某强流重离子加速器隧道的消防设计研究

路世昌副研究员 谢天光工程师

(1.应急管理部天津消防研究所，天津 300381； 2.天津盛达安全科技有限责任公司，天津 300382)

0 引言

强流重离子加速器装置(High Intensity Heavy-ion Accelerator Facility，HIAF)被列入国家“十四五”规划，作为国家重大科技基础设施建筑项目，HIAF项目建设内容主要包括加速器系统、实验终端系统、相关配套设施及土建隧道工程等[1]。加速器系统以直线加速器和同步加速器为主体，采用一系列新技术，提供高流强、高能量、高品质的重离子束流，以及产生并提供极端远离稳定线的放射性核素。实验终端系统围绕HIAF可提供的束流布局，为核物理、原子物理、核天体物理基础科学研究及材料、生物等应用技术研究提供国际领先的实验平台。

HIAF项目在实验进行过程中将会产生比较大的辐射量，因此加速器一般以隧道的形式布置在地下，具有建筑空间大、使用人员数量少等特点，目前国内对此类建筑防火设计研究较少，现行工程建设标准中对于此类型建筑的建筑性质、火灾危险等级、消防设施等未做出明确规定，因此有必要对此类特殊建筑的消防设计开展分析研究，在满足工艺上科学研究需要的同时，使该建筑的防火设计能够达到限制火灾大规模蔓延和保证人员安全疏散的设计目标。

1 工程概况

某工程土建部分包括地下HIAF加速器隧道、在线设备大厅、综合测试大厅、科研综合楼、宿舍及给水、污水处理机房等建筑。本文主要研究对象为HIAF加速器隧道，隧道总长约1.2km，隧道主要区域净宽约为6.5～9.0m、净高约为6.5～8.5m，为单层地下建筑，耐火等级为一级，总建筑面积约2×104m2。HIAF加速器隧道主要由强流超导离子源(Superconducting Ion Source)、强流超导离子直线加速器(Superconducting Ion Linac，iLinac)、增强器(Booster Ring，BRing)、高精度环形谱仪(Spectrometer Ring，SRing)、放射性束流线、高能综合终端及相关配套设施构成。HIAF加速器隧道功能区分布，如图1。

图1 HIAF加速器隧道功能区分布示意Fig.1 The distribution diagram of the HIAF tunnel function area

加速器隧道内部主要设备为实验用精密仪器，包括磁铁、加速腔,以及相应的支架等，由金属、环氧树脂、陶瓷等材料组成，均为不燃、难燃或阻燃材料。由于辐射原因，加速器装置在运行时隧道内严禁人员进入，检修时只有少量人员进入，每个防火分区最多不超过3人。隧道内部分设备，如图2。

图2 加速器装置(HIAF)隧道内设备示意Fig.2 The schematic diagram of equipment in the HIAF tunnel

2 消防设计难点

2.1 防火分区

加速器装置采用隧道形式，隧道内部按工艺控制区分为多个防火分区。加速器隧道内各工艺控制区之间采用混凝土屏蔽墙、甲级防火门划分为不同防火分区，混凝土屏蔽墙耐火极限不低于3h。由于工艺控制区内部实验工艺连续性等需求，防火分区仅能依据工艺的空间功能要求进行划分，不能在隧道内相关部位设置防火墙或防火卷帘，防火分区的建筑面积不满足现行国家标准《建筑设计防火规范(2018年版)》(GB 50016-2014)的有关要求[2]，加速器装置(HIAF)隧道各个防火分区划分，如图3。

图3 加速器装置(HIAF)隧道防火分区示意Fig.3 The fire compartment diagram of the HIAF tunnel

2.2 安全疏散

加速器隧道共设置10座疏散楼梯间疏散至隧道外，基于辐射防护要求，隧道内不宜设置过多疏散出口，隧道内最远点至最近疏散楼梯或相邻防火分区的疏散距离约为100m，隧道内疏散设施布置的合理性以及火灾情况人员疏散的安全性，需要结合防火分隔措施进行综合研究分析。

2.3 排烟系统

加速器隧道内部空间相对较高，内部主要设备均为不燃、难燃材料制作，隧道内除集中检修时各防火分区至多有3人进入外，其余时间均为无人区域。因隧道使用功能的特殊性，无法按照常规隧道设置排烟设施，需要对加速器隧道内是否需要设置独立排烟设施进行研究分析。

2.4 灭火系统

由于加速器隧道的功能用途特殊，隧道内设备多为精密实验仪器，一旦进水将直接导致设备损坏，无法参照常规建筑设置室内消火栓系统。隧道各工艺设备空间内是否设置室内消火栓系统需要进行研究分析。

3 消防设计方案

3.1 火灾危险性分析

加速器装置隧道主要用于产生高速能量离子，并引出高速离子供实验站的人员分析研究，除电力电缆外，内部设备主体均为不燃和难燃材料制成，且设备主体和控制系统的电线电缆均采用燃烧性能为B1级以上的阻燃电缆，火灾危险性较小，只有在隧道内在线设备操作失误、违反规程以及电线电缆日常管理不当或意外事故状态下，可能会导致电气火灾发生。

因实验进行过程中会产生比较大的辐射量，隧道内需保持负压状态以防止辐射物质逸散，加速器装置在运行时隧道内严禁人员进入，检修时只有少量人员进入且人员对环境相对熟悉，在紧急情况下易于采取灭火救援和疏散行动。

3.2 消防设计措施

3.2.1 防火分隔

(1)隧道内部按工艺控制区划分防火分区，防火分区之间采用防火墙进行分隔，局部需要人员通行的部位设置甲级防火门，管线穿越防火隔断部位应采取防火封堵措施进行严密封堵[3]。

(2)隧道内设备间、放射性废物暂存间等辅助用房采用耐火极限不低于2h防火隔墙和乙级防火门与隧道空间进行分隔。

3.2.2 安全疏散

(1)隧道内每个防火分区的安全出口数量不少于2个，建筑面积不大于1 000m2的防火分区，直通室外的安全出口不少于1个，与相邻防火分区相通的甲级防火门可作为安全出口，安全出口间距不大于200m。

(2)隧道内疏散楼梯均设置前室，隧道通向前室的门和前室通向楼梯间的门均采用乙级防火门，楼梯间内设置机械加压送风系统，前室内不设置机械加压送风系统(隧道在事故状态下仍能保持负压)，前室内设置室内消火栓。前室的使用面积等设计参数按照《建筑设计防火规范(2018年版)》(GB 50016-2014)的有关要求，如在前室内设置电梯，需满足消防电梯相关规定，并确保电梯仅供加速器隧道使用且电梯在首层能够直通室外安全区。

3.2.3 消防设施

(1)加速器隧道内可燃物较少，除检修外，正常运行时无人员停留，不设排烟设施。隧道内设置有清洁通风系统，利用清洁通风系统进行灾后烟气清除，清洁通风机房满足以下要求：机房内设置自动喷水灭火系统；机房内不得设置用于机械加压送风的风机与管道；管道采用金属材质，采用不燃烧材料保温，管道穿越防火隔墙、楼板和防火墙时设置70℃时能自行关闭的防火阀；风机风量按每小时不小于3次换气次数确定，隧道内设置机械补风。

(2)隧道内设置带消火栓箱的干式消防竖管。干式消防竖管的设置间距不大于50m；消火栓箱内配备DN65室内消火栓、消防水带(2盘)和消防水枪。

(3)隧道内在线设备间内工控机、网络交换机等实验用控制和测试设备放置于封闭机柜内，机柜采用直接式七氟丙烷探火管灭火装置进行保护。

(4)在隧道沿线、人员出入口等处设置灭火器，灭火器的设置间距不大于50m[4]。灭火器的选择需综合考虑隧道内火灾种类、灭火器的效能和通用性、灭火剂对保护物品的污损程度、地下空间灭火剂喷放的窒息风险、灭火剂相容性等。

3.2.4 消防电气

(1)隧道内设置吸气式感烟火灾探测器。干线电缆桥架沿线敷设缆式线型感温火灾探测器。

(2)消防干线采用矿物绝缘耐火电缆，隧道内集中布置的电缆燃烧性能不应低于B1级；建筑内非消防用电负荷设置电气火灾监控系统。

(3)为提高疏散出口的利用效率，快速引导人员疏散，隧道内疏散路线距地面高度1.0m以下的墙面上设置带有米标的方向标志灯；单侧通行时，其间距不大于10.0m，双侧通行时，两侧墙面均设置方向标志灯，每侧间距不大于10.0m，标志灯设置在转角处时，间距不大于1.0m，标志灯在两侧墙面均匀间隔布置。

(4)隧道内应急照明灯具的照度须保证地面最低水平照度不低于5.0lx，应急照明灯具连续供电时间不小于90min。

3.2.5 消防救援

(1)加速器隧道各安全出口附近设置消防车道。

(2)围绕BRing区域和SRing区域内环设置消防车道，并与外环消防车道连通，同时在内环安全出口附近设置不少于2处消防车救援操作场地。

4 消防设计方案可行性分析

设定火灾场景是消防设计分析研究的基础，针对设定的消防安全目标，综合考虑火灾的可能性与潜在后果，基于安全出口被封堵的最不利原则，选择火灾风险性较大的火灾场景作为设定火灾场景[5]。综合运用消防安全工程学原理对强流重离子加速器装置隧道的安全性进行定量分析，结合建筑几何特征和可燃物分布情况，设定隧道内电子设备机柜和电线电缆火灾，选取美国消防工程师协会SFPE《消防工程手册》(第五版)中有关电子设备火灾试验作为火灾增长速率分析的依据，危险性较大材料为电缆外表皮的聚氯乙烯等聚合物，火灾增长系数为0.046 89kW/s2。根据国家标准《建筑防烟排烟系统技术标准》(GB 51251-2017)的有关规定，同时结合加速器隧道内未设置自动喷水灭火系统的情况，将火灾最大热释放速率确定为6.0MW[6]。

在设定火灾场景假定条件下，在隧道未设置排烟系统的情况下，运用火灾动力学模拟软件对设定火灾场景的火灾蔓延和烟气流动状态进行模拟计算，得到各安全出口附近区域设定极限值的情况，清晰高度处的温度不大于60℃，能见度大于10m，一氧化碳浓度不大于500 mg/m3，加速器隧道内影响人员安全疏散的主要性能参数均未到达危险值，隧道的消防设计方案能够达到防止火灾大规模蔓延和保障建筑内人员安全的设计目标，同时建议加强在隧道使用过程中的安全管理，制定相应的检修和工作计划，保障科研数据采集和检修过程中的人员安全[7]。各个设定火灾场景的烟气蔓延和人员疏散模拟过程，如图4、5。

图4 设定火灾场景烟气蔓延示意Fig.4 The schematic schematic diagram of the smoke spread in fire scenarios

图5 设定疏散场景人员疏散模拟过程示意Fig.5 The schematic diagram of the evacuation simulation process in evacuation scenarios

5 结论

HIAF隧道作为一类专业性极强的地下建筑，

无论在科学研究方面还是在人员生命财产安全方面都十分重要，本文通过对设定火灾场景和疏散场景的模拟结果进行分析，可得出以下结论：

(1)iLinac直线加速器区域为直线狭长区间，长度较短，发生火灾后烟气扩散速度较快，烟气在直线隧道两端安全出口处积聚、沉降。

(2)BRing环隧道区域为环形空间，长度较长，蓄烟能力较强。

(3)在消防设施有效的情况下，烟气能够得到较好的控制，建筑内人员能够在危险来临之前通过临近的安全出口疏散至安全区域。

(4)基于加速器隧道实验工艺连续性带来的消防设计难点提出技术要求能够限制火灾情况下烟气蔓延，同时保证隧道内人员安全疏散，为其他同类工程的消防设计提供参考。