臺(tái)灣海峽隧道的通風(fēng)與防災(zāi)救災(zāi)評(píng)析

■鄧念兵 張 博 韓興博

(1.寧波市港航管理局，寧波 315040；2.河南交通運(yùn)輸廳洛陽(yáng)管理處，洛陽(yáng) 471000；3.長(zhǎng)安大學(xué)隧道工程安全研究所，西安710064)

1 引言

有關(guān)臺(tái)灣海峽海底隧道項(xiàng)目的提出已有近20年，但其除了將涉及到眾多政治、社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、軍事等問(wèn)題外，一系列諸如選址、地質(zhì)、水文、海洋、地震、結(jié)構(gòu)、施工、通風(fēng)、防災(zāi)、救援、管理等技術(shù)問(wèn)題的復(fù)雜程度也是前所未見(jiàn)。其中隧道的通風(fēng)方案，對(duì)隧道的結(jié)構(gòu)斷面形式、建設(shè)成本、服務(wù)水平和安全管理有著重要的影響。本文在文獻(xiàn)[1]的基礎(chǔ)上，以北線平潭-新竹線為背景，進(jìn)一步探討臺(tái)灣海峽隧道高速列車穿越隧道時(shí)的通風(fēng)方案，并提出臺(tái)灣海峽海底隧道防災(zāi)救災(zāi)的基本思路[2]。

2 臺(tái)灣海峽隧道縱、橫斷面設(shè)計(jì)

2.1 隧道縱斷面設(shè)計(jì)

根據(jù)已經(jīng)探測(cè)到的平潭島與新竹之間的海底狀況，最大水深位于東部，約80m，見(jiàn)圖1。借鑒國(guó)外跨海隧道工程的經(jīng)驗(yàn)，確定臺(tái)灣海峽海底隧道巖石覆蓋層厚度為50m。根據(jù)文獻(xiàn)[1]，考慮到海峽隧道內(nèi)列車的行車速度、地質(zhì)條件、巖石覆蓋層厚度與坡度的要求，推薦臺(tái)灣海峽隧道縱斷面如圖1，隧道長(zhǎng)度約為137km。

2.2 隧道橫斷面設(shè)計(jì)

參考國(guó)內(nèi)外已有海底隧道的研究成果[5]，臺(tái)灣海峽隧道可采用雙洞單線+服務(wù)隧道的模式，兩條主隧道的間距為40m，服務(wù)隧道主隧道之間的距離為20m。主隧道內(nèi)徑為9.8m，服務(wù)隧道內(nèi)徑為5m。主隧道與服務(wù)隧道之間，每隔420m(根據(jù)地質(zhì)條件，可在 375～500m之間取值)采用聯(lián)絡(luò)通道連接，聯(lián)絡(luò)通道的內(nèi)徑為3.5m。另外，每隔250m作一條內(nèi)徑為2.5m的壓力緩沖通道，連接兩條主隧道，用以降低列車運(yùn)行時(shí)所產(chǎn)生的氣動(dòng)阻力。如圖2所示。具體設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表1。

圖1 臺(tái)灣海峽海底隧道縱斷面圖[3,4]

圖2 臺(tái)灣海峽海底隧道橫斷面圖

表1 臺(tái)灣海峽海底隧道橫斷面設(shè)計(jì)參數(shù)

3 臺(tái)灣海峽隧道通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 需風(fēng)量計(jì)算

3.1.1 臺(tái)灣海峽隧道客流量預(yù)測(cè)

(1)臺(tái)灣海峽隧道客流量預(yù)測(cè)

已有的統(tǒng)計(jì)資料顯示，2002～2012年，臺(tái)灣同胞到大陸的人數(shù)平均增長(zhǎng)率為3.847%，2011年臺(tái)灣居民赴大陸526萬(wàn)人次，大陸居民赴臺(tái)184萬(wàn)人次，全年兩岸人員往來(lái)的總量約710萬(wàn)人次。2012年臺(tái)灣居民來(lái)大陸534萬(wàn)人次，大陸居民赴臺(tái)263萬(wàn)人次，全年兩岸人員往來(lái)的總量接近800萬(wàn)人次[6]。用2002年至2012年的臺(tái)灣同胞到大陸的人數(shù)平均增長(zhǎng)率，預(yù)測(cè)20年后(2034年)大陸與臺(tái)灣人員往來(lái)總數(shù)約為10700萬(wàn)人，按1.1億人次計(jì)算。假設(shè)50%的旅客乘船或飛機(jī)來(lái)往臺(tái)灣，另50%的旅客通過(guò)海峽隧道往返于臺(tái)灣，則隧道年客流量為約為1.1億人次，每天客流量約為30萬(wàn)人次。

(2)列車型號(hào)的選擇

穿越臺(tái)灣海峽隧道的列車，可采用目前京滬高鐵的CRH2A系列列車。該列車全車定員1043人，共16節(jié)車廂，列車長(zhǎng)度約為401.4m。假設(shè)臺(tái)灣海峽隧道的早班車時(shí)間為6：00，晚班車為22：00。在此段時(shí)間內(nèi)，列車主要以運(yùn)送旅客為主。其余時(shí)間，以運(yùn)送貨物為主。隧道通風(fēng)量計(jì)算，以滿足運(yùn)送旅客的需風(fēng)量為準(zhǔn)。

臺(tái)灣海峽隧道每天客流量約為30萬(wàn)人次，每列車定員按1000人計(jì)算，則每天來(lái)往臺(tái)灣海峽隧道的列車數(shù)為300列，即每天單向發(fā)車150列，單向列車發(fā)車的時(shí)間間隔計(jì)算如式(1)，其大于《高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范(試行)》[7]中規(guī)定的：最小行車間距宜采用3～4min。

目前，英法海峽隧道列車的速度為160km/h，日本北海道新干線通過(guò)青函隧道時(shí)的時(shí)速為200km/h。為了安全期間，臺(tái)灣海峽隧道列車速度初步定為160km/h。則每列車在隧道內(nèi)的運(yùn)行時(shí)間計(jì)算為：

這樣在隧道內(nèi)同一方向能夠容納8輛列車，雙向最多容納16輛列車?？紤]雙向?qū)﹂_列車同時(shí)進(jìn)入隧道，則有16列車在51.4-6.4=45(min)內(nèi)同在隧道中，在這45min內(nèi)需要為16列車中約16000人供給新鮮空氣。參照英法海峽隧道，平均每人所需新鮮空氣為 ，則臺(tái)灣海峽隧道的總需風(fēng)量為：

考慮到節(jié)假日，客流量更大，隧道內(nèi)最小行車時(shí)間間距取5min，則在57.3min內(nèi)隧道內(nèi)最多有22列車。此時(shí)，隧道的總需風(fēng)量為：

再加上20%的富余量，則正常運(yùn)營(yíng)情況下，臺(tái)灣海峽隧道系統(tǒng)的需風(fēng)量取190m3/s。

3.1.2 緊急工況下需風(fēng)量

在某種情況下(非火災(zāi)情況)，列車不得已停留在隧道內(nèi)，為了保證列車內(nèi)人員正常呼吸，必須通過(guò)聯(lián)絡(luò)通道為主隧道提供足夠的新鮮空氣。已知每列車的長(zhǎng)度約為400m，聯(lián)絡(luò)通道之間的距離為420m，則列車所在位置的三個(gè)聯(lián)絡(luò)通道可向列車每小時(shí)需提供26000m3的新鮮空氣，平均每個(gè)聯(lián)絡(luò)通道的通風(fēng)量為2.4m3/s。

考慮極端最不利情，即當(dāng)兩條主隧道完全阻塞的情況，此時(shí)隧道通風(fēng)系統(tǒng)需要通過(guò)橫向聯(lián)絡(luò)通道，向主隧道內(nèi)提供足夠的新鮮空氣，滿足所有旅客呼吸的要求。則隧道內(nèi)約320個(gè)聯(lián)絡(luò)通道的總需風(fēng)量為：

3.2 隧道通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

臺(tái)灣海峽海底隧道通風(fēng)初步設(shè)計(jì)為4豎井方案，如圖3所示，即在平潭島與新竹處的陸地上分別建一座通風(fēng)豎井；在海峽中間建兩座人工島，在人工島上建造通風(fēng)豎井，井的高度設(shè)計(jì)高出海平面30m。各個(gè)豎井具體初步設(shè)計(jì)參數(shù)如表2所示。

3.3 隧道通風(fēng)方案

臺(tái)灣海峽隧道的通風(fēng)基本方式為分段半橫向，如圖4所示。在正常運(yùn)營(yíng)情況下，兩個(gè)交通隧道所需的新鮮空氣，通過(guò)通風(fēng)豎井提供給中間的服務(wù)通道，再由服務(wù)隧道與交通隧道的通風(fēng)聯(lián)絡(luò)管道送入交通隧道。為了保障服務(wù)隧道的衛(wèi)生條件，服務(wù)隧道內(nèi)的氣壓高出主隧道內(nèi)氣壓30Pa[5]。

為了不使中間服務(wù)通道的縱向風(fēng)速大于8m/s，1#通風(fēng)豎井的送風(fēng)井為左線隧道第二段的40km直接輸送部分新鮮空氣；4#通風(fēng)豎井的送風(fēng)井為右線隧道第二段的35km直接輸送部分新鮮空氣。兩個(gè)交通隧道中污染空氣，除了由列車帶出洞外的少量外，大部分由交通隧道分段直接排到4個(gè)通風(fēng)豎井的排風(fēng)井中。

圖3 海峽隧道的豎井設(shè)置

表2 豎井設(shè)計(jì)參數(shù)

4 臺(tái)灣海峽海底隧道防災(zāi)救災(zāi)思路

4.1 臺(tái)灣海峽海底隧道的防災(zāi)設(shè)施

海底鐵路隧道的火災(zāi)事故，屬一個(gè)極低概率事件，但其危害性較大，事故處理也較為困難。臺(tái)灣海峽海底隧道列車火災(zāi)事故的處理原則是：當(dāng)列車在隧道內(nèi)發(fā)生火災(zāi)時(shí)，凡能繼續(xù)運(yùn)行時(shí)，均應(yīng)“先將列車?yán)龆赐饣蛲Ａ粼谧罱暮５总囌?，再進(jìn)行列車脫節(jié)及火災(zāi)事故處理”[8，9]。救災(zāi)以救人為主，滅火為輔。

日本青函海底隧道內(nèi)的防災(zāi)“待車點(diǎn)”，在隧道的防災(zāi)救援中，起到了非常重要的作用[10]。因此，臺(tái)灣海峽海底隧道可以仿照青函隧道，在隧道設(shè)置4處為了防災(zāi)救災(zāi)的“海底車站”。臺(tái)灣海峽海底隧道的4個(gè)海底車站分別位于豎井下部，如圖5，海底車站的基本結(jié)構(gòu)如圖6、7所示，車站主要包括：

(1)車站站臺(tái)

臺(tái)灣海峽海底隧道的列車長(zhǎng)約為400m，因此海底車站長(zhǎng)度取500m。

(2)下車站臺(tái)

為了乘客安全地從列車上下來(lái)，在海底車站行車方向的右側(cè)，設(shè)置下車站臺(tái)，站臺(tái)高度與列車底面平齊。

(3)逃生通道

圖4 正常運(yùn)營(yíng)通風(fēng)氣流組織示意圖

圖5 海底車站布置示意圖

圖6 海底車站基本結(jié)構(gòu)平面示意圖

圖7 海底車站基本結(jié)構(gòu)示意圖

在主隧道內(nèi)靠行車方向的右側(cè)，每隔40m設(shè)一個(gè)與服務(wù)隧道連接的逃生通道(共12個(gè)逃生通道)，以便火災(zāi)時(shí)，旅客從發(fā)生火災(zāi)的主隧道逃到服務(wù)隧道，等待救援。逃生通道橫斷面長(zhǎng)3.5m，高2m。

(4)應(yīng)急照明及其指示設(shè)備

逃生通道附近設(shè)置逃生指示標(biāo)志和逃生用的照明設(shè)備，應(yīng)急照明設(shè)備應(yīng)能夠保證照明時(shí)間不低于2h。

(5)電視攝像設(shè)備

為了使防災(zāi)救援中心能夠及時(shí)、準(zhǔn)確地了解海底車站內(nèi)火災(zāi)情況和人員逃生的情況，需要在海底車站內(nèi)和逃生路徑等場(chǎng)所設(shè)置先進(jìn)的電視攝像設(shè)備。

(6)廣播系統(tǒng)

為了誘導(dǎo)海底車站內(nèi)的乘客安全、有序地避難逃生，在海底車站內(nèi)設(shè)置廣播設(shè)備。

4.2 火災(zāi)情況下人員逃生救援

特長(zhǎng)鐵路隧道長(zhǎng)度較大，列車在隧道內(nèi)發(fā)生火災(zāi)時(shí)，列車很難在安全時(shí)間內(nèi)駛出洞外。因此，必須在隧道內(nèi)實(shí)施滅火救援。特長(zhǎng)鐵路隧道的救援模式主要有兩種：定點(diǎn)疏散救援和隨機(jī)停車疏散救援[8，9，11]。

4.2.1 定點(diǎn)疏散救援

《高速鐵路隧道主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定：總長(zhǎng)大于20km的特長(zhǎng)隧道或隧道群的防災(zāi)救援方案應(yīng)優(yōu)先采用“定點(diǎn)”模式。臺(tái)灣海峽海底隧道有4座海底車站，當(dāng)列車發(fā)生火災(zāi)時(shí)，應(yīng)停留在離其最近的海底車站進(jìn)行滅火救援工作。

(1)救災(zāi)區(qū)域的劃分

列車在兩個(gè)海底車站之間發(fā)生火災(zāi)后，列車是向前行駛到下一個(gè)車站，還是向后運(yùn)行退到上一個(gè)車站，要根據(jù)列車兩個(gè)海底車站之間的位置來(lái)進(jìn)行判定。因此，有必要計(jì)算出列車向前還是向后運(yùn)行的臨界距離Lcp。按照火災(zāi)列車?yán)^續(xù)行駛15min的條件計(jì)算[8]。可以用式(6)～(8)求解。

其中：Lcp——列車發(fā)生火災(zāi)時(shí)距離上個(gè)海底車站的距離(m)；

v1——列車行駛速度(m/s)，為160km/h=44.44m/s；

t1——列車以v1的速度行駛的時(shí)間(s)；

a1——列車的制動(dòng)時(shí)的加速度(m/s2)；

t2——列車制動(dòng)所用的時(shí)間(s)；

v2——列車退行速度(m/s)，取為15km/h=4.16m/s；

a2——列車的退行加速度(m/s2)；

t3——列車從0m/s加速到v2所用的時(shí)間(s)；

t4——列車以v2的速度行駛的時(shí)間(s)。

列車的制動(dòng)過(guò)程可以認(rèn)為是勻減速過(guò)程。在《鐵路主要技術(shù)政策》中對(duì)160km/h制動(dòng)初速度的制動(dòng)距離定為1400m(平直道)。本文將列車的制動(dòng)和啟動(dòng)加速度均取為0.7m/s2。計(jì)算得到，臨界距離 Lcp大約為 3289m，取3000m。

按照上述的計(jì)算公式，可對(duì)臺(tái)灣海峽隧道的救災(zāi)區(qū)域進(jìn)行劃分如表3。

表3 臺(tái)灣海峽隧道救災(zāi)區(qū)間劃分

(2)火災(zāi)發(fā)生后采取的救援措施

列車在隧道內(nèi)發(fā)生火災(zāi)后，列車內(nèi)的人員在第一時(shí)間，充分利用車內(nèi)的消防設(shè)施進(jìn)行滅火，阻止火災(zāi)發(fā)展。如果車廂內(nèi)的火勢(shì)無(wú)法得到有效的控制，應(yīng)將此節(jié)車廂內(nèi)的乘客轉(zhuǎn)移至其他車廂。關(guān)閉車廂間的通道，防止煙霧和有毒氣體進(jìn)入其他車廂。

防災(zāi)管理中心根據(jù)列車所在的位置，指定列車停在最近的海底車站，阻止外面車輛繼續(xù)駛?cè)胨淼?。告知列車即將靠近的海底車站里的工作人員，組織滅火救援工作。

著火的列車到達(dá)海底車站后，工作人員首先要引導(dǎo)旅客通過(guò)逃生通道進(jìn)入服務(wù)隧道。人員完全逃離危險(xiǎn)后，消防人員進(jìn)行滅火工作。

乘客通過(guò)聯(lián)絡(luò)通道進(jìn)入未發(fā)生火災(zāi)的主隧道，乘坐救援車輛離開隧道。

4.2.2 隨機(jī)停車疏散救援

(1)列車在隧道內(nèi)發(fā)生火災(zāi)后，由于動(dòng)力系統(tǒng)失效不得不在隧道內(nèi)停車時(shí)，旅客在乘務(wù)員的引導(dǎo)下，通過(guò)最近的橫向聯(lián)絡(luò)通道進(jìn)入服務(wù)隧道逃生。

(2)防災(zāi)救援中心接到火災(zāi)通知后，應(yīng)通過(guò)遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)立即開啟列車附近的4個(gè)橫向聯(lián)絡(luò)通道的安全門，引導(dǎo)方便旅客的逃生。

(3)旅客進(jìn)入服務(wù)隧道，在服務(wù)隧道內(nèi)等待救援車輛。救援車輛通過(guò)未發(fā)生火災(zāi)的主隧道到達(dá)火災(zāi)位置，乘客通過(guò)另一側(cè)的橫向聯(lián)絡(luò)通道進(jìn)入未發(fā)生火災(zāi)的主隧道，乘坐救援車輛離開隧道。

(4)救援人員應(yīng)盡快趕到火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行滅火救援工作。

5 結(jié)語(yǔ)

臺(tái)灣海峽海底隧道作為一項(xiàng)世界級(jí)的特大型工程建設(shè)項(xiàng)目，僅就通風(fēng)和防災(zāi)救災(zāi)而言，所涉及的問(wèn)題還很多，也非常復(fù)雜。由于篇幅所限，本文僅對(duì)臺(tái)灣海峽海底隧道通風(fēng)的一個(gè)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行評(píng)析，并給出了相應(yīng)的逃生救援基本思路。有關(guān)列車通過(guò)時(shí)隧道內(nèi)的瞬變壓力、微壓波、交通風(fēng)、空氣阻力的變化規(guī)律；隧道內(nèi)發(fā)生火災(zāi)時(shí)，隧道內(nèi)煙霧、溫度與有害氣體的分布，以及隧道發(fā)生火災(zāi)時(shí)通風(fēng)與排煙控制措施，人員的逃生條件及救援方案，留待后續(xù)逐一研究。