浅述城市综合管廊消防标准及火灾研究

时间：2024-10-09

摘要:为系统把握当前消防标准化及火灾研究工作的成果及其不足，简述城市综合管廊基本概念，回顾国内外综合管廊发展历程，分析综合管廊火灾危险性，论述综合管廊火灾与交通隧道火灾的区别;从基础问题和实践应用2个层面，综述综合管廊火灾研究的成果和总体进展;总结国内外消防设计规范要求的差异和国内标准的发展情况，全面展望未来综合管廊火灾研究方向。研究结果表明:基础问题的研究方法以借鉴交通隧道领域为主，研究内容有局限性，研究课题间联系不紧密;实践应用研究局限于工程经验探讨，消防规范普遍缺乏专项标准。

关键词:城市综合管廊;消防标准;火灾研究;消防设计;交通隧道

0引言

城市综合管廊作为一类集约使用的新型隧道，提供了**管线可持续发展的新途径，但其潜在的火灾危害也不容小觑。近年来发生了多起综合管廊火灾案例，如日本世田谷电缆管廊因用火不慎酿成火灾;韩国1994—1997年发生4起线缆故障短路引发管廊火灾事故。

鉴于此，首先从综合管廊基本概念、发展历程和火灾危险性3个角度简述本文研究对象，接着通过对比交通隧道火灾问题，**综合管廊火灾问题的特殊性。然后从基础问题和实践应用2个层面，综述综合管廊火灾研究的*新成果和总体进展;总结国内外消防设计的规范要求与发展情况。*后提出当前综合管廊火灾研究的不足，展望未来的研究方向，以期为管廊消防规范体系建设、开展实践应用研究，以及**城市生命线长治久安提供参考。

1城市综合管廊的概念

综合管廊定义为建于城市地下用于容纳2类及以上城市工程管线的构筑物及附属设施，一般容纳的**管线有供水管道(包括给水管道、中水管道和消防管道)、排水管道(包括雨水管道和污水管道)、燃气管线、电力电缆、通信电缆和热力管道等。

2城市综合管廊的发展

建设综合管廊来整合**设施*早可追溯到罗马帝国时代，当时的工程师将给水管线和污水系统合并设置。该设计理念此后被忽视，直到19世纪法国将巴黎的**设施改造成可容人通过的隧道，同时容纳多种管线，现代管廊系统的雏形由此诞生。此后综合管廊在**得到飞速的发展。张竹村梳理了世界综合管廊发展史后总结出3个阶段及其特点，我国综合管廊建设也经历了4个阶段。

3城市综合管廊的火灾危险性

根据综合管廊灾害事故统计，地震和火灾是其面临的2大主要灾害。潜在的火灾危险类型主要有电力电缆火灾、燃气火灾和污水管道火灾等。基于综合管廊火灾案例研究，发现综合管廊内起火原因多样，通常有电气火灾(短路、接触不良、线路超负荷和漏电)、明火火灾(人为入侵、非标准化作业)和可燃物泄漏火灾。综合管廊火灾特点为:可燃物种类多，数量大，燃烧时间长;空间受限，燃烧过程复杂;火场环境恶劣，扑救困难;影响范围广。

4城市综合管廊火灾研究进展

4.1基础问题研究

4.1.1综合管廊火灾问题的特殊性

近年来，针对综合管廊火灾问题的研究刚起步，而之前国内外学者已在相关的电力电缆燃烧特性及行为和隧道火灾动力学等方向开展了丰富的研究，取得了丰硕的研究成果。对隧道火灾的研究，着重于交通隧道火灾领域，其中封堵隧道火灾这类场景与综合管廊存在相似之处，但综合管廊作为一类特殊的**隧道，与隧道在以下方面仍有所区别。

1)管廊结构。综合管廊的断面尺寸相比公路隧道通常更小，我国每个舱室根据规范划分为多个不超过200m的防火分区，因此，综合管廊内会存在封堵端墙。

2)可燃物种类及布置。管廊内可燃物如高压电缆和通信线缆，一般自顶棚至地面以一定间距成层布置，诱发强羽流撞击顶棚的热物理现象以及蔓延扩大。交通隧道内的交通工具发生火灾，一般更贴近地面。

4.1.2综合管廊火灾研究现状

近2年，在国内外研究者的持续推动下，深层次研究自动灭火系统、通风排烟、探测报警、燃气爆炸及基础火灾动力学。

自动灭火系统的研究基本以数值模拟研究为主，实体试验作为验证。细水雾系统优异的灭火效果和避免2次污染的优势得到了理论和试验的多次论证。需要强调的是，火灾时保持通风会影响细水雾系统灭火能力，促进火源区的空气补充。细水雾系统灭火时也会使管廊顶棚烟气浓度增加，降低烟气层高度，需避免强行抢修。

事故中通风模式研究中，刘浩男等认为，管廊火灾临界风速符合烟气逆流长度经典经验公式。也有学者从烟气层的温度和一氧化碳浓度角度判定当换气率达到11.8次/h时，烟气层具有足够的稳定性，不会对人造成很大伤害，风速达到5m/s时，会出现吸穿现象；如果关闭防火门，则机械进、排风模式是*佳安全模式，如打开防火门，则自然进风、机械排风模式*安全。在电力舱事故后排烟研究中，郝冠宇论证了综合管廊灭火采用密闭自熄的方式是有效可行的；1进1排比1进2排的模式有利于提高排烟效果。陈立清建议采用机械进风和排风或采用自然进风\机械排风。工程实践中，黄胜元等提出非燃气舱将2个防火分区作为独立通风区间的方案，减少地面通风口数量，降低工程造价，减小日常维护管理，但未作试验论证。

4.1.3我们的相关研究

通过近年来的研究，取得的主要成果包括:

1)自行研制1∶8城市综合管廊火灾试验平台。

2)自主发明了1种热烟试验发烟系统和1种基于光流技术的烟气二维速度场测量方法。

3)研究了管廊常用10kV阻燃电缆的燃烧特性及行为，定量分析了管廊内燃烧强化现象。

4)建立了顶棚射流*高温度的纵向衰减预测模型，并重新判定了Delichatsios高估的斯坦顿数;数学表征了竖直温度分布的自相似性;整合2个维度(纵向、竖向)，建立了综合管廊火灾强羽流驱动的顶棚射流二维温度场的经验性预测框架。

5)针对一端强制通风导致火源的热释放速率增大的现象，开展了考虑环境风下羽流特性的综合管廊事故中排烟模式的优化研究和事故后排烟模式研究，实践论证了相邻2个防火分区设置通风区间的可行性。正在进行和未来的研究方向包括:密闭环境下的电缆火灾动力学、通风等边界条件介入后的较端火行为、综合管廊*优通风排烟策略及智能化控制、综合管廊机器人智慧探测方法等。

4.2实践应用研究

1999年，CANTO-PEＲELLO等梳理了综合管廊的发展历史，探讨了管廊在可持续发展中的关键作用和可行性。同时提出管廊日常运营时在消防安全方面需要注意的要求。随后，建立了一种结合彩色编码尺度、德尔菲法和层次分析法的*系统，为管线的安全系统规划决策提供支持。

管廊发展初期，工程师也从自身经验对消防设计提出意见:在初期火灾时可设置灭火器配置点，还可配置推车式干粉灭火器进行防护冷却灭火;提倡使用高压细水雾系统保护电缆。2012年，综合管廊国家标准、发布前(尽管其对消防系统要求条文也比较简单，依赖设计者自己分析把握)，对于消防灭火系统各地的消防审批部门有不同的做法，防火分区甚至有划分到300～900m。

综合管廊自动灭火系统通常有水喷雾、细水雾、超细干粉、气溶胶等多种。目前有2大趋势:

用超细干粉灭火系统取代传统S型气溶胶;

②高压细水雾灭火系统取代水喷雾灭火系统。TOMAＲ同样认为技术性能高压细水雾具备优势，目前争议点在于1套系统到底能保护多少个防护区。

监控与探测方面，越来越多的学者和设计单位考虑选用光纤传感技术。1997年，ISHII等论证了管廊内应用光纤进行温度探测的可行性。王鹏等认为如考虑温度报警及时性及规范支持，使用光纤光栅测温技术;如更多考虑报警准确性、可靠性及后期维护费用，建议使用分布式光纤测温;如考虑初始造价，建议采用感温电缆。戴文涛建议电力舱接头区采用非接触缆式线型感温火灾探测器;谢军提出综合管廊群监控概念。

未来的管控需要应用物联网、人工智能、建筑信息模型、地理信息系统、云计算、大数据等新技术，搭建实时共享、仿真及分析功能的综合管廊可视化管理平台，纳入智能消防应急疏散系统，开发巡检机器人补充甚至代替人员巡检。

5城市综合管廊消防规范要求

我国在统筹、指导新建、扩建和改建的综合管廊指南是《城市综合管廊工程技术规范》(GB50838—2015)(简称新版)。在消防安全方面，相对于《城市综合管廊工程技术规范》(GB50838—2012)(简称旧版)，新版规定更明确，同时体现了规划**、适度超前、因地制宜、统筹兼顾的原则。

世界范围内，综合管廊的消防设计应根据国情和实践情况研究制定，当涉及具体消防设计时，不同的规范要求，乃至工程实施存在较大差异。在结构设计上，类似我国要求，西班牙Lezkairu综合管廊工程、卡塔尔Lusail城市综合管廊采用防火墙结合防火门划分防火分区。但Lezkairu管廊分区长度达到400m;韩国20世纪建造的管廊甚至不设防火分区，某些研究者提出的建议也是*低500m。阿布扎比管廊设计手册指出防火墙的设置根据地方当局的要求，可能需要，并非强制。中国闽台的《共同管道工程设计规范》也未对设置防火分区作出明确要求。通风排烟设计上，我国推拉型纵向通风方式与日本的要求以及其他多数国家的实际案例基本一致。印度不设置防火分区，采用更为经济的射流风机形式。相比我国执行事故后机械排烟，西班牙、马来西亚则依据烟气探测自动触发排烟系统，进行火灾事故中排烟。Lezkairu管廊要求排烟风机在400℃以内持续工作2h。

近年来，我国连续发布了《城市工程管线综合规划规范》、《城镇综合管廊监控与报警系统工程技术标准》、《城市地下综合管廊建设规划技术导则》和《城市地下综合管廊运行维护及安全技术标准》，与此同时，一些行业协会，如中国工程建设标准化协会牵头制定《城市地下综合管廊管线工程技术规程》、《装配式钢结构地下综合管廊工程技术规程》也正在编制，推动综合管廊规范化进程。中国工程协会也立项了《城市综合管廊消防设施技术规程》和《城市综合管廊通风设施技术规程》等专业标准编制。

地方层面，各省级甚至地级市建设部门都在修订适宜当地实施的综合管廊规程，统计见表1。

表1我国地方综合管廊工程设计地方标准

*近，海南省和深圳市分别颁布了《城市综合管廊消防安全技术规程》、《城市综合管廊消防系统工程技术规范》(征求意见稿)，这是目前仅有的专业消防规范。

6研究不足与展望

综合管廊火灾研究在各国学者的紧密推动下，已经取得了初步的成果，相关消防标准的制定也具备一定的发展，其中存在的不足分析如下:

1)综合管廊的基础火灾问题的研究思路以借鉴传统交通隧道的成果为主，适用性很少得到充分的论证，研究内容还停留在对防灭火效果的验证、比选以及模型修正阶段，缺乏对综合管廊火灾态势演化机制的新理论支撑，没有形成系统、严密、完善的工程指南。

2)综合管廊的实践应用研究很大程度依赖于工程师的设计经验，缺乏可供参考的综合管廊试验数据支持，也鲜有*新信息技术的应用。消防工程设计中出现的难题很少得到基础科学研究领域的关注。

3)综合管廊特殊部位的火灾问题很少受到关注。

4)综合管廊的消防规范标准不完善，专业消防规范十分有限。

着眼于这些研究存在的不足和当下综合管廊消防标准进程的思考，笔者认为未来的研究应着重考虑以下方向:

1)综合管廊结构标准段优化。主要包括管廊标准段的截面，扩大防火分区和扩大通风分区，对于圆形、矩形截面的管廊研究不能互相套用结论。是否存在一个高度、宽度范围，可继续挖掘。防火分区的扩大，需要全面综合考虑，扩大、合并通风分区，开启通风区间中间的逃生井盖作为火灾临时自然进风口，如何改进能够充分满足消防排烟要求还需要研究探讨。

7 AcrelEMS-UT综合管廊能效管理平台

(1)平台概述

AcrelEMS-UT综合管廊能效管理平台集电力监控、能源管理、电气安全、照明控制、环境监测于一体，为建立可靠、安全、高效的综合管廊管理体系提供数据支持，从数据采集、通信网络、系统架构、联动控制和综合数据服务等方面的设计，解决了综合管廊在管理过程中存在内部干扰性强、使用单位多及协调复杂的根本问题，大大提高了系统运行的可靠性和可管理性，提升了管廊基础设施、环境和设备的使用和恢复效率。

(2)平台组成

安科瑞城市地下综合管廊能效管理系统是一个深度集成的自动化平台，它集成了10KV/O.4KV变电站电力监控系统、变电所环境监控系统、智能马达监控系统、电气火灾监控系统、消防设备电源系统、防火门监控系统、智能照明系统、消防应急照明和疏散指示系统。用户可通过浏览器、手机APP数据，通过一个平台即可全局、整体的对管廊用电和用电安全进行进行集中监控、统一管理、统一调度，同时满足管廊用电可靠、安全、稳定、高效、有序的要求。

(3)平台拓扑图

(4)平台子系统

1）电力监控

电力监控主要针对10/0.4kV地面或地下变电所，对变电所高压回路配置微机保护装置及多功能仪表进行保护和监控，对0.4kV出线配置多功能计量仪表，用于测控出线回路电气参数和用能情况，可实时监控高低压供配电系统开关柜、变压器微机保护测控装置、发电机控制柜、ATS/STS、UPS，包括遥控、遥信、遥测、遥调、事故报警及记录等。

2）环境监测

环境监测包括温湿度、烟感温感、积水浸水、可燃气体浓度、门禁、视频、空调、消防数据的采集、展示和预警，同时也可接入管廊舱室内的水泵和通风排烟风机等设备集成的第三方系统完成管廊环境综合监控。

3）马达监控

马达监控实现对管廊电机的保护、遥测、遥信、遥控功能，实现对电机过载、短路、缺相、漏电等异常情况的保护、监测和报警。在需要的情况下可以设置联动控制。

结语

综合管廊火灾问题的特殊性对火灾防治提出了新的挑战。在传统交通隧道火灾研究的经验和思路指导下，现阶段已经初步建立起涵盖自动灭火、通风排烟、探测报警、燃气爆炸及火灾动力学等专题的新领域研究框架。

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