Главная Деятельность Технологии Безопасность эксплуатации метрополитенов
 

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 (рис. 1).

Рис. 1. Станции метрополитена с боковыми посадочными платформами (Санкт-Петербург, Москва)

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