郑万高铁隧道口紧急救援站防灾通风方案及参数敏感性研究

赵东平， 蒋 尧， 李老三， 杨柏洪

(1. 西南交通大学 交通隧道工程教育部重点实验室, 四川 成都 610031; 2. 西南交通大学土木工程学院, 四川 成都 610031; 3.中铁二院工程集团有限责任公司, 四川 成都 610031)

0 引言

随着我国规划和修建的高速铁路越来越多，长大隧道和隧道群也越来越多，高速铁路隧道防灾疏散救援工程的设计也日益受到重视。现行TB 10020—2017《铁路隧道防灾疏散救援工程设计规范》[1]规定： 长度大于20 km及以上的隧道或隧道群应设置紧急救援站。特长隧道紧急救援站一般设置于隧道内部，如圣哥达隧道[2]、太行山隧道[3]、青天寺隧道[4]等，现行规范中将这种救援站定义为隧道内紧急救援站；而隧道群紧急救援站一般结合相邻隧道之间的明线段设置于隧道口，现行规范中将这种救援站定义为隧道口紧急救援站。

赵东平等[5]结合某特长铁路隧道，对隧道内紧急救援站火灾工况下风机的布置方案进行了研究，得出了火灾工况下风机的最优布置方案；王峰等[6]针对单线特长铁路隧道内紧急救援站的防灾通风方案进行了研究，提出了单线铁路隧道内紧急救援站风机的最优布置方案；王明年等[7]对长大铁路隧道紧急救援站疏散设施的设计参数进行了研究，提出了疏散横通道间距、站台长度、站台高度及宽度等关键设计参数建议值；李琦等[8]对隧道口紧急救援站防灾通风系统的设置条件进行了研究，得出了隧道口紧急救援站的洞口间距(明线段长度)小于250 m时，应设计机械排烟系统的结论；颜志伟[9]对武广客运专线大瑶山隧道群防灾救援疏散设计进行了研究，提出隧道群宜结合明线段设置紧急救援站，同时建议辅助坑道应优先采用平行导坑及横洞等形式；苏哿等[10]对某客运专线隧道群紧急救援站设计方案进行了研究，提出了隧道群紧急救援站设置及疏散的总体原则。

综上所述，既有研究主要针对隧道内救援站通风排烟方案、风机布置原则等；对于隧道口救援，目前研究主要集中在救援站的设置位置、隧道洞口设置机械通风的间距及辅助坑道的利用等方面，针对隧道口紧急救援站防灾通风方案的研究鲜见报道。考虑到2017版《铁路隧道防灾疏散救援工程设计规范》对隧道口紧急救援站火灾工况下正洞内的风速及风向提出了新的要求，因此有必要以新的标准对隧道口紧急救援站的防灾通风进行深入研究。本文依托郑万高铁隧道口紧急救援站工程，对隧道口紧急救援站防灾通风方案进行研究，分析不同因素对防灾通风的影响，以期为类似条件下隧道口紧急救援站的防灾通风方案设计提供参考。

1 工程概况

郑万高铁小三峡—朱家岩隧道群全长25.980 km，其中小三峡隧道全长18.954 km，朱家岩隧道全长6.979 km，小三峡隧道出口与朱家岩隧道进口之间46 m为水井湾中桥。隧道设计时速为350 km，小三峡救援站范围隧道内纵坡为-9.81‰，朱家岩救援站范围隧道内纵坡为-30‰，变坡点设于水井湾中桥上。经过技术、经济及施工风险综合比选，两隧道均采用单洞双线方案。根据防灾疏散救援工程设计方案，在小三峡隧道出口段、水井湾中桥、朱家岩隧道进口段设置隧道口紧急救援站。救援站全长854 m，其中伸入小三峡隧道出口段404 m，明线段46 m，伸入朱家岩隧道进口段404 m。隧道口紧急救援站平面布置见图1。

图1 隧道口紧急救援站平面图(单位： m)

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

当失火列车被迫停靠在救援站内时，打开列车停靠侧横通道内的防护门进行人员疏散，列车上人员通过横通道、救援平导疏散至隧道外。救援平导中线与隧道正洞中线间距为37.5 m，救援平导断面尺寸为4.5 m×5.0 m(宽×高)；平导与正洞之间通过6座横通道相连接，横通道间距为60 m，断面尺寸为4.5 m×4.0 m(宽×高)；每座横通道内安装2扇防护门，尺寸为1.7 m×2.0 m(宽×高)。

2 防灾通风方案研究

现行《铁路隧道防灾疏散救援工程设计规范》规定： 铁路隧道紧急救援站的防灾通风应按火灾工况进行设计；对于隧道口紧急救援站，为防止洞外烟气向洞内弥漫，通风系统需要保证救援站两端正洞内的风速不小于1.5 m/s，且风向由洞内吹向明线段。同时，考虑到失火列车在运行至救援站过程中，隧道正洞内也会存在烟气，为防止正洞内烟气向横通道内扩散，防灾通风系统需要保证每扇防护门处的风速不小于2.0 m/s。

本隧道口救援站位于小三峡隧道出口段部分的结构与位于朱家岩隧道进口段的相似，故本文以位于朱家岩隧道进口段的部分救援站作为研究对象。由于正洞左右两侧疏散通道结构也相似，仅平导长度存在差异，其通风设计方案也应相同，故防灾通风研究以从朱家岩隧道右侧疏散通道进行人员疏散为例。

2.1 通风方案的拟定

对于隧道口紧急救援站，根据射流风机布置位置的不同，可考虑采用以下3种方案(见图2)。方案Ⅰ： 风机仅布置于正洞进口段。方案Ⅱ： 风机布置于正洞进口段和平导进口段。方案Ⅲ： 风机分散布置于正洞进口段和各横通道内。

(a) 方案Ⅰ

(b) 方案Ⅱ

(c) 方案Ⅲ

2.2 通风网络模型及参数

2.2.1 通风网络模型

隧道口紧急救援站内横通道多，火灾工况下空气流动复杂，在通风设计时需要利用网络通风理论进行迭代计算。本文利用SES程序[11]建立通风网络模型(见图3)，该模型由节点及带有气流方向的分支组成，在计算前对每个节点和分支进行编号。图3中箭头方向为各分支中假定的气流方向，当计算风速为负值时，表明气流方向相反。

图3 通风网络示意图

2.2.2 通风网络参数

根据隧道设计资料确定各分支的几何参数。本隧道为无砟轨道，参考TB 10068—2010《铁路隧道运营通风设计规范》[12]，正洞的沿程阻力系数取0.021；平导及横通道均采用模筑衬砌，建筑材料为C35混凝土，其沿程阻力系数取0.016；风进入隧道口的局部阻力系数取0.5，风流出隧道口的局部阻力系数取1.0；3通节点局部阻力系数随分支流量的变化而变化，由SES程序根据分支流量实时计算。图3中网络分支相关计算参数见表1。

表1 通风计算参数

2.2.3 风机性能参数

方案设计时采用SDS100T-4P-15型和SDS40T-2P-2.2型2种类型的射流风机，其性能参数见表2。射流风机的射流损失系数取1.1。

表2 射流风机性能参数

2.3 救援站风机配置方案研究

为了与多因素工况进行对比，并优选风机布置方案，首先分析不考虑隧道内自然风和火灾影响的工况，该工况仅按满足各方案通风风速要求进行风机配置。风机配置计算结果见表3。

表3 风机配置计算结果

由表3可知： 当采用方案Ⅰ时，朱家岩隧道正洞进口段内需要开启6台SDS100T-4P-15型射流风机才能满足通风要求；当采用方案Ⅱ时，正洞进口段内需要开启2台SDS100T-4P-15型射流风机，同时右侧平导进口段内需要开启1台SDS100T-4P-15型射流风机才能满足要求；采用方案Ⅲ时，正洞进口段内需要开启4台SDS100T-4P-15型射流风机，同时右侧每个横通道内需要开启1台SDS40T-2P-2.2型射流风机才能满足要求。

从以上计算结果可以看出，在不考虑自然风和火灾影响时，方案Ⅱ的风机总功率最低。采用相同分析方法可以得出，在考虑隧道自然风和火灾影响的情况下，方案Ⅱ的风机总功率仍最低。因此，方案Ⅱ是相对较优的风机布置方案。

3 单参数敏感性分析

网络通风计算涉及多个参数，具体包括隧道各分支长度、隧道内自然风、火源位置及规模、隧道纵坡、隧道断面等，各个参数对防灾通风方案的设计均有影响。目前，在隧道口紧急救援站防灾通风设计研究中，针对相关参数对总体通风方案影响程度的敏感性研究还较为欠缺。根据上一节的分析可知，在方案初选阶段方案Ⅱ相对较优，故本节在方案Ⅱ(正洞进口段内开启2台SDS100T-4P-15型风机，左、右侧平导进口段内各开启1台SDS100T-4P-15型风机)基础上对参数敏感性进行研究。

3.1 隧道内自然风的影响

当隧道内存在自然风时，自然风会对防灾通风产生影响。根据《铁路隧道运营通风设计规范》，在无实测资料时，对于双线铁路隧道可假定自然风为2 m/s。自然风工况按0.5 m/s风速级差设定9种计算工况。不同自然风工况条件下，防护门及正洞进口段的风速计算结果见图4和图5。风速为正表示隧道内自然风由进口流向出口，风速为负表示隧道内自然风由出口流向进口。

图4 防护门处风速与隧道内自然风的相关性曲线

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

由图4可知： 在开启风机数量不变的情况下，当隧道内自然风由0 m/s变化为+2.0 m/s时，1#—3#防护门处风速逐渐减小，4#—6#防护门处风速逐渐增大；当自然风由0 m/s变化为-2.0 m/s时，1#—3#防护门处风速逐渐增大，4#—6#防护门处风速逐渐减小。与不考虑自然风相比，各工况下防护门处风速的平均最大变化幅度为13%。

图5 正洞进口段风速与隧道内自然风的相关性曲线

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

由图5可知： 当自然风由0 m/s变化为+2.0 m/s时，正洞进口段内的风速由1.81 m/s变化至-0.69 m/s，变化幅度为138%；当自然风由0 m/s变化为-2.0 m/s时，正洞进口段内的风速增加，变化幅度为67%。与不考虑自然风相比，自然风对隧道正洞进口段风速的影响幅度平均值约为103%。由于自然风压比射流风机对正洞提供的风压大，因此自然风对正洞内风速影响非常显著。

3.2 火源位置的影响

对于隧道口救援站，当隧道发生火灾时，优先将火源置于明线段。但是，考虑到明线段很短，加之紧急情况下停车时，火源也可能处于洞口救援站的不同位置；当火源位置不同时，火灾在通风网络中的作用也不同[13]。因此，有必要分析火源位置对防灾通风的影响。为了分析不同火源位置对防灾通风的影响，设定的火源位置如图6所示。

图6 火源位置示意图

各工况下隧道纵坡取-30‰的单面坡，参考文献[14]，火灾热释放率取15 MW，不考虑隧道内自然风的影响。计算结果如图7和图8所示。

图7 防护门处风速与火源位置的相关性曲线

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

图8 正洞进口段风速与火源位置的相关性曲线

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

由图7可知： 各工况下1#防护门处的风速均为最小，说明考虑火源位置影响时，1#防护门处的风速最难满足要求，这是由通风网络的结构决定的；当火源由位置1变化至位置6时，5#、6#防护门处风速逐渐增大，1#—4#防护门处风速先增大后减小。与不考虑火源位置相比，各防护门处风速变化幅度平均值为23%。

由图8可知： 当火源由位置1变化至位置6时，正洞进口段内的风速不断增大，风流方向由洞内吹向洞外，方向维持不变。由于依托工程隧道口救援站正洞纵坡为-30‰，考虑火灾规模时，位于低位的火源产生的火风压对隧道正洞进口段风速有放大作用，即当位置6处起火时，隧道正洞进口段的排烟风速最大。当火源由位置1变化至位置6时，与不考虑火源位置相比，隧道正洞进口段风速变化幅度平均值为36%。

3.3 火灾规模的影响

相关研究表明[15]，火灾产生的火风压会随着火灾规模的增大而增大。根据现行《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，动车组可采用15 MW，普通列车可采用20 MW。因此，研究火灾规模对火灾工况通风影响时，火灾规模最大值取20 MW，最小值取0 MW，中间以5 MW为一个级差，共计6种火灾规模工况，分析火灾规模对防护门及隧道正洞进口段风速的影响规律。计算时火源位于最不利火源位置(即图6中的位置6)，隧道纵坡取-30‰。计算结果如图9和图10所示。

图9 防护门处风速与火灾规模的相关性曲线

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

图10 正洞进口段风速与火灾规模的相关性

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

由图9可知： 随着火灾规模的增大，1#—3#防护门处风速逐渐减小，4#—6#防护门处风速逐渐增大；当火灾规模达到5 MW后，1#、2#防护门处风速开始小于2.0 m/s。当火灾规模达到20 MW时，与不考虑火灾规模相比，各防护门处风速变化幅度平均值为31%。

由图10可知： 随着火灾规模的增大，正洞进口段风速逐渐增大。当火灾规模达到20 MW时，与不考虑火灾规模相比，隧道正洞进口段风速变化幅度平均值为47%。

3.4 隧道纵坡的影响

既有研究表明，在隧道火灾工况计算时，隧道纵坡对火风压有影响[16]，隧道纵坡不同也会导致通风计算结果不同。依托工程隧道纵坡为-30‰，本文分析时取-30‰、-20‰、-10‰、0‰ 4种工况。计算时不考虑自然风，火源处于位置6，火灾规模取15 MW。计算结果如图11和图12所示。

图11 防护门处风速与隧道纵坡的相关性

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

图12 正洞进口段风速与隧道纵坡的相关性

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

由图11可知： 隧道纵坡对防护门处风速有一定程度的影响，当隧道纵坡逐渐增大时，1#—3#防护门处风速逐渐减小，4#—6#防护门处风速逐渐增大；当隧道纵坡超过-10‰后，1#防护门处风速开始小于2.0 m/s。隧道纵坡对隧道防护门处风速的影响规律与火灾规模相同。当隧道纵坡达到-30‰时，与不考虑隧道纵坡相比，各防护门处风速变化幅度平均值为25%。

由图12可知： 随着隧道纵坡的增大，正洞进口段风速逐渐增大。当隧道纵坡达到-30‰时，与不考虑隧道纵坡相比，正洞进口段风速变化幅度平均值为39%。

4 综合影响因素分析

由单一参数敏感性分析可知，各参数对风速均有一定程度的影响。隧道口紧急救援站通风设计时，应同时考虑这些参数对通风效果的影响，为此，有必要针对具体情况进行分析。将同时考虑隧道自然风、火源位置、火灾规模及隧道纵坡的工况定义为工况2，将不考虑上述因素的工况定义为工况1。

救援站风机采用方案Ⅱ布置，自然风分别为+2.0、0、-2.0 m/s，火源分别位于位置1—位置6，火灾规模为15 MW，隧道纵坡为-30‰，正洞进出口及平导进口设置为压力边界条件，计算结果见表4。由表4可知，工况1条件下，仅需要开启3台风机即可满足正洞及防护门处风速要求；而同时考虑隧道自然风、火灾规模、隧道纵坡及火源位置因素时，需要同时开启9台风机才能满足正洞及防护门处风速要求。

表4 同时考虑各影响因素时的风机配置

根据第2节研究可知，对于一个左右基本对称的隧道口紧急救援站，在不考虑安全余量的情况下，工况1下小三峡隧道出口段和朱家岩隧道进口段各布置2台风机，4个平导进口段各布置1台风机，合计需要8台风机；工况2下小三峡隧道出口段和朱家岩隧道进口段各布置8台风机，4个平导进口段各布置1台风机，合计需要20台风机。对比可知，同时考虑各影响因素时的风机功率为不考虑上述因素时的2.5倍；火灾工况下，开启风机总功率为不考虑上述因素时的3.0倍。

5 结论与建议

1)对于在隧道口左右侧分别设置平导的隧道口紧急救援站，将风机同时布置于正洞进口段和平导进口段时需要的风机数量最少，建议紧急救援站的风机采用该方案布置。

2)隧道内自然风对隧道正洞进口段风速影响最大，而火源位置对隧道正洞进口段风速影响程度相对较小；火灾规模及隧道纵坡对隧道正洞进口段风速影响规律相同。与不考虑影响因素相比，分别考虑隧道内自然风、火源位置、火灾规模及隧道纵坡等单一因素时，隧道正洞进口段风速变化幅度平均值分别为103%、36%、47%、39%。

3)相比隧道正洞而言，各因素对隧道防护门处风速的影响相对较小。与不考虑影响因素相比，分别考虑隧道内自然风、火源位置、火灾规模及隧道纵坡等单一因素时，各防护门处风速变化幅度平均值分别为13%、23%、31%、25%。

4)同时考虑隧道火灾规模、隧道纵坡、火源位置及隧道内自然风等因素时，满足防灾通风要求的风机总功率为不考虑上述因素时的2.5倍；火灾工况下，开启风机总功率为不考虑上述因素时的3.0倍。

隧道口紧急救援站火灾工况下的防灾通风效果受多种因素影响，除本文讨论的影响因素外，正洞入口与平导入口之间的合理间距、停车工况下的局部阻力等因素有待于进一步研究。