香山特长隧道运营通风及防灾救援方案设计研究

谢勇涛，丁 祥

(1.北京交通大学,北京 100044； 2.中铁第五勘察设计院集团有限公司,北京 102600)

1 工程概况

拟建中的包兰线银川至兰州段扩能工程[1],是为了尽快形成包兰线通道能力,协调发挥京兰、干武—包兰—宝中、包兰—太中银、包兰—兰渝等各通道整体功能,提高通道运输效率和运输质量。该项目的实施是深入推进西部大开发战略,促进区域协调发展的需要；是全面建设小康社会,提高各族人民生活水平的需要；是实现各民族共同发展、共同繁荣、构建和谐社会的需要。

香山特长隧道是全线的最长隧道,位于宁夏中卫县常乐堡至甘肃省白银市平川区梁水园子附近,穿越香山山脉。隧道全长23 920 m,为双洞单线隧道,线间距43.8～50 m。隧道洞身海拔1 283～1 540 m,隧道最大埋深约430 m。洞内纵坡为+11‰/22 600 m、+7‰/800 m和-3‰/520 m。隧道采用时速200 km客货共线铁路单线隧道内轮廓，如图1所示,轨顶面以上净空横断面积为52.02 m2。

图1 隧道内轮廓(单位：cm)

2 运营通风设计

隧道通风主要有[2]自然通风和机械通风两种方式,而机械通风又分为横向通风、半横向通风和纵向通风等几种通风方式。本隧道机械通风采用纵向通风方式。

2.1 运营通风主要设计原则

(1)根据《铁路隧道运营通风设计规范》[3]规定：运营隧道内空气的卫生标准应满足下列要求：列车通过隧道后15 min内,空气中一氧化碳浓度小于30 mg/m3,氮氧化物(换算成NO2)浓度小于10 mg/m3,湿度应小于80%,温度应低于28 ℃,臭氧浓度应小于0.3 mg/ m3,含有10%以下游离二氧化硅的粉尘浓度应小于10 mg/m3。

(2)隧道运营通风方案,应根据牵引种类、列车类型、隧道长度、隧道平面与纵断面、道床类型、行车速度和密度、气象条件和两端洞口地形条件等因素综合考虑。

(3)隧道运营通风应充分利用斜井、竖井、横洞、联络通道等辅助坑道,其设置的位置与断面尺寸,应结合运营通风的要求,统一考虑确定。

(4)正常运营阶段按隧道的通风换气来计算通风,计算中要考虑列车运行产生的活塞风及自然风的作用。

2.2 运营通风方式及风机布置形式

根据香山隧道的纵坡特点,可以充分利用隧道单面坡长、坡度大的特点,通风系统节省功效。隧道通风采用射流风机全纵向通风方式。隧道运营通风在天窗时间进行,通风以换气为主,通风时间100 min。

根据《铁路隧道工程设计技术手册》[4]对香山隧道的运营通风进行设计。通过计算得到,在每单线隧道内采用6组风机,每组风机在同一断面布置6台,风机总数为6×6=36台,风机型号选择SDS-12.5T-4P-37型(φ1 250 mm)可逆式射流风机,每台射流风机的功率37 kW,总功率为36×37=1332 kW,在隧道运营通风时射流风机开启5组,1组备用。

每组风机的间距按照大于10d+20 m来取(d隧道的当量直径),香山隧道的风机间距为120 m,左线隧道风机布置形式如图2所示。

图2 隧道风机平面布置(单位：m)

风机距隧道边壁的距离为20 cm,风机安装布置处的横断面如图3所示。隧道风机启动采用软起动器起动方式,风机分组间隔起动,降低起动电压,节约能源。

图3 风机安装处横断面示意(单位：cm)

3 防灾通风设计

3.1 防灾通风主要设计原则

(1)铁路长大隧道防灾、救援与安全疏散的设计原则,应本着“以人为本”的设计理念,贯彻“以防为主、防消结合、快速疏散”的消防工作方针,采取积极有效的措施,防止和减少各类灾害带来的危害。在防灾救援与安全疏散设置方面重点考虑快速、安全疏散列车上的所有旅客。

(2)防火灾设备的设计能力,按全线同一时间内发生一次火灾考虑。

(3)当列车在隧道内发生火灾事故,凡能继续运行时,均应遵循“先将列车拉出洞外再进行列车解体及火灾事故处理”的基本原则,将列车牵引到救援逃生口或隧道洞口使乘客安全疏散。如果列车失去动力停在隧道内时,应立即采取有效措施,保证乘客能迅速下车并安全疏散。

(4)在设置运营通风时,应充分考虑到火灾时防、排烟要求，尽可能将隧道的防灾通风和运营通风有机的结合起来,以减少通风设备的配置数量和容量以及通风管路设置。

(5)参考地铁设计规范[5]有关标准,隧道内发生火灾事故时,人员疏散阶段控制疏散通道内的气流速度为2～11 m/s。

3.2 防灾通风方案

根据《铁路工程设计防火规范》[6],单侧设贯通整个隧道的救援通道,两单洞间每隔500 m设横通道连接,作为救援和紧急疏散的通道。并在横通道的两端洞口处设置双向防火门。隧道正常运营时横通道中的防火门都处于关闭状态,因此,防火门必须能够承受0.10 MPa的压力波动。紧急情况下,防火门必须能够在至少90 min内承受1 000 ℃的高温。

隧道火灾时应尽量将列车驶出隧道,否则应启动防灾通风。着火时人员通过横通道进入相邻的安全隧洞,安全隧洞内靠近两端射流风机开启,向洞内通风维持横通道口的正压,避免烟雾进入。着火隧道内射流风机根据着火部位情况开启,最大限度防止烟气侵入人员逃生空间。

隧道正常运营时横通道中的防火门都处于关闭状态,火灾事故时打开相应的防烟阀和防火门,启动隧道中的射流风机，对疏散通道进行送风和排烟。

香山特长隧道长23.92 km,故采用定点救援模式设计,并在定点附近设置固定消防设施和紧急出口。救援定点的设置将隧道分为几个防灾区域,充分利用定点救援站处的斜井和隧道两端的风机作为送入新风和排烟的通道,通风必须维持横通道口处于正压状态,防止烟气流向通道内。通风系统从安全隧道通过横通道向事故隧道方向送风,抑制烟气进入横通道及未发生事故的隧道,满足疏散人员迎着新风进入横通道和安全隧道内,同时保证等待区域所需要的新鲜空气。按照事故发生的不同隧道内区域采用不同的防灾通风方式。

3.3 防灾通风风量计算

通过对现有长大隧道的调研和对比,初步对香山隧道的防灾通风量进行估计计算。隧道内发生事故时,该侧隧道为事故隧道，另一侧隧道为安全隧道,打开4个列车停靠处附近两隧道之间的联络通道防火门,隧道内风机进行排烟送风,乘客迎着新风从疏散通道经横通道向安全隧道内疏散撤离。

隧道内发生火灾后,首先要保证人员的安全疏散,让人员都能迎着新风进行疏散,则应该保证火灾隧道中的烟气不要扩散,此时保证烟气不逆流的方式是保证新风的风速要高于烟气逆流的临界风速。因此,需要对隧道中烟气的临界风速进行计算。在现有的隧道火灾烟气逆流临界风速计算公式的基础上,可以初步计算出列车在香山隧道内着火后火灾烟气逆流的临界风速。这里采用根据Froude数和试验数据推导的半经验公式计算得出的Kennedy公式，对隧道中火灾烟气的临界风速进行计算,得出只要隧道内的通风量大于561 628.728 m3/h,就能满足烟气不逆流。

此外,火灾时还需要满足乘客迎着新风向横通道和安全隧道内疏散撤离的要求。根据通风工程中对于防烟送风量的计算方法,采用风速法对定点内火灾防灾通风风量进行计算。风速法是按开启失火单元疏散门时应保持门洞处一定的风速来计算加压送风量,计算隧道内各个横通道内的通风量应该是≥108 000 m3/h,这样就能满足防灾通风乘客迎着新风向横通道和安全隧道内疏散撤离的要求。人员疏散时要求开放4个横通道,因此人员疏散所需新风风量为4×108 000=432 000 m3/h。

隧道中火灾时总共需要的通风量为：432 000+561 628.728=993 628.728 m3/h。每台SDS-12.5T-4P-37(φ1 250 mm)射流风机的送风流量为138 600 m3/h,则需要8台SDS-12.5T-4P-37射流风机的送风风量即可满足要求,根据前述的防灾通风设计方案可知隧道内的风机设置完全可以满足隧道火灾的防灾排烟送风要求。

4 防灾救援设计

隧道火灾时应尽量将列车驶出隧道,若不能将列车完全驶离隧道,则主要考虑两种方式的救援模式：随机停车救援和定点救援两种救援方式。

4.1 定点救援

香山特长隧道考虑在隧道内设置紧急救援站,在列车发生火灾时能够将列车开到紧急救援站实施定点消防救援方案。列车在隧道内发生火灾事故后,停靠在洞内紧急救援站进行疏散,紧急救援站应保证火灾事故列车在该位置停靠后,6 min内将车上旅客通过横通道全部疏散到安全空间。人员在安全区域等待，救援列车从另一座隧道进入救援站进行救援。

4.1.1 紧急救援站设置

按照列车运行15 min的距离设置定点或在隧道中部设置定点(还需要结合辅助坑道位置设置),国内外铁路隧道紧急救援站设置情况如表1所示。

表1 国内外铁路隧道定点设置情况

4.1.2 紧急救援站长度

按通行列车长度并取一定富裕设置,一般为500 m左右。国内外铁路隧道定点长度和横通道间距设置如表2所示。

表2 国内外铁路隧道定点长度 m

结合前述的调研资料和香山隧道通行列车的实际情况,香山特长隧道内左右线CK715+440～CK716+000段各设置1个紧急救援站,长560 m。紧急救援站位于左右线之间,采用横通道相连,共设置10个横通道,作为紧急避难场所及疏散通道,人员等待空间按1人/m2考虑,横通道间距50 m。紧急救援站设置示意如图4所示。

图4 紧急救援站设置示意(单位：m)

紧急救援站内应设置疏散站台,站台宽度宜为2.3 m,站台高度2.2 m。紧急救援站内轮廓如图5所示。

图5 紧急救援站内轮廓(单位：cm)

4.2 隧道随机停车救援

隧道单侧设贯通整个隧道的救援通道,两单洞间设横通道连接,横通道的间距设置为500 m。发生火灾时人员通过横通道进入相邻的安全隧道,安全隧道内靠近两端射流风机开启,向洞内通风维持横通道口的正压,避免烟雾进入。着火隧道内射流风机根据着火部位情况开启,最大限度防止烟气侵入人员逃生空间。救援列车从面对人员疏散的方向进入隧道进行救援。

4.2.1 紧急出入口设置

右线隧道内YCK711+700处无轨斜井在主洞施工完成后设置为紧急出口,供旅客逃生、疏散用。紧急出口内设应急照明和通风系统,在斜井洞口处设置2组(每组2台)φ1 250 mm可逆式射流风机(45 kW/台)。

4.2.2 疏散方向及救援通道疏散标志

双洞单线隧道内疏散方向为两座隧道间的“横通道”或隧道洞口或“紧急出入口”； 救援通道疏散标志内容标明该点距离两个方向最近的“横通道”或隧道洞口或“紧急出入口”的长度,如图6所示。

图6 救援通道疏散标志

4.3 救援方式

人员从事故隧道通过横通道防火门后,到达安全区域,亦即进入安全救援阶段。除非有直接通到地面且满足要求的紧急出口,火灾事故列车停在隧道内推荐采用以下两种救援方式：

(1)人员在安全区域等待,救援列车从另一座隧道进入隧道进行救援；

(2)人员在安全区域等待,地面救援车辆从与隧道平行的服务隧道到达安全等待区域进行救援。

5 结语

通过对国内外特长隧道相关资料的调研和分析,结合银兰二线23.92 km香山隧道的实际情况,进行了相应的运营和防灾通风设计及防灾救援设计。

(1)给出了适合香山隧道运营通风和防灾通风的设计原则。

(2)隧道洞内纵坡为+11‰/22 600 m、+7‰/800 m和-3‰/520 m,根据其纵坡特点和充分利用隧道单面坡长、坡度大的特点,隧道通风采用射流风机全纵向通风方式。

(3)根据防灾设计要求,隧道单侧设贯通整个隧道的救援通道,两单洞间每隔500 m设横通道连接,作为救援和紧急疏散的通道,并在横通道的两端洞口处设置双向防火门。

(4)根据香山隧道运营通风量和防灾通风量的计算结果,本隧道在每单线隧道内设计采用6组风机,间距120 m,每组风机在同一断面布置6台；风机型号选用SDS-12.5T-4P-37型(φ1 250 mm)可逆式射流风机。

(5)香山隧道主要考虑随机停车救援和定点救援两种救援方式。

[1]中铁第五勘察设计院集团有限公司.银川至兰州段扩能工程可行性研究[R].北京：2009.

[2]TB10003—2005,铁路隧道设计规范[S].

[3]TB10068—2000,铁路隧道运营通风设计规范[S].

[4]铁道部第二勘测设计院.铁路隧道工程设计技术手册[M].北京：中国铁道出版社,1995.

[5]GB50157—2003,地铁设计规范[S].

[6]TB10063—2007,铁路工程设计防火规范[S].