隧道細(xì)水霧滅火技術(shù)及系統(tǒng)應(yīng)用回顧

引言
隨著社會(huì)發(fā)展對(duì)交通狀況需求的不斷提高和工程建設(shè)技術(shù)的不斷進(jìn)步，各種鐵路、公路交通隧道和地下鐵路得到了迅速的發(fā)展。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2000年歐洲地區(qū)交通隧道的總長(zhǎng)已超過(guò)10000km；我國(guó)的鐵路隧道總長(zhǎng)達(dá)到2457km；根據(jù)北京市的規(guī)劃，到2005年，地鐵營(yíng)運(yùn)將達(dá)到138km，線網(wǎng)覆蓋率達(dá)到13%，客運(yùn)量達(dá)到7.64億人次。隧道交通不斷改善的同時(shí)，也在不斷增加隧道火災(zāi)事故的風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)隧道火災(zāi)的防治不斷提出更嚴(yán)格的要求和挑戰(zhàn)。
細(xì)水霧滅火技術(shù)作為哈龍系列滅火劑的主要替代品，具有滅火高效、環(huán)境友好、對(duì)人員無(wú)毒害及對(duì)被保護(hù)對(duì)象水漬影響小等優(yōu)點(diǎn)，在眾多領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。隨著對(duì)細(xì)水霧滅火技術(shù)研究的不斷深入，應(yīng)用領(lǐng)域也不斷得以擴(kuò)展，在隧道火災(zāi)的防治中，也日益受到關(guān)注并已有實(shí)際應(yīng)用。
隧道火災(zāi)及其防治技術(shù)現(xiàn)狀
鐵路、公路隧道以及地下鐵路都在交通運(yùn)輸中承擔(dān)著重要的樞紐作用，是眾多可燃物的經(jīng)過(guò)場(chǎng)所，而同時(shí)客流量大，人員車輛集中，一旦發(fā)生火災(zāi)，極易造成群死群傷、財(cái)產(chǎn)損失嚴(yán)重以及延燒時(shí)間長(zhǎng)、交通長(zhǎng)期中斷的嚴(yán)重后果?？偟膩?lái)說(shuō)，隧道火災(zāi)具有以下特點(diǎn)（如圖1）：

圖1
a)空氣流動(dòng)暢通；
b)大量煙氣難以排除；
c)通道狹長(zhǎng)，d)橫斷面小，e)如果是人員密集的場(chǎng)所，f)則難以及時(shí)疏散；
g)氣流方向受外界影響較大，h)撲救困難。
近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外發(fā)生了多起造成重大傷亡的隧道火災(zāi)事故。1995年10月阿塞拜疆巴庫(kù)地鐵由于電動(dòng)機(jī)車電路故障發(fā)生特大火災(zāi)，造成死亡558人，傷269人的慘??；2000年11月，奧地利山地列車公路隧道發(fā)生公路隧道火災(zāi)，造成155人死亡；2003年2月韓國(guó)大邱由于人為縱火，造成198人死亡,146人受傷，289人失蹤,成為震驚世界的重大火災(zāi)事故?？梢钥闯?，公路隧道、鐵路隧道、地鐵、海底隧道等各類隧道火災(zāi)的防治技術(shù)急需進(jìn)一步改善和提高。
各類隧道在火災(zāi)防治上沒有本質(zhì)區(qū)別，原則上均應(yīng)按照重要次序執(zhí)行應(yīng)變措施，萬(wàn)一隧道內(nèi)發(fā)生嚴(yán)重火警，首先必須充分利用一切疏通手段搶救人員生命。其次，利用一切可行手段進(jìn)行滅火和搶救財(cái)產(chǎn)。然后，在滅火過(guò)程中，盡一切可能阻止火勢(shì)蔓延，堅(jiān)決避免易燃性貨物或者油箱發(fā)生爆炸。最后，在搶救過(guò)程中，盡一切可能減少隧道內(nèi)壁的結(jié)構(gòu)、線路設(shè)備、車輛財(cái)產(chǎn)的損失。根據(jù)隧道允許通行的車輛、貨物和人員流動(dòng)情況來(lái)合理確定實(shí)際的火災(zāi)場(chǎng)景、制定有效的消防安全措施。
在被動(dòng)防治對(duì)策方面，主要以提高隧道襯砌結(jié)構(gòu)耐火性能為目的，加固長(zhǎng)時(shí)間高溫作用下隧道拱頂結(jié)構(gòu)的承載力。目前一般采用在混凝土中添加聚丙烯纖維或在混凝土內(nèi)襯下安裝防火絕熱保護(hù)層等方法。對(duì)于主動(dòng)防治對(duì)策中的人員疏散和滅火措施，主要可分為隔離火源、通風(fēng)煙控、封堵降氧和滅火介質(zhì)降溫四個(gè)方面。
隔離火源是通過(guò)在長(zhǎng)通道中設(shè)置安全避難所、防火門等設(shè)施，將狹長(zhǎng)空間合理分割成若干區(qū)域，為人員疏散和消防撲救提供保護(hù)，同時(shí)也能阻止火勢(shì)延燒以及控制煙氣擴(kuò)散。
采用通風(fēng)、防排煙措施控制煙氣產(chǎn)物及其運(yùn)動(dòng)可以改善火災(zāi)環(huán)境，降低火場(chǎng)溫度，提高能見度以及減少熱分解有害產(chǎn)物的濃度，但是，隧道內(nèi)煙流受到節(jié)流效應(yīng)、火風(fēng)壓、活塞效應(yīng)等多因素的干擾，不恰當(dāng)?shù)臋C(jī)械通風(fēng)也有可能加劇火災(zāi)發(fā)展和蔓延。因此，針對(duì)特定的火災(zāi)場(chǎng)景，尋找合適的臨界風(fēng)速對(duì)于隧道煙氣控制是至關(guān)重要的。
從理論和滅火實(shí)踐都已證明，封堵隧道洞口，使得燃燒斷氧窒息，對(duì)于油槽列車隧道火災(zāi)的撲救具有明顯的效果。需要注意火區(qū)封閉燃燒中止后的復(fù)燃，并需要輔以其它滅火手段如注水降溫以減小損失，縮短火災(zāi)延燒的時(shí)間。
滅火介質(zhì)降溫與火災(zāi)探測(cè)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)、通風(fēng)排煙系統(tǒng)等配合使用。對(duì)于前三種主動(dòng)防治對(duì)策，都應(yīng)當(dāng)輔以滅火介質(zhì)降溫，為人員疏散和火災(zāi)抑制爭(zhēng)取最佳時(shí)機(jī)，盡量減少火災(zāi)損失，取得更好的滅火效果。常用的滅火介質(zhì)有二氧化碳?xì)怏w滅火劑、自動(dòng)水噴淋系統(tǒng)、水成膜泡沫雨淋系統(tǒng)以及清潔、高效的細(xì)水霧滅火系統(tǒng)。
清潔、高效的新型滅火技術(shù)——細(xì)水霧
細(xì)水霧是使用特殊加工的噴嘴，通過(guò)水與不同霧化介質(zhì)產(chǎn)生的水微粒。其滅火機(jī)理是：當(dāng)細(xì)水霧直接噴射進(jìn)入或被卷吸進(jìn)入火焰區(qū)時(shí)，由于表面積相對(duì)較大，吸收熱量快，迅速汽化并降低氣相燃料及氧化劑的溫度，同時(shí)大量水蒸氣的存在也會(huì)降低反應(yīng)區(qū)的氧氣及可燃?xì)怏w的體積分量，并有效衰減熱輻射的傳遞，從而達(dá)到汽化冷卻、隔絕氧氣和衰減輻射等機(jī)理復(fù)合作用的滅火效果。
細(xì)水霧以易取、價(jià)廉的水作為滅火介質(zhì)，對(duì)環(huán)境無(wú)污染，對(duì)人員無(wú)傷害，用水量小，對(duì)被保護(hù)對(duì)象水漬影響極小，因而在應(yīng)用和研究方面，國(guó)際上已經(jīng)得到了廣泛的開展。目前已有一系列專利產(chǎn)品，并制定了相應(yīng)的設(shè)計(jì)、施工及驗(yàn)收規(guī)范，如美國(guó)消防協(xié)會(huì)的NFPA750標(biāo)準(zhǔn)、加拿大火災(zāi)研究實(shí)驗(yàn)室制定的細(xì)水霧滅火系統(tǒng)設(shè)計(jì)工程標(biāo)準(zhǔn)。許多實(shí)驗(yàn)室和生產(chǎn)廠家業(yè)已對(duì)細(xì)水霧在電子設(shè)備房、歷史建筑、珍貴資料庫(kù)等場(chǎng)所抑制和撲滅火災(zāi)有效性進(jìn)行研究。另外，細(xì)水霧對(duì)燃?xì)鉁u輪機(jī)、高層建筑內(nèi)的變壓器室及配電房等設(shè)備場(chǎng)所的保護(hù)以及燃?xì)獗嫉目刂频确矫嬉灿兄A(yù)期良好的應(yīng)用前景，在商業(yè)上有待發(fā)展。加拿大的Securiplex公司、德國(guó)的Fogtec公司、芬蘭的Marioff公司、奧地利的Hainzl公司等生產(chǎn)廠商都已將自己的細(xì)水霧產(chǎn)品應(yīng)用于火災(zāi)安全的眾多領(lǐng)域，在市場(chǎng)上獲得了良好的反響。國(guó)內(nèi)對(duì)于細(xì)水霧滅火技術(shù)的研究起步較晚，但也已經(jīng)逐步得到開展。更為可喜的是，細(xì)水霧滅火系統(tǒng)的應(yīng)用在國(guó)內(nèi)的領(lǐng)域也不斷加深和推廣。

細(xì)水霧滅火技術(shù)及系統(tǒng)在隧道中的應(yīng)用評(píng)價(jià)
4.1目前常規(guī)防治措施的局限性
隧道火災(zāi)防治中長(zhǎng)期以來(lái)采用的是通風(fēng)控制煙氣或封堵降氧等相對(duì)消極的防火對(duì)策，雖然成本較低，工程設(shè)計(jì)難度較小，但并不能有效控制火災(zāi)的延燒，往往要經(jīng)歷幾小時(shí)甚至幾天的火災(zāi)持續(xù)時(shí)間，從而造成財(cái)產(chǎn)的重大損失及隧道結(jié)構(gòu)的嚴(yán)重破壞。而且通風(fēng)煙控技術(shù)受外界影響較大，操作不當(dāng)可能產(chǎn)生嚴(yán)重的負(fù)面作用，封堵降氧則極易造成隧道重新開啟的復(fù)燃。因此，在隧道火災(zāi)防治中采用積極高效的滅火手段，結(jié)合其它防治措施，能夠更加有效地保障人員疏散，降低隧道火災(zāi)損失。
然而常規(guī)的自動(dòng)水噴淋系統(tǒng)在隧道內(nèi)使用的有效性存在一定的爭(zhēng)議，原因有以下幾點(diǎn)：
水噴淋噴頭一般只能安裝在隧道上部，如果是隧道內(nèi)車輛內(nèi)部發(fā)生火災(zāi)，往往無(wú)法及時(shí)抑制或撲滅；
水噴淋耗水量大，容易造成隧道內(nèi)路面濕滑，并促使液體火災(zāi)的擴(kuò)大；
水噴淋需要固定的大量水源和排水系統(tǒng)，以及其它管路設(shè)備，在隧道內(nèi)安裝維護(hù)具有一定的難度。
因此，為了更好的達(dá)到及時(shí)抑制和撲滅隧道火災(zāi)，保障人員安全疏散，減少財(cái)產(chǎn)損失的目的，有必要對(duì)滅火系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)，在滅火有效性、系統(tǒng)靈動(dòng)性、人員和財(cái)產(chǎn)的安全性以及用水量等方面更加適合隧道整體設(shè)計(jì)的要求。作為新興滅火技術(shù)的細(xì)水霧無(wú)疑是值得考慮的對(duì)象之一。
4.2隧道火災(zāi)防治中的細(xì)水霧滅火技術(shù)特點(diǎn)
綜合考慮配置滅火系統(tǒng)的有效性和經(jīng)濟(jì)性，隧道內(nèi)的滅火系統(tǒng)按照其安裝方式通常可以分為固定式滅火系統(tǒng)和移動(dòng)式滅火系統(tǒng)兩類。以細(xì)水霧為滅火介質(zhì)的滅火系統(tǒng)也可按這兩種情況分別考慮技術(shù)解決方案。
4.2.1固定式細(xì)水霧滅火系統(tǒng)
該系統(tǒng)利用探測(cè)裝置和控制系統(tǒng)，使噴頭可以自動(dòng)定位，然后高壓噴射出水霧，對(duì)準(zhǔn)隧道內(nèi)車輛起火位置，從而對(duì)火勢(shì)進(jìn)行有效抑制，如圖2所示。

圖2
應(yīng)當(dāng)根據(jù)隧道系統(tǒng)各部分自身特點(diǎn)，分別考慮選用局部保護(hù)系統(tǒng)、分區(qū)保護(hù)系統(tǒng)或者全淹沒式保護(hù)系統(tǒng)。
局部應(yīng)用系統(tǒng)：系統(tǒng)直接對(duì)位于封閉空間、非封閉空間或室外的保護(hù)對(duì)象噴霧進(jìn)行保護(hù)。將該系統(tǒng)安裝于特定位置，對(duì)關(guān)鍵設(shè)備進(jìn)行重點(diǎn)保護(hù)。
分區(qū)應(yīng)用系統(tǒng)：保護(hù)封閉空間中局部區(qū)域的系統(tǒng)。一個(gè)區(qū)域可以有多套保護(hù)系統(tǒng)，當(dāng)某個(gè)局部區(qū)域發(fā)生警報(bào)時(shí)，只啟動(dòng)相應(yīng)細(xì)水霧系統(tǒng)的控制閥，對(duì)其噴霧進(jìn)行保護(hù)。
全淹沒式應(yīng)用系統(tǒng)：系統(tǒng)對(duì)封閉空間噴霧，保護(hù)封閉空間內(nèi)所有危險(xiǎn)對(duì)象。由于該系統(tǒng)霧化性能強(qiáng)、覆蓋范圍廣的特點(diǎn)，如果將噴頭組合使用，也可用于對(duì)封閉區(qū)域內(nèi)所有設(shè)備進(jìn)行全淹沒式保護(hù)。
4.2.2移動(dòng)式細(xì)水霧滅火系統(tǒng)
隧道內(nèi)使用的移動(dòng)式細(xì)水霧滅火系統(tǒng)可以考慮分為兩類，即救援車載系統(tǒng)和行駛車輛本身安裝的滅火系統(tǒng)。
利用細(xì)水霧滅火系統(tǒng)相對(duì)輕便的特點(diǎn)，可將該系統(tǒng)安裝于救援車內(nèi)。特別對(duì)于鐵路隧道或地下鐵路中，車輛還配有“軌道、道路”通用系統(tǒng)，在車輛前后四個(gè)車輪上配有受它驅(qū)動(dòng)的軌道小輪，其寬度與鐵路軌道的尺寸吻合。這樣，救援車在地面和軌道上行駛都能進(jìn)退自如。因此，救援車能夠做到對(duì)隧道內(nèi)發(fā)生火災(zāi)后的快速準(zhǔn)確反應(yīng)。
將帶有水箱的水平氣動(dòng)泵組安裝于車廂底部。每個(gè)乘客車廂連接若干噴頭，列車末端的駕駛員車廂安裝一個(gè)噴頭。在車廂內(nèi)設(shè)置與自動(dòng)探測(cè)報(bào)警裝置連接的自動(dòng)閥和手動(dòng)閥。該系統(tǒng)能夠在車廂內(nèi)早期火災(zāi)階段即有效抑制和熄滅火災(zāi)，而同時(shí)不影響列車的行駛和人員的疏散，使得列車能夠行駛到站臺(tái)從而更加順利的逃生，避免列車被迫停在行車隧道內(nèi)的危險(xiǎn)局面。
4.3細(xì)水霧在隧道火災(zāi)防治中的應(yīng)用現(xiàn)狀
隨著世界各國(guó)對(duì)細(xì)水霧的滅火機(jī)理的認(rèn)識(shí)和滅火技術(shù)的研究日益深入，細(xì)水霧也不斷在各個(gè)領(lǐng)域得到應(yīng)用，包括隧道火災(zāi)的防治中細(xì)水霧滅火系統(tǒng)的應(yīng)用。
德國(guó)IFEX公司研制的IFEX3000型脈沖式滅火技術(shù)，以水為滅火介質(zhì)，利用壓縮空氣驅(qū)動(dòng)，使水高速噴出，水滴微粒大小在2～200μm之間。1997年10月和1999年8月分別在挪威和瑞典的海岸公路隧道內(nèi)對(duì)其進(jìn)行了實(shí)體滅火試驗(yàn)。

圖3 圖4
試驗(yàn)結(jié)果均表明，IFEX3000型脈沖式滅火技術(shù)能夠迅速撲滅火災(zāi)，用水量與常規(guī)水噴淋相比，可節(jié)省用水量的95%，并能迅速凈化空氣和保護(hù)環(huán)境。其脈沖設(shè)
備及其移動(dòng)式滅火系統(tǒng)如圖3、圖4所示。目前該系統(tǒng)在德國(guó)、瑞典、挪威等國(guó)的隧道已經(jīng)得到應(yīng)用。
芬蘭Marioff公司的Hi-Fog系列細(xì)水霧滅火系統(tǒng)自1996年開始，就已在西班牙、英國(guó)、澳大利亞等國(guó)的地鐵交通中推廣細(xì)水霧的應(yīng)用。到2003年，在西班牙馬德里地鐵、英國(guó)倫敦地下交通中，分別都已安裝了超過(guò)300個(gè)獨(dú)立的細(xì)水霧保護(hù)系統(tǒng)，保護(hù)區(qū)域包括地鐵列車、電梯、地鐵控制室及地下零售商店。馬德里城市安全部門官員評(píng)價(jià)說(shuō)：“細(xì)水霧是一種經(jīng)濟(jì)、友好、安全的滅火介質(zhì)，不會(huì)像氣體滅火劑那樣受到太多的限制。同時(shí)，我們也發(fā)現(xiàn)，與傳統(tǒng)水噴淋或雨淋系統(tǒng)相比，Hi-Fog系統(tǒng)需要最小的設(shè)計(jì)工序和市政工程造價(jià)，以及簡(jiǎn)易的維護(hù)要求。我們選擇Hi-Fog，因?yàn)樗呀?jīng)證實(shí)具有良好的滅火性能，能夠有效吸收煙氣和最重要的一個(gè)原因——最低的長(zhǎng)期代價(jià)?！盡arioff公司也正計(jì)劃將細(xì)水霧系統(tǒng)應(yīng)用于鐵路和公路隧道。
奧地利Hainzl工業(yè)公司以其對(duì)細(xì)水霧滅火技術(shù)將近20年的研究基礎(chǔ)，研制了適用于鐵路隧道的滅火系統(tǒng)。在對(duì)世界各地隧道內(nèi)發(fā)生的重大火災(zāi)爆炸事故進(jìn)行徹底全面調(diào)查后，歐盟隧道交通安全委員會(huì)于1999年5月決定在鐵路隧道內(nèi)通行的穿梭式列車上，全部配備和安裝由奧地利該公司設(shè)計(jì)生產(chǎn)的AQUASYS牌自動(dòng)水霧消防系統(tǒng)，這種消防設(shè)備的最大優(yōu)點(diǎn)是，車輛在隧道內(nèi)發(fā)生火災(zāi)的一瞬間，會(huì)立即啟動(dòng)，噴出高壓水霧，籠罩火源，急劇降低火源及其四周的溫度，有效控制火源升溫和火勢(shì)蔓延的速度，為消防隊(duì)員及時(shí)趕到出事現(xiàn)場(chǎng)爭(zhēng)取寶貴的時(shí)間。試驗(yàn)表明，該系統(tǒng)能符合重載車輛火災(zāi)（80～100kW）的撲救要求。
在電纜隧道的火災(zāi)防治中，Hi-Fog、Fogtec、Securiplex等公司的細(xì)水霧滅火系統(tǒng)也都已發(fā)揮了重要作用。圖5給出了細(xì)水霧撲滅電纜隧道火災(zāi)的過(guò)程，可以看出，細(xì)水霧作用之后，電纜受火災(zāi)的破壞及水漬影響比較小。

圖5
但目前在國(guó)內(nèi)的隧道安全防治中，還未有細(xì)水霧滅火系統(tǒng)的應(yīng)用。因此，結(jié)合隧道火災(zāi)自身的特點(diǎn)及細(xì)水霧技術(shù)在其防治中的優(yōu)勢(shì)，細(xì)水霧滅火系統(tǒng)在隧道火災(zāi)防治方案中應(yīng)當(dāng)具有重要的推廣意義和應(yīng)用價(jià)值。
結(jié)論
細(xì)水霧在隧道火災(zāi)安全的防治中具有其獨(dú)有的優(yōu)勢(shì)。針對(duì)隧道火災(zāi)的特點(diǎn)，在技術(shù)上進(jìn)行創(chuàng)新，能夠使這一清潔、高效的新型滅火技術(shù)很好地應(yīng)用于隧道火災(zāi)的防治。細(xì)水霧滅火系統(tǒng)在國(guó)外的隧道火災(zāi)防治中已經(jīng)得到了較為廣泛的應(yīng)用，并取得了明顯的效果。但是，細(xì)水霧在隧道條件下的滅火機(jī)理性研究尚開展的不夠深入，這在一定程度上限制了其技術(shù)優(yōu)勢(shì)的發(fā)揮，因此有必要在這方面進(jìn)行加強(qiáng)。

參考文獻(xiàn)
1.陳立道. 道路隧道火災(zāi)預(yù)防與控制研究. 地下空間, Vol.23 No.1, 2003
2.W.K.Chow, Jojo S.M.Li. Safety requirement and regulations reviews on ventilation and fire for tunnels in the Hong Kong special administrative region. Tunnelling and Underground Space Technology, Vol.14 No.1. 1999
3.Bin Yao. A review of water mist fire suppression systems. J. Applied Fire Science, Vol.10 No.3, 2001
4.鐵路隧道消防技術(shù)研究十年回顧. 慧聰消防商務(wù)網(wǎng)
5.Fire protection of metro systems, 6th Asia-Oceania Symposium on Fire Science and Technology, Korea, 861-862, 2004.

（中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué) 火災(zāi)科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，合肥 230026）朱 偉 曾德云