鄭萬高鐵隧道口緊急救援站防災通風方案及參數敏感性研究

趙東平， 蔣 堯， 李老三， 楊柏洪

(1. 西南交通大學 交通隧道工程教育部重點實驗室, 四川 成都 610031; 2. 西南交通大學土木工程學院, 四川 成都 610031; 3.中鐵二院工程集團有限責任公司, 四川 成都 610031)

0 引言

隨著我國規劃和修建的高速鐵路越來越多，長大隧道和隧道群也越來越多，高速鐵路隧道防災疏散救援工程的設計也日益受到重視。現行TB 10020—2017《鐵路隧道防災疏散救援工程設計規范》[1]規定： 長度大于20 km及以上的隧道或隧道群應設置緊急救援站。特長隧道緊急救援站一般設置于隧道內部，如圣哥達隧道[2]、太行山隧道[3]、青天寺隧道[4]等，現行規范中將這種救援站定義為隧道內緊急救援站；而隧道群緊急救援站一般結合相鄰隧道之間的明線段設置于隧道口，現行規范中將這種救援站定義為隧道口緊急救援站。

趙東平等[5]結合某特長鐵路隧道，對隧道內緊急救援站火災工況下風機的布置方案進行了研究，得出了火災工況下風機的最優布置方案；王峰等[6]針對單線特長鐵路隧道內緊急救援站的防災通風方案進行了研究，提出了單線鐵路隧道內緊急救援站風機的最優布置方案；王明年等[7]對長大鐵路隧道緊急救援站疏散設施的設計參數進行了研究，提出了疏散橫通道間距、站臺長度、站臺高度及寬度等關鍵設計參數建議值；李琦等[8]對隧道口緊急救援站防災通風系統的設置條件進行了研究，得出了隧道口緊急救援站的洞口間距(明線段長度)小于250 m時，應設計機械排煙系統的結論；顏志偉[9]對武廣客運專線大瑤山隧道群防災救援疏散設計進行了研究，提出隧道群宜結合明線段設置緊急救援站，同時建議輔助坑道應優先采用平行導坑及橫洞等形式；蘇哿等[10]對某客運專線隧道群緊急救援站設計方案進行了研究，提出了隧道群緊急救援站設置及疏散的總體原則。

綜上所述，既有研究主要針對隧道內救援站通風排煙方案、風機布置原則等；對于隧道口救援，目前研究主要集中在救援站的設置位置、隧道洞口設置機械通風的間距及輔助坑道的利用等方面，針對隧道口緊急救援站防災通風方案的研究鮮見報道。考慮到2017版《鐵路隧道防災疏散救援工程設計規范》對隧道口緊急救援站火災工況下正洞內的風速及風向提出了新的要求，因此有必要以新的標準對隧道口緊急救援站的防災通風進行深入研究。本文依托鄭萬高鐵隧道口緊急救援站工程，對隧道口緊急救援站防災通風方案進行研究，分析不同因素對防災通風的影響，以期為類似條件下隧道口緊急救援站的防災通風方案設計提供參考。

1 工程概況

鄭萬高鐵小三峽—朱家巖隧道群全長25.980 km，其中小三峽隧道全長18.954 km，朱家巖隧道全長6.979 km，小三峽隧道出口與朱家巖隧道進口之間46 m為水井灣中橋。隧道設計時速為350 km，小三峽救援站范圍隧道內縱坡為-9.81‰，朱家巖救援站范圍隧道內縱坡為-30‰，變坡點設于水井灣中橋上。經過技術、經濟及施工風險綜合比選，兩隧道均采用單洞雙線方案。根據防災疏散救援工程設計方案，在小三峽隧道出口段、水井灣中橋、朱家巖隧道進口段設置隧道口緊急救援站。救援站全長854 m，其中伸入小三峽隧道出口段404 m，明線段46 m，伸入朱家巖隧道進口段404 m。隧道口緊急救援站平面布置見圖1。

圖1 隧道口緊急救援站平面圖(單位： m)

Fig. 1 Plan of emergency rescue station in tunnel portal (unit: m)

當失火列車被迫停靠在救援站內時，打開列車停靠側橫通道內的防護門進行人員疏散，列車上人員通過橫通道、救援平導疏散至隧道外。救援平導中線與隧道正洞中線間距為37.5 m，救援平導斷面尺寸為4.5 m×5.0 m(寬×高)；平導與正洞之間通過6座橫通道相連接，橫通道間距為60 m，斷面尺寸為4.5 m×4.0 m(寬×高)；每座橫通道內安裝2扇防護門，尺寸為1.7 m×2.0 m(寬×高)。

2 防災通風方案研究

現行《鐵路隧道防災疏散救援工程設計規范》規定： 鐵路隧道緊急救援站的防災通風應按火災工況進行設計；對于隧道口緊急救援站，為防止洞外煙氣向洞內彌漫，通風系統需要保證救援站兩端正洞內的風速不小于1.5 m/s，且風向由洞內吹向明線段。同時，考慮到失火列車在運行至救援站過程中，隧道正洞內也會存在煙氣，為防止正洞內煙氣向橫通道內擴散，防災通風系統需要保證每扇防護門處的風速不小于2.0 m/s。

本隧道口救援站位于小三峽隧道出口段部分的結構與位于朱家巖隧道進口段的相似，故本文以位于朱家巖隧道進口段的部分救援站作為研究對象。由于正洞左右兩側疏散通道結構也相似，僅平導長度存在差異，其通風設計方案也應相同，故防災通風研究以從朱家巖隧道右側疏散通道進行人員疏散為例。

2.1 通風方案的擬定

對于隧道口緊急救援站，根據射流風機布置位置的不同，可考慮采用以下3種方案(見圖2)。方案Ⅰ： 風機僅布置于正洞進口段。方案Ⅱ： 風機布置于正洞進口段和平導進口段。方案Ⅲ： 風機分散布置于正洞進口段和各橫通道內。

(a) 方案Ⅰ

(b) 方案Ⅱ

(c) 方案Ⅲ

2.2 通風網絡模型及參數

2.2.1 通風網絡模型

隧道口緊急救援站內橫通道多，火災工況下空氣流動復雜，在通風設計時需要利用網絡通風理論進行迭代計算。本文利用SES程序[11]建立通風網絡模型(見圖3)，該模型由節點及帶有氣流方向的分支組成，在計算前對每個節點和分支進行編號。圖3中箭頭方向為各分支中假定的氣流方向，當計算風速為負值時，表明氣流方向相反。

圖3 通風網絡示意圖

2.2.2 通風網絡參數

根據隧道設計資料確定各分支的幾何參數。本隧道為無砟軌道，參考TB 10068—2010《鐵路隧道運營通風設計規范》[12]，正洞的沿程阻力系數取0.021；平導及橫通道均采用模筑襯砌，建筑材料為C35混凝土，其沿程阻力系數取0.016；風進入隧道口的局部阻力系數取0.5，風流出隧道口的局部阻力系數取1.0；3通節點局部阻力系數隨分支流量的變化而變化，由SES程序根據分支流量實時計算。圖3中網絡分支相關計算參數見表1。

表1 通風計算參數

2.2.3 風機性能參數

方案設計時采用SDS100T-4P-15型和SDS40T-2P-2.2型2種類型的射流風機，其性能參數見表2。射流風機的射流損失系數取1.1。

表2 射流風機性能參數

2.3 救援站風機配置方案研究

為了與多因素工況進行對比，并優選風機布置方案，首先分析不考慮隧道內自然風和火災影響的工況，該工況僅按滿足各方案通風風速要求進行風機配置。風機配置計算結果見表3。

表3 風機配置計算結果

由表3可知： 當采用方案Ⅰ時，朱家巖隧道正洞進口段內需要開啟6臺SDS100T-4P-15型射流風機才能滿足通風要求；當采用方案Ⅱ時，正洞進口段內需要開啟2臺SDS100T-4P-15型射流風機，同時右側平導進口段內需要開啟1臺SDS100T-4P-15型射流風機才能滿足要求；采用方案Ⅲ時，正洞進口段內需要開啟4臺SDS100T-4P-15型射流風機，同時右側每個橫通道內需要開啟1臺SDS40T-2P-2.2型射流風機才能滿足要求。

從以上計算結果可以看出，在不考慮自然風和火災影響時，方案Ⅱ的風機總功率最低。采用相同分析方法可以得出，在考慮隧道自然風和火災影響的情況下，方案Ⅱ的風機總功率仍最低。因此，方案Ⅱ是相對較優的風機布置方案。

3 單參數敏感性分析

網絡通風計算涉及多個參數，具體包括隧道各分支長度、隧道內自然風、火源位置及規模、隧道縱坡、隧道斷面等，各個參數對防災通風方案的設計均有影響。目前，在隧道口緊急救援站防災通風設計研究中，針對相關參數對總體通風方案影響程度的敏感性研究還較為欠缺。根據上一節的分析可知，在方案初選階段方案Ⅱ相對較優，故本節在方案Ⅱ(正洞進口段內開啟2臺SDS100T-4P-15型風機，左、右側平導進口段內各開啟1臺SDS100T-4P-15型風機)基礎上對參數敏感性進行研究。

3.1 隧道內自然風的影響

當隧道內存在自然風時，自然風會對防災通風產生影響。根據《鐵路隧道運營通風設計規范》，在無實測資料時，對于雙線鐵路隧道可假定自然風為2 m/s。自然風工況按0.5 m/s風速級差設定9種計算工況。不同自然風工況條件下，防護門及正洞進口段的風速計算結果見圖4和圖5。風速為正表示隧道內自然風由進口流向出口，風速為負表示隧道內自然風由出口流向進口。

圖4 防護門處風速與隧道內自然風的相關性曲線

Fig. 4 Correlation curves of wind speed at protective door and natural wind in tunnel

由圖4可知： 在開啟風機數量不變的情況下，當隧道內自然風由0 m/s變化為+2.0 m/s時，1#—3#防護門處風速逐漸減小，4#—6#防護門處風速逐漸增大；當自然風由0 m/s變化為-2.0 m/s時，1#—3#防護門處風速逐漸增大，4#—6#防護門處風速逐漸減小。與不考慮自然風相比，各工況下防護門處風速的平均最大變化幅度為13%。

圖5 正洞進口段風速與隧道內自然風的相關性曲線

Fig. 5 Correlation curve of wind speed in main tunnel portal section and natural wind in tunnel

由圖5可知： 當自然風由0 m/s變化為+2.0 m/s時，正洞進口段內的風速由1.81 m/s變化至-0.69 m/s，變化幅度為138%；當自然風由0 m/s變化為-2.0 m/s時，正洞進口段內的風速增加，變化幅度為67%。與不考慮自然風相比，自然風對隧道正洞進口段風速的影響幅度平均值約為103%。由于自然風壓比射流風機對正洞提供的風壓大，因此自然風對正洞內風速影響非常顯著。

3.2 火源位置的影響

對于隧道口救援站，當隧道發生火災時，優先將火源置于明線段。但是，考慮到明線段很短，加之緊急情況下停車時，火源也可能處于洞口救援站的不同位置；當火源位置不同時，火災在通風網絡中的作用也不同[13]。因此，有必要分析火源位置對防災通風的影響。為了分析不同火源位置對防災通風的影響，設定的火源位置如圖6所示。

圖6 火源位置示意圖

各工況下隧道縱坡取-30‰的單面坡，參考文獻[14]，火災熱釋放率取15 MW，不考慮隧道內自然風的影響。計算結果如圖7和圖8所示。

圖7 防護門處風速與火源位置的相關性曲線

Fig. 7 Correlation curves of wind speed at protective door and fire source position

圖8 正洞進口段風速與火源位置的相關性曲線

Fig. 8 Correlation curve of wind speed in main tunnel portal section and fire source position

由圖7可知： 各工況下1#防護門處的風速均為最小，說明考慮火源位置影響時，1#防護門處的風速最難滿足要求，這是由通風網絡的結構決定的；當火源由位置1變化至位置6時，5#、6#防護門處風速逐漸增大，1#—4#防護門處風速先增大后減小。與不考慮火源位置相比，各防護門處風速變化幅度平均值為23%。

由圖8可知： 當火源由位置1變化至位置6時，正洞進口段內的風速不斷增大，風流方向由洞內吹向洞外，方向維持不變。由于依托工程隧道口救援站正洞縱坡為-30‰，考慮火災規模時，位于低位的火源產生的火風壓對隧道正洞進口段風速有放大作用，即當位置6處起火時，隧道正洞進口段的排煙風速最大。當火源由位置1變化至位置6時，與不考慮火源位置相比，隧道正洞進口段風速變化幅度平均值為36%。

3.3 火災規模的影響

相關研究表明[15]，火災產生的火風壓會隨著火災規模的增大而增大。根據現行《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，動車組可采用15 MW，普通列車可采用20 MW。因此，研究火災規模對火災工況通風影響時，火災規模最大值取20 MW，最小值取0 MW，中間以5 MW為一個級差，共計6種火災規模工況，分析火災規模對防護門及隧道正洞進口段風速的影響規律。計算時火源位于最不利火源位置(即圖6中的位置6)，隧道縱坡取-30‰。計算結果如圖9和圖10所示。

圖9 防護門處風速與火災規模的相關性曲線

Fig. 9 Correlation curves of wind speed at protective door and fire scale

圖10 正洞進口段風速與火災規模的相關性

Fig. 10 Correlation curve of wind speed in main tunnel portal section and fire scale

由圖9可知： 隨著火災規模的增大，1#—3#防護門處風速逐漸減小，4#—6#防護門處風速逐漸增大；當火災規模達到5 MW后，1#、2#防護門處風速開始小于2.0 m/s。當火災規模達到20 MW時，與不考慮火災規模相比，各防護門處風速變化幅度平均值為31%。

由圖10可知： 隨著火災規模的增大，正洞進口段風速逐漸增大。當火災規模達到20 MW時，與不考慮火災規模相比，隧道正洞進口段風速變化幅度平均值為47%。

3.4 隧道縱坡的影響

既有研究表明，在隧道火災工況計算時，隧道縱坡對火風壓有影響[16]，隧道縱坡不同也會導致通風計算結果不同。依托工程隧道縱坡為-30‰，本文分析時取-30‰、-20‰、-10‰、0‰ 4種工況。計算時不考慮自然風，火源處于位置6，火災規模取15 MW。計算結果如圖11和圖12所示。

圖11 防護門處風速與隧道縱坡的相關性

Fig. 11 Correlation curves of wind speed at protective door and longitudinal slope of tunnel

圖12 正洞進口段風速與隧道縱坡的相關性

Fig. 12 Correlation curve of wind speed in main tunnel portal section and longitudinal slope of tunnel

由圖11可知： 隧道縱坡對防護門處風速有一定程度的影響，當隧道縱坡逐漸增大時，1#—3#防護門處風速逐漸減小，4#—6#防護門處風速逐漸增大；當隧道縱坡超過-10‰后，1#防護門處風速開始小于2.0 m/s。隧道縱坡對隧道防護門處風速的影響規律與火災規模相同。當隧道縱坡達到-30‰時，與不考慮隧道縱坡相比，各防護門處風速變化幅度平均值為25%。

由圖12可知： 隨著隧道縱坡的增大，正洞進口段風速逐漸增大。當隧道縱坡達到-30‰時，與不考慮隧道縱坡相比，正洞進口段風速變化幅度平均值為39%。

4 綜合影響因素分析

由單一參數敏感性分析可知，各參數對風速均有一定程度的影響。隧道口緊急救援站通風設計時，應同時考慮這些參數對通風效果的影響，為此，有必要針對具體情況進行分析。將同時考慮隧道自然風、火源位置、火災規模及隧道縱坡的工況定義為工況2，將不考慮上述因素的工況定義為工況1。

救援站風機采用方案Ⅱ布置，自然風分別為+2.0、0、-2.0 m/s，火源分別位于位置1—位置6，火災規模為15 MW，隧道縱坡為-30‰，正洞進出口及平導進口設置為壓力邊界條件，計算結果見表4。由表4可知，工況1條件下，僅需要開啟3臺風機即可滿足正洞及防護門處風速要求；而同時考慮隧道自然風、火災規模、隧道縱坡及火源位置因素時，需要同時開啟9臺風機才能滿足正洞及防護門處風速要求。

表4 同時考慮各影響因素時的風機配置

根據第2節研究可知，對于一個左右基本對稱的隧道口緊急救援站，在不考慮安全余量的情況下，工況1下小三峽隧道出口段和朱家巖隧道進口段各布置2臺風機，4個平導進口段各布置1臺風機，合計需要8臺風機；工況2下小三峽隧道出口段和朱家巖隧道進口段各布置8臺風機，4個平導進口段各布置1臺風機，合計需要20臺風機。對比可知，同時考慮各影響因素時的風機功率為不考慮上述因素時的2.5倍；火災工況下，開啟風機總功率為不考慮上述因素時的3.0倍。

5 結論與建議

1)對于在隧道口左右側分別設置平導的隧道口緊急救援站，將風機同時布置于正洞進口段和平導進口段時需要的風機數量最少，建議緊急救援站的風機采用該方案布置。

2)隧道內自然風對隧道正洞進口段風速影響最大，而火源位置對隧道正洞進口段風速影響程度相對較小；火災規模及隧道縱坡對隧道正洞進口段風速影響規律相同。與不考慮影響因素相比，分別考慮隧道內自然風、火源位置、火災規模及隧道縱坡等單一因素時，隧道正洞進口段風速變化幅度平均值分別為103%、36%、47%、39%。

3)相比隧道正洞而言，各因素對隧道防護門處風速的影響相對較小。與不考慮影響因素相比，分別考慮隧道內自然風、火源位置、火災規模及隧道縱坡等單一因素時，各防護門處風速變化幅度平均值分別為13%、23%、31%、25%。

4)同時考慮隧道火災規模、隧道縱坡、火源位置及隧道內自然風等因素時，滿足防災通風要求的風機總功率為不考慮上述因素時的2.5倍；火災工況下，開啟風機總功率為不考慮上述因素時的3.0倍。

隧道口緊急救援站火災工況下的防災通風效果受多種因素影響，除本文討論的影響因素外，正洞入口與平導入口之間的合理間距、停車工況下的局部阻力等因素有待于進一步研究。