張 欣

(中遠海運科技股份有限公司， 上海 200135)

0 引 言

近年來，隨著越來越多的城市越江隧道建成通車，隧道泡沫水噴霧系統(tǒng)得到了大量應用。泡沫水噴霧系統(tǒng)具有水噴霧和泡沫滅火2種效用，能使燃燒物窒息、冷卻，防止火勢蔓延，大幅度提高對隧道內(nèi)易發(fā)生的A類火災和B類火災的滅火效能，為隧道內(nèi)的人員安全撤離和消防人員順利進入隧道救援贏得寶貴的時間，使救援工作順利進行。然而，由于在系統(tǒng)設(shè)計、實施和運行管理等方面存在不足，使得越江隧道泡沫水噴霧系統(tǒng)誤噴事件時有發(fā)生。例如，2019年11月上海周家嘴路越江隧道和2020年1月上海軍工路越江隧道發(fā)生了小范圍的泡沫水噴霧系統(tǒng)誤噴事件，因現(xiàn)場應急處置得當，未出現(xiàn)人員傷亡和財產(chǎn)損失。泡沫水噴霧系統(tǒng)誤噴事件的發(fā)生引起了相關(guān)管理單位的高度重視。

鑒于此，本文結(jié)合泡沫水噴霧系統(tǒng)的部署和工作原理，對該系統(tǒng)在運行過程中存在的問題進行分析。在此基礎(chǔ)上，闡述誤噴現(xiàn)象對越江隧道日常運行管理的影響，并提出優(yōu)化措施，供后續(xù)泡沫水噴霧系統(tǒng)在隧道內(nèi)的建設(shè)和運行參考。

1 泡沫水噴霧系統(tǒng)的部署和工作原理

1.1 系統(tǒng)部署

越江隧道泡沫水噴霧系統(tǒng)主要由泡沫水噴霧控制箱、泡沫水噴霧噴頭、供水泵、供泡沫液泵、泡沫液儲罐、供水管道、供泡沫液管道和水泵接合器等組成(見圖1)，主要部署在越江隧道上層和下層車道，包括暗埋段和盾構(gòu)段，每組間距25 m。每組泡沫水噴霧系統(tǒng)都由泡沫水噴霧控制箱、泡沫水噴霧噴頭和微量排氣閥組成。越江隧道行車道單側(cè)布置的泡沫水噴霧控制箱示意見圖2，主要由雨淋閥、壓力開關(guān)、電磁閥、信號蝶閥、比例混合器、過濾器和支管等組件構(gòu)成。每隔5個泡沫水噴霧箱設(shè)置1個檢修蝶閥。越江隧道行車道單側(cè)布置有遠近泡沫水噴霧噴頭，2個噴頭的間距不大于3.6 m。

圖1 越江隧道泡沫水噴霧系統(tǒng)示意

圖2 越江隧道行車道單側(cè)布置的泡沫水噴霧控制箱示意

此外，越江隧道西岸工作井消防泵房和東岸工作井消防泵房各設(shè)置有2臺泡沫泵(1用1備)、2臺水噴霧泵(1用1備)和2臺水噴霧穩(wěn)壓泵(1用1備)。隧道內(nèi)DN200水噴霧總管和DN65泡沫總管與工作井消防泵房出水管接通，形成安全可靠的給水系統(tǒng)。

1.2 工作原理

泡沫水噴霧系統(tǒng)是城市越江隧道消防給水滅火系統(tǒng)的重要組成部分，設(shè)置有應急機械啟動、手動控制和自動控制等3種控制方式。在自動控制方式下，泡沫水噴霧系統(tǒng)與同步配置的火災自動報警系統(tǒng)(Fire Alarm System, FAS)協(xié)同工作。在火災工況下，通過報警信號及時發(fā)現(xiàn)并定位起火區(qū)域，經(jīng)火災報警主機實施邏輯判斷之后，根據(jù)聯(lián)動控制策略啟動起火區(qū)域的泡沫水噴霧滅火設(shè)施。

自動控制方式下越江隧道泡沫水噴霧系統(tǒng)與FAS聯(lián)動控制工作原理見圖3。當火災發(fā)生時，安裝在越江隧道行車道內(nèi)的雙波長火災探測器、手動火災報警按鈕和光纖感溫火災探測器的報警信號通過總線的方式傳輸給火災報警主機，火災報警主機對接收到的報警信號進行邏輯判斷，滿足“與”邏輯之后，按設(shè)定的聯(lián)動控制策略啟動起火區(qū)域內(nèi)相鄰的2組雨淋電磁閥和泡沫電磁閥，隨后雨淋報警閥開啟，進行噴射滅火，同時壓力開關(guān)動作信號傳輸給火災報警主機，火災報警主機啟動水噴霧泵和泡沫泵。壓力開關(guān)、信號蝶閥、水噴霧泵及其穩(wěn)壓泵、泡沫泵和水流指示器動作信號反饋給火災報警主機。

圖3 自動控制方式下越江隧道泡沫水噴霧系統(tǒng)與FAS聯(lián)動控制工作原理

2 泡沫水噴霧系統(tǒng)運行中潛在的問題

以上海周家嘴路越江隧道內(nèi)安裝的泡沫水噴霧系統(tǒng)為例，該系統(tǒng)在無火災發(fā)生的情況下出現(xiàn)了誤噴現(xiàn)象。針對該問題，作以下分析。

2.1 問題描述

在泡沫水噴霧系統(tǒng)運行過程中，越江隧道監(jiān)控中心通過視頻監(jiān)控系統(tǒng)巡檢發(fā)現(xiàn)，西岸上層隧道暗埋段洞口處有近10組泡沫水噴霧噴頭噴水，但火災報警主機未顯示火警信號，經(jīng)視頻監(jiān)控系統(tǒng)復核之后確認是泡沫水噴霧系統(tǒng)出現(xiàn)了誤噴現(xiàn)象，隨即啟動應急預案，分別前往西岸上層隧道洞口和工作井消防泵房進行應急處理。

應急處理完畢之后，通過調(diào)閱工作井火災報警主機工作日志并比對信號反饋時間發(fā)現(xiàn)：

1) 火災報警主機未接收到誤噴范圍內(nèi)雙波長火災探測器、光纖感溫火災探測器和手動火災報警按鈕發(fā)出的火災報警信號；

2) 火災報警主機首先接收到西岸上層隧道洞口處1個泡沫水噴霧控制箱內(nèi)的壓力開關(guān)動作信號反饋，然后發(fā)出消防泵啟動信號，最后接收到誤噴范圍內(nèi)多個泡沫水噴霧控制箱內(nèi)的壓力開關(guān)動作信號反饋。

2.2 問題分析

通過對火災報警主機檢查結(jié)果進行分析，并對泡沫水噴霧系統(tǒng)和FAS設(shè)備進行全面檢查發(fā)現(xiàn)，引發(fā)該問題的主要原因是現(xiàn)場有1個泡沫水噴霧箱內(nèi)的壓力開關(guān)誤動作，造成水噴霧泵誤啟動，由于泡沫水噴霧系統(tǒng)設(shè)置的基礎(chǔ)工作壓力偏低，水噴霧泵誤啟動之后大幅度的水壓波動造成西岸上層隧道洞口泡沫水噴霧控制箱內(nèi)的雨淋閥閥腔內(nèi)外壓力失衡，雨淋閥被動打開，管網(wǎng)內(nèi)的水流通過噴頭向外噴灑。

為降低今后發(fā)生此類誤噴事件的概率，可通過對雨淋閥的工作原理和影響管網(wǎng)壓力的因素進行分析，采取相應的優(yōu)化措施。

2.2.1 雨淋閥工作原理分析

城市越江隧道內(nèi)常用的雨淋閥為隔膜式雨淋閥，主要由閥蓋、壓環(huán)、隔膜、閥瓣、閥座和閥體等部件組成。隔膜式雨淋閥利用隔膜運動實現(xiàn)閥瓣的啟閉，隔膜運動受隔膜兩側(cè)壓力控制，可分為角式和直通式。隔膜將閥分為控制腔、進水腔和出水腔等3個區(qū)域。

直通式隔膜雨淋閥工作原理示意見圖4，具體步驟為：

圖4 直通式隔膜雨淋閥工作原理示意

1) 向隔膜腔(控制腔)注水，注入隔膜腔的壓力水來自于供水控制閥(蝶閥)的上游；

2) 打開供水控制閥，讓水進入進水腔，這是雨淋閥的正常工作狀態(tài)，出水腔內(nèi)只有大氣壓；

3) 一旦釋放系統(tǒng)(雨淋電磁閥)動作，隔膜腔內(nèi)的水壓釋放，閥瓣打開，水流從進水腔進入出水腔;

4) 水流通過閥體流向管網(wǎng)，通過連接在管網(wǎng)上的噴頭噴出。

在正常工作狀態(tài)下，當發(fā)生火災時，該保護區(qū)域內(nèi)的探測器發(fā)出火災報警信號，信號傳輸給火災報警主機，火災報警主機接收到信號之后進行邏輯判斷，通過控制模塊向雨淋電磁閥發(fā)出24 V動作信號。此時，作為釋放系統(tǒng)的雨淋電磁閥開啟，雨淋閥隔膜腔內(nèi)的壓力水快速排出，水壓釋放，作用于閥瓣下部的水(進水腔)迅速推起閥瓣進入(出水腔)系統(tǒng)管路噴水滅火，同時水流進入報警管路，使水力警鈴發(fā)出報警聲，壓力開關(guān)動作，聯(lián)動消防水泵供水。

雨淋閥隔膜腔內(nèi)水壓的高低控制著雨淋閥的啟閉。在準工作狀態(tài)下，進水腔通過外部管道與隔膜腔連接，注入隔膜腔的壓力水與進水腔內(nèi)的壓力水相同，二者的水壓保持在同一水平。由于隔膜上受水作用面積是下受水作用面積的2倍，能保證雨淋閥具有良好的密封性，實現(xiàn)正常密封。

由雨淋閥的工作原理可知，保持雨淋閥前管網(wǎng)壓力穩(wěn)定對于保證雨淋閥正常工作而言意義重大。當水噴霧泵在準工作狀態(tài)下誤啟動時，閥瓣壓力失衡，導致閥瓣被動打開，進而造成系統(tǒng)誤噴。

2.2.2 影響管網(wǎng)壓力的因素分析

供水管網(wǎng)是泡沫水噴霧系統(tǒng)的重要組成部分。影響管網(wǎng)壓力的因素有很多，在系統(tǒng)運行和管理過程中應予以關(guān)注。管網(wǎng)壓力過高、過低或大幅度波動都會導致系統(tǒng)無法正常工作，難以滿足系統(tǒng)性能指標的要求。

2.2.2.1 泵的影響

由泡沫水噴霧系統(tǒng)的工作原理可知，該系統(tǒng)屬于開式自動滅火系統(tǒng)，雨淋閥前管網(wǎng)必須維持一定壓力的水，確保火災發(fā)生時能快速啟動。該項功能主要通過系統(tǒng)內(nèi)的穩(wěn)壓泵實現(xiàn)。

在準工作狀態(tài)下，無火災報警信號，水噴霧泵不運行，由水噴霧穩(wěn)壓泵直接控制供水管網(wǎng)壓力，保持雨淋閥前管網(wǎng)壓力穩(wěn)定。在進行系統(tǒng)設(shè)計時，泡沫水噴霧系統(tǒng)最不利點噴頭的壓力不小于0.35 MPa。設(shè)置在城市越江隧道內(nèi)的泡沫水噴霧系統(tǒng)的最不利點位于隧道暗埋段洞口處。因此，在準工作狀態(tài)下，設(shè)置水噴霧穩(wěn)壓泵將隧道暗埋段洞口處供水管網(wǎng)壓力保持在0.40 MPa左右。由于城市越江隧道特殊的建筑結(jié)構(gòu)，盾構(gòu)段江中心是整條隧道的最低點，該點的供水管網(wǎng)壓力在準工作狀態(tài)下保持在0.70 MPa左右。

在準工作狀態(tài)下，無火災報警信號，當水噴霧泵誤啟動時，越江隧道暗埋段洞口處供水管網(wǎng)壓力將突然增大至0.90 MPa以上。此時，與供水管網(wǎng)相連的雨淋閥進水腔的水壓已超過進水腔原來水壓的2倍，雖然進水腔通過外部管道與隔膜腔相連接，但隔膜腔內(nèi)水壓的變化速度遠不及進水腔內(nèi)水壓的變化速度，造成進水腔內(nèi)的水對閥瓣的壓力大于隔膜腔內(nèi)的水對閥瓣的壓力，導致閥瓣被動打開。

造成水噴霧泵誤啟動的原因有很多，包括人為操作失誤、現(xiàn)場泡沫水噴霧控制箱內(nèi)的部件發(fā)生故障和消防泵房控制柜內(nèi)的部件發(fā)生故障等。在系統(tǒng)實際運行過程中，應降低水噴霧泵誤啟動的概率。

2.2.2.2 聯(lián)動控制程序的影響

在編制FAS聯(lián)動控制程序時，在自動控制狀態(tài)下，程序默認只要現(xiàn)場泡沫水噴霧控制箱內(nèi)的壓力開關(guān)動作，就會聯(lián)動控制開啟所有消防泵，與壓力開關(guān)動作的數(shù)量和是否有火災報警信號輸入無關(guān)。這樣編制的聯(lián)動控制程序使得消防泵誤啟動的概率大大增大，一旦消防泵在準工作狀態(tài)下誤啟動，就會導致管網(wǎng)壓力急劇增加，若系統(tǒng)設(shè)置的基礎(chǔ)工作壓力偏低，會影響現(xiàn)場泡沫水噴霧控制箱內(nèi)雨淋閥的正常工作，造成誤噴。

3 誤噴對越江隧道日常運行管理的影響

3.1 對越江隧道通行車輛的影響

當隧道處于運營狀態(tài)時，若其內(nèi)部發(fā)生大范圍的誤噴，造成的后果是極其嚴重的。隧道內(nèi)的行車照明條件本來就不是特別理想，一旦發(fā)生大范圍的誤噴，駕駛?cè)藛T若無足夠的心理準備，很容易產(chǎn)生恐慌情緒，引起車輛操作失誤，造成車禍發(fā)生。同時，在誤噴狀態(tài)下，視線條件惡劣，容易引發(fā)車輛追尾事故，造成大量人員傷亡。

3.2 對越江隧道消防安全的影響

根據(jù)國外的隧道內(nèi)火災試驗報告，火災的影響范圍一般為20～30 m。在進行系統(tǒng)設(shè)計時，將1次保護距離定為50 m，即火災發(fā)生時只能同時有覆蓋著火點的相鄰2組泡沫水噴霧系統(tǒng)工作。當出現(xiàn)誤噴情況時，現(xiàn)場往往會同時有多組泡沫水噴霧系統(tǒng)被動工作，此時隧道內(nèi)一旦有火災發(fā)生，同時工作的泡沫水噴霧系統(tǒng)將遠超過2組，這將導致噴頭的出口流量減少。由于越江隧道內(nèi)的噴頭一般是單側(cè)布置的，原來理論上應覆蓋的車道范圍大大減小，可能出現(xiàn)起火點雖然在50 m保護范圍內(nèi)，但超出噴放覆蓋區(qū)域的情況，無法滿足隧道現(xiàn)場控制火勢范圍和及時滅火的要求。

4 優(yōu)化措施

通過對雨淋閥的工作原理和影響管網(wǎng)壓力的因素進行分析，從技術(shù)和維護管理2個方面入手提出相應的優(yōu)化措施。

4.1 技術(shù)措施

4.1.1 提高準工作狀態(tài)下雨淋閥前供水管網(wǎng)的基礎(chǔ)壓力

由雨淋閥的工作原理可知，原準工作狀態(tài)下隔膜腔的水壓與進水腔的水壓保持在同一水平，因為隔膜上受水作用面積是下受水作用面積的2倍，可實現(xiàn)密封。原準工作狀態(tài)下越江隧道暗埋段洞口處供水管網(wǎng)的壓力僅保持在0.4 MPa左右，當水噴霧泵誤啟動時，該處雨淋閥進水腔的水壓已超過進水腔原來水壓的2倍，導致閥瓣被打開。因此，可通過穩(wěn)壓泵將越江隧道暗埋段洞口處供水管網(wǎng)的壓力抬高，由原來的0.4 MPa左右抬高并保持在0.6 MPa左右，這樣即使水噴霧泵誤啟動，也不會造成大幅度的水壓波動，進水腔的水對閥瓣的壓力不會大于隔膜腔的水對閥瓣的壓力，閥瓣不會被打開。

若越江隧道暗埋段洞口處供水管網(wǎng)的壓力保持在0.6 MPa左右，隧道最低點處供水管網(wǎng)的壓力將達到0.9 MPa左右，可選擇在盾構(gòu)段供水管道增加減壓閥，緩解隧道最低點供水管網(wǎng)的壓力。

4.1.2 加強系統(tǒng)設(shè)施狀態(tài)監(jiān)測

城市越江隧道內(nèi)除了部署有消防給水系統(tǒng)和FAS以外，還部署有設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)(Building Automation System，BAS)等。BAS主要由通信服務器、操作工作站、工業(yè)以太網(wǎng)交換機和可編程邏輯控制器(Programmable Logic Controller，PLC)等設(shè)備組成，對隧道內(nèi)的消防給水、排水、通風、供電和照明等系統(tǒng)的狀態(tài)進行監(jiān)測和控制。

結(jié)合越江隧道BAS，加強對泡沫水噴霧系統(tǒng)設(shè)施狀態(tài)的監(jiān)控，主要從以下2個方面考慮：

1) 泡沫水噴霧系統(tǒng)中水噴霧泵及其穩(wěn)壓泵和泡沫泵為消防專用設(shè)備，自動啟動和啟動信號反饋由FAS完成，同時顯示在火災報警主機上。由于消防泵的其他狀態(tài)反饋信號(如故障信號等)往往不接入火災報警主機，而是在消防泵房本地控制柜上通過按鈕顯示，導致越江隧道監(jiān)控中心無法第一時間通過可視化軟件界面實時掌握設(shè)備的運行狀態(tài)。通過對影響管網(wǎng)壓力的因素進行分析可知，消防泵起到了至關(guān)重要的作用。因此，將工作井消防泵房內(nèi)消防泵的所有運行狀態(tài)反饋信號遠程接入BAS，反饋信號為無源開關(guān)量信號。當消防泵有故障信號和啟動信號反饋時，中心監(jiān)控軟件上立即顯示告警信號，使監(jiān)控人員能在第一時間響應，進行應急處理。

泡沫水噴霧系統(tǒng)消防泵狀態(tài)監(jiān)控界面見圖5；浦西工作井消防泵房水噴霧泵和穩(wěn)壓泵狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)見圖6；浦東工作井消防泵房水噴霧泵和穩(wěn)壓泵狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)見圖7。

圖5 泡沫水噴霧系統(tǒng)消防泵狀態(tài)監(jiān)控界面

a) 水噴霧泵狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)

b) 穩(wěn)壓泵狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)

a) 水噴霧泵狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)

b) 穩(wěn)壓泵狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)

2) 監(jiān)測泡沫水噴霧系統(tǒng)管網(wǎng)的壓力表一般設(shè)置在工作井消防泵房內(nèi)，這些壓力表無信號反饋觸點，導致越江隧道監(jiān)控中心同樣無法第一時間掌握管網(wǎng)的壓力情況。在泡沫水噴霧系統(tǒng)出水干管上增加電接點壓力表，輸出的壓力值通過485信號遠程接入隧道內(nèi)的BAS，在中心監(jiān)控軟件上進行實時顯示并告警。圖8為浦西工作井消防泵房管網(wǎng)壓力監(jiān)測數(shù)據(jù)；圖9為浦東工作井消防泵房管網(wǎng)壓力監(jiān)測數(shù)據(jù)。

圖8 浦西工作井消防泵房管網(wǎng)壓力監(jiān)測數(shù)據(jù)

圖9 浦東工作井消防泵房管網(wǎng)壓力監(jiān)測數(shù)據(jù)

4.1.3 改進聯(lián)動控制程序

除了依托BAS以外，還可優(yōu)化FAS聯(lián)動程序。原來的聯(lián)動控制程序表明，只要有1個壓力開關(guān)動作，就會聯(lián)動控制開啟所有消防泵，這樣消防泵誤啟動的概率會大大增大。可適當修改聯(lián)動程序，設(shè)定當相鄰2組泡沫水噴霧控制箱內(nèi)的壓力開關(guān)同時動作時才聯(lián)動控制消防泵啟動，減小消防泵誤啟動的概率。

4.2 維護管理措施

維護管理是使泡沫水噴霧系統(tǒng)正常發(fā)揮作用的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，需制定管理、檢測和維護規(guī)程，明確管理者的職責。在日常工作中，只有對滅火設(shè)施進行精心維護管理，才能使其發(fā)揮良好的作用，否則可能導致系統(tǒng)無法正常運行，進而引發(fā)不必要的人員傷亡和財產(chǎn)損失。

泡沫水噴霧系統(tǒng)各部件的作用和應處的狀態(tài)需由專業(yè)人員操作、管理，實時掌握設(shè)施和設(shè)備的運行狀態(tài)。因此，承擔維護管理工作的人員要經(jīng)過專業(yè)培訓，熟悉系統(tǒng)的原理、性能和操作維護規(guī)程，持證上崗，避免因操作不當導致消防泵誤啟動。

泡沫水噴霧系統(tǒng)各部件都有檢查周期，需按規(guī)定對其進行日檢、周檢、月檢、季檢和年檢，并按規(guī)定及時對檢查過程中發(fā)現(xiàn)的問題進行處理，保證系統(tǒng)處于無故障狀態(tài)，具體要求如下：

1) 每天對水源控制閥和雨淋報警閥進行外觀檢查，閥門外觀應完好，啟閉狀態(tài)應符合設(shè)計要求。

2) 消防泵是供給消防用水的關(guān)鍵設(shè)備，每周對其進行1次啟動試驗。當消防泵采用自動控制啟動模式時，應模擬自動控制的條件啟動運轉(zhuǎn)1次消防泵。

3) 電磁閥是啟動系統(tǒng)的執(zhí)行元件，每月對其進行1次檢查和試驗，若動作失常，應及時更換。每月檢查1次噴頭，當噴頭上有異物時，應及時清除。

4) 每季度監(jiān)測1次市政給水管網(wǎng)的壓力和供水能力。消防管路需保持暢通，系統(tǒng)內(nèi)配置的閥門都需處于規(guī)定狀態(tài)。

5 結(jié) 語

本文對部署在城市越江隧道內(nèi)的泡沫水噴霧系統(tǒng)運行過程中潛在的問題進行分析，找到了系統(tǒng)誤噴的原因，針對系統(tǒng)本身及相關(guān)的BAS和FAS提出了技術(shù)方面和維護管理方面的應對措施，通過優(yōu)化隧道內(nèi)各系統(tǒng)的配置，減小城市越江隧道泡沫水噴霧系統(tǒng)誤噴的概率。