广州万博中央商务区位于广州番禺区南村镇里仁洞村迎宾路段, 番禺迎宾路与汉溪大道交汇处, 是广州城市中轴线南延的重要节点, 总占地面积约为73万m², 计划投入资金约200亿元人民币, 建成集商务办公、五星级酒店、会展中心、商业公寓、风情购物街、休闲娱乐于一体的万博国际中央商务区。为响应落实国家大力推进建设综合管廊的要求, 广州万博中央商务区在公园大道及德舜大道围成的环状道路下方设置综合管廊, 综合管廊呈环状布置, 总长度约2.3km。管廊采用两舱结构, 由管道舱和电力舱组成, 管道舱净空尺寸4.2m×5.5m (h) , 电力舱净空尺寸3m×5.5m (h) 。具体平面布置及标准断面详见图1。

万博地下空间综合管廊管道舱包括给水、冷冻水、真空垃圾、电信管, 电力舱包括10kV和110kV电缆。分析综合管廊的材质特点, 火灾主要为电气火灾, 火灾主要起因为电缆短路、过载、接触不良, 其次是现场施工时由于误操作产生火灾。如发生火灾, 主要直接损失为过火电力、电信缆线损失, 管廊自身附属照明、动力和安防等缆线损失, 存在人员损失的可能性较小。

根据《城市综合管廊工程技术规范》 (GB50838—2015) 的要求, 万博地下空间综合管廊主要消防措施有以下几项:

(1) 按地下建筑物设备用房确定防火分区面积不大于1 000 m², 为防止火灾蔓延, 综合管廊每隔200m设1个防火分隔, 并设甲级防火门, 结构主体耐火等级采用一级。

(2) 超过6条电缆的电力舱设有自动灭火系统。

(3) 所有舱室均设手提式灭火器, 灭火器平面布置间距不大于24m。

(4) 所有舱室均设置火灾自动报警系统。

(5) 电力电缆采用阻燃或难燃型电缆并具有过载保护措施。

(6) 火灾时, 能自动关闭对应防火分区所有口部, 同时配备事后自动排烟系统。

(7) 电力舱、管道舱每隔200m设1个逃生孔。

根据《城市综合管廊工程技术规范》 (GB50838—2015) 要求, 干线综合管廊电力舱应设置自动灭火系统, 但是没有明确应采用哪种自动灭火系统, 针对此难点, 本文将重点分析论述。

根据综合管廊电力舱电气火灾的特点以及与南方电网沟通的结果, 并结合相关专业规范, 电力舱能够适用的自动灭火系统主要有:水喷雾灭火系统、气体灭火系统、超细干粉灭火装置、高压细水雾灭火系统等。这几种系统的优缺点及投资估算具体如表1所示。

综合考虑灭火效果、初始投资和后期维护管理等因素, 并兼顾万博综合管廊空间较大、管路布置不紧张、管廊呈环状布置的特性, 本项目电力舱自动灭火系统最终选用水喷雾灭火系统, 设置单路消防主干管沿管廊布置成环。

根据《水喷雾灭火系统技术规范》 (GB 50219-2014) 技术要求, 电缆火灾供水强度W=13L/ (min·m²) , 供水持续时间为0.4h, 响应时间为60s, 水雾喷头工作压力不小于0.35 MPa。分层敷设的电缆保护面积应按整体包容电缆的最小规则形体的外表面面积确定, 水雾喷头的布设应使水雾完全包围电缆。

综合管廊每个防护单元防火分区长度暂按不大于200m设置, 根据图1b, 单个防火分区的电缆保护面积S= (0.75+4.1+1+4.1) ×200=1 990 (m²) 。

根据《自动喷水与水喷雾灭火设施安装》 (04S206) 的建议, 电缆隧道水雾喷头应采用离心雾化型水雾喷头, 带柱状过滤网, 流量系数K=43, 雾化角θ=120°, 喷头有效射程2.2m, 单个水雾喷头在标准工作压力0.35 MPa下, 流量q=80.4L/min。水雾锥底圆半径R=1.25tan (120°/2) =2.165 (m) 。

根据水雾喷头特性, 每200m防火分区的喷头数量N=SW/q=1 990×13/80.4=322 (个) , 为满足喷雾强度要求, 每个防火分区需要322个水雾喷头, 同时由于水雾喷头有效射程只有2.2m, 而管廊电缆支架高度为4.1m, 需要设置2层水雾喷头, 双侧电缆每排则需设置4个喷头。则每排喷头间距L=200÷ (322÷4) =2.48 (m) , 取2.4 m, 最终喷头间距小于1.4R, 满足规范喷头间距要求。喷头布置如图2所示。

根据《建筑灭火设计手册》的相关参数, 1个水喷雾系统的消防水量不宜大于10 000L/min, 单个雨淋阀流量不宜大于4 800L/min, 否则, 系统水量过大会造成主管管径、消防泵房和消防水池等设施过大。以200m长的单个防火分区为计算范例, 当雨淋阀按最大过载流量4 800L/min计算时, 单个防火分区雨淋阀数量最少应为:n=SW/80=1 990×13/4 800=5.15 (个) 。本项目由于管廊高度较大, 水雾喷头需要分层设置, 且电力舱两侧均设置有电缆, 所以, 为减小水喷雾系统的设计流量, 在该200m长的防火分区内共设置了8个雨淋阀, 每个雨淋阀控制的保护距离约为25m, 单个雨淋阀控制的区域为1个灭火分区。

计算整个水喷雾系统水量首先应确定同时启动雨淋阀数量, 这也是本系统设计的重点。对于综合管廊而言, 单个防火分区内的雨淋阀全部动作的灭火效果无疑是最好的, 但会造成系统水量过大, 而水喷雾系统规范没有明确雨淋阀同时动作数量。根据《城市综合管廊工程技术规范》7.1.1条描述, 布置有阻燃电力电缆的电力舱, 其火灾危险性应为丙类, 而《自动喷水灭火系统设计手册》认为, 对于丙类场所所采用的雨淋系统, 不需要着火点处所有相邻的雨淋系统都动作, 而是采用一个主区域向四周扩展的方式来实现灭火, 原因是这些物质的燃烧蔓延速度较慢, 通常向四周外扩展的距离以4~6m为宜。水喷雾系统与雨淋系统类似, 都是雨淋阀控制的开式系统, 可以参照此原理进行设计。

所以, 本项目的水喷雾系统按最大同时启动2个雨淋阀设计, 当火灾发生时, 打开相应灭火分区的雨淋阀, 动作一个灭火分区的喷头灭火;当火势蔓延到另一个灭火分区时, 启动该灭火分区的雨淋阀, 此时第二个雨淋阀动作。同时, 考虑k=1.25的安全系数, 则水喷雾系统最终设计流量Q=SW/ (8×2×1.25) =8 084.375 (L/min) ≈135 (L/s) 。主管管径采用DN300, 由于主干管可以顺着管廊平面连接成环, 所以管廊横断面中只需要布置1条主干管。

本项目综合管廊设置有消防泵房及消防水池, 消防水池储存1次火灾用水量作为消防水源。由于水喷雾系统设计流量较大, 故考虑设置3台消防主泵 (2用1备) 。单泵性能Q=70L/s, H=105 m, N=160kW。当一个雨淋阀动作时, 启动1台消防泵供水;当第二个雨淋阀启动时, 此时1台消防水泵供水至2个灭火分区会导致管网压力下降, 当消防泵处压力下降大于0.1 MPa时, 启动第二台消防泵, 由2台消防泵供水给2个灭火分区灭火, 第三台消防泵作为备用泵。消防水池储存全部消防水量可持续供水0.4h内, 总容积不小于201.6m³。

在万博中央商务区综合管廊消防设计中, 电力舱自动灭火系统是设计难点之一。本项目通过比较选择, 最终确定采用水喷雾系统作为电力舱的消防灭火措施, 该系统作为一种自动灭火设施, 以水作为灭火介质具有环保、无毒害的特性, 可以用于电气火灾, 能较好地满足管廊设计规范的要求, 而且, 该系统一次投资就可以使用30~50年, 不需要像超细干粉系统一样每5~6年更换一次灭火装置, 以上都可以视为该系统的优点。但是, 通过笔者的设计实践, 对该系统的不足之处也深有体会, 比如:系统设计流量过大, 消防排水压力大;消防管径过大, 占用管廊断面空间资源;水喷雾喷头及管道的布置妨碍其他管线安装维护;局部出线舱、拐角位喷头布置复杂等。希望相关规范能继续完善综合管廊自动灭火系统设计内容, 建议针对综合管廊提供一些系统简单或用水量较小的灭火系统, 如预制气体、干粉灭火系统等, 或增加高压细水雾系统单个泵组保护的防护区数量, 使之更适用于城市综合管廊建设。