香山特長(zhǎng)隧道運(yùn)營(yíng)通風(fēng)及防災(zāi)救援方案設(shè)計(jì)研究

謝勇濤，丁 祥

(1.北京交通大學(xué),北京 100044； 2.中鐵第五勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,北京 102600)

1 工程概況

擬建中的包蘭線銀川至蘭州段擴(kuò)能工程[1],是為了盡快形成包蘭線通道能力,協(xié)調(diào)發(fā)揮京蘭、干武—包蘭—寶中、包蘭—太中銀、包蘭—蘭渝等各通道整體功能,提高通道運(yùn)輸效率和運(yùn)輸質(zhì)量。該項(xiàng)目的實(shí)施是深入推進(jìn)西部大開發(fā)戰(zhàn)略,促進(jìn)區(qū)域協(xié)調(diào)發(fā)展的需要；是全面建設(shè)小康社會(huì),提高各族人民生活水平的需要；是實(shí)現(xiàn)各民族共同發(fā)展、共同繁榮、構(gòu)建和諧社會(huì)的需要。

香山特長(zhǎng)隧道是全線的最長(zhǎng)隧道,位于寧夏中衛(wèi)縣常樂堡至甘肅省白銀市平川區(qū)梁水園子附近,穿越香山山脈。隧道全長(zhǎng)23 920 m,為雙洞單線隧道,線間距43.8～50 m。隧道洞身海拔1 283～1 540 m,隧道最大埋深約430 m。洞內(nèi)縱坡為+11‰/22 600 m、+7‰/800 m和-3‰/520 m。隧道采用時(shí)速200 km客貨共線鐵路單線隧道內(nèi)輪廓，如圖1所示,軌頂面以上凈空橫斷面積為52.02 m2。

圖1 隧道內(nèi)輪廓(單位：cm)

2 運(yùn)營(yíng)通風(fēng)設(shè)計(jì)

隧道通風(fēng)主要有[2]自然通風(fēng)和機(jī)械通風(fēng)兩種方式,而機(jī)械通風(fēng)又分為橫向通風(fēng)、半橫向通風(fēng)和縱向通風(fēng)等幾種通風(fēng)方式。本隧道機(jī)械通風(fēng)采用縱向通風(fēng)方式。

2.1 運(yùn)營(yíng)通風(fēng)主要設(shè)計(jì)原則

(1)根據(jù)《鐵路隧道運(yùn)營(yíng)通風(fēng)設(shè)計(jì)規(guī)范》[3]規(guī)定：運(yùn)營(yíng)隧道內(nèi)空氣的衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)滿足下列要求：列車通過(guò)隧道后15 min內(nèi),空氣中一氧化碳濃度小于30 mg/m3,氮氧化物(換算成NO2)濃度小于10 mg/m3,濕度應(yīng)小于80%,溫度應(yīng)低于28 ℃,臭氧濃度應(yīng)小于0.3 mg/ m3,含有10%以下游離二氧化硅的粉塵濃度應(yīng)小于10 mg/m3。

(2)隧道運(yùn)營(yíng)通風(fēng)方案,應(yīng)根據(jù)牽引種類、列車類型、隧道長(zhǎng)度、隧道平面與縱斷面、道床類型、行車速度和密度、氣象條件和兩端洞口地形條件等因素綜合考慮。

(3)隧道運(yùn)營(yíng)通風(fēng)應(yīng)充分利用斜井、豎井、橫洞、聯(lián)絡(luò)通道等輔助坑道,其設(shè)置的位置與斷面尺寸,應(yīng)結(jié)合運(yùn)營(yíng)通風(fēng)的要求,統(tǒng)一考慮確定。

(4)正常運(yùn)營(yíng)階段按隧道的通風(fēng)換氣來(lái)計(jì)算通風(fēng),計(jì)算中要考慮列車運(yùn)行產(chǎn)生的活塞風(fēng)及自然風(fēng)的作用。

2.2 運(yùn)營(yíng)通風(fēng)方式及風(fēng)機(jī)布置形式

根據(jù)香山隧道的縱坡特點(diǎn),可以充分利用隧道單面坡長(zhǎng)、坡度大的特點(diǎn),通風(fēng)系統(tǒng)節(jié)省功效。隧道通風(fēng)采用射流風(fēng)機(jī)全縱向通風(fēng)方式。隧道運(yùn)營(yíng)通風(fēng)在天窗時(shí)間進(jìn)行,通風(fēng)以換氣為主,通風(fēng)時(shí)間100 min。

根據(jù)《鐵路隧道工程設(shè)計(jì)技術(shù)手冊(cè)》[4]對(duì)香山隧道的運(yùn)營(yíng)通風(fēng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。通過(guò)計(jì)算得到,在每單線隧道內(nèi)采用6組風(fēng)機(jī),每組風(fēng)機(jī)在同一斷面布置6臺(tái),風(fēng)機(jī)總數(shù)為6×6=36臺(tái),風(fēng)機(jī)型號(hào)選擇SDS-12.5T-4P-37型(φ1 250 mm)可逆式射流風(fēng)機(jī),每臺(tái)射流風(fēng)機(jī)的功率37 kW,總功率為36×37=1332 kW,在隧道運(yùn)營(yíng)通風(fēng)時(shí)射流風(fēng)機(jī)開啟5組,1組備用。

每組風(fēng)機(jī)的間距按照大于10d+20 m來(lái)取(d隧道的當(dāng)量直徑),香山隧道的風(fēng)機(jī)間距為120 m,左線隧道風(fēng)機(jī)布置形式如圖2所示。

圖2 隧道風(fēng)機(jī)平面布置(單位：m)

風(fēng)機(jī)距隧道邊壁的距離為20 cm,風(fēng)機(jī)安裝布置處的橫斷面如圖3所示。隧道風(fēng)機(jī)啟動(dòng)采用軟起動(dòng)器起動(dòng)方式,風(fēng)機(jī)分組間隔起動(dòng),降低起動(dòng)電壓,節(jié)約能源。

圖3 風(fēng)機(jī)安裝處橫斷面示意(單位：cm)

3 防災(zāi)通風(fēng)設(shè)計(jì)

3.1 防災(zāi)通風(fēng)主要設(shè)計(jì)原則

(1)鐵路長(zhǎng)大隧道防災(zāi)、救援與安全疏散的設(shè)計(jì)原則,應(yīng)本著“以人為本”的設(shè)計(jì)理念,貫徹“以防為主、防消結(jié)合、快速疏散”的消防工作方針,采取積極有效的措施,防止和減少各類災(zāi)害帶來(lái)的危害。在防災(zāi)救援與安全疏散設(shè)置方面重點(diǎn)考慮快速、安全疏散列車上的所有旅客。

(2)防火災(zāi)設(shè)備的設(shè)計(jì)能力,按全線同一時(shí)間內(nèi)發(fā)生一次火災(zāi)考慮。

(3)當(dāng)列車在隧道內(nèi)發(fā)生火災(zāi)事故,凡能繼續(xù)運(yùn)行時(shí),均應(yīng)遵循“先將列車?yán)龆赐庠龠M(jìn)行列車解體及火災(zāi)事故處理”的基本原則,將列車牽引到救援逃生口或隧道洞口使乘客安全疏散。如果列車失去動(dòng)力停在隧道內(nèi)時(shí),應(yīng)立即采取有效措施,保證乘客能迅速下車并安全疏散。

(4)在設(shè)置運(yùn)營(yíng)通風(fēng)時(shí),應(yīng)充分考慮到火災(zāi)時(shí)防、排煙要求，盡可能將隧道的防災(zāi)通風(fēng)和運(yùn)營(yíng)通風(fēng)有機(jī)的結(jié)合起來(lái),以減少通風(fēng)設(shè)備的配置數(shù)量和容量以及通風(fēng)管路設(shè)置。

(5)參考地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范[5]有關(guān)標(biāo)準(zhǔn),隧道內(nèi)發(fā)生火災(zāi)事故時(shí),人員疏散階段控制疏散通道內(nèi)的氣流速度為2～11 m/s。

3.2 防災(zāi)通風(fēng)方案

根據(jù)《鐵路工程設(shè)計(jì)防火規(guī)范》[6],單側(cè)設(shè)貫通整個(gè)隧道的救援通道,兩單洞間每隔500 m設(shè)橫通道連接,作為救援和緊急疏散的通道。并在橫通道的兩端洞口處設(shè)置雙向防火門。隧道正常運(yùn)營(yíng)時(shí)橫通道中的防火門都處于關(guān)閉狀態(tài),因此,防火門必須能夠承受0.10 MPa的壓力波動(dòng)。緊急情況下,防火門必須能夠在至少90 min內(nèi)承受1 000 ℃的高溫。

隧道火災(zāi)時(shí)應(yīng)盡量將列車駛出隧道,否則應(yīng)啟動(dòng)防災(zāi)通風(fēng)。著火時(shí)人員通過(guò)橫通道進(jìn)入相鄰的安全隧洞,安全隧洞內(nèi)靠近兩端射流風(fēng)機(jī)開啟,向洞內(nèi)通風(fēng)維持橫通道口的正壓,避免煙霧進(jìn)入。著火隧道內(nèi)射流風(fēng)機(jī)根據(jù)著火部位情況開啟,最大限度防止煙氣侵入人員逃生空間。

隧道正常運(yùn)營(yíng)時(shí)橫通道中的防火門都處于關(guān)閉狀態(tài),火災(zāi)事故時(shí)打開相應(yīng)的防煙閥和防火門,啟動(dòng)隧道中的射流風(fēng)機(jī)，對(duì)疏散通道進(jìn)行送風(fēng)和排煙。

香山特長(zhǎng)隧道長(zhǎng)23.92 km,故采用定點(diǎn)救援模式設(shè)計(jì),并在定點(diǎn)附近設(shè)置固定消防設(shè)施和緊急出口。救援定點(diǎn)的設(shè)置將隧道分為幾個(gè)防災(zāi)區(qū)域,充分利用定點(diǎn)救援站處的斜井和隧道兩端的風(fēng)機(jī)作為送入新風(fēng)和排煙的通道,通風(fēng)必須維持橫通道口處于正壓狀態(tài),防止煙氣流向通道內(nèi)。通風(fēng)系統(tǒng)從安全隧道通過(guò)橫通道向事故隧道方向送風(fēng),抑制煙氣進(jìn)入橫通道及未發(fā)生事故的隧道,滿足疏散人員迎著新風(fēng)進(jìn)入橫通道和安全隧道內(nèi),同時(shí)保證等待區(qū)域所需要的新鮮空氣。按照事故發(fā)生的不同隧道內(nèi)區(qū)域采用不同的防災(zāi)通風(fēng)方式。

3.3 防災(zāi)通風(fēng)風(fēng)量計(jì)算

通過(guò)對(duì)現(xiàn)有長(zhǎng)大隧道的調(diào)研和對(duì)比,初步對(duì)香山隧道的防災(zāi)通風(fēng)量進(jìn)行估計(jì)計(jì)算。隧道內(nèi)發(fā)生事故時(shí),該側(cè)隧道為事故隧道，另一側(cè)隧道為安全隧道,打開4個(gè)列車?？刻幐浇鼉伤淼乐g的聯(lián)絡(luò)通道防火門,隧道內(nèi)風(fēng)機(jī)進(jìn)行排煙送風(fēng),乘客迎著新風(fēng)從疏散通道經(jīng)橫通道向安全隧道內(nèi)疏散撤離。

隧道內(nèi)發(fā)生火災(zāi)后,首先要保證人員的安全疏散,讓人員都能迎著新風(fēng)進(jìn)行疏散,則應(yīng)該保證火災(zāi)隧道中的煙氣不要擴(kuò)散,此時(shí)保證煙氣不逆流的方式是保證新風(fēng)的風(fēng)速要高于煙氣逆流的臨界風(fēng)速。因此,需要對(duì)隧道中煙氣的臨界風(fēng)速進(jìn)行計(jì)算。在現(xiàn)有的隧道火災(zāi)煙氣逆流臨界風(fēng)速計(jì)算公式的基礎(chǔ)上,可以初步計(jì)算出列車在香山隧道內(nèi)著火后火災(zāi)煙氣逆流的臨界風(fēng)速。這里采用根據(jù)Froude數(shù)和試驗(yàn)數(shù)據(jù)推導(dǎo)的半經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算得出的Kennedy公式，對(duì)隧道中火災(zāi)煙氣的臨界風(fēng)速進(jìn)行計(jì)算,得出只要隧道內(nèi)的通風(fēng)量大于561 628.728 m3/h,就能滿足煙氣不逆流。

此外,火災(zāi)時(shí)還需要滿足乘客迎著新風(fēng)向橫通道和安全隧道內(nèi)疏散撤離的要求。根據(jù)通風(fēng)工程中對(duì)于防煙送風(fēng)量的計(jì)算方法,采用風(fēng)速法對(duì)定點(diǎn)內(nèi)火災(zāi)防災(zāi)通風(fēng)風(fēng)量進(jìn)行計(jì)算。風(fēng)速法是按開啟失火單元疏散門時(shí)應(yīng)保持門洞處一定的風(fēng)速來(lái)計(jì)算加壓送風(fēng)量,計(jì)算隧道內(nèi)各個(gè)橫通道內(nèi)的通風(fēng)量應(yīng)該是≥108 000 m3/h,這樣就能滿足防災(zāi)通風(fēng)乘客迎著新風(fēng)向橫通道和安全隧道內(nèi)疏散撤離的要求。人員疏散時(shí)要求開放4個(gè)橫通道,因此人員疏散所需新風(fēng)風(fēng)量為4×108 000=432 000 m3/h。

隧道中火災(zāi)時(shí)總共需要的通風(fēng)量為：432 000+561 628.728=993 628.728 m3/h。每臺(tái)SDS-12.5T-4P-37(φ1 250 mm)射流風(fēng)機(jī)的送風(fēng)流量為138 600 m3/h,則需要8臺(tái)SDS-12.5T-4P-37射流風(fēng)機(jī)的送風(fēng)風(fēng)量即可滿足要求,根據(jù)前述的防災(zāi)通風(fēng)設(shè)計(jì)方案可知隧道內(nèi)的風(fēng)機(jī)設(shè)置完全可以滿足隧道火災(zāi)的防災(zāi)排煙送風(fēng)要求。

4 防災(zāi)救援設(shè)計(jì)

隧道火災(zāi)時(shí)應(yīng)盡量將列車駛出隧道,若不能將列車完全駛離隧道,則主要考慮兩種方式的救援模式：隨機(jī)停車救援和定點(diǎn)救援兩種救援方式。

4.1 定點(diǎn)救援

香山特長(zhǎng)隧道考慮在隧道內(nèi)設(shè)置緊急救援站,在列車發(fā)生火災(zāi)時(shí)能夠?qū)⒘熊囬_到緊急救援站實(shí)施定點(diǎn)消防救援方案。列車在隧道內(nèi)發(fā)生火災(zāi)事故后,?？吭诙磧?nèi)緊急救援站進(jìn)行疏散,緊急救援站應(yīng)保證火災(zāi)事故列車在該位置停靠后,6 min內(nèi)將車上旅客通過(guò)橫通道全部疏散到安全空間。人員在安全區(qū)域等待，救援列車從另一座隧道進(jìn)入救援站進(jìn)行救援。

4.1.1 緊急救援站設(shè)置

按照列車運(yùn)行15 min的距離設(shè)置定點(diǎn)或在隧道中部設(shè)置定點(diǎn)(還需要結(jié)合輔助坑道位置設(shè)置),國(guó)內(nèi)外鐵路隧道緊急救援站設(shè)置情況如表1所示。

表1 國(guó)內(nèi)外鐵路隧道定點(diǎn)設(shè)置情況

4.1.2 緊急救援站長(zhǎng)度

按通行列車長(zhǎng)度并取一定富裕設(shè)置,一般為500 m左右。國(guó)內(nèi)外鐵路隧道定點(diǎn)長(zhǎng)度和橫通道間距設(shè)置如表2所示。

表2 國(guó)內(nèi)外鐵路隧道定點(diǎn)長(zhǎng)度 m

結(jié)合前述的調(diào)研資料和香山隧道通行列車的實(shí)際情況,香山特長(zhǎng)隧道內(nèi)左右線CK715+440～CK716+000段各設(shè)置1個(gè)緊急救援站,長(zhǎng)560 m。緊急救援站位于左右線之間,采用橫通道相連,共設(shè)置10個(gè)橫通道,作為緊急避難場(chǎng)所及疏散通道,人員等待空間按1人/m2考慮,橫通道間距50 m。緊急救援站設(shè)置示意如圖4所示。

圖4 緊急救援站設(shè)置示意(單位：m)

緊急救援站內(nèi)應(yīng)設(shè)置疏散站臺(tái),站臺(tái)寬度宜為2.3 m,站臺(tái)高度2.2 m。緊急救援站內(nèi)輪廓如圖5所示。

圖5 緊急救援站內(nèi)輪廓(單位：cm)

4.2 隧道隨機(jī)停車救援

隧道單側(cè)設(shè)貫通整個(gè)隧道的救援通道,兩單洞間設(shè)橫通道連接,橫通道的間距設(shè)置為500 m。發(fā)生火災(zāi)時(shí)人員通過(guò)橫通道進(jìn)入相鄰的安全隧道,安全隧道內(nèi)靠近兩端射流風(fēng)機(jī)開啟,向洞內(nèi)通風(fēng)維持橫通道口的正壓,避免煙霧進(jìn)入。著火隧道內(nèi)射流風(fēng)機(jī)根據(jù)著火部位情況開啟,最大限度防止煙氣侵入人員逃生空間。救援列車從面對(duì)人員疏散的方向進(jìn)入隧道進(jìn)行救援。

4.2.1 緊急出入口設(shè)置

右線隧道內(nèi)YCK711+700處無(wú)軌斜井在主洞施工完成后設(shè)置為緊急出口,供旅客逃生、疏散用。緊急出口內(nèi)設(shè)應(yīng)急照明和通風(fēng)系統(tǒng),在斜井洞口處設(shè)置2組(每組2臺(tái))φ1 250 mm可逆式射流風(fēng)機(jī)(45 kW/臺(tái))。

4.2.2 疏散方向及救援通道疏散標(biāo)志

雙洞單線隧道內(nèi)疏散方向?yàn)閮勺淼篱g的“橫通道”或隧道洞口或“緊急出入口”； 救援通道疏散標(biāo)志內(nèi)容標(biāo)明該點(diǎn)距離兩個(gè)方向最近的“橫通道”或隧道洞口或“緊急出入口”的長(zhǎng)度,如圖6所示。

圖6 救援通道疏散標(biāo)志

4.3 救援方式

人員從事故隧道通過(guò)橫通道防火門后,到達(dá)安全區(qū)域,亦即進(jìn)入安全救援階段。除非有直接通到地面且滿足要求的緊急出口,火災(zāi)事故列車停在隧道內(nèi)推薦采用以下兩種救援方式：

(1)人員在安全區(qū)域等待,救援列車從另一座隧道進(jìn)入隧道進(jìn)行救援；

(2)人員在安全區(qū)域等待,地面救援車輛從與隧道平行的服務(wù)隧道到達(dá)安全等待區(qū)域進(jìn)行救援。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外特長(zhǎng)隧道相關(guān)資料的調(diào)研和分析,結(jié)合銀蘭二線23.92 km香山隧道的實(shí)際情況,進(jìn)行了相應(yīng)的運(yùn)營(yíng)和防災(zāi)通風(fēng)設(shè)計(jì)及防災(zāi)救援設(shè)計(jì)。

(1)給出了適合香山隧道運(yùn)營(yíng)通風(fēng)和防災(zāi)通風(fēng)的設(shè)計(jì)原則。

(2)隧道洞內(nèi)縱坡為+11‰/22 600 m、+7‰/800 m和-3‰/520 m,根據(jù)其縱坡特點(diǎn)和充分利用隧道單面坡長(zhǎng)、坡度大的特點(diǎn),隧道通風(fēng)采用射流風(fēng)機(jī)全縱向通風(fēng)方式。

(3)根據(jù)防災(zāi)設(shè)計(jì)要求,隧道單側(cè)設(shè)貫通整個(gè)隧道的救援通道,兩單洞間每隔500 m設(shè)橫通道連接,作為救援和緊急疏散的通道,并在橫通道的兩端洞口處設(shè)置雙向防火門。

(4)根據(jù)香山隧道運(yùn)營(yíng)通風(fēng)量和防災(zāi)通風(fēng)量的計(jì)算結(jié)果,本隧道在每單線隧道內(nèi)設(shè)計(jì)采用6組風(fēng)機(jī),間距120 m,每組風(fēng)機(jī)在同一斷面布置6臺(tái)；風(fēng)機(jī)型號(hào)選用SDS-12.5T-4P-37型(φ1 250 mm)可逆式射流風(fēng)機(jī)。

(5)香山隧道主要考慮隨機(jī)停車救援和定點(diǎn)救援兩種救援方式。

[1]中鐵第五勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司.銀川至蘭州段擴(kuò)能工程可行性研究[R].北京：2009.

[2]TB10003—2005,鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[3]TB10068—2000,鐵路隧道運(yùn)營(yíng)通風(fēng)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[4]鐵道部第二勘測(cè)設(shè)計(jì)院.鐵路隧道工程設(shè)計(jì)技術(shù)手冊(cè)[M].北京：中國(guó)鐵道出版社,1995.

[5]GB50157—2003,地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[6]TB10063—2007,鐵路工程設(shè)計(jì)防火規(guī)范[S].