交通隧道内是否设置主动式灭火系统一直是隧道火灾控制技术中最具争议的话题之一。过去多数国家不愿意在隧道中使用水基自动灭火系统的主要原因包括^[1-3]：1)多数机动车火灾始于发动机舱，而自动灭火系统对车辆内火灾灭火作用有限；2)自动灭火系统的安装、检测和维护费用昂贵；3)水、汽油或某些车辆运载货物可能会发生化学反应，导致爆燃；4)灭火中产生的水蒸气可能会对隧道内人员造成伤害；5)灭火会破坏烟气分层，导致能见度降低，影响人员逃生等。除日本和澳大利亚外，大多数国家隧道的相关规范中并没有规定隧道内必须安装自动式灭火系统用于灭火。

我国的《公路隧道设计规范》(第2册.交通工程与附属设施)(JTG.D 70/2-2014)^[4]、《建筑设计防火规范》(GB50016-2014)^[5]、《城市地下道路设计规范》(CJJ 221-2015)^[6]对是否设置自动灭火系统也无明确要求，仅在一些地方规范如：《道路隧道设计规范》(DG/TJ 08-2033-2008)中给出了水喷雾系统(主要用于隧道降温)、泡沫-水喷雾联用灭火系统等相关技术要求。

尽管多数国家对于是否在隧道内安装水基式自动灭火系统并没有明确的要求，但1999-2001年间欧洲3起著名的隧道火灾事故使得许多国家重新审视其在隧道火灾中的使用。相关试验研究表明：水基自动灭火系统可以冷却起火车辆、减缓和阻止火灾的蔓延，同时可以降低隧道内环境的温度以利于人员逃生和隧道结构的保护，也可以使得消防人员可以更接近火场进行灭火^[7-13]。近年来，我国新建的城市地下道路中几乎都安装了自动灭火系统。

水基式自动灭火系统作为交通隧道火灾安全设施的一种，火灾时与其他消防系统共同作用时势必会相互影响，这其中对其影响最大的可能是通风排烟系统^[14]。火灾工况下，隧道通风排烟的主要目的是对烟气进行有效控制，为隧道内人员和消防救援人员提供较有利的疏散环境和消防救援环境。但通风和自动灭火系统对隧道火灾的影响可能是相互矛盾的。单纯的通风可能会加大火势，加剧火灾蔓延，但会得到清晰的烟气层；启动自动灭火系统会对火灾规模进行一定控制，但会破坏烟气分层，影响人员疏散。二者同时作用时，隧道内的纵向风速可能会导致水基灭火系统水滴的偏离，影响灭火效果。究竟通风系统对水基式自动灭火系统灭火效果的影响如何，由于影响因素众多，理论分析难度较大，更多需借助于全尺寸试验研究。

基于此，本研究将通过全尺寸模型试验对通风对泡沫-水喷雾自动灭火系统的灭火效果的影响进行研究，研究结果可为隧道内自动灭火系统和通风系统的设计及联合运行提供一定的技术支持。

1 全尺寸灭火试验研究 1.1 试验隧道

试验隧道主体长100 m，内宽12.7 m，内净高6.5 m，为钢筋混凝土结构，壁厚约650 mm。由隧道主体与辅助风道组成，如图 1所示。风机房及风道分为上、下2层，上层风机及风道用作排烟，下层风道及风机用于向主隧道内送风，控制隧道内纵向风速。

试验隧道内设有4个喷水区，每个区域长20 m，每组有5个喷头，喷头间距5 m，高度距车道地面5.0 m，喷头与侧墙呈15°夹角。基于《泡沫灭火系统设计规范》^[15]，试验中采用3%的水成膜泡沫液作为灭火剂，喷口前压力为0.35 MPa，喷水强度为6.5 l/min·m。火源置于第2个喷水区的覆盖范围。

1.2 火源设置

为了研究泡沫-水喷雾系统的灭火效果，试验中采用了木垛火和油池火2种火源来作为标准火源模拟液体火灾和固体火灾。依据国内外相关规范，在城市隧道内，如果不允许大型载重车辆以及危险品车辆通行，其最大设计火灾负荷为20~30 MW。

鉴于试验隧道结构的耐火能力，本研究中火源功率采用20 MW，这足以代表城市交通隧道内绝大多数通行车辆的最大火灾负荷。试验中木垛火是由符合ISO6780、DIN 15146与GB/T 2934-1996的木托盘组成的堆垛。单个木托盘平面尺寸为1.2 m×0.8 m×0.15 m(长×宽×高)，如图 2所示，托盘材质为松木。试验以单个堆垛为基础，每个堆垛是由10个木托盘堆积组成，体积为0.8 m×1.2 m×1.5 m。试验中共有8个垛堆分2排并列堆放在钢架上，距离地面0.275 m，为了防止其在燃烧过程中发生危险倒塌。试验中木堆垛用汽油火引燃，引燃油盘位于堆垛中心，油盘大小为0.5 m×0.5 m，深100 mm，引燃油量1.5 L，垫水层厚度70 mm。先期进行的热释放率测试表明，这样的木垛火可以达到热释放率20 MW。

针对油池火，若燃料为车用0^#柴油，用6个1.5 m×1.5 m，深0.2 m的油盘可以模拟20 MW的火源，每个油盘下部有10 cm的垫水层。

1.3 试验工况设定

隧道内实施纵向通风进行烟气控制时，一般采用临界风速送风以阻止烟气回流，保证火源上游处于无烟环境。因此，本研究中，通风风速只考虑临界风速。火源功率为20 MW时，临界风速一般为3.0 m·s^-1，本试验中的通风风速设定为3.0 m·s^-1。

由于隧道内火灾多是始于车辆内部，试验中在火源上方加装顶隔板来模拟上部遮挡对灭火效果的影响，顶隔板距木垛堆的距离为0.5 m。考虑到系统运行过程中关于先启动风机还是先开启自动灭火系统存在争议，本研究中在加装顶隔板的木垛火试验中考虑了通风和灭火系统开启顺序对灭火效果的影响。试验工况设定如表 1所示。

1.4 数据测量

隧道内温度沿长度方向的分布通过热电偶树来实现(如图 3)。热电偶树分别设置在火源中心、距火源中心上游10 m、下游10 m及下游20 m处。除火源中心位置热电偶树布置3个竖向测点外，其余热电偶树沿竖直方向不同高度分别布置5个测点，测点分布见图 3。为测量隧道内的风速，在火源上游15 m、距地面3 m处布置了一台多点风速仪。测温热电偶为K型热电偶，温度测量范围：0~1 100 ℃，精度±2.5 ℃。试验摄像系统由布置在火源上、下游各一台摄像机以及上游的一台红外摄像机来监控火灾的发展过程。

根据以往的测试经验，对于木垛火，当通过红外摄像机观测到2/3的木垛都已开始燃烧时，自动灭火系统开启。对于油池火，泡沫水喷雾系统将在点火开始后1 min启动。

2 试验结果分析

为探讨火灾对隧道结构及人员疏散的影响，选取各工况中火源中心位置、火源上游10 m、下游10 m和30 m处隧道顶棚温度及距地面2.5 m高处的温度变化来进行讨论。温度图中的符号D_u指火源上游距火源中心的距离，D_d指火源下游距火源中心的距离，竖线表明灭火系统开启的时间。

从图 4中可以看出，对于木垛火，由于没有开启通风系统，灭火系统开启后，火源正上方的顶棚温度仍维持在500 ℃以上，且维持了相当长的一段时间。这显示对于木垛火，在当前的设计流量作用下，泡沫-水喷雾系统只能将火灾控制在一定规模不再扩大，并不能完全灭火。火源中心、上游10 m、下游10 m、30 m处的顶棚温度则随着喷淋系统的开启而迅速降低，说明灭火系统的开启可以迅速降低火源周边区域的隧道顶棚温度，这将有利于隧道结构的保护。火源上、下游离地面2.5 m高处的温度在泡沫-水喷雾系开启后并没有随着自动灭火系统的开启而降低，而是逐渐升高，但最高温度都在60 ℃以下。这可能是因为该工况中，喷淋系统的开启只影响到了隧道上部空间的温度和木垛上部的火焰区，而对木垛火内部的燃烧控制作用较小，木垛下部仍维持燃烧状态。由于隧道内自然风的影响，火源上游的温度稍低于下游的温度。

图 5给出了工况1-1中灭火系统启动后木垛火的发展情况。从图中可以看出，随着灭火系统的开启，木垛火的规模逐渐被抑制，但灭火系统的启动会严重降低隧道内的能见度，这将不利于人员的逃生。

图 6给出了工况1-2中，典型位置温度随时间的变化。与工况1-1相比，工况1-2中由于先开启通风系统，在通风系统的作用下，隧道内火源上方以及火源上、下游的顶棚温度大幅降低，顶棚的最高温度向下风向偏移。自动灭火系统开启后，温度进一步快速降低，这对隧道的结构保护有利。由于通风系统的影响，火源上游离地2.5 m处的温度为环境温度，而火源下游的温度在灭火系统启动后逐渐降低。如果人员在火灾初期能迅速逃离火源处，对人员的逃生影响不大。试验中可以观察到，该通风风速可以较好地控制火源上游的烟气回流。

图 7给出了工况1-2中灭火系统启动后木垛火的发展情况。从图中可以看出，由于通风系统的开启，木垛火的火焰明显被吹向下游。灭火系统开启后，木垛火逐渐被抑制，由于通风系统的开启，与工况1-1比，隧道内的能见度明显提升，这将有利于内部人员的逃生。

对于火源上部设置顶板的工况，从图 8可以看出，顶板的存在大大降低了火源正上方的顶棚温度。由于通风的影响，火源上游10 m处的顶棚温度较低，火源中心上方与火源下游10 m和30 m处的顶棚温度相当。自动灭火系统启动后，由于上部顶板的遮挡作用，灭火系统的作用仅能降低顶板的温度，并不能及时扑灭火灾。初期火灾被部分抑制，后期在通风的作用下，木垛火又有部分复燃，火灾完全熄灭的时间较长。这种现象，从图 9给出的灭火过程中也可以看出。顶板的遮挡，使得部分火焰从侧部冒出，在通风的影响下，部分火焰吹向下游，此时需开启火源下游的喷淋段以辅助灭火。

图 10给出了先启动灭火系统，而后90 s启动通风系统时隧道内的温度变化。与先开启通风系统相比，火源中心上部的顶棚温度较高，但由于上部顶板的影响，顶棚温度仍低于无遮挡的情况。喷淋系统开启后，顶棚温度迅速下降，火源附近上、下游的顶棚温度也迅速降低。火源上游离地2.5 m高处的温度，在喷淋系统开启后迅速降低，通风系统开启后进一步降低为环境温度。而火源下游2.5 m高处的温度在喷淋系统开启后先升高，而后在通风系统开启后逐渐降低。由于通风将火焰吹向下游，火源下游30 m处的温度甚至高于火源下游10 m处的温度。通风进一步促进了顶板下部木垛的燃烧，使得火灾的持续时间较长。此时，也需开启下游的喷淋段以辅助灭火。

从工况1-3与1-4的灭火效果对比也可以看出，对于车内火灾，特别是车载货物为碳氢类固态物质时，通风系统先开启或2个系统同时开启的灭火效果优于通风系统迟于灭火系统开启。

图 11和图 12给出了液体火源工况中，不同影响因素作用下，隧道内典型位置温度的变化情况。从图 11可以看出，隧道内无通风时，火源中心上方的顶棚温度较高，泡沫-水喷雾系统开启后，顶棚温度迅速下降。与木垛火相比，油池火的灭火时间要短得多。针对油池火，通风系统开启后，如图 12，与木垛火一样，顶棚温度显著降低，顶棚的最高温度向下风向偏移，自动灭火系统启动后，隧道内顶棚温度迅速降低。无通风时，距地2.5 m高处的温度，火源上、下游10 m基本相同，但温度都较低，对人员的疏散影响不大。有通风时，火源下游10 m处的温度较高，但随着灭火系统的开启，该温度迅速下降，对人员疏散影响不大。

3 结论

1) 通风系统先于泡沫-水喷雾系统开启时，以临界风速送风不仅可以阻挡烟气回流，而且还有助于降低隧道内的顶棚温度从而减少火灾对隧道结构的破坏。通风在一定程度上可以提高自动灭火系统的灭火效率。

2) 对于车辆内部发生的火灾，由于顶部的遮挡，自动灭火系统的灭火效果将会受到影响。通风可能将被顶部遮挡火焰吹向下游，若火灾规模较大，下游区域的自动灭火系统应同时启动以防止火灾向下游蔓延。

3) 泡沫-水喷雾系统可以有效地扑灭液态火，对固态火多起抑制作用。自动灭火系统的开启会破坏隧道内的烟气层，但若通风系统同时开启，则有助于提高隧道内的能见度。对于运输碳氢类固态货物的车辆火灾，通风系统先开启或通风和灭火系统同时开启的灭火效果较好。

4) 自动灭火系统的开启可以降低火源附近的温度，有利于消防员接近火源，防止火灾进一步蔓延。灭火系统开启可能会导致火源附近的路面湿滑，特别是喷出的泡沫会覆盖路面，对人员的疏散和救援有一定的影响。