Безопасность эксплуатации метрополитенов
В. А. МАСЛАК, к. т. н., генеральный директор;
Д.А. БОЙЦОВ, к. т. н., начальник архитектурно-строительного отдела;
С. Г. ГЕНДЛЕР, д. т. н., профессор, зав. лабораторией геоэкологии и аэрологии;
А.И. ДАНИЛОВ, главный специалист по пожарной безопасности и ГО ЧС;
Е.К. ЛЕВИНА, зам. начальника теплосантехнического отдела (ОАО «НИПИИ «Ленметрогипротранс»).
Инновационные решения по повышению безопасности и эффективности эксплуатации двухпутных тоннелей метрополитенов
Строительство двухпутных перегонных тоннелей в метрополитенах стало возможным в связи с созданием тоннелепроходческих щитов большого диаметра, применение которых позволяет осуществлять проходку выработок на глубинах 10-15 м в густонаселенных районах мегаполисов без нарушения земной поверхности и негативного влияния на состояние зданий и сооружений. Анализ мирового опыта метрополитенов свидетельствует о том, что сооружение двухпутных тоннелей приводит к сокращению затрат примерно на 20-30%, по сравнению с традиционными однопутными, при одновременном снижении сроков работ. Другим положительным аспектом является создание более благоприятных условий для эвакуации людей из опасной зоны при возникновении чрезвычайной ситуации - за счет повышения скорости движения и увеличения свободного пространства для маневра в двухпутных тоннелях.
Наиболее распространенным типом станций для линий с двухпутными тоннелями являются станционные комплексы мелкого заложения с устройством двухпутного рельсового пути в центре станции и двух платформ по ее краям.
Особенностью объемно-планировочных решений станций, расположенных на линии с двухпутными тоннелями, является компоновка и зонирование пассажирских и технических зон с учетом оптимальной работы инженерных систем, обеспечивающих безопасную эксплуатацию. Так, например, коммуникационные каналы системы станционной вентиляции и дымоудаления на станциях занимают центральную обособленную зону и имеют непосредственную связь с пассажирскими платформами.
Одной из основных инженерных систем, обеспечивающих эксплуатацию метрополитенов, является система вентиляции, функционирование которой способствует созданию нормативных параметров воздушной среды в перегонных тоннелях и на станциях при штатных условиях, а также реализации аварийных режимов, гарантирующих безопасную эвакуацию людей при возникновении чрезвычайных ситуаций (например, пожар) и последующую ликвидацию ЧС (тушение пожара).
В эксплуатируемых за рубежом линиях метрополитенов с двухпутными тоннелями схема вентиляции аналогична схеме, используемой для метрополитенов с однопутными тоннелями. Свежий воздух подается в тоннель через шахты, расположенные в центре перегона, примерно на равных расстояниях от соседних станций, а исходящая струя удаляется из сооружений метрополитена через станционные шахты. Однако, в отличие от параллельных однопутных тоннелей, где движение воздуха по перегонным тоннелям осуществляется в основном за счет поршневого действия поездов, в двухпутных тоннелях основным источником тяги являются вентиляторы, установленные в вентиляционных узлах перегонных и станционных шахт. Другая отличительная особенность аэродинамики двухпутного тоннеля от однопутных состоит в отсутствии воздушных потоков, инициируемых движущимися в противоположных направлениях поездами.
В однопутных тоннелях эти потоки циркулируют по перегонным тоннелям между станциями. В циркуляционных потоках аккумулируется часть теплоты,которая выделяется в воздушную среду от поездов и других энергетических источников. Это обуславливает два обстоятельства: в летний период времени влияние теплоты, аккумулированной в циркуляционных потоках, совместно с другими источниками теплоты, приводит к дополнительному повышению температуры воздуха. Зимой же характерна обратная ситуация. Циркуляционный воздух, имеющий положительную температуру, смешивается с холодным наружным воздухом, подаваемым через перегонные шахты, в результате чего в тоннели поступает воздух с неотрицательной температурой.
В метрополитенах с двухпутными перегонными тоннелями в связи с отсутствием циркуляционных потоков теплота, ассимилированная воздухом, за вычетом тепловых потерь в окружающий тоннели грунт, удаляется вместе с воздухом через станционные шахты.
В летний период это приводит к определенному снижению температуры воздуха на станциях по сравнению с метрополитенами, использующими однопутные тоннели. В зимний же период температура воздуха как в месте его поступления в перегонный тоннель, так и на станциях, будет снижаться. Данное обстоятельство в условиях жаркого климата со среднегодовой температурой выше 10 'С и положительной температурой в зимний период (Мадрид, Рим, Лондон, Турин, где эксплуатируются двухпутные тоннели) приводит к позитивному результату, позволяя уменьшить объем подаваемого вентиляторами воздуха, необходимого для поддержания требуемого температурного режима.
Климатические же условия Москвы и Санкт- Петербурга, где в настоящее время сооружаются и планируются к сооружению двухпутные тоннели, характеризуются среднегодовой температурой воздуха, не превышающей 4 “С, и средней температурой наружного воздуха в наиболее холодный зимний месяц, опускающейся ниже -7 °С.
В этом случае, как показывают расчеты, поступление в двухпутный тоннель воздуха с температурой, равной температуре наружного воздуха, не только приведет к обмерзанию участков тоннелей, прилегающих к шахтам (что при сравнительно небольшой длине перегонов характерно и для однопутных тоннелей), но и, при наиболее холодной пятидневке, может обусловить снижение температуры на станциях до отрицательных значений.
Таким образом, автоматический перенос всех технических решений, оправдавших себя при эксплуатации линий метрополитенов с двухпутными тоннелями в жарком климате, на метеорологические условия Москвы и Санкт-Петербурга приведет к нарушению санитарно-гигиенических условий на станциях, а также возможным перебоям в работе системы водоотведения.
Без использования систем искусственного подогрева повышение температуры воздуха, подаваемого в тоннель, может быть достигнуто за счет создания искусственных циркуляционных потоков по типу однопутных тоннелей. Источниками организации циркуляции в этом случае могут являться не движущиеся поезда, а вентиляторы, устанавливаемые в станционных комплексах.
Одна из схем вентиляции двухпутных тоннелей, с помощью которой представляется возможным создать искусственную циркуляцию воздуха, предполагает использование специального вентиляционного канала, расположенного у свода тоннеля (подшивного потолка). Несмотря на то, что подобный конструктивный элемент применяется в системах вентиляции автодорожных тоннелей для удаления выхлопных газов возгорания автотранспорта, а также пожарных и дымовых газов в случае пожара, его использование на линиях метрополитена с двухпутными тоннелями не имеет аналогов как в нашей стране, так и за рубежом. Вместе с тем включение в системы вентиляции метрополитенов вентиляционного канала дает возможность решить одновременно две важные задачи:
1. Создать циркуляционный контур между станцией и центральной частью перегона за счет подачи в вентиляционный канал теплого воздуха непосредственно со станции. По существу, в предлагаемом техническом решении речь идет об организации в зимний период управляемых циркуляционных потоков, которые будут оказывать влияние на формирование микроклимата.
При этом смешение циркуляционного воздуха и холодного наружного воздуха может быть организовано непосредственно в станционном комплексе, в приточной камере. На рис. 2. показан один из вариантов реализации предлагаемого способа.
Рис. 2. Схема вентиляции двухпутных перегонных тоннелей метрополитена при эксплуатации в зимний период:
1 - двухпутный тоннель; 2 - станции метро; 3 - вентиляционный канал; 4 - вытяжная станционная вентиляционная шахта; 5 - приточная станционная вентиляционная шахта; 6- приточный вентилятор; 7 - рециркуляционный вентилятор (или клапан); 8 - холодный наружный 803- дух; 9 - теплый тоннельный воздух; 10 -вытяжные вентиляторы; 11 - наклонный ход
Выполненные оценки показывают, что использование частичной рециркуляции воздуха в периоды низких температур наружного воздуха дает возможность обеспечить нормативные значения воздуха даже при снижении его температуры на поверхности до -25'С.
При положительной температуре воздуха на поверхности в вентиляционный канал через станционную вентиляционную шахту подают только наружный воздух. Его выпуск в тоннель производят через открытые клапаны, рассредоточенные подлине тоннеля, с возможностью осуществления дальнейшего движения по направлениям к соседним станциям и удалением на поверхность с помощью вытяжных вентиляторов через вытяжные станционные шахты и наклонные ходы станции. Аналогичная схема проветривания может быть применена при умеренных отрицательных температурах наружного воздуха.
2. Повысить, по сравнению с типовой схемой вентиляции, используемой за рубежом, эффективность мероприятий по защите от дыма путей эвакуации людей при пожаре и организации удаления дыма как из тоннеля, так и со станций.
При типовой схеме вентиляции для создания аварийного режима проветривания, как правило, требуется совместная работа вентиляторов, установленных в перегонных и станционных шахтах. Как показывает опыт, их аэродинамические характеристики, удовлетворяющие режимам общеобменной вентиляции, не гарантируют организации аварийных режимов. Соответственно, или необходима установка дополнительных вентиляторов для реализации аварийных режимов проветривания, или вентиляторы для общеобменной вентиляции должны иметь резерв по производительности и давлению. Кроме того, при использовании типовой схемы вентиляции движение продуктов горения и эвакуационного потока осуществляется в одном объеме, в результате чего не представляется возможным полностью исключить воздействие на людей, до завершения их эвакуации, критических значений опасных факторов пожара. В результате этого появляется необходимость сооружения эвакуационных выходов из перегона через каждые 500-700 м.
В предлагаемом техническом решении при возникновении пожара в тоннеле удаление токсических продуктов горения осуществляется по вентиляционному каналу и приточной шахте через открытые клапаны, расположенные слева и справа от стоящего горящего поезда, где находится очаг пожара (рис. 3).
Рис. 3. Схема вентиляции двухпутных перегонных тоннелей метрополитена при возникновении пожара
(12 - пожарные газы; 13 - горящий поезд)
Для удаления дыма в этом случае используются только вентиляторы, связанные с вентиляционным каналом. При этом удается ограничить зону задымления в тоннеле участком между двумя ближайшими к очагу пожара клапанами на время, необходимое для эвакуации людей и начала работ по локализации и тушению пожара, и организовать достаточно быстрое удаление продуктов горения из тоннеля.
Так как дымоприемные отверстия с клапанами располагают по длине вентиляционного канала с шагом 100 м, то определение ближайших от очага возгорания клапанов, которые необходимо открыть, представляет собой несложную задачу. Если на перегоне в двухпутном тоннеле одновременно находятся несколько подвижных составов, то описанная система противо- дымной вентиляции с ограничением задымляемой зоны позволяет обеспечить безопасность участков с остановленными поездами, что труднореализуемо при классической продольной схеме вентиляции.
Для организации удаления дыма непосредственно со станций используется самостоятельная система вентиляции, включающая в себя: вентиляционные каналы над путями с клапанами, обеспечивающими удаление дыма из верхней зоны платформенного зала; подпорные вентиляторы в вестибюлях, предназначенные для создания на путях эвакуации устойчивого воздушного потока в направлении, противоположном направлению движения эвакуирующихся людей; противодымные экраны для предотвращения распространения продуктов горения из платформенного зала станции в вестибюли на начальной стадии пожара, устанавливаемые перед ведущими в вестибюли лестничными маршами.
Все эти мероприятия позволяют локализовать слой дымовых газов в верхней части станции, что обеспечит нераспространение продуктов горения в течение Бремени, необходимого для эвакуации людей из платформенного зала в безопасную зону.
Эффективность использования предлагаемых систем вентиляции для удаления дыма из двухпутных тоннелей и станций подтверждена математическим моделированием динамики распространения опасных факторов пожара, результаты чего представлены на рис. 4, 5.
Рис. 4. Задымление в перегонном тоннеле при длительности пожара соответственно 1200 с и 3000 с
Рис.5. Задымление при пожаре на станции через 600 с почле начала возгорания
Компоновочные решения станционных комплексов, в отличие от исторических прототипов, спроектированы с учетом общих инженерно-технологических систем, работающих на всей линии метрополитена. Так, например, система станционной вентиляции и дымоудаления интегрирована в общую структуру объемнопланировочных решений станций таким образом, чтобы, при сохранении необходимого комфортного пространства для пассажиров, быть в непосредственной близости от всех прогнозируемых путей движения пассажиропотоков.
Особенностью объемно-планировочных решений является блокированная структура всех зон станционного комплекса, в том числе и обособление каналов станционной вентиляции в отдельный отсек. Оптимизация компоновки станции основана на четком зонировании и приспособлении всех пространств вокруг пассажирских зон для создания коммуникационных каналов, шахт и блоков технологических помещений (рис. 6).
Рис. 6. Компоновочные схемы станционного комплекса (Москва, Санкт-Петербург)
Данная компоновочная схема характеризуется рядом преимуществ, позволяющих сделать архитектурное оформление станций эстетически выразительным и рациональным. Основными из этих преимуществ являются:
■ отсутствие специального декорирования коммуникационных каналов и инженерных сетей в уровне платформ, переходов и вестибюлей благодаря их периферийному расположению;
■ расположение инженерных коммуникаций за пределами пассажирских зон не препятствует созданию целостных архитектурно-художественных композиций.
В заключение следует отметить, что использование вентиляционного канала для подачи и удаления воздуха из тоннелей дает возможность отказаться от сооружения вентиляционных узлов на перегонах, перенеся их на станции. При сооружении метрополитенов в густонаселенных районах мегаполисов это приводит к существенному сокращению затрат, связанных с организацией стройплощадок в районе перегонных вентиляционных шахт, перекладкой инженерных систем (электроснабжение, водотеплоснабжение, канализация), необходимостью компенсации экологического ущерба, отчуждением дорогостоящей земли. По самым скромным оценкам, экономия затрат на километр трассы метрополитена по варианту без притоннельных сооружений, в сравнении с традиционной схемой вентиляции, составит более 700тыс. рублей.
Материал опубликован в журнале Подземные горизонты. 2016, №8