某铁路隧道内紧急救援站防灾通风方案及影响因素研究

赵东平， 蒋 尧

(中铁二院工程集团有限责任公司科学技术研究院， 四川 成都 610031)

某铁路隧道内紧急救援站防灾通风方案及影响因素研究

赵东平， 蒋 尧

(中铁二院工程集团有限责任公司科学技术研究院， 四川 成都 610031)

为确定铁路隧道内紧急救援站防灾通风机合理的布置方案，分析相关因素对防灾通风的影响规律，合理简化防灾通风计算，以某铁路隧道内紧急救援站工程为依托，利用SES程序建立防灾通风计算模型，对风机仅布置于正洞、横通道及同时布置于正洞和横通道内3种方案进行比选，并研究自然风、火灾位置、火灾规模及隧道纵坡等因素对救援站防灾通风的单一及其综合影响规律。结果表明： 对于左右分离式隧道内紧急救援站，将风机布置于救援站前后两端的正洞内时，满足防灾通风要求的风机数量最少，是较优的布置方案； 各因素均会对防护门处风速产生影响，影响程度依次为自然风、火灾位置、火灾规模、隧道纵坡； 同时考虑自然风和火灾因素作用时，最不利工况下需要的风机数量约为不考虑其影响时的1.9倍。

铁路隧道； 紧急救援站； 防灾通风； 自然风； 火灾规模； 火灾位置； 隧道纵坡

0 引言

截至2015年底，全国在建铁路隧道3 784座，总长8 692 km； 规划铁路隧道4 384座，总长9 345 km； 运营铁路隧道1万3 411座，总长1万3 038 km[1]。2015年新增开通运营铁路隧道1 316座，总长2 160 km，其中10 km以上隧道18座，总长245 km[1-2]。中国已经成为隧道工程的超级大国，可以预见，未来中国铁路隧道数量将会越来越多。随着隧道向超长、超深埋方向发展，长大隧道的防灾救援问题也愈发突出。为此，2012年铁道部发布了《铁路隧道防灾救援疏散工程设计规范》，并于2017年进行了修编。根据该规范要求，长度超过20 km的铁路隧道应设置紧急救援站，与救援站配套的通风系统应满足通风排烟及人员疏散的要求[3]。王立暖等[4]对长大隧道内设置紧急救援站的必要性及其规模和标准等问题进行了研究； 安玉红[5]通过研究明确了长大铁路隧道紧急救援站的设计原则； 王明年等[6]对救援站内疏散设施的设计参数进行了研究； 曾满元等[7-8]对太行山隧道防灾通风方案进行了研究，得出可以取消排烟竖井的结论，并对圣哥达隧道的防灾通风技术进行了分析； 丁祥[9]运用通风网络理论，对青天寺隧道的防灾通风方案进行了研究，确定了较优的通风方案。综上可知，以往的研究主要集中在救援站的布置原则、疏散工程的设计参数、防灾通风排烟方案和人员疏散方案等方面，而鲜有对救援站防灾风机布置原则和相关因素对防灾通风的影响规律等的报道。本文针对某铁路隧道内紧急救援站防灾通风机布置方案和相关因素(如自然风、火灾位置、火灾规模及隧道纵坡等)对防灾通风的影响等问题展开研究，明确防灾通风计算时应该考虑的影响因素，探寻简化计算的方法，以期为类似条件下隧道内紧急救援站的防灾通风设计提供参考。

1 工程概况

某左右分修双洞隧道起点里程为DK151+760，终点里程为DK180+186，全长28.426 km。左右线隧道中心相距30 m，隧道断面净空为58 m2，周长为29 m，隧道纵坡为+20‰的单面上坡。根据隧道防灾疏散救援工程的要求，于DK165+325～+875处采用加密横通道的方式设置紧急救援站(见图1)。救援站全长550 m，由11座横通道连接左右线隧道； 横通道间距为50 m，断面净空为29 m2，周长为20 m。横通道两端均安装有防护门，防护门尺寸为3.4 m×2.0 m。

图1 隧道内紧急救援站平面布置示意图

根据该隧道防灾救援疏散方案，隧道内发生火灾时，左右线隧道互为救援，即如果左线隧道内列车发生火灾，被迫停靠在救援站进行人员疏散时，开启横通道内的防护门，列车上人员从左线隧道经横通道逃生至右线隧道； 开启射流风机向事故隧道送风，并维持正向风压，同时保证横通道内防护门处的风速不小于 2.0 m/s，防止烟气进入横通道影响人员逃生。

2 防灾通风方案研究

由于左右线隧道结构相同，发生疏散救援时防灾通风方案也一样，故本文以左线隧道内列车着火后停靠在救援站内进行疏散时的防灾通风为例进行研究。

2.1 拟定通风方案

隧道火灾工况下，采用互为救援模式进行人员疏散。根据风机布置位置的不同，可分为以下3种方案。1)方案A。风机布置于救援站前、后端的隧道正洞，如图2(a)所示。2)方案B。左右线隧道正洞内不设风机，风机均匀布置于横通道内，如图2(b)所示。3)方案C。在救援站的前、后端隧道正洞及救援站区间的横通道内均布置风机，如图2(c)所示。

(a) 方案A

(b) 方案B

(c) 方案C

2.2 SES程序简介

SES(subway environment simulation)软件是由美国交通部开发的一维地铁环境模拟软件，能够模拟各种工况下地铁隧道内空气的流量、温度、湿度分布情况，并在许多工程实例中得到了应用。SES软件利用通风网络理论将通风系统简化为由节点、节、段、子段、风机组成的通风网络，采用一维非稳态不可压缩紊流模型对隧道中空气的流动进行描述，其动力学基本方程为伯努利方程。程序首先计算各分支的流量，然后计算各节点的流量总和，找出流量最不平衡的节点，对其压力进行修正； 当每个节点的流量和均小于1 m3/s时，计算结束，输出计算结果[10]。

2.3 计算模型及参数

2.3.1 通风网络图

根据隧道和救援站结构设计以及防灾通风方案，绘制通风网络图，见图3。

图3 通风网络示意图

2.3.2 基本计算参数

根据该隧道设计资料确定隧道正洞净空面积为58 m2，救援站横通道净空面积为29 m2； 依据《铁路隧道运营通风设计规范》[11]确定各分支的沿程阻力系数。通风网络计算参数见表1。

表1 通风网络计算参数

空气流过横通道中的防护门时，可以用流体穿过管道中的孔口模型来描述。参考《SES User′s Manual》中提供的局部阻力系数表(见表2)，横通道面积A2=29 m2，防护门面积A0=6.8 m2，则A0/A2=0.23； 利用内插法可以求得C0=1.75。在SES中需要输入对应于管段动压的局部阻力系数C2，C2=C0/(A0/A2)2=1.75/0.232=33.08。

表2 管道内孔口局部阻力系数

2.3.3 射流风机参数

为方便计算和便于比较，通风方案比选计算时统一采用SDS100T-4P-15型射流风机，其主要性能参数见表3，射流损失系数取1.1。

表3 射流风机性能参数

2.4 救援站通风方案比选

不同风机布置方案下各防护门处的风速计算结果见表4。由表4可知： 当采用方案A时，右线隧道救援站前、后两端正洞内需要各开启10台风机才能满足各防护门处的风速不小于2.0 m/s的要求； 当采用方案B时，需要在每个横通道内开启5台风机； 当采用方案C时，有3种组合方式均能够满足最低风速要求。组合1为右线隧道救援站前后端正洞内各开启8台风机+每个横通道开启1台风机。组合2为右线隧道救援站前后端正洞内各开启6台风机+每个横通道开启2台风机。组合3为右线隧道救援站前后端正洞内各开启4台风机+每个横通道开启3台风机。

表4 防护门处风速计算结果

表4中的风机数量为火灾工况下正洞及横通道内需要开启的风机数量。采用方案A时，隧道左右线正洞内均需要安装风机，救援站前后两端各需安装10台射流风机，共需40台，风机总功率600 kW； 采用方案B时，仅需在每个横通道内安装5台可逆射流风机，共需55台，风机总功率825 kW； 采用方案C，左右线正洞每端各安装8台、每个横通道内安装1台时，需要的风机数量最少，为43台，风机总功率645 kW。因此，在不考虑隧道内自然风和火灾因素影响的情况下，方案A需要的风机数量和风机总功率最少，是较优的风机布置方案。

3 单一影响因素分析

从上文分析结果可知： 在不考虑隧道内自然风和火灾因素影响的条件下，在左右线隧道救援站前后端各开启10台风机就能够满足要求； 但自然风和火灾因素会成为通风网络中的动力或阻力，从而影响防护门处的风速，因此，有必要分析自然风、火灾位置、火灾规模及隧道纵坡等因素对救援站防灾通风效果的影响，进而得出各因素的影响程度，为简化防灾通风计算提供参考。计算时救援站防灾风机采用方案A布置，右线隧道内救援站前后端均开启10台风机向救援站送风，隧道进出口为压力边界条件。

3.1 隧道内自然风的影响

由于隧道周围环境复杂多变，所以隧道内的自然风也不稳定，一般需要在隧址区长期监测采集气象数据才能准确地预测隧道内的自然风情况。《铁路隧道运营通风设计规范》规定： 当缺乏资料时，单线隧道内自然风风速可按1.5 m/s计算，双线隧道可按2.0 m/s计算[11]。该隧道左右线均为单线隧道，故隧道内自然风风速按1.5 m/s考虑； 因为自然风方向不同时，其在通风网络中的作用也不同， 因此需要考虑不同方向的自然风对通风的影响。假设自然风方向向右为正、向左为负，左右线隧道内的自然风方向相同。

在不考虑火灾的情况下，分别计算当自然风速分别为+1.5、0、-1.5 m/s时防护门处的风速，计算结果见图4。从图4可以看出： 当无自然风时，各防护门处风速均大于2.0 m/s； 当自然风速为±1.5 m/s时，防护门处风速均小于2.0 m/s，说明隧道内自然风对防灾通风有不利影响，在有自然风影响时需要开启更多数量的风机才能满足防护门处最小风速的要求。以1#防护门处的风速为例，当隧道内自然风为+1.5 m/s时，该防护门处风速由2.16 m/s减小至0.84 m/s，变化幅度为61.11%。不同自然风工况时，各防护门处风速最大变化幅度的平均值为61.20%。

图4 隧道内自然风对防护门处风速的影响

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

3.2 最不利火源位置

火源位于不同位置时，火灾在通风网络中的作用不同。着火列车停靠在救援站内后，火源(即着火车厢)可能位于救援站内的任意位置。为了研究火源位置对防灾通风的影响，选取图5所示的5个位置进行分析。

图5 火源位置工况示意

计算不同火源位置各防护门处的风速时，左右线隧道纵坡均取+20‰。参考文献[3]和文献[12]，火灾热释放率取15 MW，不考虑隧道内自然风的影响，计算结果见图6。可以看出： 与不考虑火灾影响的工况相比，火灾对防护门处风速有较大影响。火源位置不同，火灾对风速的影响不同。当火源位于位置3时，11#防护门处的风速最低，说明在该计算条件下，位置3是最不利火源位置，对防灾通风的影响最大。以11#防护门处的风速为例，与无火源工况相比，当火源处于位置3时，该防护门处风速由2.15 m/s减小至1.14 m/s，最大变化幅度为46.98%。不同火源位置工况对各防护门处风速影响最大值的平均值为26.33%。

图6 火源位置对防护门处风速的影响

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

3.3 火灾规模的影响

火灾产生的火风压会随着火灾规模的增大而增大[13]，火灾规模不同时，火灾对防灾通风系统的影响程度不一样。TB 10020—2017《铁路隧道防灾疏散救援工程设计规范》规定： 火灾规模应按线路运行的列车类型确定，普通旅客列车可采用20 MW，动车组可采用15 MW[3]。参考此规范的规定，选取4种火灾规模进行计算，计算时选取火源位于位置1、隧道纵坡 为+20‰的单面上坡、隧道内自然风速为0 m/s，计算结果见图7。可以看出： 随着火灾规模的增大，火灾对通风网络的影响逐渐增强。与不考虑火灾规模的情况相比，当火源处于位置1时，随着火灾规模增大，1#防护门处的风速增大，而2#—11#防护门处的风速则逐渐减小。以2#防护门处的风速为例，与不考虑火灾影响的情况相比，当考虑火灾规模时，该防护门处风速由2.16 m/s减小至1.56 m/s，变化幅度为27.78%。不同火灾规模工况时各防护门处风速最大变化幅度的平均值为23.49%。

图7 火灾规模对防护门处风速的影响

3.4 隧道纵坡的影响

相关研究表明，隧道纵坡对火风压有很大的影响[14]，因此隧道纵坡对通风网络系统也会产生间接影响。参考《高速铁路设计规范》，铁路线路的纵坡一般不能超过20‰，特别困难情况下不能超过30‰[15]。按一般情况考虑，计算隧道纵坡从0变化至20‰时防护门处风速的变化情况。计算时选取自然风速为0 m/s、火源位于位置1、火灾规模为15 MW，计算结果见图8。可以看出： 随着纵坡的增大，2#—11#防护门处的风速逐渐降低，火灾对通风的影响程度逐渐增强。当纵坡超过+10‰时，2#—11#防护门处的风速均小于2.0 m/s。以2#防护门处的风速为例，当隧道纵坡从0变化 到+20‰时，该防护门处风速由2.09 m/s减小至1.56 m/s，变化幅度为25.4%。不同隧道纵坡工况时各防护门处风速最大变化幅度的平均值为15.87%。

图8 隧道纵坡对防护门处风速的影响

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

4 综合影响因素分析

从上文单一影响因素分析结果可知，隧道内自然风、火灾位置、火灾规模和隧道纵坡对防灾通风均有一定程度的影响。这些因素综合作用时对防灾通风的影响则更为复杂。

本节将分析不同自然风和火灾位置共同作用时，最不利情况下需要的风机数量。计算时风机采用方案A布置，自然风速分别取+1.5、0、-1.5 m/s，火源分别位于位置1、位置2、位置3、位置4及位置5，火灾规模为15 MW，隧道纵坡为+20‰，隧道进出口均设置为压力边界条件，计算结果见表5。可以看出： 当同时考虑隧道内自然风、火灾规模、隧道纵坡及最不利火源位置时，通风最不利工况为自然风为+1.5 m/s时，火源位于位置1，此时右线隧道救援站前、后两端各需要安装19台射流风机才能够满足防灾通风的要求； 而不考虑自然风和火灾作用时仅需要10台风机。由此可见，隧道内自然风、火灾规模及隧道纵坡等因素同时考虑时，风机配置数量会有较大变化。在不考虑安全余量的情况下，该隧道防灾通风共需要安装76台SDS100T-4P-15型射流风机，风机总功率为1 140 kW。

表5 同时考虑各影响因素时风机配置计算结果

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

自然风速/(m/s)最不利火源位置风机总台数/开启台数防护门处最小风速及位置风速/(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 结论与建议

1)对于左右分离式隧道内的互为救援型紧急救援站，当防灾通风机布置于救援站前后两端的隧道内时，满足防灾通风要求的风机数量最少，建议类似紧急救援站的防灾风机采用此方案布置。

2)隧道内自然风、火灾位置、火灾规模、隧道纵坡均会对防护门处的风速产生影响，影响程度依次降低，建议在可研阶段以前的隧道防灾通风方案概略比选时暂时忽略隧道纵坡的影响。

3)综合影响因素分析表明，当考虑自然风和火灾因素共同作用时，最不利工况下需要的风机数量约为不考虑其影响时的1.9倍。在紧急救援站防灾通风计算时，建议考虑上述因素共同作用的影响，来确定满足最不利工况通风要求的风机配置数量。

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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

中铁二院工程集团有限责任公司科研基金资助项目(KYY2016065)

赵东平(1979—)，男，黑龙江嫩江人，2008年毕业于西南交通大学，桥梁与隧道工程专业，博士，教授级高级工程师，现主要从事隧道及地下工程结构、隧道结构可靠度及隧道通风防灾等方面的设计及研究工作。E-mail： 704215958@qq.com。

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

U 453.5

A

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