臺灣海峽隧道的通風與防災救災評析

■鄧念兵 張 博 韓興博

(1.寧波市港航管理局，寧波 315040；2.河南交通運輸廳洛陽管理處，洛陽 471000；3.長安大學隧道工程安全研究所，西安710064)

1 引言

有關臺灣海峽海底隧道項目的提出已有近20年，但其除了將涉及到眾多政治、社會、經濟、軍事等問題外，一系列諸如選址、地質、水文、海洋、地震、結構、施工、通風、防災、救援、管理等技術問題的復雜程度也是前所未見。其中隧道的通風方案，對隧道的結構斷面形式、建設成本、服務水平和安全管理有著重要的影響。本文在文獻[1]的基礎上，以北線平潭-新竹線為背景，進一步探討臺灣海峽隧道高速列車穿越隧道時的通風方案，并提出臺灣海峽海底隧道防災救災的基本思路[2]。

2 臺灣海峽隧道縱、橫斷面設計

2.1 隧道縱斷面設計

根據已經探測到的平潭島與新竹之間的海底狀況，最大水深位于東部，約80m，見圖1。借鑒國外跨海隧道工程的經驗，確定臺灣海峽海底隧道巖石覆蓋層厚度為50m。根據文獻[1]，考慮到海峽隧道內列車的行車速度、地質條件、巖石覆蓋層厚度與坡度的要求，推薦臺灣海峽隧道縱斷面如圖1，隧道長度約為137km。

2.2 隧道橫斷面設計

參考國內外已有海底隧道的研究成果[5]，臺灣海峽隧道可采用雙洞單線+服務隧道的模式，兩條主隧道的間距為40m，服務隧道主隧道之間的距離為20m。主隧道內徑為9.8m，服務隧道內徑為5m。主隧道與服務隧道之間，每隔420m(根據地質條件，可在 375～500m之間取值)采用聯絡通道連接，聯絡通道的內徑為3.5m。另外，每隔250m作一條內徑為2.5m的壓力緩沖通道，連接兩條主隧道，用以降低列車運行時所產生的氣動阻力。如圖2所示。具體設計參數見表1。

圖1 臺灣海峽海底隧道縱斷面圖[3,4]

圖2 臺灣海峽海底隧道橫斷面圖

表1 臺灣海峽海底隧道橫斷面設計參數

3 臺灣海峽隧道通風系統設計

3.1 需風量計算

3.1.1 臺灣海峽隧道客流量預測

(1)臺灣海峽隧道客流量預測

已有的統計資料顯示，2002～2012年，臺灣同胞到大陸的人數平均增長率為3.847%，2011年臺灣居民赴大陸526萬人次，大陸居民赴臺184萬人次，全年兩岸人員往來的總量約710萬人次。2012年臺灣居民來大陸534萬人次，大陸居民赴臺263萬人次，全年兩岸人員往來的總量接近800萬人次[6]。用2002年至2012年的臺灣同胞到大陸的人數平均增長率，預測20年后(2034年)大陸與臺灣人員往來總數約為10700萬人，按1.1億人次計算。假設50%的旅客乘船或飛機來往臺灣，另50%的旅客通過海峽隧道往返于臺灣，則隧道年客流量為約為1.1億人次，每天客流量約為30萬人次。

(2)列車型號的選擇

穿越臺灣海峽隧道的列車，可采用目前京滬高鐵的CRH2A系列列車。該列車全車定員1043人，共16節車廂，列車長度約為401.4m。假設臺灣海峽隧道的早班車時間為6：00，晚班車為22：00。在此段時間內，列車主要以運送旅客為主。其余時間，以運送貨物為主。隧道通風量計算，以滿足運送旅客的需風量為準。

臺灣海峽隧道每天客流量約為30萬人次，每列車定員按1000人計算，則每天來往臺灣海峽隧道的列車數為300列，即每天單向發車150列，單向列車發車的時間間隔計算如式(1)，其大于《高速鐵路設計規范(試行)》[7]中規定的：最小行車間距宜采用3～4min。

目前，英法海峽隧道列車的速度為160km/h，日本北海道新干線通過青函隧道時的時速為200km/h。為了安全期間，臺灣海峽隧道列車速度初步定為160km/h。則每列車在隧道內的運行時間計算為：

這樣在隧道內同一方向能夠容納8輛列車，雙向最多容納16輛列車。考慮雙向對開列車同時進入隧道，則有16列車在51.4-6.4=45(min)內同在隧道中，在這45min內需要為16列車中約16000人供給新鮮空氣。參照英法海峽隧道，平均每人所需新鮮空氣為 ，則臺灣海峽隧道的總需風量為：

考慮到節假日，客流量更大，隧道內最小行車時間間距取5min，則在57.3min內隧道內最多有22列車。此時，隧道的總需風量為：

再加上20%的富余量，則正常運營情況下，臺灣海峽隧道系統的需風量取190m3/s。

3.1.2 緊急工況下需風量

在某種情況下(非火災情況)，列車不得已停留在隧道內，為了保證列車內人員正常呼吸，必須通過聯絡通道為主隧道提供足夠的新鮮空氣。已知每列車的長度約為400m，聯絡通道之間的距離為420m，則列車所在位置的三個聯絡通道可向列車每小時需提供26000m3的新鮮空氣，平均每個聯絡通道的通風量為2.4m3/s。

考慮極端最不利情，即當兩條主隧道完全阻塞的情況，此時隧道通風系統需要通過橫向聯絡通道，向主隧道內提供足夠的新鮮空氣，滿足所有旅客呼吸的要求。則隧道內約320個聯絡通道的總需風量為：

3.2 隧道通風系統設計

臺灣海峽海底隧道通風初步設計為4豎井方案，如圖3所示，即在平潭島與新竹處的陸地上分別建一座通風豎井；在海峽中間建兩座人工島，在人工島上建造通風豎井，井的高度設計高出海平面30m。各個豎井具體初步設計參數如表2所示。

3.3 隧道通風方案

臺灣海峽隧道的通風基本方式為分段半橫向，如圖4所示。在正常運營情況下，兩個交通隧道所需的新鮮空氣，通過通風豎井提供給中間的服務通道，再由服務隧道與交通隧道的通風聯絡管道送入交通隧道。為了保障服務隧道的衛生條件，服務隧道內的氣壓高出主隧道內氣壓30Pa[5]。

為了不使中間服務通道的縱向風速大于8m/s，1#通風豎井的送風井為左線隧道第二段的40km直接輸送部分新鮮空氣；4#通風豎井的送風井為右線隧道第二段的35km直接輸送部分新鮮空氣。兩個交通隧道中污染空氣，除了由列車帶出洞外的少量外，大部分由交通隧道分段直接排到4個通風豎井的排風井中。

圖3 海峽隧道的豎井設置

表2 豎井設計參數

4 臺灣海峽海底隧道防災救災思路

4.1 臺灣海峽海底隧道的防災設施

海底鐵路隧道的火災事故，屬一個極低概率事件，但其危害性較大，事故處理也較為困難。臺灣海峽海底隧道列車火災事故的處理原則是：當列車在隧道內發生火災時，凡能繼續運行時，均應“先將列車拉出洞外或停留在最近的海底車站，再進行列車脫節及火災事故處理”[8，9]。救災以救人為主，滅火為輔。

日本青函海底隧道內的防災“待車點”，在隧道的防災救援中，起到了非常重要的作用[10]。因此，臺灣海峽海底隧道可以仿照青函隧道，在隧道設置4處為了防災救災的“海底車站”。臺灣海峽海底隧道的4個海底車站分別位于豎井下部，如圖5，海底車站的基本結構如圖6、7所示，車站主要包括：

(1)車站站臺

臺灣海峽海底隧道的列車長約為400m，因此海底車站長度取500m。

(2)下車站臺

為了乘客安全地從列車上下來，在海底車站行車方向的右側，設置下車站臺，站臺高度與列車底面平齊。

(3)逃生通道

圖4 正常運營通風氣流組織示意圖

圖5 海底車站布置示意圖

圖6 海底車站基本結構平面示意圖

圖7 海底車站基本結構示意圖

在主隧道內靠行車方向的右側，每隔40m設一個與服務隧道連接的逃生通道(共12個逃生通道)，以便火災時，旅客從發生火災的主隧道逃到服務隧道，等待救援。逃生通道橫斷面長3.5m，高2m。

(4)應急照明及其指示設備

逃生通道附近設置逃生指示標志和逃生用的照明設備，應急照明設備應能夠保證照明時間不低于2h。

(5)電視攝像設備

為了使防災救援中心能夠及時、準確地了解海底車站內火災情況和人員逃生的情況，需要在海底車站內和逃生路徑等場所設置先進的電視攝像設備。

(6)廣播系統

為了誘導海底車站內的乘客安全、有序地避難逃生，在海底車站內設置廣播設備。

4.2 火災情況下人員逃生救援

特長鐵路隧道長度較大，列車在隧道內發生火災時，列車很難在安全時間內駛出洞外。因此，必須在隧道內實施滅火救援。特長鐵路隧道的救援模式主要有兩種：定點疏散救援和隨機停車疏散救援[8，9，11]。

4.2.1 定點疏散救援

《高速鐵路隧道主要技術標準》規定：總長大于20km的特長隧道或隧道群的防災救援方案應優先采用“定點”模式。臺灣海峽海底隧道有4座海底車站，當列車發生火災時，應停留在離其最近的海底車站進行滅火救援工作。

(1)救災區域的劃分

列車在兩個海底車站之間發生火災后，列車是向前行駛到下一個車站，還是向后運行退到上一個車站，要根據列車兩個海底車站之間的位置來進行判定。因此，有必要計算出列車向前還是向后運行的臨界距離Lcp。按照火災列車繼續行駛15min的條件計算[8]。可以用式(6)～(8)求解。

其中：Lcp——列車發生火災時距離上個海底車站的距離(m)；

v1——列車行駛速度(m/s)，為160km/h=44.44m/s；

t1——列車以v1的速度行駛的時間(s)；

a1——列車的制動時的加速度(m/s2)；

t2——列車制動所用的時間(s)；

v2——列車退行速度(m/s)，取為15km/h=4.16m/s；

a2——列車的退行加速度(m/s2)；

t3——列車從0m/s加速到v2所用的時間(s)；

t4——列車以v2的速度行駛的時間(s)。

列車的制動過程可以認為是勻減速過程。在《鐵路主要技術政策》中對160km/h制動初速度的制動距離定為1400m(平直道)。本文將列車的制動和啟動加速度均取為0.7m/s2。計算得到，臨界距離 Lcp大約為 3289m，取3000m。

按照上述的計算公式，可對臺灣海峽隧道的救災區域進行劃分如表3。

表3 臺灣海峽隧道救災區間劃分

(2)火災發生后采取的救援措施

列車在隧道內發生火災后，列車內的人員在第一時間，充分利用車內的消防設施進行滅火，阻止火災發展。如果車廂內的火勢無法得到有效的控制，應將此節車廂內的乘客轉移至其他車廂。關閉車廂間的通道，防止煙霧和有毒氣體進入其他車廂。

防災管理中心根據列車所在的位置，指定列車停在最近的海底車站，阻止外面車輛繼續駛入隧道。告知列車即將靠近的海底車站里的工作人員，組織滅火救援工作。

著火的列車到達海底車站后，工作人員首先要引導旅客通過逃生通道進入服務隧道。人員完全逃離危險后，消防人員進行滅火工作。

乘客通過聯絡通道進入未發生火災的主隧道，乘坐救援車輛離開隧道。

4.2.2 隨機停車疏散救援

(1)列車在隧道內發生火災后，由于動力系統失效不得不在隧道內停車時，旅客在乘務員的引導下，通過最近的橫向聯絡通道進入服務隧道逃生。

(2)防災救援中心接到火災通知后，應通過遠程控制系統立即開啟列車附近的4個橫向聯絡通道的安全門，引導方便旅客的逃生。

(3)旅客進入服務隧道，在服務隧道內等待救援車輛。救援車輛通過未發生火災的主隧道到達火災位置，乘客通過另一側的橫向聯絡通道進入未發生火災的主隧道，乘坐救援車輛離開隧道。

(4)救援人員應盡快趕到火災現場進行滅火救援工作。

5 結語

臺灣海峽海底隧道作為一項世界級的特大型工程建設項目，僅就通風和防災救災而言，所涉及的問題還很多，也非常復雜。由于篇幅所限，本文僅對臺灣海峽海底隧道通風的一個設計方案進行評析，并給出了相應的逃生救援基本思路。有關列車通過時隧道內的瞬變壓力、微壓波、交通風、空氣阻力的變化規律；隧道內發生火災時，隧道內煙霧、溫度與有害氣體的分布，以及隧道發生火災時通風與排煙控制措施，人員的逃生條件及救援方案，留待后續逐一研究。