城市铁路隧道防灾救援监控与报警技术研究

秦小光

(铁道第三勘察设计院集团有限公司，天津 300251)

城市铁路隧道防灾救援监控与报警技术研究

秦小光

(铁道第三勘察设计院集团有限公司，天津 300251)

针对城市铁路隧道主要灾害及其特点，对城市铁路隧道防灾救援监控与报警技术进行分析研究，提出适合我国城市铁路隧道防灾救援监控系统和报警系统的技术方案，系统应集隧道数据采集、监视、控制、管理及隧道日常养护于一体，使视频、音频、无线频道、控制数据在一体化软件平台上实现综合监控，为铁路隧道行车安全提供保障。

城市铁路隧道;防灾救援;监控;报警

1 概述

与城市轨道交通地下隧道类似，城市铁路地下隧道修建于城市地下，是一种合理利用城市空间、优化轨道路网、缓解城市交通压力的有效公共交通工具，但因受车站规模、列车运输性质、列车运量等因素影响，城市铁路隧道工程土建、车辆、设备设施有别于城市轨道交通地下隧道工程。

城市铁路隧道工程有以下特点:(1)站间距大，地下隧道较长。北京站至北京西站地下直径线全长9.156 km(隧道部分7.285 km)，天津站至天津西站地下直径线全长约5.2 km(隧道部分3.61 km)，晋祠隧道全长8.8 km，太西隧道全长3.36 km，较一般城市地铁隧道1.0～1.5 km要长，隧道系统也相对复杂。(2)风险点多、风险度大。城市铁路隧道下穿城市江河、湖泊、桥梁、街道、居民区、商业区等建筑物，建设风险点多，防灾救援难度大、事故影响面广，灾害风险度大。(3)车辆运行速度快，城市铁路隧道中客货车运行速度大于80 km/h，甚至到达200 km/h以上，远高于城市轨道交通40～80 km/h的运行速度。因为上述原因，城市铁路隧道防灾救援疏散系统尤显重要。

2 致灾因素分析及防灾救援监控与报警技术发展趋势

2.1 致灾因素分析

城市铁路隧道灾害根据其表现形态分为自然灾害、行车事故、线路病害、环境破坏和人为破坏5种。本文主要研究自然灾害的防灾救援技术，城市铁路隧道涉及致灾因素有火灾、水灾、地震、隧道口异物侵限、有害气体等多种，尤其火灾因素更为突出。

火灾是影响铁路运输安全的主要因素，火灾不但能烧掉物质财富，中断运输生产，打乱运输秩序，甚至还会夺去人们的生命和健康，造成强烈的社会影响和无法挽回的经济损失。尤其是城市铁路隧道，一旦发生火灾，由于隧道空间小，近似处于密闭状态，不能自然排烟，烟雾较大，燃烧产生的热量不易散发，火势发展迅速;同时列车乘载人员密度大，隧道横断面小，道路狭窄，人员和物资疏散极其困难，消防人员也很难接近火源进行扑救。城市铁路隧道多处于繁华市区，火灾事故影响面广，灾害造成城市损失大，火灾是城市铁路隧道的首要致灾因素。

水灾主要指铁路隧道漏水、涌水，水害会导致隧道衬砌裂损、铺底/仰拱破碎，漏水结冰会导致侵限，城市铁路隧道建于城市地下，部分区段下穿河道湖泊，隧道漏水积水影响行车安全，水灾也是城市铁路隧道致灾因素之一。

地震是由于地球某有限区域能量的突然释放而引起地球表层振动的一种地质现象，概率虽然小，但其发生时对铁路路基、隧道结构等各种设施的破坏性非常严重。一定强度的地震会对高速运行的列车造成脱轨、倾覆等影响。地震也是城市铁路隧道的致灾因素之一。

隧道口山体滑坡、滚石等，冲破防护网，落至铁路限界内，会危害运行列车造成高速运行的列车脱轨、倾覆，对高速运行列车的危害严重，异物侵限也是城市铁路隧道的致灾因素之一。

易燃易爆、有毒有害气体主要是从铁路隧道围岩中析出的气体和机车燃料燃烧产生的废气，气体种类主要有瓦斯、CO、SO2等，这些气体滞留于隧道内，随时间浓度逐渐加深，危害旅客、司机、乘务人员、维护维修人员的身体健康，并容易诱发火灾事故，是城市铁路隧道致灾因素之一。

图1 城市铁路隧道防灾救援监控与报警系统

2.2 防灾救援监控及报警技术发展趋势

城市铁路隧道防灾救援监控与报警系统是运用多种探测技术、自动控制技术、通信技术、计算机和网络技术，对隧道灾害进行自动探测、灾害预警、灾害报警，并实施联动救灾和智能疏

散指挥的自动化系统，能有效地进行防灾救灾，减少灾害损失。早在20世纪60年代，欧美日等发达国家就相继开展隧道监控及报警技术的研究，并根据各自情况先后开发了相应的隧道监控与报警系统，取得了一定研究和应用成果。

日本新干线铁路隧道防灾救援监控系统在隧道内设置火警探测、气流检测、通风控制、照明控制等监测设备，进行实时监测，通过传输系统处理报警信息，传送至调度中心中央系统，行车调度、电力调度、工务调度直接监视报警信号。

德国高速铁路新线上设置防灾报警系统，包括热轴探测报警、隧道气流探测报警、火灾探测报警、隧道口坍方探测报警、隧道内应急通信。

我国随着铁路建设发展，陆续开展多次隧道防灾救援技术研究，多针对山岭隧道，由于城市隧道特殊性较强，目前还没有针对的技术标准。项目建设时，多进行消防性能化设计一事一议。

3 城市铁路隧道防灾救援监控与报警技术

3.1 总体原则

我国城市铁路隧道防灾系统以预防火灾为主，同时预防水灾、地震、异物侵限、有毒有害气体等多种灾害，主要技术有隧道口异物侵限监测、地震区定点监测、热轴监测、火灾监测报警、应急疏散、视频监控、应急通信、防灾救援设备监控等。

我国城市铁路隧道为火灾报警一级保护对象，火灾自动报警技术方案贯彻“预防为主、防消结合”的方针，按同一时间内发生一次灾害考虑，负责灾害监测与报警，联动控制防灾救援设备，及时排除灾害，组织指挥抢险救援。

3.2 系统构成及主要功能

城市铁路隧道通过一体化管控平台将隧道防灾报警系统和隧道防灾救援设备监控系统集成，组成城市铁路隧道防灾救援监控与报警系统。如图1所示。

(1)火灾自动报警系统

隧道火灾自动报警系统采用集中式报警系统，实现火灾自动探测、报警及消防通信功能。该系统在相邻主控车站消防控制室设置集中火灾报警控制器、光纤测温主机、监控工作站、消防电话主机。在隧道两侧顶部设置感温光纤火灾探测器，隧道两侧消火栓旁设置消火栓启泵按钮、手动报警按钮和消防电话插孔，在隧道区间设备机房设置区域报警控制器。集中火灾报警控制器和区域报警控制器通过光纤组成环网。

消防电话系统主要包括消防电话总机(设置在相邻主控车站消防控制室)、消防电话分机(设置在区间隧道)及通信电缆等组成，隧道区间内消防电话分机间隔100m设置，与消火栓按钮及区间手动报警按钮结合安装。

按运营需求可在相邻主控车站行车控制室设FAS系统复式监控工作站，同时在另一端相邻车站的消防控制室设复示监控工作站，在两个车站都能实现全线报警信息的监视，同时设置通信接口，向调度中心传送报警信息。

在区间隧道变电所设置独立气体灭火监控系统，包括气体灭火控制盘、声光报警器、紧急启停按钮、放气指示灯和监视控制模块、感温探测器、感烟探测器等，用于监视气体灭火保护房间，联动气体灭火系统，并将信息传送至火灾报警控制器。变电所电缆夹层和电缆通道等电缆密集的区域设置感温电缆，每根感温电缆长度≤150m，采用蛇形布置方式。

隧道火灾自动报警系统主要完成区间隧道火灾自动报警及发生火灾时的消防设备的联动控制。火灾报警控制器接收来自感温光纤探测系统和手动报警按钮等的报警信号或故障信号，提供报警、故障、分区位置等信息，并将这些信号传送至监控工作站，在工作站上进行报警显示，经确认后采取相应措施。

(2)水位监测系统

轨道上有积水，损害路基寿命，在隧道里有渍水，威胁列车运行安全。当城市铁路隧道下穿江河、湖泊等的水域时，宜在进出水域的铁路隧道两端防淹门处及隧道内低点设置水位传感器，监测隧道内积水量。当发生积水时，发出预报警信号;当积水水位危害列车行驶安全时，警笛报警，经人工确认后，关闭防淹门。

(3)地震监测系统

在地震动峰值加速度≥0.1g的铁路区段，设置地震加速度计及强震动记录器等地震信息采集设备，实时监测地震波，当地震波超过报警阀值时产生报警信号。同时地震监测系统与国家地震部门和相邻线地震系统联网，实现地震信息的统一分析处理，具有预警、报警及联动触发功能，在地震灾害时，能有效控制信号系统和牵引供电系统动作，防止运行列车进入隧道，减少地震灾害引发列车事故。

(4)隧道口异物侵限监测系统

在两端隧道口分别设置双电网传感器，监测滚石、落物等异物侵限事故，通过现场监控单元上传至防灾安全监控系统进行综合分析处理，根据灾害强度生成各类报警、预警信息以及相应的行车管制预案，辅助行车调度和工务值班人员进行指挥。

(5)气体/气流监测系统

为了保障铁路相关人群的健康生存和正常工作，防止有毒有害气体对人体造成的伤害，城市铁路隧道内根据现场情况设置易燃易爆气体和有毒有害气体探测器，并联动风机控制有毒有害气体浓度。根据铁路相关规定:隧道内一氧化碳最高容许浓度为30 mg/m3;在特殊情况下，施工人员必须进入工作面时，浓度可为100 mg/m3;但工作时间不得大于30 min;CO2按体积计不得大于0.5%;氮氧化物(换算成NO2)为5mg/m3以下。

3.3 城市铁路隧道防灾救援监控系统

城市铁路隧道防灾救援监控系统主要由隧道消防联动控制系统和隧道防灾救援设备监控系统组成，并配套设置应急通信系统、应急广播系统、综合视频监控系统。

隧道消防联动控制系统为牵头系统，在确认火灾报警后，根据火灾发生位置，按预先编制控制程序发布救灾指令，对消防设备进行联动控制。主要联动设备有:(1)通风排烟系统。通风排烟设备为正常工况、阻塞工况和火灾工况共用设备，由防灾救援设备监控系统直接控制，隧道消防联动控制系统和隧道防灾救援设备监控系统间设置可靠接口，火灾时，防灾救援设备监控系统接收火灾自动报警系统的联动控制指令，将设备转为灾害模式下运行。(2)消防水泵系统。城市铁路隧道消防泵采用主备方式，设于隧道内或隧道外水泵房，隧道内每隔50m设置消火栓箱，并配有消火栓报警按钮、启泵按钮，现场人员发现火灾时，可向火灾自动报警系统发出报警信号，同时启动消防泵，点亮消火栓启泵显示灯。(3)切除非消防电源，火灾时，通过现场模块控制变电所低压柜或现场配电箱内的分励脱扣器，切断非消防回路电源，防止次生火灾发生。(4)应急照明系统，包括隧道两侧的疏散照明和疏散标志，保证地面最低照度≥0.5 Lx，并设置带有2 h容量蓄电池的应急电源柜作为备用电源。应急照明为常亮设置，火灾发生时，仍保持疏散标识照明和疏散照明点亮，消防联动控制系统具有集中强启应急照明的功能。(5)应急通信系统，在隧道内每隔600 m设置紧急呼救电话机，同时隧道内设置消防无线覆盖网络，与消防控制室联系。在消防控制室设置有线及无线电话设备，与市消防部门、110、120、铁路局调度所、列车司机联系，进行救援指挥。(6)应急广播系统和综合视频监控系统，

隧道防灾救援设备监控系统对城市铁路隧道内通风排烟、给排水、照明等设备进行远程监控管理，保证防灾救援设备的正常使用。系统采用分级、分布式系统结构，实现现场分散控制、救援中心集中管理的模式，具有防灾救援设备实时监控、故障报警、应急操作、统一维管的功能;具有正常模式、阻塞模式、故障模式、维护模式等多种运行方式;发生灾害时，优先转为灾害模式运行;可以手动和自动方式实现单独控制、联锁控制、模式控制等控制方式。

3.4 关键技术研究

3.4.1 系统网络方案

城市铁路隧道距离长，电磁干扰大，环境恶劣，维修维护不方便，防灾救援设备监控系统与火灾自动报警系统网络采用光纤组网，网络冗余设计，一般采用工业以太环网或双总线工业以太网。系统与两端车站连接，在车站消防控制室设防灾救援中心，根据管辖范围以其中一端车站为主监控，另一端为辅助监视。

3.4.2 火灾探测技术

城市铁路隧道工程火灾探测可采用点式感烟/感温探测器、线型感温探测器(线型感温光纤/光栅火灾探测器、缆式线型感温探测器)、火焰探测器、图像火灾探测器等方式，借鉴公路隧道火灾探测运用经验，结合铁路隧道和铁路运营的特点，对以上探测技术比选见表1。

表1 火灾探测技术的选择

火灾发生的部位、燃料类型及探测原理是影响火灾探测系统对隧道火灾响应时间的重要因素，城市铁路隧道长，隧道口/救援站距离车站远，车速快，车辆密度大，隧道内可燃物较少，主要是区间强弱电电缆/光缆、隧道机房电气设备、机车车辆和装载的客货物。1987年铁道部就开始进行了“长隧道火灾报警与消防方法的研究”，1993年在秦岭隧道开展长隧道熔缆式定温自动报警系统研究，利用熔缆中线路在受局部高温溶化短路的特性进行隧道火灾探测;1997年以南昆线米花岭隧道为依托，开展隧道消防技术研究，以自行设计的光纤热敏传感器(OHS)为基础，研制了“光纤热敏传感报警系统”，并进行了工程实践。为适应基础建设快速发展，火灾自动报警技术也在不断完善。目前线型光纤或光栅感温火灾探测器成为探测隧道火灾的较有效方法之一，我国《公路隧道火灾报警系统技术条件》(JT/T610—2004)规定隧道内传感器选择线型感温传感器，城市轨道交通工程地下区间隧道也采用线型感温传感器进行火灾探测。根据铁路运输的特点，本着经济适用的原则，在隧道机房可选择采用点式感烟/感温探测器，在隧道轨行区可选择采用线型感温光纤火灾探测器作为城市铁路隧道工程火灾探测方式。

3.4.3 隧道积水探测技术

水位传感器分为接触式和非接触式两类，接触式的有静压/差压液位传感器、浮球式液位传感器、磁性液位传感器等，非接触式的有超声波液位传感器，雷达液位传感器等。城市铁路隧道工程水位探测和排水应选用可用性高的方案，确保隧道内不积水，不影响行车。如采用浮球式液位传感器和超声波液位传感器相结合的方案，排水泵采用主备方式，冗余电源供电等，避免一类传感器漏报积水、主排水泵故障或一路电源事故，造成影响行车的事故发生。

3.4.4 应急通信技术

城市铁路隧道应急通信技术包括应急电话、应急广播和视频监控。应急通信采用有线通信和无线通信相结合的原则，有线电话终端结合紧急救援站、横通道、避难所、紧急出口、洞室、隧道洞口等设置情况按照500m间隔设置，在设置有线应急电话系统的同时，充分利用铁路专用移动通信系统(GSM－R)和450MHz无线列调等无线通信手段。在隧道两端的出入口、紧急救援站等用于集中疏散的地点设置应急广播和视频监控系统，并纳入相邻主控车站广播及综合视频监控系统。行车指挥人员、车站值班人员等相关操作人员通过综合视频监控平台调看隧道口图像，确认列车安全驶入、驶出，确认有无人员进出，当发生事故进行救援疏散时，对隧道口发生的紧急情况做出直观判定，进行统一指挥。

3.4.5 后备应急技术

设备监控系统采用具备高可靠性、容错性、可维护性的工业级控制设备，具备抗电磁干扰能力，以适用隧道现场的恶劣环境，主控制器宜采用冗余结构，并采用后备应急设计，在铁路隧道紧急救援站设置紧急后备盘，盘面以火灾工况操作为主，操作程序简便直接，对火灾通风排烟模式进行集中操控。铁路隧道火灾模式复杂，涉及风机、风阀等设备多，人工手动逐个操作相关设备，手续复杂，通过紧急后备盘操作方便，又提高了系统的可靠性，降低了灾害影响。

3.4.6 热轴探测技术

列车运行过程中，车轴与轴承摩擦产生热量，当车轴与轴承间出现故障时，摩擦力增大，产生的热量随之增加，轴箱的温度也随之升高，容易引发火灾。日本铁路在隧道进口设置红外线温度式火灾探测器和减光率式烟雾探测器，检测列车外部火灾。我国铁路在铁路线路轨道旁设置红外线轴温探测装置，采用辐射测温技术，在列车进入隧道前对轴承进行检测，对“热轴”进行报警。该技术为非接触式、灵敏度高、检测速度快，简单成熟，易于实现。同时在隧道口设置视频监控系统，对进入隧道列车图像进行辅助监控。

3.4.7 隧道口异物侵限监测技术

隧道口异物侵限监测技术有双电网传感器、线型光纤/光栅传感器、雷达探测器、红外探测器、图像探测器等，针对以上探测技术比选见表2。

表2 隧道口异物侵限监测技术的比选

目前在铁路隧道口应用比较成熟的是双电网传感器，但是由于影响落石下落轨迹的因素复杂，落石弹跳改变原运行轨迹，易造成误报影响行车，可根据需要采取加长明洞、设置主动和被动防护网，设置视频监控、定期巡检等加强措施。

4 结语

城市铁路隧道建设应结合隧道结构特点、运营环境、气象条件、地质状况，深入分析城市铁路隧道运营安全需求，充分利用先进技术，建立可靠性高、使用性强的城市铁路隧道防灾救援监控与报警系统，为隧道行车指挥、设备维修和应急救援等相关安全决策提供技术支持，及时处理隧道安全隐患，预防和监控在隧道内发生的灾害事件，重点防范和有效控制对隧道行车安全造成重大危害的列车脱轨和火灾爆炸事故，系统应集隧道数据采集、监视、控制、管理及隧道日常养护于一体，使视频、音频、无线频道、控制数据在一体化软件平台上实现综合监控，为铁路隧道行车安全提供保障。随着计算机技术、图像处理技术、通讯技术和控制技术的发展，完善城市铁路隧道安全基础设施与措施、机车车辆安全技术措施、以及隧道运营安全操作规程，全方面实现城市铁路隧道防灾救援监控及报警。

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Research on M onitoring and Alarm ing Technology for Disaster Prevention and Rescue in Urban Railway Tunnel

QIN Xiao-guang

(The Third Railway Survey and Design Institute Group Corporation，Tianjin 300251，China)

Focusing on the main disasters and their characteristics in urban railway tunnels，this paper conducted an analytical research on monitoring and rescue technology for disaster prevention and rescue in urban railway tunnel，and then proposed a technical plan which is suitable for our country'smonitoring system and alarming system for disaster prevention and rescue．This papermade a proposal as follows:an ideal system should be so smart that it can integrate tunnel data collection，monitoring，controlling，management and tunnel's routinemaintenance，and should be used for comprehensivemonitoring upon an integrated software platform，including video frequency，audio frequency，radio frequency and control data，ensuring the safety of railway operation in tunnels．

urban railway tunnel;disaster prevention and rescue;monitoring;alarming

U456.3+3

A

10．13238/j．issn．1004－2954．2014．03．025

1004－2954(2014)03－0105－05

2013－11－28

秦小光(1969—)，男，高级工程师，1992年毕业于西南交通大学自动控制专业，工学学士，E-mail:qinxiaoguang@tsdig．com。