某鐵路隧道內緊急救援站防災通風方案及影響因素研究

趙東平， 蔣 堯

(中鐵二院工程集團有限責任公司科學技術研究院， 四川 成都 610031)

某鐵路隧道內緊急救援站防災通風方案及影響因素研究

趙東平， 蔣 堯

(中鐵二院工程集團有限責任公司科學技術研究院， 四川 成都 610031)

為確定鐵路隧道內緊急救援站防災通風機合理的布置方案，分析相關因素對防災通風的影響規律，合理簡化防災通風計算，以某鐵路隧道內緊急救援站工程為依托，利用SES程序建立防災通風計算模型，對風機僅布置于正洞、橫通道及同時布置于正洞和橫通道內3種方案進行比選，并研究自然風、火災位置、火災規模及隧道縱坡等因素對救援站防災通風的單一及其綜合影響規律。結果表明： 對于左右分離式隧道內緊急救援站，將風機布置于救援站前后兩端的正洞內時，滿足防災通風要求的風機數量最少，是較優的布置方案； 各因素均會對防護門處風速產生影響，影響程度依次為自然風、火災位置、火災規模、隧道縱坡； 同時考慮自然風和火災因素作用時，最不利工況下需要的風機數量約為不考慮其影響時的1.9倍。

鐵路隧道； 緊急救援站； 防災通風； 自然風； 火災規模； 火災位置； 隧道縱坡

0 引言

截至2015年底，全國在建鐵路隧道3 784座，總長8 692 km； 規劃鐵路隧道4 384座，總長9 345 km； 運營鐵路隧道1萬3 411座，總長1萬3 038 km[1]。2015年新增開通運營鐵路隧道1 316座，總長2 160 km，其中10 km以上隧道18座，總長245 km[1-2]。中國已經成為隧道工程的超級大國，可以預見，未來中國鐵路隧道數量將會越來越多。隨著隧道向超長、超深埋方向發展，長大隧道的防災救援問題也愈發突出。為此，2012年鐵道部發布了《鐵路隧道防災救援疏散工程設計規范》，并于2017年進行了修編。根據該規范要求，長度超過20 km的鐵路隧道應設置緊急救援站，與救援站配套的通風系統應滿足通風排煙及人員疏散的要求[3]。王立暖等[4]對長大隧道內設置緊急救援站的必要性及其規模和標準等問題進行了研究； 安玉紅[5]通過研究明確了長大鐵路隧道緊急救援站的設計原則； 王明年等[6]對救援站內疏散設施的設計參數進行了研究； 曾滿元等[7-8]對太行山隧道防災通風方案進行了研究，得出可以取消排煙豎井的結論，并對圣哥達隧道的防災通風技術進行了分析； 丁祥[9]運用通風網絡理論，對青天寺隧道的防災通風方案進行了研究，確定了較優的通風方案。綜上可知，以往的研究主要集中在救援站的布置原則、疏散工程的設計參數、防災通風排煙方案和人員疏散方案等方面，而鮮有對救援站防災風機布置原則和相關因素對防災通風的影響規律等的報道。本文針對某鐵路隧道內緊急救援站防災通風機布置方案和相關因素(如自然風、火災位置、火災規模及隧道縱坡等)對防災通風的影響等問題展開研究，明確防災通風計算時應該考慮的影響因素，探尋簡化計算的方法，以期為類似條件下隧道內緊急救援站的防災通風設計提供參考。

1 工程概況

某左右分修雙洞隧道起點里程為DK151+760，終點里程為DK180+186，全長28.426 km。左右線隧道中心相距30 m，隧道斷面凈空為58 m2，周長為29 m，隧道縱坡為+20‰的單面上坡。根據隧道防災疏散救援工程的要求，于DK165+325～+875處采用加密橫通道的方式設置緊急救援站(見圖1)。救援站全長550 m，由11座橫通道連接左右線隧道； 橫通道間距為50 m，斷面凈空為29 m2，周長為20 m。橫通道兩端均安裝有防護門，防護門尺寸為3.4 m×2.0 m。

圖1 隧道內緊急救援站平面布置示意圖

根據該隧道防災救援疏散方案，隧道內發生火災時，左右線隧道互為救援，即如果左線隧道內列車發生火災，被迫停靠在救援站進行人員疏散時，開啟橫通道內的防護門，列車上人員從左線隧道經橫通道逃生至右線隧道； 開啟射流風機向事故隧道送風，并維持正向風壓，同時保證橫通道內防護門處的風速不小于 2.0 m/s，防止煙氣進入橫通道影響人員逃生。

2 防災通風方案研究

由于左右線隧道結構相同，發生疏散救援時防災通風方案也一樣，故本文以左線隧道內列車著火后停靠在救援站內進行疏散時的防災通風為例進行研究。

2.1 擬定通風方案

隧道火災工況下，采用互為救援模式進行人員疏散。根據風機布置位置的不同，可分為以下3種方案。1)方案A。風機布置于救援站前、后端的隧道正洞，如圖2(a)所示。2)方案B。左右線隧道正洞內不設風機，風機均勻布置于橫通道內，如圖2(b)所示。3)方案C。在救援站的前、后端隧道正洞及救援站區間的橫通道內均布置風機，如圖2(c)所示。

(a) 方案A

(b) 方案B

(c) 方案C

2.2 SES程序簡介

SES(subway environment simulation)軟件是由美國交通部開發的一維地鐵環境模擬軟件，能夠模擬各種工況下地鐵隧道內空氣的流量、溫度、濕度分布情況，并在許多工程實例中得到了應用。SES軟件利用通風網絡理論將通風系統簡化為由節點、節、段、子段、風機組成的通風網絡，采用一維非穩態不可壓縮紊流模型對隧道中空氣的流動進行描述，其動力學基本方程為伯努利方程。程序首先計算各分支的流量，然后計算各節點的流量總和，找出流量最不平衡的節點，對其壓力進行修正； 當每個節點的流量和均小于1 m3/s時，計算結束，輸出計算結果[10]。

2.3 計算模型及參數

2.3.1 通風網絡圖

根據隧道和救援站結構設計以及防災通風方案，繪制通風網絡圖，見圖3。

圖3 通風網絡示意圖

2.3.2 基本計算參數

根據該隧道設計資料確定隧道正洞凈空面積為58 m2，救援站橫通道凈空面積為29 m2； 依據《鐵路隧道運營通風設計規范》[11]確定各分支的沿程阻力系數。通風網絡計算參數見表1。

表1 通風網絡計算參數

空氣流過橫通道中的防護門時，可以用流體穿過管道中的孔口模型來描述。參考《SES User′s Manual》中提供的局部阻力系數表(見表2)，橫通道面積A2=29 m2，防護門面積A0=6.8 m2，則A0/A2=0.23； 利用內插法可以求得C0=1.75。在SES中需要輸入對應于管段動壓的局部阻力系數C2，C2=C0/(A0/A2)2=1.75/0.232=33.08。

表2 管道內孔口局部阻力系數

2.3.3 射流風機參數

為方便計算和便于比較，通風方案比選計算時統一采用SDS100T-4P-15型射流風機，其主要性能參數見表3，射流損失系數取1.1。

表3 射流風機性能參數

2.4 救援站通風方案比選

不同風機布置方案下各防護門處的風速計算結果見表4。由表4可知： 當采用方案A時，右線隧道救援站前、后兩端正洞內需要各開啟10臺風機才能滿足各防護門處的風速不小于2.0 m/s的要求； 當采用方案B時，需要在每個橫通道內開啟5臺風機； 當采用方案C時，有3種組合方式均能夠滿足最低風速要求。組合1為右線隧道救援站前后端正洞內各開啟8臺風機+每個橫通道開啟1臺風機。組合2為右線隧道救援站前后端正洞內各開啟6臺風機+每個橫通道開啟2臺風機。組合3為右線隧道救援站前后端正洞內各開啟4臺風機+每個橫通道開啟3臺風機。

表4 防護門處風速計算結果

表4中的風機數量為火災工況下正洞及橫通道內需要開啟的風機數量。采用方案A時，隧道左右線正洞內均需要安裝風機，救援站前后兩端各需安裝10臺射流風機，共需40臺，風機總功率600 kW； 采用方案B時，僅需在每個橫通道內安裝5臺可逆射流風機，共需55臺，風機總功率825 kW； 采用方案C，左右線正洞每端各安裝8臺、每個橫通道內安裝1臺時，需要的風機數量最少，為43臺，風機總功率645 kW。因此，在不考慮隧道內自然風和火災因素影響的情況下，方案A需要的風機數量和風機總功率最少，是較優的風機布置方案。

3 單一影響因素分析

從上文分析結果可知： 在不考慮隧道內自然風和火災因素影響的條件下，在左右線隧道救援站前后端各開啟10臺風機就能夠滿足要求； 但自然風和火災因素會成為通風網絡中的動力或阻力，從而影響防護門處的風速，因此，有必要分析自然風、火災位置、火災規模及隧道縱坡等因素對救援站防災通風效果的影響，進而得出各因素的影響程度，為簡化防災通風計算提供參考。計算時救援站防災風機采用方案A布置，右線隧道內救援站前后端均開啟10臺風機向救援站送風，隧道進出口為壓力邊界條件。

3.1 隧道內自然風的影響

由于隧道周圍環境復雜多變，所以隧道內的自然風也不穩定，一般需要在隧址區長期監測采集氣象數據才能準確地預測隧道內的自然風情況。《鐵路隧道運營通風設計規范》規定： 當缺乏資料時，單線隧道內自然風風速可按1.5 m/s計算，雙線隧道可按2.0 m/s計算[11]。該隧道左右線均為單線隧道，故隧道內自然風風速按1.5 m/s考慮； 因為自然風方向不同時，其在通風網絡中的作用也不同， 因此需要考慮不同方向的自然風對通風的影響。假設自然風方向向右為正、向左為負，左右線隧道內的自然風方向相同。

在不考慮火災的情況下，分別計算當自然風速分別為+1.5、0、-1.5 m/s時防護門處的風速，計算結果見圖4。從圖4可以看出： 當無自然風時，各防護門處風速均大于2.0 m/s； 當自然風速為±1.5 m/s時，防護門處風速均小于2.0 m/s，說明隧道內自然風對防災通風有不利影響，在有自然風影響時需要開啟更多數量的風機才能滿足防護門處最小風速的要求。以1#防護門處的風速為例，當隧道內自然風為+1.5 m/s時，該防護門處風速由2.16 m/s減小至0.84 m/s，變化幅度為61.11%。不同自然風工況時，各防護門處風速最大變化幅度的平均值為61.20%。

圖4 隧道內自然風對防護門處風速的影響

Fig. 4 Wind speeds at protection doors under different natural wind speeds

3.2 最不利火源位置

火源位于不同位置時，火災在通風網絡中的作用不同。著火列車停靠在救援站內后，火源(即著火車廂)可能位于救援站內的任意位置。為了研究火源位置對防災通風的影響，選取圖5所示的5個位置進行分析。

圖5 火源位置工況示意

計算不同火源位置各防護門處的風速時，左右線隧道縱坡均取+20‰。參考文獻[3]和文獻[12]，火災熱釋放率取15 MW，不考慮隧道內自然風的影響，計算結果見圖6。可以看出： 與不考慮火災影響的工況相比，火災對防護門處風速有較大影響。火源位置不同，火災對風速的影響不同。當火源位于位置3時，11#防護門處的風速最低，說明在該計算條件下，位置3是最不利火源位置，對防災通風的影響最大。以11#防護門處的風速為例，與無火源工況相比，當火源處于位置3時，該防護門處風速由2.15 m/s減小至1.14 m/s，最大變化幅度為46.98%。不同火源位置工況對各防護門處風速影響最大值的平均值為26.33%。

圖6 火源位置對防護門處風速的影響

Fig. 6 Wind speeds at protection doors under different fire locations

3.3 火災規模的影響

火災產生的火風壓會隨著火災規模的增大而增大[13]，火災規模不同時，火災對防災通風系統的影響程度不一樣。TB 10020—2017《鐵路隧道防災疏散救援工程設計規范》規定： 火災規模應按線路運行的列車類型確定，普通旅客列車可采用20 MW，動車組可采用15 MW[3]。參考此規范的規定，選取4種火災規模進行計算，計算時選取火源位于位置1、隧道縱坡 為+20‰的單面上坡、隧道內自然風速為0 m/s，計算結果見圖7。可以看出： 隨著火災規模的增大，火災對通風網絡的影響逐漸增強。與不考慮火災規模的情況相比，當火源處于位置1時，隨著火災規模增大，1#防護門處的風速增大，而2#—11#防護門處的風速則逐漸減小。以2#防護門處的風速為例，與不考慮火災影響的情況相比，當考慮火災規模時，該防護門處風速由2.16 m/s減小至1.56 m/s，變化幅度為27.78%。不同火災規模工況時各防護門處風速最大變化幅度的平均值為23.49%。

圖7 火災規模對防護門處風速的影響

3.4 隧道縱坡的影響

相關研究表明，隧道縱坡對火風壓有很大的影響[14]，因此隧道縱坡對通風網絡系統也會產生間接影響。參考《高速鐵路設計規范》，鐵路線路的縱坡一般不能超過20‰，特別困難情況下不能超過30‰[15]。按一般情況考慮，計算隧道縱坡從0變化至20‰時防護門處風速的變化情況。計算時選取自然風速為0 m/s、火源位于位置1、火災規模為15 MW，計算結果見圖8。可以看出： 隨著縱坡的增大，2#—11#防護門處的風速逐漸降低，火災對通風的影響程度逐漸增強。當縱坡超過+10‰時，2#—11#防護門處的風速均小于2.0 m/s。以2#防護門處的風速為例，當隧道縱坡從0變化 到+20‰時，該防護門處風速由2.09 m/s減小至1.56 m/s，變化幅度為25.4%。不同隧道縱坡工況時各防護門處風速最大變化幅度的平均值為15.87%。

圖8 隧道縱坡對防護門處風速的影響

Fig. 8 Wind speeds at protection doors under different tunnel longitudinal slopes

4 綜合影響因素分析

從上文單一影響因素分析結果可知，隧道內自然風、火災位置、火災規模和隧道縱坡對防災通風均有一定程度的影響。這些因素綜合作用時對防災通風的影響則更為復雜。

本節將分析不同自然風和火災位置共同作用時，最不利情況下需要的風機數量。計算時風機采用方案A布置，自然風速分別取+1.5、0、-1.5 m/s，火源分別位于位置1、位置2、位置3、位置4及位置5，火災規模為15 MW，隧道縱坡為+20‰，隧道進出口均設置為壓力邊界條件，計算結果見表5。可以看出： 當同時考慮隧道內自然風、火災規模、隧道縱坡及最不利火源位置時，通風最不利工況為自然風為+1.5 m/s時，火源位于位置1，此時右線隧道救援站前、后兩端各需要安裝19臺射流風機才能夠滿足防災通風的要求； 而不考慮自然風和火災作用時僅需要10臺風機。由此可見，隧道內自然風、火災規模及隧道縱坡等因素同時考慮時，風機配置數量會有較大變化。在不考慮安全余量的情況下，該隧道防災通風共需要安裝76臺SDS100T-4P-15型射流風機，風機總功率為1 140 kW。

表5 同時考慮各影響因素時風機配置計算結果

Table 5 Calculation results of jet fans under combined action of natural wind and fire location

自然風速/(m/s)最不利火源位置風機總臺數/開啟臺數防護門處最小風速及位置風速/(m/s)位置+1.5位置176/382.092#0位置368/342.0411#-1.5位置372/362.009#

5 結論與建議

1)對于左右分離式隧道內的互為救援型緊急救援站，當防災通風機布置于救援站前后兩端的隧道內時，滿足防災通風要求的風機數量最少，建議類似緊急救援站的防災風機采用此方案布置。

2)隧道內自然風、火災位置、火災規模、隧道縱坡均會對防護門處的風速產生影響，影響程度依次降低，建議在可研階段以前的隧道防災通風方案概略比選時暫時忽略隧道縱坡的影響。

3)綜合影響因素分析表明，當考慮自然風和火災因素共同作用時，最不利工況下需要的風機數量約為不考慮其影響時的1.9倍。在緊急救援站防災通風計算時，建議考慮上述因素共同作用的影響，來確定滿足最不利工況通風要求的風機配置數量。

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Study of Fire Ventilation Scheme of Emergency Rescue Station in A Railway Tunnel and Its Influencing Factors Analysis

ZHAO Dongping, JIANG Yao

(ResearchInstituteofScienceandTechnology,ChinaRailwayEryuanEngineeringGroupCo.,Ltd.,Chengdu610031,Sichuan,China)

An emergency rescue station in a railway tunnel is taken as an example to study the layout scheme of jet fans, analyze the influencing factors and rationally simplify fire ventilation calculation. The fire ventilation calculation model is established by software subway environment simulation (SES); and then three fire ventilation schemes, i. e. jet fans in tunnels, those in cross passages and those in tunnels and cross passages, are compared and selected; finally, the influencing rules of natural wind, fire location, fire scale and tunnel longitudinal slope on fire ventilation are studied respectively and comprehensively. The study results show that: 1) For separated tunnels, the jet fans arranged in main tunnels in front and at end of rescue station is the best choice for minimum fan needed. 2) All the above-mentioned factors have influence on wind speed at protection door; and the influencing degree of the natural wind is the largest, followed by fire location, fire scale and tunnel longitudinal slope. 3) The number of fans needed under the most unfavourable conditions of natural wind and fire conditions is 1.9 times that without consideration of influencing factor.

railway tunnel; emergency rescue station; fire ventilation; natural wind; fire scale; fire location; tunnel longitudinal slope

2017-04-24;

2017-07-11

中鐵二院工程集團有限責任公司科研基金資助項目(KYY2016065)

趙東平(1979—)，男，黑龍江嫩江人，2008年畢業于西南交通大學，橋梁與隧道工程專業，博士，教授級高級工程師，現主要從事隧道及地下工程結構、隧道結構可靠度及隧道通風防災等方面的設計及研究工作。E-mail： 704215958@qq.com。

10.3973/j.issn.1672-741X.2017.08.006

U 453.5

A

1672-741X(2017)08-0952-06