何潇剑
(中铁隧道勘测设计院有限公司， 天津 300133)
摘要：目前国内公路隧道消防技术标准尚不完善，为了更好地满足国内公路隧道消防灭火系统的设计，为以后相关规范的制定、工程的实施提供参考，调查研究了国内外公路隧道消防灭火系统的设置情况，依据国内外公路隧道消防技术标准规范、工程案例、实体火灾试验，分类提出了我国公路隧道应设置的消防灭火系统。
关键词：公路隧道； 标准规范； 火灾试验； 消防灭火系统
近年来，伴随着我国国民经济的快速发展，基础设施建设在不断推进。截至2015年末，全国共有公路隧道14 006条、1 268.39万m，其中，特长隧道744条、329.98万m，长隧道3 138条、537.68万m。公路隧道的修建极大地方便了人们的出行，但同时随着公路隧道数量和里程的不断增加，火灾风险也在逐步增大。如2008年京珠高速大宝山隧道火灾，致2人死亡，隧道结构严重损坏；2010年无锡惠山隧道火灾，致24人死亡、9人受伤、客车烧毁；2014年山西晋济高速岩后隧道火灾，致31人死亡、9人失踪、42辆车烧毁，隧道结构局部剥落。
与国外发达国家相比，我国公路隧道具有起步晚、建设快、消防技术标准发展滞后的特点。截至目前，国家标准《公路隧道消防技术规范》尚未正式颁布；另一本国家通用标准GB 50016—2014《建筑设计防火规范》[1]仅对城市交通隧道消防设计进行了规定，对其他类型的隧道没有具体要求；交通运输部行业标准《公路隧道设计规范 第二册 交通工程与附属设施》[2]，在总则中强调“本规范适用于各等级公路的新建和改建山岭隧道”，其他类型的公路隧道消防设计如何执行，同样没有说明。此外，这2本现行标准对自动灭火系统的设置只字未提。鉴于此，需要梳理国内外公路隧道消防技术规范存在的差异，调查国内外公路隧道消防灭火设施现状，分析国内外公路隧道火灾试验结果，进而为我国公路隧道消防技术标准的制定以及公路隧道消防灭火系统的设计提供参考。
梳理国内外正式实施的公路隧道标准规范，在消防灭火设施方面，消火栓和灭火器是世界各国公路隧道标准规范中均要求设置的灭火设施，系统的设计参数也基本一致，对消火栓和灭火器的设置要求见表1。
公路隧道交通层是否应设置自动灭火设施，各国设计规范要求差异较大，目前国内外主要国家和地区公路隧道规范、标准对设置自动灭火系统的要求见表2。
表1 国内外公路隧道标准、规范对设置消火栓和灭火器的要求
Table 1 Specifications, setting parameters and requirements of fire hydrants and fire extinguishers of highway tunnels in China and abroad
国家/地区规范标准名称是否设置设置参数和要求国外NFPA502等是 国外规范普遍要求隧道内消火栓用水量为1000～2000L/min,出水口压力不大于0.5～1.0MPa;灭火器采用ABC干粉灭火器,设置最小距离为50m中国《建筑设计防火规范》是 隧道内消火栓用水量不应小于20L/s(即1200L/min),长度小于1000m的隧道可为10L/s(即600L/min);灭火器采用ABC干粉灭火器,设置间距不应大于100m中国 《公路隧道设计规范第二册交通工程与附属设施》是 隧道内消火栓用水量不小于15L/s(即900L/min),出水口压力大于0.5MPa时应设置减压措施;灭火器宜选用磷酸铵盐干粉灭火器,单侧设置间距不应大于50m
表2 国内外公路隧道标准、规范对设置自动灭火系统的要求
Table 2 Specifications, setting types and requirements of automatic fire extinguishing systems of highway tunnels in China and abroad
国家/地区规范标准名称是否设置设置类型和要求日本 《设计原则第三卷(隧道)第四部分:隧道安全设备》是 隧道长度在3km以上、交通量大于4000辆/d的A类双向隧道;AA类隧道需要设置水喷雾系统澳大利亚《公路隧道消防安全导则》是 优选开式水喷淋系统,灭火系统延迟30～60s;如果设置泡沫灭火系统,要基于火灾预期来确定泡沫液和水的持续时间美国NFPA502推荐 对隧道内设置水基固定灭火系统的安装进行了推荐,并未强制要求采用何种固定灭火系统奥地利《公路设计导则和规程》是水喷淋系统,采用人工启动中国《建筑设计防火规范》未要求对是否设置自动喷水灭火系统没有要求中国 《公路隧道设计规范第二册交通工程与附属设施》未要求 A+、A级公路隧道需设置固定式水成膜泡沫灭火系统;对是否设置自动灭火系统未要求中国云南 《公路隧道消防设计施工管理技术规程》未要求 一级隧道应设置固定式水成膜泡沫灭火装置,对是否设置自动灭火系统未要求中国上海《道路隧道设计规范》是 一级隧道需设置泡沫-水喷雾联用系统;二级隧道需设置水喷雾系统或泡沫-水喷雾联用系统;三级和四级隧道应设泡沫消火栓中国湖南《公路隧道消防技术规范》是 消防安全等级为Ⅰ级的行车主隧道应设泡沫喷淋系统或细水雾;消防安全等级为Ⅱ级的行车主隧道宜设泡沫喷淋系统或细水雾
国外主要发达国家公路隧道标准规范通常要求隧道内设置自动灭火系统，日本和澳大利亚在规范中已明确要求，美国虽未强制要求，但也在规范中进行了推荐[3]。目前，欧洲国家通过《隧道用水基灭火系统工程指南》[4]也在积极倡导设置自动灭火系统。
我国国家标准《公路隧道消防技术规范》尚未正式颁布，行业标准对设置自动灭火系统也未做具体要求，仅有中国上海和湖南2项地方标准对设置自动灭火系统进行了要求[5-7]。
调查国内外公路隧道标准规范对消防灭火设施的设计要求在实际工程中的执行情况，发现： 国内外公路隧道均严格按照规范要求设置了灭火器和消火栓，国外主要发达国家按照规范要求(或建议)在公路隧道中设置自动灭火系统也比较普遍；中国公路隧道一般分为山岭隧道和水下隧道2类，山岭隧道均未设置自动灭火系统，即使是我国最长的秦岭终南山隧道(长18.02 km)，也仅设置了固定式水成膜泡沫灭火系统，而水下长大隧道通常设置自动灭火系统。国内外公路隧道设置自动灭火系统统计见表3。
日本是最早在公路隧道中设置自动灭火系统的国家，也是设置数量最多的国家；澳大利亚地理环境多是平原，公路隧道总数量不多，长大或者交通繁忙的公路隧道均设置了自动灭火系统；欧洲国家共同开展的UPTUN项目，推动了自动灭火系统在新建隧道中的普遍应用；美国有特殊保护目的的隧道部分设置了自动灭火系统，比如通过危化物品的公路隧道设置泡沫水喷雾系统。我国水下隧道多为城市交通隧道，交通流量大，火灾隐患多，疏散救援困难，火灾后果严重，一旦发生崩塌，灾后修复将变得异常困难，因此普遍设置自动灭火系统。
表3 国内外公路隧道设置自动灭火系统统计[8]
Table 3 Statics of automatic fire extinguishing systems of highway tunnels in China and abroad[8]
国家/地区自动灭火系统类型控制方式典型隧道日本 120多条公路隧道设置了水喷雾系统;部分公路隧道设置了泡沫-水喷雾联用系统 控制室人员确定火灾发生后,人工远程控制 日本板隧道设置水喷雾系统;东京湾隧道设置泡沫-水喷雾联用系统澳大利亚19座公路隧道设置了自动喷水灭火系统 控制室人员确定火灾发生后,人工远程控制悉尼海底隧道设置自动喷水灭火系统欧洲 2005年以后许多新建隧道均设置了高压细水雾系统 控制室人员确定火灾发生后,人工远程控制 奥地利Mona-lisa和Alpineg公路隧道、瑞典至丹麦Oereundslink海底隧道均设置了高压细水雾系统美国 3座公路隧道设置了水喷淋系统;6座隧道设置了泡沫水喷雾系统 控制室人员确定火灾发生后,人工远程控制 炮台街公路隧道设置水喷淋系统;西雅图I-90公路隧道设置泡沫水喷雾系统中国 10多条水下隧道设置了泡沫水喷雾系统;近10条水下隧道设置了水喷雾系统 控制室人员确定火灾发生后,人工远程控制 上海长江隧道设置泡沫水喷雾系统;长沙营盘路隧道设置水喷雾系统
国内外公路隧道发生的多起火灾案例也证实了设置自动灭火系统的必要性。如： 1979年7月日本坂隧道发生特大火灾，火灾持续160 h，致使189部车辆烧毁、7人死亡、1人受伤，而隧道修复仅耗时35 d，事后推测因隧道设置了水喷雾系统，才使隧道顶部结构因火灾导致的剥落很薄[9]；2008年3 月墨尔本的BURNLEY连接隧道发生火灾，导致4辆重载汽车燃烧、3人死亡，但火势在几min内被喷淋系统控制，在火灾发生后不到24 h即恢复运营,喷淋系统在控制并扑灭隧道火灾方面发挥了重要作用。
在总结国内外公路隧道火灾事故原因时，发现主要有以下几种情况： 1)车辆本身故障引起火灾； 2)车辆交通事故火灾； 3)车上货物起火引起火灾； 4)其他如电器设备故障、线路老化等引起火灾。根据调查可知，隧道内主要发生的火灾类型为A、B类火灾，B类火灾更为突出。针对公路隧道的事故原因和火灾类型，国内外开展了各具特色的实体火灾试验，灭火器和消火栓的灭火效能已在世界范围内得到了认可，不再对其火灾试验进行赘述。本文调查了部分自动灭火系统实体火灾试验，见表4。
根据实体火灾试验结果，对自动灭火系统的综合性能进行定性比较，见表5。
表5未列出各个灭火系统对人员疏散的影响，因为目前国内外公路隧道中设置的自动灭火系统控制方式为“火灾监控系统报警，工作人员确认火灾后，控制室内远程控制自动灭火系统开启”，这种控制方式可以避免因误报警而开启自动灭火系统，同时可根据火灾周围人员的疏散情况，适时开启自动灭火系统，对人员疏散基本无影响。
表4 国内外部分公路隧道火灾试验统计[10]
Table 4 Highway tunnel fire tests in China and abroad[10]
国家/地区试验地点火灾类型自动灭火系统类型试验参数试验结果日本正在运营中的隧道 5kW汽油火灾,公交车火灾水喷雾系统喷水强度6mm/min 隧道内的空气温度迅速降为正常值荷兰荷卢隧道 装载木垛的货车、运输车,铝车厢的货车水喷淋系统 喷水强度12.5mm/min,2个防火分区分别为17.5m和20m 上下游的空气温度迅速从250～350℃降至20～30℃,有效地阻止了着火车辆蔓延至其他车辆美国Memorial隧道 10、20、50、100kW柴油火 泡沫-水喷淋联用系统 喷水强度2.4～3.8mm/min 系统启动后,火灾在30s内被成功扑灭 欧洲UP-TUN项目 挪威Hobl隧道、意大利Virgolo隧道 25kW带防护的油池火和木垛火高压细水雾系统 系统动作后,高压细水雾能够减少火灾热释放速率40%～70%,降温效果显著中国 上海长江隧道全比例火灾试验 10kW和20kW油池火和木垛火 泡沫-水喷雾联用系统 喷水强度6.5L/(min·m2)(即6.5mm/min) 控火灭火效果明显,火场周围温度迅速降低
表5 国内外公路隧道自动灭火系统性能比较
Table 5 Comparison among different automatic fire extinguishing systems of highway tunnels
系统名称灭火机制灭火效果降温冷却效果系统复杂程度生命周期成本水喷淋灭火系统冷却、窒息一般一般简单低水喷雾灭火系统冷却、窒息一般较好较复杂一般高压细水雾灭火系统冷却、窒息、辐射热阻隔较好好一般高泡沫水喷雾灭火系统冷却、窒息、辐射热阻隔好较好复杂较高
总结国外公路隧道标准规范、工程案例和火灾试验，设置水喷淋、水喷雾、细水雾的国家设置这一系统的目的并非扑灭火灾，而是在于控制火灾规模，降低火场温度，保护隧道主体结构安全；而最终扑灭火灾需要消防队等外部救援力量的参与。作者认为这与欧美澳国家人口少，隧道交通量小，消防救援速度快有关。日本部分隧道设置泡沫水喷雾系统，是因为这些地区人口密集，交通流量大，消防队难以及时到达，因此需要增强自救能力。
国内公路隧道消防灭火系统如何设计，应采用哪种类型的消防灭火系统，通过上述章节的调研，需要对《建筑设计防火规范》和《公路隧道设计规范 第二册 交通工程与附属设施》这2本标准未涉及到的自动灭火系统进行必要的补充。对表5进行分析： 水喷淋灭火系统性价比不高，不建议采用；高压细水雾灭火系统设备价格太高，其中除不锈钢管道国内可以生产外，其余设备都需依赖进口，要将其规模化地应用到国内公路隧道中目前还比较困难；水喷雾灭火系统灭火效果一般，需要依赖外部救援力量，同时需要配套设置水成膜泡沫灭火装置，以加强对B类初期火灾的扑灭能力，降温控火效果比较好；泡沫水喷雾系统灭火效果好，火灾初期喷射泡沫灭火，之后喷射水喷雾降温，在特定情况下，是较为合适的公路隧道自动灭火系统。故国内公路隧道自动灭火系统适合采用水喷雾灭火系统或泡沫水喷雾灭火系统。
根据国内公路隧道的特点，结合本文的研究成果，对隧道内应设计的消防灭火系统分类提出如下建议。
1)山岭隧道。交通流量大、疏散救援迟缓困难、特长及长隧道消防灭火系统设计为消火栓系统+灭火器+泡沫水喷雾灭火系统；交通流量大、疏散救援迅速便捷、特长及长隧道消防系统设计为消火栓系统+灭火器+固定式水成膜泡沫灭火装置+水喷雾灭火系统；交通流量小、疏散救援迟缓困难、特长及长隧道消防系统设计为消火栓系统+灭火器+固定式水成膜泡沫灭火装置+水喷雾灭火系统；通行危险品运输车辆、特长及长大隧道消防灭火系统设计为消火栓系统+灭火器+泡沫水喷雾灭火系统；对其余中、短山岭隧道自动灭火系统的设置不做要求，但应按行业标准要求设置常规的消防灭火设施。
2)水下隧道。水下隧道的特点决定了其消防灭火系统应严于山岭隧道，火灾工况下应立足于自救，主动扑灭火灾，在保障人身安全的同时，强化对主体结构的保护。故特长隧道、长隧道及中隧道消防灭火系统设计为消火栓系统+灭火器+泡沫水喷雾灭火系统，当隧道内设置单独的电缆通道时，电缆通道宜增设高压细水雾灭火系统。短隧道疏散救援一般不存在问题，可不设自动灭火系统，但应设置常规的消防灭火设施。
3)城市交通隧道。城市交通隧道比较复杂，水下城市交通隧道可按上述水下隧道进行消防系统设计，其余隧道可适当降低要求，但设计标准不应低于山岭隧道。
通过调研发现，除部分水下隧道外，国内公路隧道消防灭火系统水平整体偏低，在交通流量持续增长的情况下，存在不同程度的消防安全隐患。新建公路隧道的消防设计应综合考虑隧道类型、交通流量、疏散能力、救援水平以及地理位置等因素，选择合理适宜的消防灭火系统，以逐步提高公路隧道的消防安全设防水平。另外，限于篇幅，本文仅从宏观上提出了不同的公路隧道应设置的消防灭火系统，未对每个消防灭火系统的关键设计参数做更深入的探讨，建议设计人员在遵循现有标准规范的前提下，结合隧道类型、通行车辆、装修要求等对消防灭火系统做进一步的优化。
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Study of Optimization Design of Firefighting System of Highway Tunnel
HE Xiaojian
(China Railway Tunnel Survey & Design Institute Co., Ltd., Tianjin 300133, China)
Abstract：At present, the national firefighting standards of highway tunnel are not perfect in China. The state-of-the-art of firefighting system of highway tunnels in China and abroad are studied, so as to improve the firefighting system of highway tunnels in China. The setting principles of firefighting system of highway tunnels in China are proposed according to study of technical firefighting specifications, project cases and fire tests in China and abroad.
Keywords：highway tunnel; specification; fire test; firefighting system
收稿日期：2016-10-09;
修回日期：2017-01-10
作者简介：何潇剑(1986—)，男，天津人，2007年毕业于兰州交通大学，给水排水工程专业，本科，工程师，现从事轨道交通、公路隧道给排水及水消防的设计和研究工作。E-mail: 284614993@qq.com。
DOI：10.3973/j.issn.1672-741X.2017.04.017
中图分类号：U 459.2
文献标志码：A
文章编号：1672-741X(2017)04-0505-05
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