台湾海峡隧道的通风与防灾救灾评析

■邓念兵 张 博 韩兴博

(1.宁波市港航管理局，宁波 315040；2.河南交通运输厅洛阳管理处，洛阳 471000；3.长安大学隧道工程安全研究所，西安710064)

1 引言

有关台湾海峡海底隧道项目的提出已有近20年，但其除了将涉及到众多政治、社会、经济、军事等问题外，一系列诸如选址、地质、水文、海洋、地震、结构、施工、通风、防灾、救援、管理等技术问题的复杂程度也是前所未见。其中隧道的通风方案，对隧道的结构断面形式、建设成本、服务水平和安全管理有着重要的影响。本文在文献[1]的基础上，以北线平潭-新竹线为背景，进一步探讨台湾海峡隧道高速列车穿越隧道时的通风方案，并提出台湾海峡海底隧道防灾救灾的基本思路[2]。

2 台湾海峡隧道纵、横断面设计

2.1 隧道纵断面设计

根据已经探测到的平潭岛与新竹之间的海底状况，最大水深位于东部，约80m，见图1。借鉴国外跨海隧道工程的经验，确定台湾海峡海底隧道岩石覆盖层厚度为50m。根据文献[1]，考虑到海峡隧道内列车的行车速度、地质条件、岩石覆盖层厚度与坡度的要求，推荐台湾海峡隧道纵断面如图1，隧道长度约为137km。

2.2 隧道横断面设计

参考国内外已有海底隧道的研究成果[5]，台湾海峡隧道可采用双洞单线+服务隧道的模式，两条主隧道的间距为40m，服务隧道主隧道之间的距离为20m。主隧道内径为9.8m，服务隧道内径为5m。主隧道与服务隧道之间，每隔420m(根据地质条件，可在 375～500m之间取值)采用联络通道连接，联络通道的内径为3.5m。另外，每隔250m作一条内径为2.5m的压力缓冲通道，连接两条主隧道，用以降低列车运行时所产生的气动阻力。如图2所示。具体设计参数见表1。

图1 台湾海峡海底隧道纵断面图[3,4]

图2 台湾海峡海底隧道横断面图

表1 台湾海峡海底隧道横断面设计参数

3 台湾海峡隧道通风系统设计

3.1 需风量计算

3.1.1 台湾海峡隧道客流量预测

(1)台湾海峡隧道客流量预测

已有的统计资料显示，2002～2012年，台湾同胞到大陆的人数平均增长率为3.847%，2011年台湾居民赴大陆526万人次，大陆居民赴台184万人次，全年两岸人员往来的总量约710万人次。2012年台湾居民来大陆534万人次，大陆居民赴台263万人次，全年两岸人员往来的总量接近800万人次[6]。用2002年至2012年的台湾同胞到大陆的人数平均增长率，预测20年后(2034年)大陆与台湾人员往来总数约为10700万人，按1.1亿人次计算。假设50%的旅客乘船或飞机来往台湾，另50%的旅客通过海峡隧道往返于台湾，则隧道年客流量为约为1.1亿人次，每天客流量约为30万人次。

(2)列车型号的选择

穿越台湾海峡隧道的列车，可采用目前京沪高铁的CRH2A系列列车。该列车全车定员1043人，共16节车厢，列车长度约为401.4m。假设台湾海峡隧道的早班车时间为6：00，晚班车为22：00。在此段时间内，列车主要以运送旅客为主。其余时间，以运送货物为主。隧道通风量计算，以满足运送旅客的需风量为准。

台湾海峡隧道每天客流量约为30万人次，每列车定员按1000人计算，则每天来往台湾海峡隧道的列车数为300列，即每天单向发车150列，单向列车发车的时间间隔计算如式(1)，其大于《高速铁路设计规范(试行)》[7]中规定的：最小行车间距宜采用3～4min。

目前，英法海峡隧道列车的速度为160km/h，日本北海道新干线通过青函隧道时的时速为200km/h。为了安全期间，台湾海峡隧道列车速度初步定为160km/h。则每列车在隧道内的运行时间计算为：

这样在隧道内同一方向能够容纳8辆列车，双向最多容纳16辆列车。考虑双向对开列车同时进入隧道，则有16列车在51.4-6.4=45(min)内同在隧道中，在这45min内需要为16列车中约16000人供给新鲜空气。参照英法海峡隧道，平均每人所需新鲜空气为 ，则台湾海峡隧道的总需风量为：

考虑到节假日，客流量更大，隧道内最小行车时间间距取5min，则在57.3min内隧道内最多有22列车。此时，隧道的总需风量为：

再加上20%的富余量，则正常运营情况下，台湾海峡隧道系统的需风量取190m3/s。

3.1.2 紧急工况下需风量

在某种情况下(非火灾情况)，列车不得已停留在隧道内，为了保证列车内人员正常呼吸，必须通过联络通道为主隧道提供足够的新鲜空气。已知每列车的长度约为400m，联络通道之间的距离为420m，则列车所在位置的三个联络通道可向列车每小时需提供26000m3的新鲜空气，平均每个联络通道的通风量为2.4m3/s。

考虑极端最不利情，即当两条主隧道完全阻塞的情况，此时隧道通风系统需要通过横向联络通道，向主隧道内提供足够的新鲜空气，满足所有旅客呼吸的要求。则隧道内约320个联络通道的总需风量为：

3.2 隧道通风系统设计

台湾海峡海底隧道通风初步设计为4竖井方案，如图3所示，即在平潭岛与新竹处的陆地上分别建一座通风竖井；在海峡中间建两座人工岛，在人工岛上建造通风竖井，井的高度设计高出海平面30m。各个竖井具体初步设计参数如表2所示。

3.3 隧道通风方案

台湾海峡隧道的通风基本方式为分段半横向，如图4所示。在正常运营情况下，两个交通隧道所需的新鲜空气，通过通风竖井提供给中间的服务通道，再由服务隧道与交通隧道的通风联络管道送入交通隧道。为了保障服务隧道的卫生条件，服务隧道内的气压高出主隧道内气压30Pa[5]。

为了不使中间服务通道的纵向风速大于8m/s，1#通风竖井的送风井为左线隧道第二段的40km直接输送部分新鲜空气；4#通风竖井的送风井为右线隧道第二段的35km直接输送部分新鲜空气。两个交通隧道中污染空气，除了由列车带出洞外的少量外，大部分由交通隧道分段直接排到4个通风竖井的排风井中。

图3 海峡隧道的竖井设置

表2 竖井设计参数

4 台湾海峡海底隧道防灾救灾思路

4.1 台湾海峡海底隧道的防灾设施

海底铁路隧道的火灾事故，属一个极低概率事件，但其危害性较大，事故处理也较为困难。台湾海峡海底隧道列车火灾事故的处理原则是：当列车在隧道内发生火灾时，凡能继续运行时，均应“先将列车拉出洞外或停留在最近的海底车站，再进行列车脱节及火灾事故处理”[8，9]。救灾以救人为主，灭火为辅。

日本青函海底隧道内的防灾“待车点”，在隧道的防灾救援中，起到了非常重要的作用[10]。因此，台湾海峡海底隧道可以仿照青函隧道，在隧道设置4处为了防灾救灾的“海底车站”。台湾海峡海底隧道的4个海底车站分别位于竖井下部，如图5，海底车站的基本结构如图6、7所示，车站主要包括：

(1)车站站台

台湾海峡海底隧道的列车长约为400m，因此海底车站长度取500m。

(2)下车站台

为了乘客安全地从列车上下来，在海底车站行车方向的右侧，设置下车站台，站台高度与列车底面平齐。

(3)逃生通道

图4 正常运营通风气流组织示意图

图5 海底车站布置示意图

图6 海底车站基本结构平面示意图

图7 海底车站基本结构示意图

在主隧道内靠行车方向的右侧，每隔40m设一个与服务隧道连接的逃生通道(共12个逃生通道)，以便火灾时，旅客从发生火灾的主隧道逃到服务隧道，等待救援。逃生通道横断面长3.5m，高2m。

(4)应急照明及其指示设备

逃生通道附近设置逃生指示标志和逃生用的照明设备，应急照明设备应能够保证照明时间不低于2h。

(5)电视摄像设备

为了使防灾救援中心能够及时、准确地了解海底车站内火灾情况和人员逃生的情况，需要在海底车站内和逃生路径等场所设置先进的电视摄像设备。

(6)广播系统

为了诱导海底车站内的乘客安全、有序地避难逃生，在海底车站内设置广播设备。

4.2 火灾情况下人员逃生救援

特长铁路隧道长度较大，列车在隧道内发生火灾时，列车很难在安全时间内驶出洞外。因此，必须在隧道内实施灭火救援。特长铁路隧道的救援模式主要有两种：定点疏散救援和随机停车疏散救援[8，9，11]。

4.2.1 定点疏散救援

《高速铁路隧道主要技术标准》规定：总长大于20km的特长隧道或隧道群的防灾救援方案应优先采用“定点”模式。台湾海峡海底隧道有4座海底车站，当列车发生火灾时，应停留在离其最近的海底车站进行灭火救援工作。

(1)救灾区域的划分

列车在两个海底车站之间发生火灾后，列车是向前行驶到下一个车站，还是向后运行退到上一个车站，要根据列车两个海底车站之间的位置来进行判定。因此，有必要计算出列车向前还是向后运行的临界距离Lcp。按照火灾列车继续行驶15min的条件计算[8]。可以用式(6)～(8)求解。

其中：Lcp——列车发生火灾时距离上个海底车站的距离(m)；

v1——列车行驶速度(m/s)，为160km/h=44.44m/s；

t1——列车以v1的速度行驶的时间(s)；

a1——列车的制动时的加速度(m/s2)；

t2——列车制动所用的时间(s)；

v2——列车退行速度(m/s)，取为15km/h=4.16m/s；

a2——列车的退行加速度(m/s2)；

t3——列车从0m/s加速到v2所用的时间(s)；

t4——列车以v2的速度行驶的时间(s)。

列车的制动过程可以认为是匀减速过程。在《铁路主要技术政策》中对160km/h制动初速度的制动距离定为1400m(平直道)。本文将列车的制动和启动加速度均取为0.7m/s2。计算得到，临界距离 Lcp大约为 3289m，取3000m。

按照上述的计算公式，可对台湾海峡隧道的救灾区域进行划分如表3。

表3 台湾海峡隧道救灾区间划分

(2)火灾发生后采取的救援措施

列车在隧道内发生火灾后，列车内的人员在第一时间，充分利用车内的消防设施进行灭火，阻止火灾发展。如果车厢内的火势无法得到有效的控制，应将此节车厢内的乘客转移至其他车厢。关闭车厢间的通道，防止烟雾和有毒气体进入其他车厢。

防灾管理中心根据列车所在的位置，指定列车停在最近的海底车站，阻止外面车辆继续驶入隧道。告知列车即将靠近的海底车站里的工作人员，组织灭火救援工作。

着火的列车到达海底车站后，工作人员首先要引导旅客通过逃生通道进入服务隧道。人员完全逃离危险后，消防人员进行灭火工作。

乘客通过联络通道进入未发生火灾的主隧道，乘坐救援车辆离开隧道。

4.2.2 随机停车疏散救援

(1)列车在隧道内发生火灾后，由于动力系统失效不得不在隧道内停车时，旅客在乘务员的引导下，通过最近的横向联络通道进入服务隧道逃生。

(2)防灾救援中心接到火灾通知后，应通过远程控制系统立即开启列车附近的4个横向联络通道的安全门，引导方便旅客的逃生。

(3)旅客进入服务隧道，在服务隧道内等待救援车辆。救援车辆通过未发生火灾的主隧道到达火灾位置，乘客通过另一侧的横向联络通道进入未发生火灾的主隧道，乘坐救援车辆离开隧道。

(4)救援人员应尽快赶到火灾现场进行灭火救援工作。

5 结语

台湾海峡海底隧道作为一项世界级的特大型工程建设项目，仅就通风和防灾救灾而言，所涉及的问题还很多，也非常复杂。由于篇幅所限，本文仅对台湾海峡海底隧道通风的一个设计方案进行评析，并给出了相应的逃生救援基本思路。有关列车通过时隧道内的瞬变压力、微压波、交通风、空气阻力的变化规律；隧道内发生火灾时，隧道内烟雾、温度与有害气体的分布，以及隧道发生火灾时通风与排烟控制措施，人员的逃生条件及救援方案，留待后续逐一研究。