香山特長隧道運營通風及防災救援方案設計研究

謝勇濤，丁 祥

(1.北京交通大學,北京 100044； 2.中鐵第五勘察設計院集團有限公司,北京 102600)

1 工程概況

擬建中的包蘭線銀川至蘭州段擴能工程[1],是為了盡快形成包蘭線通道能力,協調發揮京蘭、干武—包蘭—寶中、包蘭—太中銀、包蘭—蘭渝等各通道整體功能,提高通道運輸效率和運輸質量。該項目的實施是深入推進西部大開發戰略,促進區域協調發展的需要；是全面建設小康社會,提高各族人民生活水平的需要；是實現各民族共同發展、共同繁榮、構建和諧社會的需要。

香山特長隧道是全線的最長隧道,位于寧夏中衛縣常樂堡至甘肅省白銀市平川區梁水園子附近,穿越香山山脈。隧道全長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。洞內縱坡為+11‰/22 600 m、+7‰/800 m和-3‰/520 m。隧道采用時速200 km客貨共線鐵路單線隧道內輪廓，如圖1所示,軌頂面以上凈空橫斷面積為52.02 m2。

圖1 隧道內輪廓(單位：cm)

2 運營通風設計

隧道通風主要有[2]自然通風和機械通風兩種方式,而機械通風又分為橫向通風、半橫向通風和縱向通風等幾種通風方式。本隧道機械通風采用縱向通風方式。

2.1 運營通風主要設計原則

(1)根據《鐵路隧道運營通風設計規范》[3]規定：運營隧道內空氣的衛生標準應滿足下列要求：列車通過隧道后15 min內,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,濕度應小于80%,溫度應低于28 ℃,臭氧濃度應小于0.3 mg/ m3,含有10%以下游離二氧化硅的粉塵濃度應小于10 mg/m3。

(2)隧道運營通風方案,應根據牽引種類、列車類型、隧道長度、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)隧道運營通風應充分利用斜井、豎井、橫洞、聯絡通道等輔助坑道,其設置的位置與斷面尺寸,應結合運營通風的要求,統一考慮確定。

(4)正常運營階段按隧道的通風換氣來計算通風,計算中要考慮列車運行產生的活塞風及自然風的作用。

2.2 運營通風方式及風機布置形式

根據香山隧道的縱坡特點,可以充分利用隧道單面坡長、坡度大的特點,通風系統節省功效。隧道通風采用射流風機全縱向通風方式。隧道運營通風在天窗時間進行,通風以換氣為主,通風時間100 min。

根據《鐵路隧道工程設計技術手冊》[4]對香山隧道的運營通風進行設計。通過計算得到,在每單線隧道內采用6組風機,每組風機在同一斷面布置6臺,風機總數為6×6=36臺,風機型號選擇SDS-12.5T-4P-37型(φ1 250 mm)可逆式射流風機,每臺射流風機的功率37 kW,總功率為36×37=1332 kW,在隧道運營通風時射流風機開啟5組,1組備用。

每組風機的間距按照大于10d+20 m來取(d隧道的當量直徑),香山隧道的風機間距為120 m,左線隧道風機布置形式如圖2所示。

圖2 隧道風機平面布置(單位：m)

風機距隧道邊壁的距離為20 cm,風機安裝布置處的橫斷面如圖3所示。隧道風機啟動采用軟起動器起動方式,風機分組間隔起動,降低起動電壓,節約能源。

圖3 風機安裝處橫斷面示意(單位：cm)

3 防災通風設計

3.1 防災通風主要設計原則

(1)鐵路長大隧道防災、救援與安全疏散的設計原則,應本著“以人為本”的設計理念,貫徹“以防為主、防消結合、快速疏散”的消防工作方針,采取積極有效的措施,防止和減少各類災害帶來的危害。在防災救援與安全疏散設置方面重點考慮快速、安全疏散列車上的所有旅客。

(2)防火災設備的設計能力,按全線同一時間內發生一次火災考慮。

(3)當列車在隧道內發生火災事故,凡能繼續運行時,均應遵循“先將列車拉出洞外再進行列車解體及火災事故處理”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。如果列車失去動力停在隧道內時,應立即采取有效措施,保證乘客能迅速下車并安全疏散。

(4)在設置運營通風時,應充分考慮到火災時防、排煙要求，盡可能將隧道的防災通風和運營通風有機的結合起來,以減少通風設備的配置數量和容量以及通風管路設置。

(5)參考地鐵設計規范[5]有關標準,隧道內發生火災事故時,人員疏散階段控制疏散通道內的氣流速度為2～11 m/s。

3.2 防災通風方案

根據《鐵路工程設計防火規范》[6],單側設貫通整個隧道的救援通道,兩單洞間每隔500 m設橫通道連接,作為救援和緊急疏散的通道。并在橫通道的兩端洞口處設置雙向防火門。隧道正常運營時橫通道中的防火門都處于關閉狀態,因此,防火門必須能夠承受0.10 MPa的壓力波動。緊急情況下,防火門必須能夠在至少90 min內承受1 000 ℃的高溫。

隧道火災時應盡量將列車駛出隧道,否則應啟動防災通風。著火時人員通過橫通道進入相鄰的安全隧洞,安全隧洞內靠近兩端射流風機開啟,向洞內通風維持橫通道口的正壓,避免煙霧進入。著火隧道內射流風機根據著火部位情況開啟,最大限度防止煙氣侵入人員逃生空間。

隧道正常運營時橫通道中的防火門都處于關閉狀態,火災事故時打開相應的防煙閥和防火門,啟動隧道中的射流風機，對疏散通道進行送風和排煙。

香山特長隧道長23.92 km,故采用定點救援模式設計,并在定點附近設置固定消防設施和緊急出口。救援定點的設置將隧道分為幾個防災區域,充分利用定點救援站處的斜井和隧道兩端的風機作為送入新風和排煙的通道,通風必須維持橫通道口處于正壓狀態,防止煙氣流向通道內。通風系統從安全隧道通過橫通道向事故隧道方向送風,抑制煙氣進入橫通道及未發生事故的隧道,滿足疏散人員迎著新風進入橫通道和安全隧道內,同時保證等待區域所需要的新鮮空氣。按照事故發生的不同隧道內區域采用不同的防災通風方式。

3.3 防災通風風量計算

通過對現有長大隧道的調研和對比,初步對香山隧道的防災通風量進行估計計算。隧道內發生事故時,該側隧道為事故隧道，另一側隧道為安全隧道,打開4個列車停靠處附近兩隧道之間的聯絡通道防火門,隧道內風機進行排煙送風,乘客迎著新風從疏散通道經橫通道向安全隧道內疏散撤離。

隧道內發生火災后,首先要保證人員的安全疏散,讓人員都能迎著新風進行疏散,則應該保證火災隧道中的煙氣不要擴散,此時保證煙氣不逆流的方式是保證新風的風速要高于煙氣逆流的臨界風速。因此,需要對隧道中煙氣的臨界風速進行計算。在現有的隧道火災煙氣逆流臨界風速計算公式的基礎上,可以初步計算出列車在香山隧道內著火后火災煙氣逆流的臨界風速。這里采用根據Froude數和試驗數據推導的半經驗公式計算得出的Kennedy公式，對隧道中火災煙氣的臨界風速進行計算,得出只要隧道內的通風量大于561 628.728 m3/h,就能滿足煙氣不逆流。

此外,火災時還需要滿足乘客迎著新風向橫通道和安全隧道內疏散撤離的要求。根據通風工程中對于防煙送風量的計算方法,采用風速法對定點內火災防災通風風量進行計算。風速法是按開啟失火單元疏散門時應保持門洞處一定的風速來計算加壓送風量,計算隧道內各個橫通道內的通風量應該是≥108 000 m3/h,這樣就能滿足防災通風乘客迎著新風向橫通道和安全隧道內疏散撤離的要求。人員疏散時要求開放4個橫通道,因此人員疏散所需新風風量為4×108 000=432 000 m3/h。

隧道中火災時總共需要的通風量為：432 000+561 628.728=993 628.728 m3/h。每臺SDS-12.5T-4P-37(φ1 250 mm)射流風機的送風流量為138 600 m3/h,則需要8臺SDS-12.5T-4P-37射流風機的送風風量即可滿足要求,根據前述的防災通風設計方案可知隧道內的風機設置完全可以滿足隧道火災的防災排煙送風要求。

4 防災救援設計

隧道火災時應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：隨機停車救援和定點救援兩種救援方式。

4.1 定點救援

香山特長隧道考慮在隧道內設置緊急救援站,在列車發生火災時能夠將列車開到緊急救援站實施定點消防救援方案。列車在隧道內發生火災事故后,停靠在洞內緊急救援站進行疏散,緊急救援站應保證火災事故列車在該位置停靠后,6 min內將車上旅客通過橫通道全部疏散到安全空間。人員在安全區域等待，救援列車從另一座隧道進入救援站進行救援。

4.1.1 緊急救援站設置

按照列車運行15 min的距離設置定點或在隧道中部設置定點(還需要結合輔助坑道位置設置),國內外鐵路隧道緊急救援站設置情況如表1所示。

表1 國內外鐵路隧道定點設置情況

4.1.2 緊急救援站長度

按通行列車長度并取一定富裕設置,一般為500 m左右。國內外鐵路隧道定點長度和橫通道間距設置如表2所示。

表2 國內外鐵路隧道定點長度 m

結合前述的調研資料和香山隧道通行列車的實際情況,香山特長隧道內左右線CK715+440～CK716+000段各設置1個緊急救援站,長560 m。緊急救援站位于左右線之間,采用橫通道相連,共設置10個橫通道,作為緊急避難場所及疏散通道,人員等待空間按1人/m2考慮,橫通道間距50 m。緊急救援站設置示意如圖4所示。

圖4 緊急救援站設置示意(單位：m)

緊急救援站內應設置疏散站臺,站臺寬度宜為2.3 m,站臺高度2.2 m。緊急救援站內輪廓如圖5所示。

圖5 緊急救援站內輪廓(單位：cm)

4.2 隧道隨機停車救援

隧道單側設貫通整個隧道的救援通道,兩單洞間設橫通道連接,橫通道的間距設置為500 m。發生火災時人員通過橫通道進入相鄰的安全隧道,安全隧道內靠近兩端射流風機開啟,向洞內通風維持橫通道口的正壓,避免煙霧進入。著火隧道內射流風機根據著火部位情況開啟,最大限度防止煙氣侵入人員逃生空間。救援列車從面對人員疏散的方向進入隧道進行救援。

4.2.1 緊急出入口設置

右線隧道內YCK711+700處無軌斜井在主洞施工完成后設置為緊急出口,供旅客逃生、疏散用。緊急出口內設應急照明和通風系統,在斜井洞口處設置2組(每組2臺)φ1 250 mm可逆式射流風機(45 kW/臺)。

4.2.2 疏散方向及救援通道疏散標志

雙洞單線隧道內疏散方向為兩座隧道間的“橫通道”或隧道洞口或“緊急出入口”； 救援通道疏散標志內容標明該點距離兩個方向最近的“橫通道”或隧道洞口或“緊急出入口”的長度,如圖6所示。

圖6 救援通道疏散標志

4.3 救援方式

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

(1)人員在安全區域等待,救援列車從另一座隧道進入隧道進行救援；

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

5 結語

通過對國內外特長隧道相關資料的調研和分析,結合銀蘭二線23.92 km香山隧道的實際情況,進行了相應的運營和防災通風設計及防災救援設計。

(1)給出了適合香山隧道運營通風和防災通風的設計原則。

(2)隧道洞內縱坡為+11‰/22 600 m、+7‰/800 m和-3‰/520 m,根據其縱坡特點和充分利用隧道單面坡長、坡度大的特點,隧道通風采用射流風機全縱向通風方式。

(3)根據防災設計要求,隧道單側設貫通整個隧道的救援通道,兩單洞間每隔500 m設橫通道連接,作為救援和緊急疏散的通道,并在橫通道的兩端洞口處設置雙向防火門。

(4)根據香山隧道運營通風量和防災通風量的計算結果,本隧道在每單線隧道內設計采用6組風機,間距120 m,每組風機在同一斷面布置6臺；風機型號選用SDS-12.5T-4P-37型(φ1 250 mm)可逆式射流風機。

(5)香山隧道主要考慮隨機停車救援和定點救援兩種救援方式。

[1]中鐵第五勘察設計院集團有限公司.銀川至蘭州段擴能工程可行性研究[R].北京：2009.

[2]TB10003—2005,鐵路隧道設計規范[S].

[3]TB10068—2000,鐵路隧道運營通風設計規范[S].

[4]鐵道部第二勘測設計院.鐵路隧道工程設計技術手冊[M].北京：中國鐵道出版社,1995.

[5]GB50157—2003,地鐵設計規范[S].

[6]TB10063—2007,鐵路工程設計防火規范[S].