城市隧道机械防排烟系统联动控制设计与实现

张 欣，张圆圆

(中远海运科技股份有限公司，上海 200135)

0 引 言

城市隧道的空间结构与其他建筑结构相比有其特殊性，一旦发生火灾，容易造成巨大的人员伤亡和财产损失。因此，如何在火灾发生时及时排除火灾产生的烟气，保证疏散通道不受其侵害，确保隧道内的人员安全疏散，为火灾扑救创造有利的条件，是城市隧道建设过程中需考虑的重要课题。

本文以上海周家嘴路越江隧道为研究对象，结合城市隧道火灾的特点，阐述其防排烟系统的部署和工作原理，设计实现机械防排烟系统联动控制策略，为城市隧道发生火灾时的应急处置提供参考。

1 城市隧道火灾的特点

上海周家嘴路越江隧道连接浦西的周家嘴路和浦东的东靖路，是上海市中心北部区域连接浦江两岸的区域型越江通道，全长4.45 km。工程主线由2段明挖隧道、2个工作井和1段盾构隧道等3部分组成，其中盾构隧道长约2.57 km，外径14.5 m。隧道主体为双向四车道，设计行车速度为60 km/h，单管双层双向四车道规模。上层隧道的行车方向为浦东往浦西，下层隧道的行车方向为浦西往浦东。该隧道火灾的特点如下：

1)缺氧燃烧。该隧道作为城市特长隧道，内部相对封闭，发生火灾时含氧量下降，在没有机械通风的情况下属于缺氧燃烧，会产生大量的有毒烟气。

2)蔓延快。车辆及其所载可燃物均较多，发生火灾时隧道内的温度上升较快，热辐射和热对流效应可能致使火灾发生位置附近的车辆或车载可燃物燃烧，并致使火势蔓延，甚至引发爆炸。

3)人员疏散困难。发生火灾时，隧道既是烟气和热量扩散的通道，又是人员疏散的通道，有毒烟气和高温会对受困人员的生理和心理造成强烈刺激，致使其无序涌向疏散通道。此时，隧道内的烟雾大，能见度低，很容易引发新的交通事故，造成现场混乱拥挤，增大疏散难度。

2 防排烟系统的部署和工作原理

针对城市隧道火灾的危险性及其特点，结合周家嘴路越江隧道的结构特征，合理部署防排烟系统设备，实现对火灾现场烟气的及时控制。该隧道的火灾烟气控制分为防烟和排烟2部分。由于该隧道不具备自然排烟和自然通风条件，排烟系统采用机械排烟的方式，防烟系统采用机械加压送风的方式，主要包含工作井设备管理用房机械防排烟系统和行车道机械通风排烟系统2部分。

2.1 工作井设备管理用房机械防排烟系统

1)工作井设备管理用房楼梯间防烟系统示意见图1。工作井设备管理用房位于地下一层，其机械防烟系统主要由机械加压送风机、加压送风口、送风管道和防烟防火阀等组件构成。在发生火灾时，及时开启机械加压送风系统，对作为疏散通道使用的楼梯间及其前室进行送风加压，使其保持一定的正压(防烟楼梯间压力>前室压力>走道压力)，防止烟气侵入；防烟楼梯间与走道之间的压差应为40～50 Pa，前室的余压值为25～30 Pa，确保有一个安全可靠、畅通无阻的疏散通道，为安全疏散提供足够的时间。

注:FD为防烟防火阀

2)工作井设备管理用房走道排烟系统示意见图2。工作井设备管理用房位于地下一层，其走道机械排烟系统主要由排烟风机、电动排烟风口、排烟管道、排烟防火阀、补风机和补风口等组件构成。在发生火灾时，及时开启机械排烟系统，打开相应防烟分区的电动排烟风口，通过排烟管道将走道等空间内的烟气排至工作井风塔，进行高空排放。

在启动机械排烟系统的同时，开启补风系统，直接从新风井引入空气，形成理想的气流组织，迅速排出烟气。

2.2 行车道机械通风排烟系统

行车道机械通风排烟系统示意见图3。该隧道的上层行车道位于地下二层，下层行车道位于地下三层，机械排烟系统与日常工况下采用的通风系统合并设置，主要由射流风机、轴流风机和电动组合风阀等组件构成。该隧道采用纵向分段排烟模式，在发生火灾时，隧道内的烟气通过悬挂在隧道内的射流风机和风井轴流排风机，沿行车道纵向流动。在纵向通风排烟时，气流方向与车行方向一致。采用纵向排烟方式能迅速组织气流，有效排烟，纵向气流的速度应不小于2 m/s，并大于临界风速。

图3 行车道机械通风排烟系统示意

3 机械防排烟系统联动控制策略

在设备管理用房和行车道部署机械防排烟设施之后，针对隧道内不同位置处发生的火灾，需根据预设的控制策略，经过系统逻辑判断之后，联动相应区域的防排烟设施，达到及时、高效排除烟气，保证疏散通道不受烟气侵害的目标。

3.1 工作井管理用房防排烟系统联动控制策略

发生火灾时工作井管理用房防排烟系统联动控制策略见表1。

对于工作井管理用房的烟气流向，当发生火灾时，根据控制策略联动防排烟设施，烟气经过排烟口、排烟管道和风塔实现高空排放。在排烟的同时，对走道进行补风。此外，对用作疏散通道的楼梯间加压送风，防止烟气流入其中。

3.2 行车道机械通风排烟系统联动控制策略

发生火灾时行车道机械通风排烟系统联动控制策略见表2。

对于行车道烟气流向：

表1 发生火灾时工作井管理用房防排烟系统联动控制策略

表2 发生火灾时行车道机械通风排烟系统联动控制策略

1)当S1发生火灾时，根据控制策略联动防排烟设施，烟气经行车道向上层浦西隧道外排放；

2)当S2发生火灾时，根据控制策略联动防排烟设施，烟气经行车道、浦西工作井排风机房和风塔向高空排放；

3)当S3发生火灾时，根据控制策略联动防排烟设施，烟气经行车道、浦东工作井排风机房和风塔向高空排放；

4)当X1(离隧道进口大于50 m)发生火灾时，根据控制策略联动防排烟设施，烟气经过行车道、浦西工作井排风机房和风塔向高空排放；

5)当X1离隧道进口小于50 m)发生火灾且无后续车辆时，根据控制策略联动防排烟设施，烟气经行车道向下层浦西隧道外排放；

6)当X2发生火灾时，根据控制策略联动防排烟设施，烟气经行车道、浦东工作井排风机房和风塔向高空排放，同时经行车道向下层浦东隧道外排放；

7)当X3发生火灾时，根据控制策略联动防排烟设施，烟气经行车道向下层浦东隧道外排放。

4 机械防排烟系统联动控制方式

该隧道的机械防排烟系统各设备组件通过输入模块和控制模块接入隧道火灾报警系统，在发生火灾时，具体由消防联动控制器完成相应的联动控制。火灾报警系统构成图见图4。

在发生火灾时，火灾探测器和手动火灾报警按钮发出的报警信号通过总线的方式传输给消防联动控制器；消防联动控制器对接收到的报警信号进行逻辑判断，在满足条件时，按设定的联动控制策略，通过控制模块启动相应的防排烟系统设备，实现预设的消防功能。

除了联动控制方式以外，还可通过操作手动控制盘直接启动相应的防排烟系统设备，从而实现预设的消防功能。

图4 火灾报警系统构成图

防排烟系统设备的动作信息通过输入模块反馈给消防联动控制器。

5 工作井管理用房防排烟系统联动控制实现要点

图5 工作井管理用房防排烟系统联动控制工作流程

工作井管理用房防排烟系统联动控制工作流程见图5,实现的要点如下：

1)通过1台感烟火灾探测器和1个手动火灾报警按钮或2台独立的感烟火灾探测器发出报警信号(“与”逻辑)，判断火灾发生地点属于工作井管理用房的哪个防烟分区。

2)当防烟分区一(建筑面积111 m2)范围内发生火灾时，经报警确认和逻辑判断，消防联动控制器开启正压送风机，开启电动排烟风口1、排烟风机和补风机。电动排烟风口打开之后需手动复位。任意电动排烟风口开启，排烟风机和补风机自动启动。

3)当防烟分区二(建筑面积64 m2)范围内发生火灾时，经报警确认和逻辑判断，消防联动控制器开启正压送风机，开启电动排烟风口2、排烟风机和补风机。

4)当防烟分区三(建筑面积57 m2)范围内发生火灾时，经报警确认和逻辑判断，消防联动控制器开启正压送风机，开启电动排烟风口3、排烟风机和补风机。

5)当防烟分区四(建筑面积45 m2)范围内发生火灾时，经报警确认和逻辑判断，消防联动控制器开启正压送风机，开启电动排烟风口4、排烟风机和补风机。

6)防烟防火阀在周围温度为70 ℃时自行关闭，排烟防火阀在周围温度为280 ℃时自行关闭，需手动复位。排烟风机入口总管上设置的排烟防火阀关闭之后，直接连锁关闭排烟风机和补风机。

7)将正压送风机、排烟风机和补风机启动的动作信号，电动排烟风口开启的动作信号，防烟防火阀和排烟防火阀关闭的动作信号，反馈给消防联动控制器。

6 行车道机械通风排烟系统联动控制实现要点

行车道机械通风排烟系统联动控制工作流程见图6,实现的要点：

1)通过2台独立的双波长火灾探测器，或1台双波长火灾探测器和1台光纤感温火灾探测器，或1台双波长火焰探测器和1个手动火灾报警按钮发出报警信号(“与”逻辑)，判断火灾发生地点属于行车道的哪个火灾区段(S1、S2、S3、X1、X2和X3)。

2)当S1发生火灾时，经报警确认和逻辑判断，消防联动控制器根据预设控制策略开启S2范围内的所有射流风机正转，其余风机和风阀关闭。射流风机正转气流的方向与行车方向一致，逆转气流的方向与行车方向相反。

图6 行车道机械通风排烟系统联动控制工作流程

3)当S2发生火灾时，经报警确认和逻辑判断，消防联动控制器开启S2范围内的所有射流风机正转，开启浦西上层隧道的电动组合风阀和工作井轴流风机组。轴流风机分别与其出风端电动组合风阀连锁控制。其余风机和风阀关闭。

4)当S3发生火灾时，经报警确认和逻辑判断，消防联动控制器开启浦东上层隧道的电动组合风阀和工作井轴流风机组。轴流风机分别与其出风端电动组合风阀连锁控制。其余风机和风阀关闭。

5)当X1(离隧道进口大于50 m)发生火灾时，经报警确认和逻辑判断，消防联动控制器开启X1范围内的所有射流风机正转，开启浦西下层隧道的电动组合风阀和工作井轴流风机组。轴流风机分别与其出风端电动组合风阀连锁控制。其余风机和风阀关闭。

6)当X1(离隧道进口小于50 m)发生火灾且无后续车辆时，消防联动控制器开启X1范围内的所有射流风机逆转，向隧道外排烟。其余风机和风阀关闭。

7)当X2发生火灾时，消防联动控制器开启下层范围内的所有射流风机正转，开启浦东下层隧道的电动组合风阀和工作井轴流风机。轴流风机分别与其出风端电动组合风阀连锁控制。其余风机和风阀关闭。

8)当X3发生火灾时，经报警确认和逻辑判断，消防联动控制器开启下层范围内的所有射流风机正转。其余风机和风阀关闭。

9)将射流风机、轴流风机、电动组合风阀启动和停止的动作信号反馈给消防联动控制器。

7 火灾报警系统中机械防排烟设施联动控制难点

7.1 日常工况与火灾工况兼用设备的控制切换

该隧道行车道火灾工况下采用的机械排烟系统与日常工况下采用的通风系统是合并设置的。射流风机和轴流风机为日常工况和火灾工况兼用的设备，由设备监控系统(Building Automation System, BAS)和火灾报警系统(Fire Alarm System，FAS)同时监控。

根据行车道联动控制策略，当不同区段发生火灾时，除了要求开启对应区域的风机以外，还要求关闭无关区域的风机。若FAS风机的启停共用1组触点(即输出DC 24 V电平为启动，无DC 24 V电平为停止)，则只能满足开启火灾发生区域的风机，无法保证关闭其他区域的风机，此时其他区域的风机可能正受BAS的控制。

因此，FAS风机的启停需分开，各设置1组触点，通过增加输出模块，分别输出DC 24 V电平，使风机自动启动和停止。在此情况下，风机的控制电路会更为繁琐，投入的成本会大大提高。这部分需求需提前与设备厂商沟通确认。

7.2 行车道单独设置电动组合风阀参与联动

该隧道属于特长隧道，当行车道部分区域发生火灾时，仅通过部署的射流风机很难快速将有毒烟气排至隧道外。

为保证行车道排烟效果，在上层行车道和下层行车道的浦东工作井和浦西工作井处各增加独立的电动组合风阀，配合工作井轴流排风机运转，使有毒烟气能往隧道外和工作井风塔双向排放。行车道电动组合风阀的加入使得发生火灾时行车道排烟设施的联动控制逻辑设计更为复杂，火灾报警控制器的逻辑编程难度大幅增大。

7.3 设备总数多

浦东工作井和浦西工作井各设置有1台火灾报警控制器，但因该隧道较长，若采用单输入、单输出模块，个别总线回路连接的火灾探测器、手动火灾报警按钮和各类模块等设备的总数和地址总数会超出规范要求的数量，使系统存在不稳定风险。

因此，为满足总线回路连接设备的要求，在进行系统设计时，采用多输入、多输出模块，有效减少总线回路上的地址总数。

8 系统测试

根据《道路隧道机电设备安装工程施工质量验收规范》(DG/TJ 08-112—2016)，火灾报警系统中的机械防排烟系统联动测试数据见表3。

表3 火灾报警系统中的机械防排烟系统联动测试数据

9 结 语

周家嘴路越江隧道属于特长隧道，发生火灾时产生的烟气危害极大。对此，应根据该隧道的结构特点部署相应的机械防排烟系统设备。针对隧道内不同位置处发生的火灾，根据预设的控制策略，经过逻辑判断之后，由火灾报警系统联动相应区域的防排烟设施，将烟气从隧道内的不同位置有针对性地排出，达到及时、高效排出烟气，保证疏散通道不受其侵害的目标。