喷发剂组件、电引发器、铝箔喷口等组成[10]。火灾发生后，灭火装置的灭火喷发部件立即启动，喷发部件内迅速利用安全电压打火，喷口铝箔在急剧升高的气体发生剂作用下释放，干粉在1 s内瞬间从喷口喷出，因在极短的时间内迅速喷发，且喷射具有方向性，定向灭火，区域内无法短时间形成均匀的雾化浓度，灭火效果差、明火熄灭后容易复燃；如果未能定向喷射到目标保护对象，干粉不能形成均衡有效的雾化浓度，不能达到正常灭火效果，造成大部分干粉掉落到非目标保护对象，保护灭火效率较低；同时非贮压悬挂式超细干粉灭火装置以铝膜压边封口，密封性一般，且极易受低温和潮湿环境影响，长时间处于高湿状态的地下综合管廊不适用非贮压悬挂式超细干粉灭火装置。

贮压悬挂式超细干粉灭火装置主要由容器、喷头组件、压力表、热敏元件等组成[11]。火灾发生后，超过设定温度时玻璃热敏元器件迅速崩裂，喷头脱落，因储罐内预加设了一定压力的驱动气体，干粉在驱动气体作用下3～15 s内快速喷出，迅速形成均匀的雾化浓度，将目标保护对象迅速包裹，实施灭火。贮压悬挂式超细干粉灭火装置喷放时一般能均匀维持喷放超过5 s，均匀地喷射出粒径一致性较好的干粉，干粉喷射后能迅速形成满足设计要求的均匀雾化浓度，通过预加驱动气体的驱动可以快速雾化到防护区各个角落，全淹没无死角式灭火；同时均匀的雾化灭火剂可在较长时间持续灭火，使保护对象难以复燃，直至明火彻底熄灭。另外贮压悬挂式超细干粉灭火装置上安装有压力表，方便运行维护人员快速识别灭火装置是否处于有效区间，反馈装置可实时监控灭火装置运行状态，实现远程监视，在温度-45～＋60℃，湿度≥95%的宽泛温度范围及高湿环境均可正常运行。

4.3 系统选型

根据上述分析，贮压悬挂式超细干粉灭火装置是最适合于地下综合管廊自动灭火的形式。对于新建综合管廊，可与火灾自动报警系统联动控制，并可联动通风设备、防火门、疏散指示等系统[12]；对于既有综合管廊改造，可在舱室增设贮压悬挂式超细干粉灭火装置，结合既有火灾报警系统进行扩容升级，即可实现联动功能。

5 结束语

随着城市化进程的不断推进，对城市地下空间断面集约化利用的要求越来越高，在城市新区开发及老区有机更新区域会形成纵横交错、干支结合的城市地下综合管廊系统，更多的管线会进入综合管廊实行一体化管理。地下综合管廊舱室内设置超细干粉灭火系统可有效扑救初期火源，迅速控制火灾蔓延趋势，达到控火灭火的目的，为消防救援争取更多时间，成为有效遏制事故扩大，降低火灾事故后果，保障人民群众生命财产安全的消防新利器。