張 欣,張圓圓
(中遠(yuǎn)海運(yùn)科技股份有限公司,上海 200135)
城市隧道的空間結(jié)構(gòu)與其他建筑結(jié)構(gòu)相比有其特殊性,一旦發(fā)生火災(zāi),容易造成巨大的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。因此,如何在火災(zāi)發(fā)生時(shí)及時(shí)排除火災(zāi)產(chǎn)生的煙氣,保證疏散通道不受其侵害,確保隧道內(nèi)的人員安全疏散,為火災(zāi)撲救創(chuàng)造有利的條件,是城市隧道建設(shè)過程中需考慮的重要課題。
本文以上海周家嘴路越江隧道為研究對(duì)象,結(jié)合城市隧道火災(zāi)的特點(diǎn),闡述其防排煙系統(tǒng)的部署和工作原理,設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)機(jī)械防排煙系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)控制策略,為城市隧道發(fā)生火災(zāi)時(shí)的應(yīng)急處置提供參考。
上海周家嘴路越江隧道連接浦西的周家嘴路和浦東的東靖路,是上海市中心北部區(qū)域連接浦江兩岸的區(qū)域型越江通道,全長(zhǎng)4.45 km。工程主線由2段明挖隧道、2個(gè)工作井和1段盾構(gòu)隧道等3部分組成,其中盾構(gòu)隧道長(zhǎng)約2.57 km,外徑14.5 m。隧道主體為雙向四車道,設(shè)計(jì)行車速度為60 km/h,單管雙層雙向四車道規(guī)模。上層隧道的行車方向?yàn)槠謻|往浦西,下層隧道的行車方向?yàn)槠治魍謻|。該隧道火災(zāi)的特點(diǎn)如下:
1)缺氧燃燒。該隧道作為城市特長(zhǎng)隧道,內(nèi)部相對(duì)封閉,發(fā)生火災(zāi)時(shí)含氧量下降,在沒有機(jī)械通風(fēng)的情況下屬于缺氧燃燒,會(huì)產(chǎn)生大量的有毒煙氣。
2)蔓延快。車輛及其所載可燃物均較多,發(fā)生火災(zāi)時(shí)隧道內(nèi)的溫度上升較快,熱輻射和熱對(duì)流效應(yīng)可能致使火災(zāi)發(fā)生位置附近的車輛或車載可燃物燃燒,并致使火勢(shì)蔓延,甚至引發(fā)爆炸。
3)人員疏散困難。發(fā)生火災(zāi)時(shí),隧道既是煙氣和熱量擴(kuò)散的通道,又是人員疏散的通道,有毒煙氣和高溫會(huì)對(duì)受困人員的生理和心理造成強(qiáng)烈刺激,致使其無序涌向疏散通道。此時(shí),隧道內(nèi)的煙霧大,能見度低,很容易引發(fā)新的交通事故,造成現(xiàn)場(chǎng)混亂擁擠,增大疏散難度。
針對(duì)城市隧道火災(zāi)的危險(xiǎn)性及其特點(diǎn),結(jié)合周家嘴路越江隧道的結(jié)構(gòu)特征,合理部署防排煙系統(tǒng)設(shè)備,實(shí)現(xiàn)對(duì)火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)煙氣的及時(shí)控制。該隧道的火災(zāi)煙氣控制分為防煙和排煙2部分。由于該隧道不具備自然排煙和自然通風(fēng)條件,排煙系統(tǒng)采用機(jī)械排煙的方式,防煙系統(tǒng)采用機(jī)械加壓送風(fēng)的方式,主要包含工作井設(shè)備管理用房機(jī)械防排煙系統(tǒng)和行車道機(jī)械通風(fēng)排煙系統(tǒng)2部分。
1)工作井設(shè)備管理用房樓梯間防煙系統(tǒng)示意見圖1。工作井設(shè)備管理用房位于地下一層,其機(jī)械防煙系統(tǒng)主要由機(jī)械加壓送風(fēng)機(jī)、加壓送風(fēng)口、送風(fēng)管道和防煙防火閥等組件構(gòu)成。在發(fā)生火災(zāi)時(shí),及時(shí)開啟機(jī)械加壓送風(fēng)系統(tǒng),對(duì)作為疏散通道使用的樓梯間及其前室進(jìn)行送風(fēng)加壓,使其保持一定的正壓(防煙樓梯間壓力>前室壓力>走道壓力),防止煙氣侵入;防煙樓梯間與走道之間的壓差應(yīng)為40~50 Pa,前室的余壓值為25~30 Pa,確保有一個(gè)安全可靠、暢通無阻的疏散通道,為安全疏散提供足夠的時(shí)間。
注:FD為防煙防火閥
2)工作井設(shè)備管理用房走道排煙系統(tǒng)示意見圖2。工作井設(shè)備管理用房位于地下一層,其走道機(jī)械排煙系統(tǒng)主要由排煙風(fēng)機(jī)、電動(dòng)排煙風(fēng)口、排煙管道、排煙防火閥、補(bǔ)風(fēng)機(jī)和補(bǔ)風(fēng)口等組件構(gòu)成。在發(fā)生火災(zāi)時(shí),及時(shí)開啟機(jī)械排煙系統(tǒng),打開相應(yīng)防煙分區(qū)的電動(dòng)排煙風(fēng)口,通過排煙管道將走道等空間內(nèi)的煙氣排至工作井風(fēng)塔,進(jìn)行高空排放。
在啟動(dòng)機(jī)械排煙系統(tǒng)的同時(shí),開啟補(bǔ)風(fēng)系統(tǒng),直接從新風(fēng)井引入空氣,形成理想的氣流組織,迅速排出煙氣。
行車道機(jī)械通風(fēng)排煙系統(tǒng)示意見圖3。該隧道的上層行車道位于地下二層,下層行車道位于地下三層,機(jī)械排煙系統(tǒng)與日常工況下采用的通風(fēng)系統(tǒng)合并設(shè)置,主要由射流風(fēng)機(jī)、軸流風(fēng)機(jī)和電動(dòng)組合風(fēng)閥等組件構(gòu)成。該隧道采用縱向分段排煙模式,在發(fā)生火災(zāi)時(shí),隧道內(nèi)的煙氣通過懸掛在隧道內(nèi)的射流風(fēng)機(jī)和風(fēng)井軸流排風(fēng)機(jī),沿行車道縱向流動(dòng)。在縱向通風(fēng)排煙時(shí),氣流方向與車行方向一致。采用縱向排煙方式能迅速組織氣流,有效排煙,縱向氣流的速度應(yīng)不小于2 m/s,并大于臨界風(fēng)速。
圖3 行車道機(jī)械通風(fēng)排煙系統(tǒng)示意
在設(shè)備管理用房和行車道部署機(jī)械防排煙設(shè)施之后,針對(duì)隧道內(nèi)不同位置處發(fā)生的火災(zāi),需根據(jù)預(yù)設(shè)的控制策略,經(jīng)過系統(tǒng)邏輯判斷之后,聯(lián)動(dòng)相應(yīng)區(qū)域的防排煙設(shè)施,達(dá)到及時(shí)、高效排除煙氣,保證疏散通道不受煙氣侵害的目標(biāo)。
發(fā)生火災(zāi)時(shí)工作井管理用房防排煙系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)控制策略見表1。
對(duì)于工作井管理用房的煙氣流向,當(dāng)發(fā)生火災(zāi)時(shí),根據(jù)控制策略聯(lián)動(dòng)防排煙設(shè)施,煙氣經(jīng)過排煙口、排煙管道和風(fēng)塔實(shí)現(xiàn)高空排放。在排煙的同時(shí),對(duì)走道進(jìn)行補(bǔ)風(fēng)。此外,對(duì)用作疏散通道的樓梯間加壓送風(fēng),防止煙氣流入其中。
發(fā)生火災(zāi)時(shí)行車道機(jī)械通風(fēng)排煙系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)控制策略見表2。
對(duì)于行車道煙氣流向:
表1 發(fā)生火災(zāi)時(shí)工作井管理用房防排煙系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)控制策略
表2 發(fā)生火災(zāi)時(shí)行車道機(jī)械通風(fēng)排煙系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)控制策略
1)當(dāng)S1發(fā)生火災(zāi)時(shí),根據(jù)控制策略聯(lián)動(dòng)防排煙設(shè)施,煙氣經(jīng)行車道向上層浦西隧道外排放;
2)當(dāng)S2發(fā)生火災(zāi)時(shí),根據(jù)控制策略聯(lián)動(dòng)防排煙設(shè)施,煙氣經(jīng)行車道、浦西工作井排風(fēng)機(jī)房和風(fēng)塔向高空排放;
3)當(dāng)S3發(fā)生火災(zāi)時(shí),根據(jù)控制策略聯(lián)動(dòng)防排煙設(shè)施,煙氣經(jīng)行車道、浦東工作井排風(fēng)機(jī)房和風(fēng)塔向高空排放;
4)當(dāng)X1(離隧道進(jìn)口大于50 m)發(fā)生火災(zāi)時(shí),根據(jù)控制策略聯(lián)動(dòng)防排煙設(shè)施,煙氣經(jīng)過行車道、浦西工作井排風(fēng)機(jī)房和風(fēng)塔向高空排放;
5)當(dāng)X1離隧道進(jìn)口小于50 m)發(fā)生火災(zāi)且無后續(xù)車輛時(shí),根據(jù)控制策略聯(lián)動(dòng)防排煙設(shè)施,煙氣經(jīng)行車道向下層浦西隧道外排放;
6)當(dāng)X2發(fā)生火災(zāi)時(shí),根據(jù)控制策略聯(lián)動(dòng)防排煙設(shè)施,煙氣經(jīng)行車道、浦東工作井排風(fēng)機(jī)房和風(fēng)塔向高空排放,同時(shí)經(jīng)行車道向下層浦東隧道外排放;
7)當(dāng)X3發(fā)生火災(zāi)時(shí),根據(jù)控制策略聯(lián)動(dòng)防排煙設(shè)施,煙氣經(jīng)行車道向下層浦東隧道外排放。
該隧道的機(jī)械防排煙系統(tǒng)各設(shè)備組件通過輸入模塊和控制模塊接入隧道火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng),在發(fā)生火災(zāi)時(shí),具體由消防聯(lián)動(dòng)控制器完成相應(yīng)的聯(lián)動(dòng)控制?;馂?zāi)報(bào)警系統(tǒng)構(gòu)成圖見圖4。
在發(fā)生火災(zāi)時(shí),火災(zāi)探測(cè)器和手動(dòng)火災(zāi)報(bào)警按鈕發(fā)出的報(bào)警信號(hào)通過總線的方式傳輸給消防聯(lián)動(dòng)控制器;消防聯(lián)動(dòng)控制器對(duì)接收到的報(bào)警信號(hào)進(jìn)行邏輯判斷,在滿足條件時(shí),按設(shè)定的聯(lián)動(dòng)控制策略,通過控制模塊啟動(dòng)相應(yīng)的防排煙系統(tǒng)設(shè)備,實(shí)現(xiàn)預(yù)設(shè)的消防功能。
除了聯(lián)動(dòng)控制方式以外,還可通過操作手動(dòng)控制盤直接啟動(dòng)相應(yīng)的防排煙系統(tǒng)設(shè)備,從而實(shí)現(xiàn)預(yù)設(shè)的消防功能。
圖4 火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)構(gòu)成圖
防排煙系統(tǒng)設(shè)備的動(dòng)作信息通過輸入模塊反饋給消防聯(lián)動(dòng)控制器。
圖5 工作井管理用房防排煙系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)控制工作流程
工作井管理用房防排煙系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)控制工作流程見圖5,實(shí)現(xiàn)的要點(diǎn)如下:
1)通過1臺(tái)感煙火災(zāi)探測(cè)器和1個(gè)手動(dòng)火災(zāi)報(bào)警按鈕或2臺(tái)獨(dú)立的感煙火災(zāi)探測(cè)器發(fā)出報(bào)警信號(hào)(“與”邏輯),判斷火災(zāi)發(fā)生地點(diǎn)屬于工作井管理用房的哪個(gè)防煙分區(qū)。
2)當(dāng)防煙分區(qū)一(建筑面積111 m2)范圍內(nèi)發(fā)生火災(zāi)時(shí),經(jīng)報(bào)警確認(rèn)和邏輯判斷,消防聯(lián)動(dòng)控制器開啟正壓送風(fēng)機(jī),開啟電動(dòng)排煙風(fēng)口1、排煙風(fēng)機(jī)和補(bǔ)風(fēng)機(jī)。電動(dòng)排煙風(fēng)口打開之后需手動(dòng)復(fù)位。任意電動(dòng)排煙風(fēng)口開啟,排煙風(fēng)機(jī)和補(bǔ)風(fēng)機(jī)自動(dòng)啟動(dòng)。
3)當(dāng)防煙分區(qū)二(建筑面積64 m2)范圍內(nèi)發(fā)生火災(zāi)時(shí),經(jīng)報(bào)警確認(rèn)和邏輯判斷,消防聯(lián)動(dòng)控制器開啟正壓送風(fēng)機(jī),開啟電動(dòng)排煙風(fēng)口2、排煙風(fēng)機(jī)和補(bǔ)風(fēng)機(jī)。
4)當(dāng)防煙分區(qū)三(建筑面積57 m2)范圍內(nèi)發(fā)生火災(zāi)時(shí),經(jīng)報(bào)警確認(rèn)和邏輯判斷,消防聯(lián)動(dòng)控制器開啟正壓送風(fēng)機(jī),開啟電動(dòng)排煙風(fēng)口3、排煙風(fēng)機(jī)和補(bǔ)風(fēng)機(jī)。
5)當(dāng)防煙分區(qū)四(建筑面積45 m2)范圍內(nèi)發(fā)生火災(zāi)時(shí),經(jīng)報(bào)警確認(rèn)和邏輯判斷,消防聯(lián)動(dòng)控制器開啟正壓送風(fēng)機(jī),開啟電動(dòng)排煙風(fēng)口4、排煙風(fēng)機(jī)和補(bǔ)風(fēng)機(jī)。
6)防煙防火閥在周圍溫度為70 ℃時(shí)自行關(guān)閉,排煙防火閥在周圍溫度為280 ℃時(shí)自行關(guān)閉,需手動(dòng)復(fù)位。排煙風(fēng)機(jī)入口總管上設(shè)置的排煙防火閥關(guān)閉之后,直接連鎖關(guān)閉排煙風(fēng)機(jī)和補(bǔ)風(fēng)機(jī)。
7)將正壓送風(fēng)機(jī)、排煙風(fēng)機(jī)和補(bǔ)風(fēng)機(jī)啟動(dòng)的動(dòng)作信號(hào),電動(dòng)排煙風(fēng)口開啟的動(dòng)作信號(hào),防煙防火閥和排煙防火閥關(guān)閉的動(dòng)作信號(hào),反饋給消防聯(lián)動(dòng)控制器。
行車道機(jī)械通風(fēng)排煙系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)控制工作流程見圖6,實(shí)現(xiàn)的要點(diǎn):
1)通過2臺(tái)獨(dú)立的雙波長(zhǎng)火災(zāi)探測(cè)器,或1臺(tái)雙波長(zhǎng)火災(zāi)探測(cè)器和1臺(tái)光纖感溫火災(zāi)探測(cè)器,或1臺(tái)雙波長(zhǎng)火焰探測(cè)器和1個(gè)手動(dòng)火災(zāi)報(bào)警按鈕發(fā)出報(bào)警信號(hào)(“與”邏輯),判斷火災(zāi)發(fā)生地點(diǎn)屬于行車道的哪個(gè)火災(zāi)區(qū)段(S1、S2、S3、X1、X2和X3)。
2)當(dāng)S1發(fā)生火災(zāi)時(shí),經(jīng)報(bào)警確認(rèn)和邏輯判斷,消防聯(lián)動(dòng)控制器根據(jù)預(yù)設(shè)控制策略開啟S2范圍內(nèi)的所有射流風(fēng)機(jī)正轉(zhuǎn),其余風(fēng)機(jī)和風(fēng)閥關(guān)閉。射流風(fēng)機(jī)正轉(zhuǎn)氣流的方向與行車方向一致,逆轉(zhuǎn)氣流的方向與行車方向相反。
圖6 行車道機(jī)械通風(fēng)排煙系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)控制工作流程
3)當(dāng)S2發(fā)生火災(zāi)時(shí),經(jīng)報(bào)警確認(rèn)和邏輯判斷,消防聯(lián)動(dòng)控制器開啟S2范圍內(nèi)的所有射流風(fēng)機(jī)正轉(zhuǎn),開啟浦西上層隧道的電動(dòng)組合風(fēng)閥和工作井軸流風(fēng)機(jī)組。軸流風(fēng)機(jī)分別與其出風(fēng)端電動(dòng)組合風(fēng)閥連鎖控制。其余風(fēng)機(jī)和風(fēng)閥關(guān)閉。
4)當(dāng)S3發(fā)生火災(zāi)時(shí),經(jīng)報(bào)警確認(rèn)和邏輯判斷,消防聯(lián)動(dòng)控制器開啟浦東上層隧道的電動(dòng)組合風(fēng)閥和工作井軸流風(fēng)機(jī)組。軸流風(fēng)機(jī)分別與其出風(fēng)端電動(dòng)組合風(fēng)閥連鎖控制。其余風(fēng)機(jī)和風(fēng)閥關(guān)閉。
5)當(dāng)X1(離隧道進(jìn)口大于50 m)發(fā)生火災(zāi)時(shí),經(jīng)報(bào)警確認(rèn)和邏輯判斷,消防聯(lián)動(dòng)控制器開啟X1范圍內(nèi)的所有射流風(fēng)機(jī)正轉(zhuǎn),開啟浦西下層隧道的電動(dòng)組合風(fēng)閥和工作井軸流風(fēng)機(jī)組。軸流風(fēng)機(jī)分別與其出風(fēng)端電動(dòng)組合風(fēng)閥連鎖控制。其余風(fēng)機(jī)和風(fēng)閥關(guān)閉。
6)當(dāng)X1(離隧道進(jìn)口小于50 m)發(fā)生火災(zāi)且無后續(xù)車輛時(shí),消防聯(lián)動(dòng)控制器開啟X1范圍內(nèi)的所有射流風(fēng)機(jī)逆轉(zhuǎn),向隧道外排煙。其余風(fēng)機(jī)和風(fēng)閥關(guān)閉。
7)當(dāng)X2發(fā)生火災(zāi)時(shí),消防聯(lián)動(dòng)控制器開啟下層范圍內(nèi)的所有射流風(fēng)機(jī)正轉(zhuǎn),開啟浦東下層隧道的電動(dòng)組合風(fēng)閥和工作井軸流風(fēng)機(jī)。軸流風(fēng)機(jī)分別與其出風(fēng)端電動(dòng)組合風(fēng)閥連鎖控制。其余風(fēng)機(jī)和風(fēng)閥關(guān)閉。
8)當(dāng)X3發(fā)生火災(zāi)時(shí),經(jīng)報(bào)警確認(rèn)和邏輯判斷,消防聯(lián)動(dòng)控制器開啟下層范圍內(nèi)的所有射流風(fēng)機(jī)正轉(zhuǎn)。其余風(fēng)機(jī)和風(fēng)閥關(guān)閉。
9)將射流風(fēng)機(jī)、軸流風(fēng)機(jī)、電動(dòng)組合風(fēng)閥啟動(dòng)和停止的動(dòng)作信號(hào)反饋給消防聯(lián)動(dòng)控制器。
該隧道行車道火災(zāi)工況下采用的機(jī)械排煙系統(tǒng)與日常工況下采用的通風(fēng)系統(tǒng)是合并設(shè)置的。射流風(fēng)機(jī)和軸流風(fēng)機(jī)為日常工況和火災(zāi)工況兼用的設(shè)備,由設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)(Building Automation System, BAS)和火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)(Fire Alarm System,F(xiàn)AS)同時(shí)監(jiān)控。
根據(jù)行車道聯(lián)動(dòng)控制策略,當(dāng)不同區(qū)段發(fā)生火災(zāi)時(shí),除了要求開啟對(duì)應(yīng)區(qū)域的風(fēng)機(jī)以外,還要求關(guān)閉無關(guān)區(qū)域的風(fēng)機(jī)。若FAS風(fēng)機(jī)的啟停共用1組觸點(diǎn)(即輸出DC 24 V電平為啟動(dòng),無DC 24 V電平為停止),則只能滿足開啟火災(zāi)發(fā)生區(qū)域的風(fēng)機(jī),無法保證關(guān)閉其他區(qū)域的風(fēng)機(jī),此時(shí)其他區(qū)域的風(fēng)機(jī)可能正受BAS的控制。
因此,F(xiàn)AS風(fēng)機(jī)的啟停需分開,各設(shè)置1組觸點(diǎn),通過增加輸出模塊,分別輸出DC 24 V電平,使風(fēng)機(jī)自動(dòng)啟動(dòng)和停止。在此情況下,風(fēng)機(jī)的控制電路會(huì)更為繁瑣,投入的成本會(huì)大大提高。這部分需求需提前與設(shè)備廠商溝通確認(rèn)。
該隧道屬于特長(zhǎng)隧道,當(dāng)行車道部分區(qū)域發(fā)生火災(zāi)時(shí),僅通過部署的射流風(fēng)機(jī)很難快速將有毒煙氣排至隧道外。
為保證行車道排煙效果,在上層行車道和下層行車道的浦東工作井和浦西工作井處各增加獨(dú)立的電動(dòng)組合風(fēng)閥,配合工作井軸流排風(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn),使有毒煙氣能往隧道外和工作井風(fēng)塔雙向排放。行車道電動(dòng)組合風(fēng)閥的加入使得發(fā)生火災(zāi)時(shí)行車道排煙設(shè)施的聯(lián)動(dòng)控制邏輯設(shè)計(jì)更為復(fù)雜,火災(zāi)報(bào)警控制器的邏輯編程難度大幅增大。
浦東工作井和浦西工作井各設(shè)置有1臺(tái)火災(zāi)報(bào)警控制器,但因該隧道較長(zhǎng),若采用單輸入、單輸出模塊,個(gè)別總線回路連接的火災(zāi)探測(cè)器、手動(dòng)火災(zāi)報(bào)警按鈕和各類模塊等設(shè)備的總數(shù)和地址總數(shù)會(huì)超出規(guī)范要求的數(shù)量,使系統(tǒng)存在不穩(wěn)定風(fēng)險(xiǎn)。
因此,為滿足總線回路連接設(shè)備的要求,在進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí),采用多輸入、多輸出模塊,有效減少總線回路上的地址總數(shù)。
根據(jù)《道路隧道機(jī)電設(shè)備安裝工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范》(DG/TJ 08-112—2016),火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)中的機(jī)械防排煙系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)測(cè)試數(shù)據(jù)見表3。
表3 火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)中的機(jī)械防排煙系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)測(cè)試數(shù)據(jù)
周家嘴路越江隧道屬于特長(zhǎng)隧道,發(fā)生火災(zāi)時(shí)產(chǎn)生的煙氣危害極大。對(duì)此,應(yīng)根據(jù)該隧道的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)部署相應(yīng)的機(jī)械防排煙系統(tǒng)設(shè)備。針對(duì)隧道內(nèi)不同位置處發(fā)生的火災(zāi),根據(jù)預(yù)設(shè)的控制策略,經(jīng)過邏輯判斷之后,由火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)相應(yīng)區(qū)域的防排煙設(shè)施,將煙氣從隧道內(nèi)的不同位置有針對(duì)性地排出,達(dá)到及時(shí)、高效排出煙氣,保證疏散通道不受其侵害的目標(biāo)。