隧道细水雾灭火技术及系统应用回顾

引言
随着社会发展对交通状况需求的不断提高和工程建设技术的不断进步，各种铁路、公路交通隧道和地下铁路得到了迅速的发展。据统计，2000年欧洲地区交通隧道的总长已超过10000km；我国的铁路隧道总长达到2457km；根据北京市的规划，到2005年，地铁营运将达到138km，线网覆盖率达到13%，客运量达到7.64亿人次。隧道交通不断改善的同时，也在不断增加隧道火灾事故的风险，对隧道火灾的防治不断提出更严格的要求和挑战。
细水雾灭火技术作为哈龙系列灭火剂的主要替代品，具有灭火高效、环境友好、对人员无毒害及对被保护对象水渍影响小等优点，在众多领域有着广阔的应用前景。随着对细水雾灭火技术研究的不断深入，应用领域也不断得以扩展，在隧道火灾的防治中，也日益受到关注并已有实际应用。
隧道火灾及其防治技术现状
铁路、公路隧道以及地下铁路都在交通运输中承担着重要的枢纽作用，是众多可燃物的经过场所，而同时客流量大，人员车辆集中，一旦发生火灾，极易造成群死群伤、财产损失严重以及延烧时间长、交通长期中断的严重后果。总的来说，隧道火灾具有以下特点（如图1）：

图1
a)空气流动畅通；
b)大量烟气难以排除；
c)通道狭长，d)横断面小，e)如果是人员密集的场所，f)则难以及时疏散；
g)气流方向受外界影响较大，h)扑救困难。
近年来，国内外发生了多起造成重大伤亡的隧道火灾事故。1995年10月阿塞拜疆巴库地铁由于电动机车电路故障发生特大火灾，造成死亡558人，伤269人的惨剧；2000年11月，奥地利山地列车公路隧道发生公路隧道火灾，造成155人死亡；2003年2月韩国大邱由于人为纵火，造成198人死亡,146人受伤，289人失踪,成为震惊世界的重大火灾事故。可以看出，公路隧道、铁路隧道、地铁、海底隧道等各类隧道火灾的防治技术急需进一步改善和提高。
各类隧道在火灾防治上没有本质区别，原则上均应按照重要次序执行应变措施，万一隧道内发生严重火警，首先必须充分利用一切疏通手段抢救人员生命。其次，利用一切可行手段进行灭火和抢救财产。然后，在灭火过程中，尽一切可能阻止火势蔓延，坚决避免易燃性货物或者油箱发生爆炸。最后，在抢救过程中，尽一切可能减少隧道内壁的结构、线路设备、车辆财产的损失。根据隧道允许通行的车辆、货物和人员流动情况来合理确定实际的火灾场景、制定有效的消防安全措施。
在被动防治对策方面，主要以提高隧道衬砌结构耐火性能为目的，加固长时间高温作用下隧道拱顶结构的承载力。目前一般采用在混凝土中添加聚丙烯纤维或在混凝土内衬下安装防火绝热保护层等方法。对于主动防治对策中的人员疏散和灭火措施，主要可分为隔离火源、通风烟控、封堵降氧和灭火介质降温四个方面。
隔离火源是通过在长通道中设置安全避难所、防火门等设施，将狭长空间合理分割成若干区域，为人员疏散和消防扑救提供保护，同时也能阻止火势延烧以及控制烟气扩散。
采用通风、防排烟措施控制烟气产物及其运动可以改善火灾环境，降低火场温度，提高能见度以及减少热分解有害产物的浓度，但是，隧道内烟流受到节流效应、火风压、活塞效应等多因素的干扰，不恰当的机械通风也有可能加剧火灾发展和蔓延。因此，针对特定的火灾场景，寻找合适的临界风速对于隧道烟气控制是至关重要的。
从理论和灭火实践都已证明，封堵隧道洞口，使得燃烧断氧窒息，对于油槽列车隧道火灾的扑救具有明显的效果。需要注意火区封闭燃烧中止后的复燃，并需要辅以其它灭火手段如注水降温以减小损失，缩短火灾延烧的时间。
灭火介质降温与火灾探测自动报警系统、通风排烟系统等配合使用。对于前三种主动防治对策，都应当辅以灭火介质降温，为人员疏散和火灾抑制争取最佳时机，尽量减少火灾损失，取得更好的灭火效果。常用的灭火介质有二氧化碳气体灭火剂、自动水喷淋系统、水成膜泡沫雨淋系统以及清洁、高效的细水雾灭火系统。
清洁、高效的新型灭火技术——细水雾
细水雾是使用特殊加工的喷嘴，通过水与不同雾化介质产生的水微粒。其灭火机理是：当细水雾直接喷射进入或被卷吸进入火焰区时，由于表面积相对较大，吸收热量快，迅速汽化并降低气相燃料及氧化剂的温度，同时大量水蒸气的存在也会降低反应区的氧气及可燃气体的体积分量，并有效衰减热辐射的传递，从而达到汽化冷却、隔绝氧气和衰减辐射等机理复合作用的灭火效果。
细水雾以易取、价廉的水作为灭火介质，对环境无污染，对人员无伤害，用水量小，对被保护对象水渍影响极小，因而在应用和研究方面，国际上已经得到了广泛的开展。目前已有一系列专利产品，并制定了相应的设计、施工及验收规范，如美国消防协会的NFPA750标准、加拿大火灾研究实验室制定的细水雾灭火系统设计工程标准。许多实验室和生产厂家业已对细水雾在电子设备房、历史建筑、珍贵资料库等场所抑制和扑灭火灾有效性进行研究。另外，细水雾对燃气涡轮机、高层建筑内的变压器室及配电房等设备场所的保护以及燃气爆燃的控制等方面也有着预期良好的应用前景，在商业上有待发展。加拿大的Securiplex公司、德国的Fogtec公司、芬兰的Marioff公司、奥地利的Hainzl公司等生产厂商都已将自己的细水雾产品应用于火灾安全的众多领域，在市场上获得了良好的反响。国内对于细水雾灭火技术的研究起步较晚，但也已经逐步得到开展。更为可喜的是，细水雾灭火系统的应用在国内的领域也不断加深和推广。

细水雾灭火技术及系统在隧道中的应用评价
4.1目前常规防治措施的局限性
隧道火灾防治中长期以来采用的是通风控制烟气或封堵降氧等相对消极的防火对策，虽然成本较低，工程设计难度较小，但并不能有效控制火灾的延烧，往往要经历几小时甚至几天的火灾持续时间，从而造成财产的重大损失及隧道结构的严重破坏。而且通风烟控技术受外界影响较大，操作不当可能产生严重的负面作用，封堵降氧则极易造成隧道重新开启的复燃。因此，在隧道火灾防治中采用积极高效的灭火手段，结合其它防治措施，能够更加有效地保障人员疏散，降低隧道火灾损失。
然而常规的自动水喷淋系统在隧道内使用的有效性存在一定的争议，原因有以下几点：
水喷淋喷头一般只能安装在隧道上部，如果是隧道内车辆内部发生火灾，往往无法及时抑制或扑灭；
水喷淋耗水量大，容易造成隧道内路面湿滑，并促使液体火灾的扩大；
水喷淋需要固定的大量水源和排水系统，以及其它管路设备，在隧道内安装维护具有一定的难度。
因此，为了更好的达到及时抑制和扑灭隧道火灾，保障人员安全疏散，减少财产损失的目的，有必要对灭火系统进行改进，在灭火有效性、系统灵动性、人员和财产的安全性以及用水量等方面更加适合隧道整体设计的要求。作为新兴灭火技术的细水雾无疑是值得考虑的对象之一。
4.2隧道火灾防治中的细水雾灭火技术特点
综合考虑配置灭火系统的有效性和经济性，隧道内的灭火系统按照其安装方式通常可以分为固定式灭火系统和移动式灭火系统两类。以细水雾为灭火介质的灭火系统也可按这两种情况分别考虑技术解决方案。
4.2.1固定式细水雾灭火系统
该系统利用探测装置和控制系统，使喷头可以自动定位，然后高压喷射出水雾，对准隧道内车辆起火位置，从而对火势进行有效抑制，如图2所示。

图2
应当根据隧道系统各部分自身特点，分别考虑选用局部保护系统、分区保护系统或者全淹没式保护系统。
局部应用系统：系统直接对位于封闭空间、非封闭空间或室外的保护对象喷雾进行保护。将该系统安装于特定位置，对关键设备进行重点保护。
分区应用系统：保护封闭空间中局部区域的系统。一个区域可以有多套保护系统，当某个局部区域发生警报时，只启动相应细水雾系统的控制阀，对其喷雾进行保护。
全淹没式应用系统：系统对封闭空间喷雾，保护封闭空间内所有危险对象。由于该系统雾化性能强、覆盖范围广的特点，如果将喷头组合使用，也可用于对封闭区域内所有设备进行全淹没式保护。
4.2.2移动式细水雾灭火系统
隧道内使用的移动式细水雾灭火系统可以考虑分为两类，即救援车载系统和行驶车辆本身安装的灭火系统。
利用细水雾灭火系统相对轻便的特点，可将该系统安装于救援车内。特别对于铁路隧道或地下铁路中，车辆还配有“轨道、道路”通用系统，在车辆前后四个车轮上配有受它驱动的轨道小轮，其宽度与铁路轨道的尺寸吻合。这样，救援车在地面和轨道上行驶都能进退自如。因此，救援车能够做到对隧道内发生火灾后的快速准确反应。
将带有水箱的水平气动泵组安装于车厢底部。每个乘客车厢连接若干喷头，列车末端的驾驶员车厢安装一个喷头。在车厢内设置与自动探测报警装置连接的自动阀和手动阀。该系统能够在车厢内早期火灾阶段即有效抑制和熄灭火灾，而同时不影响列车的行驶和人员的疏散，使得列车能够行驶到站台从而更加顺利的逃生，避免列车被迫停在行车隧道内的危险局面。
4.3细水雾在隧道火灾防治中的应用现状
随着世界各国对细水雾的灭火机理的认识和灭火技术的研究日益深入，细水雾也不断在各个领域得到应用，包括隧道火灾的防治中细水雾灭火系统的应用。
德国IFEX公司研制的IFEX3000型脉冲式灭火技术，以水为灭火介质，利用压缩空气驱动，使水高速喷出，水滴微粒大小在2～200μm之间。1997年10月和1999年8月分别在挪威和瑞典的海岸公路隧道内对其进行了实体灭火试验。

图3 图4
试验结果均表明，IFEX3000型脉冲式灭火技术能够迅速扑灭火灾，用水量与常规水喷淋相比，可节省用水量的95%，并能迅速净化空气和保护环境。其脉冲设
备及其移动式灭火系统如图3、图4所示。目前该系统在德国、瑞典、挪威等国的隧道已经得到应用。
芬兰Marioff公司的Hi-Fog系列细水雾灭火系统自1996年开始，就已在西班牙、英国、澳大利亚等国的地铁交通中推广细水雾的应用。到2003年，在西班牙马德里地铁、英国伦敦地下交通中，分别都已安装了超过300个独立的细水雾保护系统，保护区域包括地铁列车、电梯、地铁控制室及地下零售商店。马德里城市安全部门官员评价说：“细水雾是一种经济、友好、安全的灭火介质，不会像气体灭火剂那样受到太多的限制。同时，我们也发现，与传统水喷淋或雨淋系统相比，Hi-Fog系统需要最小的设计工序和市政工程造价，以及简易的维护要求。我们选择Hi-Fog，因为它已经证实具有良好的灭火性能，能够有效吸收烟气和最重要的一个原因——最低的长期代价。”Marioff公司也正计划将细水雾系统应用于铁路和公路隧道。
奥地利Hainzl工业公司以其对细水雾灭火技术将近20年的研究基础，研制了适用于铁路隧道的灭火系统。在对世界各地隧道内发生的重大火灾爆炸事故进行彻底全面调查后，欧盟隧道交通安全委员会于1999年5月决定在铁路隧道内通行的穿梭式列车上，全部配备和安装由奥地利该公司设计生产的AQUASYS牌自动水雾消防系统，这种消防设备的最大优点是，车辆在隧道内发生火灾的一瞬间，会立即启动，喷出高压水雾，笼罩火源，急剧降低火源及其四周的温度，有效控制火源升温和火势蔓延的速度，为消防队员及时赶到出事现场争取宝贵的时间。试验表明，该系统能符合重载车辆火灾（80～100kW）的扑救要求。
在电缆隧道的火灾防治中，Hi-Fog、Fogtec、Securiplex等公司的细水雾灭火系统也都已发挥了重要作用。图5给出了细水雾扑灭电缆隧道火灾的过程，可以看出，细水雾作用之后，电缆受火灾的破坏及水渍影响比较小。

图5
但目前在国内的隧道安全防治中，还未有细水雾灭火系统的应用。因此，结合隧道火灾自身的特点及细水雾技术在其防治中的优势，细水雾灭火系统在隧道火灾防治方案中应当具有重要的推广意义和应用价值。
结论
细水雾在隧道火灾安全的防治中具有其独有的优势。针对隧道火灾的特点，在技术上进行创新，能够使这一清洁、高效的新型灭火技术很好地应用于隧道火灾的防治。细水雾灭火系统在国外的隧道火灾防治中已经得到了较为广泛的应用，并取得了明显的效果。但是，细水雾在隧道条件下的灭火机理性研究尚开展的不够深入，这在一定程度上限制了其技术优势的发挥，因此有必要在这方面进行加强。

参考文献
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4.铁路隧道消防技术研究十年回顾. 慧聪消防商务网
5.Fire protection of metro systems, 6th Asia-Oceania Symposium on Fire Science and Technology, Korea, 861-862, 2004.

（中国科学技术大学 火灾科学国家重点实验室，合肥 230026）朱 伟 曾德云