鐵路與林區(qū)防火基礎(chǔ)設(shè)施一體化設(shè)計技術(shù)初探

仝明萍，姚令侃，2

(1.西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院，成都 610031;2.西南交通大學(xué)防災(zāi)減災(zāi)工程研究所，成都 610031)

我國是一個森林火災(zāi)多發(fā)的國家，據(jù)統(tǒng)計，1988～2006年全國平均每年發(fā)生森林火災(zāi)7 537次，火災(zāi)燒毀森林面積9.7萬hm2，火災(zāi)受害率為0.56‰，因森林火災(zāi)死亡54人、受傷146人［1］。山區(qū)森林資源豐富，地形坡度較大使得大火蔓延更加迅速，增加了大型火災(zāi)的危險;同時，由于山區(qū)森林連接成片，地形復(fù)雜，交通不便，巡山護林困難，消防人員很難快速到達事發(fā)現(xiàn)場，錯過救火的最佳時機，給撲救工作帶來很大的困難。

在森林防火中，林區(qū)道路可以起到阻隔林火蔓延的作用，是森林防火重要的基礎(chǔ)設(shè)施。合理的林區(qū)道路網(wǎng)能夠保證及時輸送滅火人員和物資到達火災(zāi)現(xiàn)場，以利于迅速撲滅森林火災(zāi)。目前，受國家投資和地形地貌的影響，我國林區(qū)道路密度低，路況差，病害多，有利于防火的公路網(wǎng)密度是400 m/km2［2］，然而我國林區(qū)防火道路網(wǎng)密度僅為150 m/km2(國家林業(yè)局，全國森林防火中長期規(guī)劃)。國外林區(qū)道路修建成網(wǎng)，密度一般達到1 000 m/km2，有利于開展森林防火工作［3］。與發(fā)達國家相比，我國林區(qū)道路的建設(shè)急待加強。

據(jù)統(tǒng)計，森林火災(zāi)中地表火發(fā)生最為頻繁，占森林火災(zāi)總數(shù)的90%以上，鐵路工程對于地表火和地下火有很好的阻隔作用。例如1987年大興安嶺“5·6”大火，東部火場的南界由于有鐵路線作為依托，便于實施撲火措施，因此東部火場南界撲火效果明顯，但其余地域火場缺乏鐵路的依托，基本按自然規(guī)律擴展，撲火沒有起到多大作用［4］。出于對環(huán)境保護的考慮，目前過林區(qū)鐵路主要選擇繞避或以隧道方式穿過兩種方案，以減少樹木的砍伐量。針對我國林區(qū)由于資金短缺防火基礎(chǔ)設(shè)施極不完善的現(xiàn)狀，合理的設(shè)計可使鐵路成為林區(qū)防火基礎(chǔ)設(shè)施的重要組成部分，鐵路建設(shè)對于改善森林的環(huán)境安全狀態(tài)有著積極的作用。但目前對兼具防火功能的林區(qū)鐵路設(shè)計研究甚少，本文即從選線與橫斷面設(shè)計等方面對林區(qū)鐵路的設(shè)計進行專題研究。

1 林區(qū)鐵路設(shè)計技術(shù)

1.1 林區(qū)鐵路的總體要求

林區(qū)鐵路的設(shè)計，選線是極為重要的一步，林區(qū)鐵路選線首先要在兼顧林區(qū)防火要求的基礎(chǔ)上，以林區(qū)火災(zāi)發(fā)生后救援及時快捷為原則，充分利用有利地形進行選線;橫斷面布置方式?jīng)Q定了鐵路的隔火效果，是設(shè)計工作的重點。林區(qū)鐵路的設(shè)計方法與常規(guī)鐵路有所不同，林區(qū)鐵路設(shè)計技術(shù)如圖1所示。

圖1 林區(qū)鐵路設(shè)計技術(shù)

1.2 林區(qū)鐵路選線布局原則

林區(qū)鐵路選線要兼顧鐵路建設(shè)與環(huán)境保護的協(xié)調(diào)發(fā)展，鐵路隔火功能和方便救火的優(yōu)點說明了鐵路建設(shè)對森林安全有益，在選線過程中應(yīng)遵循以下原則。

(1)林區(qū)鐵路設(shè)計首先要保證林火撲救的及時和快捷

林區(qū)鐵路的修建要保證救火人員快速到達火災(zāi)現(xiàn)場，林區(qū)道路網(wǎng)規(guī)劃模式可以采用扇形和魚骨形(圖2)。當(dāng)鐵路部分穿過林區(qū)或穿過道路網(wǎng)密集的林區(qū)，可將路網(wǎng)規(guī)劃為扇形路網(wǎng)，鐵路與公路通過車站連接;當(dāng)鐵路穿越整個林區(qū)時，林區(qū)路網(wǎng)可以鐵路為縱向骨干，多條橫向公路防火通道直接與鐵路連接以構(gòu)成防火通道網(wǎng)絡(luò)，火災(zāi)發(fā)生時直接通過鐵路向兩側(cè)森林輸送滅火人員、裝備和物資。

圖2 林區(qū)道路網(wǎng)規(guī)劃模式

(2)線路設(shè)計考慮天然防火帶(河流、山脊線)的綜合布局

河流兩側(cè)發(fā)生火災(zāi)后可以利用水源進行滅火;根據(jù)林火現(xiàn)場試驗，南方山脊防火線的寬度10 m，4行木荷樹的防火隔離帶就可阻止火災(zāi)的蔓延［5］。因此河流和山脊是林區(qū)內(nèi)天然的防火隔離帶，鐵路線路應(yīng)穿過林區(qū)中部并且平行于河流、山脊線以形成更多的防火隔離帶。

(3)根據(jù)林區(qū)火險等級區(qū)劃鐵路穿過火險等級高的林區(qū)

火險等級高的林區(qū)，防火能力差，火災(zāi)的預(yù)防和救援需求更加突出。根據(jù)火險等級區(qū)劃，鐵路直接穿過火險等級高的林區(qū)，火災(zāi)發(fā)生后阻斷林火的同時也有利于撲火工作。

(4)鐵路盡可能通過有水源的地區(qū)并在水源附近設(shè)站

目前以水滅火是森林火災(zāi)撲救的主要方式，林區(qū)內(nèi)水資源不足已成為森林滅火重要的瓶頸因素［6］。鐵路運輸大量物資的優(yōu)勢促進了水源的再次分配，使得火災(zāi)發(fā)生時可及時的利用鐵路運送水源撲救火災(zāi)，因此應(yīng)在水源附近設(shè)站以解決消防水源的問題。

(5)鐵路應(yīng)穿過森林郁閉度低且易燃性高的林區(qū)

森林郁閉度低的地方，樹冠遮蓋面積小，蒸發(fā)量大，樹木底層濕度小，發(fā)生火災(zāi)危險性大;油松、側(cè)柏等樹種含油較多，很容易燃燒，危險性高。鐵路應(yīng)盡量選擇穿過郁閉度低且易燃性高的林區(qū)。

1.3 林區(qū)鐵路定線要點

由于林區(qū)地形復(fù)雜多變，而地形又是影響林火蔓延的重要因素。為了滿足森林隔火的要求，以地形因素為指導(dǎo)的林區(qū)鐵路定線要點如下。

(1)鐵路首先選擇從陽坡通過

山的向陽側(cè)直接受到太陽照射，平均溫度高、蒸發(fā)量大且濕度低;白天氣流順坡而上形成上坡風(fēng)，夜晚空氣順坡下滑，形成下坡風(fēng)，對火的強度和蔓延速度影響很大。經(jīng)調(diào)查，陽坡森林火災(zāi)發(fā)生次數(shù)較多［7］，因此鐵路應(yīng)首先選擇從陽坡穿過。

(2)鐵路走向與當(dāng)?shù)厣址阑鸺竟?jié)主導(dǎo)風(fēng)向垂直

風(fēng)能降低林內(nèi)濕度，加速可燃物干燥，增大火災(zāi)發(fā)生的可能性;火災(zāi)發(fā)生后，風(fēng)能改變熱輻射、增加熱平流并補充氧氣加速燃燒進程，使林火燒得更旺盛。鐵路能夠阻斷大火沿風(fēng)向的蔓延，因此鐵路走向應(yīng)與當(dāng)?shù)厣址阑鸺竟?jié)主導(dǎo)風(fēng)向垂直，夾角在80°～100°為宜［8］。

(3).鐵路高程宜選擇在易發(fā)生火災(zāi)的海拔高度

在山區(qū)低海拔地區(qū)，人類活動頻繁，交通方便，一旦著火易于撲救，不易釀成大火;山區(qū)中部人員活動相對較少，而且森林干燥度較大，容易發(fā)生火災(zāi);高海拔地區(qū)隨著海拔高度增加，溫度降低，蒸發(fā)減小，濕度變大，發(fā)生林火的可能性降低。如根據(jù)統(tǒng)計資料，西藏地區(qū)森林火災(zāi)多發(fā)生在海拔2 800～3 600 m的陽坡森林中［9］，鐵路以從此海拔高程通過為宜。

(4)鐵路定線橫坡應(yīng)選擇隔火效益和工程綜合效益好的部位

鐵路橫穿坡體，在定線時需同時考慮隔火效益和工程造價兩方面的因素，這里提出一種選擇最佳定線橫坡坡度的簡單方法。

森林火場燃燒和蔓延狀況隨地面坡度的不同而有很大的差異。地面坡度增大時，熱輻射和對流增大，大火蔓延速度快、強度高。坡角每升高5°，林火的蔓延速度就要加快1倍［3］，因此鐵路設(shè)于地面坡度越陡的區(qū)帶，隔火效益越顯著;但當(dāng)坡角大于35°時，由于燃燒物容易滾落形成新的火場，直接對撲火隊員的生命安全造成威脅［10］，不宜直接撲打，所以從隔火的角度考慮，鐵路定線橫坡坡度越大越好，但坡角不宜超過35°?，F(xiàn)定義反映鐵路隔火效益的無量綱數(shù)g，本例中按地面坡角θ從0°～35°呈線性增加考慮隔火效益g隨θ的變化，同時定義坡角為0°時g取0，35°時取1;若從鐵路工程經(jīng)濟性角度考慮，一般地面橫坡越陡，路基工程造價越高，現(xiàn)定義反映鐵路工程經(jīng)濟性的無量綱數(shù)h，本例中按0°～35°范圍h呈線性降低考慮h隨θ的變化，同時定義在坡角為0°時 h取1，35°時h取0。按照以上定義，在坐標(biāo)系中可畫出反映g、h隨θ變化的兩條直線如圖3所示，得出交點橫坐標(biāo)為17.5°。即在本例中若選擇地面坡角為17.5°左右的坡度帶定線，鐵路的隔火功能和工程經(jīng)濟性的綜合效益最高。

1.4 林區(qū)鐵路橫斷面設(shè)計

鐵路是一條帶狀建筑物，對林區(qū)火災(zāi)蔓延有良好的阻斷作用，橫斷面設(shè)計是決定隔火效果的關(guān)鍵，設(shè)計時應(yīng)考慮與防火溝、防火隔離帶、防火林帶和防火墻等防火基礎(chǔ)設(shè)施的設(shè)計相結(jié)合。

圖3 過林區(qū)鐵路定線的最優(yōu)地面坡度

從防火角度考慮林區(qū)鐵路應(yīng)盡量設(shè)計為路堤或路塹形式以起到隔火作用，與路塹相比，路堤兼有防火隔離帶與防火墻的優(yōu)點，具有更好的立體隔火效果，是二者中首選的工程形式。林區(qū)內(nèi)的火災(zāi)可分為地下火、地表火和樹冠火3種形式，鐵路路基坡腳外選用卵石土、粗礫土等鋪設(shè)防火帶能夠很好的將地表火、地下火阻斷，因此鐵路橫斷面設(shè)計主要考慮阻斷樹冠火的蔓延。

1.4.1 平原鐵路橫斷面

《鐵路工程設(shè)計防火規(guī)范》(TB10063—2007)規(guī)定:鐵路通過林區(qū)時，應(yīng)設(shè)置自鐵路外側(cè)線路中心距林木投影邊緣不應(yīng)小于30 m的防火隔離帶。防火隔離帶能有效地阻止樹冠火的蔓延，是林區(qū)有效的防火基礎(chǔ)設(shè)施，在隔離帶中，可保留不宜燃燒的樹木，但必須清理枯草雜枝，從而為消防人員提供安全的滅火場地［11］。

防火溝可以阻止地表腐殖質(zhì)層引起的地下火的蔓延，鐵路兩側(cè)邊溝和排水溝也能實現(xiàn)這一功能，因此可將防火溝與邊溝等結(jié)合在一起設(shè)計;當(dāng)面向鐵路側(cè)墻體為防火墻或設(shè)置耐火極限3.0 h并高于軌面4.0 m的防火隔墻時，防火間距可適當(dāng)減少，但不應(yīng)減少到50%［12］。因此鐵路與樹木邊緣距離不滿足規(guī)范要求時，應(yīng)設(shè)置防火墻對鐵路機車予以保護。

因此由內(nèi)向外橫斷面依次為:路基、邊溝(防火溝)、防火隔離帶、森林(樹木高度取西藏林芝地區(qū)平均樹高15 m)，對于平原微丘區(qū)可采用如圖4所示的斷面形式。

圖4 林區(qū)鐵路橫斷面示意(單位:m)

1.4.2 斜坡鐵路橫斷面

斜坡路基可設(shè)置成半填半挖路基的形式，此時鐵路不但在橫向隔斷地表火和地下火，垂直方向上也能阻止樹冠火的蔓延。對于斜坡路基雖然目前規(guī)范尚無橫斷面設(shè)計的具體圖示，但基本的原則是基于林火傳播的立體特征進行橫斷面設(shè)計，現(xiàn)以半填半挖路基為例說明斜坡路基橫斷面設(shè)計的方法。

斜坡上地下火的傳播規(guī)律與平地相同，但樹冠火沿斜坡向上蔓延速度加快，坡角24°時火的蔓延速度可達到10 m/min，坡角每升高5°，林火的蔓延速度就要加快1倍;地表火則可能出現(xiàn)燃燒物沿坡滾落的情況，形成新的火場。

斜坡路基下側(cè)森林一旦發(fā)生火災(zāi)，由于熱輻射和熱對流的影響大火向上蔓延迅速，因此按規(guī)范要設(shè)置30 m寬的防火隔離帶。防火林帶不但能夠阻止上坡火的蔓延降低風(fēng)速，與單純的防火隔離帶相比還可減少森林內(nèi)的水土流失，起到保護環(huán)境的作用，因此宜將隔離帶設(shè)計為防火林帶;根據(jù)防火林帶的野外阻火實驗，下坡火的蔓延速度只有上坡火蔓延速度的0.16倍［5］，路基上側(cè)主要考慮阻斷滾落的燃燒物，因此從經(jīng)濟性考慮鐵路兩側(cè)防火隔離帶不必設(shè)置成對稱形式，上側(cè)防火隔離帶寬度可適當(dāng)縮短，根據(jù)規(guī)范本例中取最小值15 m。斜坡鐵路橫斷面如圖5所示。

圖5 斜坡鐵路橫斷面示意(單位:m)

為了阻斷上側(cè)林區(qū)滾下的燃燒物和由燃燒引起的傾倒的樹木，斜坡路基上側(cè)還應(yīng)設(shè)置一面防火墻保護鐵路安全。林區(qū)防火墻可與防落石墻的設(shè)計相結(jié)合，陡坡地段不宜設(shè)置防火墻的地段應(yīng)以防護網(wǎng)代替。

2 運營期間林區(qū)鐵路防火要求

發(fā)生森林火災(zāi)90%是人為火源引起。距離林道越近，人的活動更加頻繁，發(fā)生林火的可能性就越大。運營期間應(yīng)做好林區(qū)鐵路防火管理工作，以防止鐵路引發(fā)森林火災(zāi)。

(1)鐵路上行駛的客貨列車，是產(chǎn)生明火或散發(fā)火花的火源，加強對鐵路本身火源的檢控，保證鐵路員工的用火安全，建立健全火車內(nèi)部火災(zāi)的撲救辦法。在防火期內(nèi)，機車通過林區(qū)時，必須設(shè)有防火裝置，嚴禁噴火漏火。

(2)鐵路邊坡種植難燃的灌木進行綠化，避免由鐵路向森林的蔓延。鐵路兩側(cè)防火隔離帶內(nèi)易生陽性雜草，燃燒性強，是引起森林火災(zāi)的重要地段，火燒防火線是很好的預(yù)防措施。

(3)鐵路車站要滿足設(shè)計防火規(guī)范的要求，避免車站成為火源。車站垃圾要定點排放，集中處理，完善鐵路的垃圾回收工作，避免垃圾焚燒產(chǎn)生的火災(zāi)隱患。

(4)對施工管理人員和車站員工定期進行森林防火知識培訓(xùn)，宣傳防火安全管理辦法，加強相關(guān)法律和政策的學(xué)習(xí)。特別是在防火期內(nèi)嚴禁人員在林區(qū)內(nèi)使用火種。

(5)完善林區(qū)的防火救災(zāi)體系，增加林區(qū)防火基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)力度;注重滅火隊伍的建設(shè)，森林火災(zāi)發(fā)生時，鐵路部門應(yīng)當(dāng)按照森林火災(zāi)應(yīng)急預(yù)案做好撲救森林火災(zāi)的有關(guān)工作，服從森林防火指揮機構(gòu)的統(tǒng)一指揮，應(yīng)當(dāng)優(yōu)先組織運送森林火災(zāi)撲救人員和撲救物資。

3 結(jié)語

傳統(tǒng)的林區(qū)鐵路主要選擇繞避或以隧道方式穿過林區(qū)，但是設(shè)計合理的鐵路可以作為林區(qū)防火基礎(chǔ)設(shè)施重要組成部分，照此理念有時鐵路以明線穿越林區(qū)，可以實現(xiàn)鐵路建設(shè)和林區(qū)保護的雙贏。對于林區(qū)鐵路，我們提出定線時需綜合考慮坡向、風(fēng)向、海拔和坡度等影響火災(zāi)傳播的因素;鐵路橫斷面的設(shè)計主要需考慮隔火功能，如對半挖半填橫斷面，提出下側(cè)需設(shè)置較寬防火林帶、上側(cè)設(shè)較窄的防火隔離帶但需增設(shè)防火墻的斷面設(shè)計形式;從而建立了鐵路與林區(qū)防火基礎(chǔ)設(shè)施一體化設(shè)計的初步技術(shù)框架?，F(xiàn)提出以下尚需注意的其它問題。

(1)防火林帶寬度的設(shè)定是決定林區(qū)鐵路隔火功能的關(guān)鍵指標(biāo)?，F(xiàn)行鐵路規(guī)范統(tǒng)一規(guī)定防火隔離帶寬度取為30 m，未考慮地區(qū)氣候的差異。建議在不同地區(qū)修建鐵路時應(yīng)視當(dāng)?shù)貙嶋H氣候條件適當(dāng)調(diào)整，如南方氣候潮濕，防火隔離帶的寬度就可適當(dāng)降低。文定元針對南方森林提出防火林帶有效寬度的關(guān)系式［13］

式中，Y為防火林帶有效寬度，m;X1為可燃物載量，t/hm2;X2為林帶高度，m;X3為風(fēng)速，m/s。

從上式得出南方防火林帶寬度12～15 m即可，可作為南方鐵路防火隔離帶寬度設(shè)置取值的參考。

(2)本文主要從防火角度考慮森林鐵路的設(shè)計要點。不容忽視的是，考慮了防火隔離功能的林區(qū)鐵路將對動物通行形成較大的障礙。因此在總體設(shè)計時，還應(yīng)考慮設(shè)置動物通道等問題。

(3)鐵路交通是地方旅游資源開發(fā)的重要基礎(chǔ)服務(wù)設(shè)施，設(shè)計為明線的林區(qū)鐵路無疑可為鐵路觀光旅游創(chuàng)造良好條件。因此林區(qū)鐵路規(guī)劃應(yīng)與景區(qū)發(fā)展規(guī)劃相協(xié)調(diào)，同時林區(qū)鐵路景觀設(shè)計也應(yīng)成為設(shè)計的重要環(huán)節(jié)。

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