長(zhǎng)大鐵路隧道緊急救援站疏散設(shè)施設(shè)計(jì)參數(shù)研究

王明年， 李 琦，*， 于 麗

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長(zhǎng)大鐵路隧道緊急救援站疏散設(shè)施設(shè)計(jì)參數(shù)研究

王明年1， 2， 李 琦1， 2，*， 于 麗1， 2

(1. 西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院， 四川 成都 610031； 2. 西南交通大學(xué)交通隧道工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 四川 成都 610031)

為了得到基于最少疏散時(shí)間和短暫聚集時(shí)間原則的鐵路隧道緊急救援站疏散設(shè)施設(shè)計(jì)參數(shù)，采用building-EXODUS人員疏散仿真計(jì)算軟件，考慮人員疏散的特點(diǎn)、速度及路徑等因素，對(duì)不同橫通道間距、橫通道寬度和站臺(tái)寬度等參數(shù)組合下的人員疏散時(shí)間進(jìn)行計(jì)算。研究得到： 1)緊急救援站疏散橫通道的間距不大于60 m，寬度不小于3.5 m； 2)17節(jié)車廂編組的普速列車緊急救援站站臺(tái)的長(zhǎng)度不小于500 m，站臺(tái)高度不低于0.3 m，站臺(tái)寬度不小于2.5 m。

長(zhǎng)大鐵路隧道； 緊急救援站； 火災(zāi)； 疏散設(shè)施； 疏散時(shí)間； 聚集時(shí)間

0 引言

隨著長(zhǎng)大隧道越來越多，人們對(duì)防災(zāi)救援也越來越重視，國(guó)內(nèi)外都對(duì)緊急救援站開展了較多研究。歐洲基本是針對(duì)具體工程開展研究，具有代表性的是瑞士圣哥達(dá)基線隧道(57 km)、英法海峽隧道(51 km)和瑞士勒奇山隧道(34.6 km)。目前我國(guó)超過20 km的長(zhǎng)大鐵路隧道有大瑞鐵路的高黎貢山隧道(34.5 km)、西格線的關(guān)角隧道(32.6 km)、成蘭線的平安隧道(28.4 km)和云屯堡隧道(22.9 km)、蘭渝線的西秦嶺隧道(28.2 km)、石太線的太行山隧道(27.8 km)、蒙華鐵路的崤山隧道(22.7 km)、南疆線的中天山隧道(22.4 km)、向莆鐵路的青云山隧道(22.2 km)、成昆線的小相嶺隧道(21.8 km)、張?zhí)凭€的燕山隧道(21.1 km)、太中銀線的呂梁山隧道(20.8 km)、蘭武線的烏鞘嶺隧道(20.1 km)和敦格鐵路的當(dāng)金山隧道(20.1 km)等[1-7]。

郭春等[3]對(duì)緊急救援站的機(jī)電配置、防災(zāi)通風(fēng)以及消防措施等進(jìn)行了規(guī)劃研究； 孫海富[4]對(duì)緊急救援站的橫通道設(shè)置數(shù)量、風(fēng)機(jī)布置以及防災(zāi)設(shè)備控制系統(tǒng)進(jìn)行了研究； 謝勇濤等[5]結(jié)合設(shè)計(jì)資料，對(duì)緊急救援站的長(zhǎng)度、橫通道設(shè)置的數(shù)量以及站臺(tái)寬度、高度等參數(shù)給出了簡(jiǎn)單建議值； 曹正卯[6]對(duì)緊急救援站的橫通道間距及數(shù)量進(jìn)行了初步研究并給出了推薦值； 羅章波[7]通過調(diào)研的方法對(duì)緊急救援站長(zhǎng)度、橫通道設(shè)置數(shù)量及間距等參數(shù)進(jìn)行了研究。

我國(guó)結(jié)合石太客專也開展了較多研究，并編制發(fā)布了TB 10020—2012《鐵路隧道防災(zāi)救援疏散工程設(shè)計(jì)規(guī)范》，規(guī)定： 長(zhǎng)度在20 km及以上的鐵路隧道及隧道群需要設(shè)置緊急救援站[8]。由于我國(guó)的長(zhǎng)大鐵路隧道很多，如何將防災(zāi)救援疏散工程設(shè)置與我國(guó)的國(guó)情、防災(zāi)救援管理結(jié)合仍需要研究。其中，緊急救援站的建設(shè)成本費(fèi)用成為長(zhǎng)大隧道防災(zāi)救援設(shè)計(jì)的關(guān)注點(diǎn)，而關(guān)于緊急救援站疏散設(shè)施設(shè)計(jì)參數(shù)的相關(guān)研究還相對(duì)較少。

因此，對(duì)緊急救援站疏散設(shè)施設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行仿真研究，確定設(shè)計(jì)思路及設(shè)計(jì)方法，不僅可以保證事故列車?？吭诰o急救援站時(shí)人員疏散的安全，也可以控制緊急救援站的建設(shè)成本，對(duì)指導(dǎo)鐵路隧道緊急救援站的設(shè)計(jì)具有指導(dǎo)作用。

1 緊急救援站疏散設(shè)施設(shè)計(jì)參數(shù)優(yōu)選準(zhǔn)則

緊急救援站結(jié)構(gòu)是否最優(yōu)由人員疏散的必需安全時(shí)間和人員聚集時(shí)間來判斷。人員必需安全疏散時(shí)間是指自列車停止開始至全部人員疏散到安全區(qū)域的時(shí)間，這里安全區(qū)域是指緊急救援站的橫通道內(nèi)，因?yàn)橛蟹罒煷胧?，所以橫通道內(nèi)環(huán)境為安全狀態(tài)； 人員聚集時(shí)間是指自橫通道口開始出現(xiàn)人員聚集現(xiàn)象至人員聚集現(xiàn)象消失的時(shí)間。

緊急救援站最優(yōu)設(shè)計(jì)參數(shù)是指人員的必需安全疏散時(shí)間達(dá)到最少(隨結(jié)構(gòu)尺寸的增大，必需安全疏散時(shí)間不再明顯減少)，并且人員在工程合理設(shè)計(jì)參數(shù)條件下的聚集時(shí)間短暫(聚集時(shí)間<30 s)時(shí)對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)參數(shù)。

2 緊急救援站疏散設(shè)施設(shè)計(jì)參數(shù)研究方法

2.1 研究方法

采用building-EXODUS人員疏散仿真計(jì)算軟件對(duì)不同結(jié)構(gòu)參數(shù)下的人員疏散進(jìn)行模擬計(jì)算，得到人員在各結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)條件下的必需安全疏散時(shí)間和人員聚集時(shí)間，由最優(yōu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)確定出最優(yōu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)。

該模型采用C++面向?qū)ο缶幊碳夹g(shù)及規(guī)則庫(kù)概念對(duì)模擬過程進(jìn)行控制，考慮了人與人、人與建筑物之間的交互影響。模型由幾何空間和人員個(gè)體2部分組成，幾何空間由單元節(jié)點(diǎn)連接而成，1 m×1 m四邊形節(jié)點(diǎn)布置如圖1所示[9]。

圖1 1 m×1 m四邊形的節(jié)點(diǎn)(單位： m)

building-EXODUS模擬人員疏散時(shí)，在人員移動(dòng)參數(shù)修正方面有2個(gè)功能： 1)減少人員上下臺(tái)階或擁擠時(shí)人員的疏散速度； 2)人員疏散過程中，人員自動(dòng)選擇用時(shí)最少或距離最短的路徑疏散。

2.2 模型參數(shù)

模型計(jì)算前需要的參數(shù)包括隧道及列車的幾何參數(shù)和人員屬性參數(shù)(性別、年齡和疏散速度等)，模型計(jì)算過程中已考慮了人員行為反應(yīng)特征(疏散路線選擇、遇障礙繞行或跳躍等)、疏散通道的有效寬度及出口阻塞情況等。具體參數(shù)如下：

1)隧道寬度選取200 km/h雙洞單線鐵路隧道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)斷面尺寸，即寬度為6.5 m。選取由17節(jié)車廂組成的旅客列車為研究對(duì)象，列車總長(zhǎng)470 m。

2)硬座車廂按超載60%計(jì)算，共2 145人。每節(jié)車廂定員數(shù)量如表1所示。根據(jù)鐵路客流調(diào)研結(jié)果可知，人員分配比例如圖2所示[10]。

表1 車廂定員數(shù)量

圖2 不同人群分布比例

Fig. 2 Proportions of people with different ages and genders

在火災(zāi)中，人員疏散速度主要受煙氣濃度的影響。在不考慮其他因素的條件下，人員疏散速度與煙氣濃度的關(guān)系采用Frantzich等[11]提出的擬合經(jīng)驗(yàn)公式表示，即

(1)

在火災(zāi)環(huán)境中，煙氣濃度較大，視線完全看不清時(shí)，消光系數(shù)的臨界值為0.40[12]。但在火災(zāi)初期，隧道內(nèi)煙氣濃度還不是較大，因此，取Ks=0.35。

由于隧道內(nèi)的空間有限，人行通道較窄，以及需要盡量遠(yuǎn)離火源疏散，所以，人在逃生過程中不可避免地會(huì)在在不平地面或鐵軌上行走。根據(jù)《建筑防火規(guī)范》規(guī)定，人在不平地面或臺(tái)階上的疏散速度大約是在平地上疏散速度的86%，因此，速度折減系數(shù)取0.86。

根據(jù)式(1)和不平坦地面時(shí)人員疏散速度的折減系數(shù)，計(jì)算得到4類人群在不同條件下的疏散速度[13]，見表2。

表2 不同人員類型的疏散速度值

Table 2 Evacuation speed of people with different ages and genders

m/s

3 緊急救援站疏散設(shè)施設(shè)計(jì)參數(shù)設(shè)計(jì)內(nèi)容

鐵路隧道緊急救援站疏散設(shè)施設(shè)計(jì)參數(shù)包括緊急救援站加密橫通道的寬度、間距以及站臺(tái)的長(zhǎng)度、寬度和高度。

3.1 緊急救援站聯(lián)絡(luò)橫通道的間距和寬度

緊急救援站的結(jié)構(gòu)型式一般為在緊急救援站范圍內(nèi)采用橫通道加密的結(jié)構(gòu)型式。因此，在站臺(tái)寬度固定的條件下，對(duì)不同橫通道間距及寬度組合下的人員疏散進(jìn)行建模計(jì)算，得到人員的必需安全疏散時(shí)間和人員聚集時(shí)間，由最優(yōu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)確定出最優(yōu)的橫通道間距與寬度組合。

3.1.1 人員疏散仿真計(jì)算模型

選取橫通道間距分別為50、60、70、80 m 4個(gè)參數(shù)，橫通道的寬度為2、2.5、3、3.5、4 m 5個(gè)參數(shù)進(jìn)行組合計(jì)算，共20組計(jì)算值。計(jì)算各組合時(shí)，假設(shè)緊急救援站站臺(tái)寬度足夠大，且不影響人員疏散速度。4種橫通道間距的緊急救援站的人員疏散模型如圖3所示。

圖3 緊急救援站模型

3.1.2 計(jì)算結(jié)果分析

不同橫通道間距及寬度組合情況下人員疏散完畢的必需安全疏散時(shí)間和人員聚集時(shí)間如表3所示，橫通道入口處的聚集情況如表4所示。

表3 不同橫通道間距和寬度組合下人員疏散時(shí)間表

Table 3 Evacuation time under combinations of different spacing and width of evacuation passageway

工況橫通道間距/m橫通道寬度/m聚集時(shí)間/s疏散時(shí)間/s1502612242502．5342123503101984503．501985504019866021032487602．5832238603482159603．5162151060402151170211726412702．595249137035223614703．5182361570402361680219433217802．5108281188035726519803．523265208040265

由表3和表4可知： 橫通道間距越大，人員疏散所用的必需安全疏散時(shí)間越多； 橫通道的寬度越小，人員疏散所用的必需安全疏散時(shí)間越多，在橫通道入口處人員聚集的時(shí)間越長(zhǎng)。

表4 不同橫通道間距和寬度組合下人員聚集情況

Table 4 Personnel gathering time under combinations of different spacings and widths of evacuation passageway

寬度/m間距/m506070802一般一般一般較嚴(yán)重2．5短暫一般一般一般3短暫短暫短暫短暫3．5不聚集短暫短暫短暫4不聚集不聚集不聚集不聚集

1)當(dāng)橫通道間距為50 m、寬度為3 m時(shí)，人員疏散所用的必需安全疏散時(shí)間為198 s，在橫通道入口處有短暫人員聚集現(xiàn)象。

2)當(dāng)橫通道間距為60 m、寬度為3.5 m時(shí)，人員疏散所用的必需安全疏散時(shí)間為215 s，在橫通道入口處有短暫人員聚集現(xiàn)象。

3)當(dāng)橫通道間距為70 m、寬度為3.5 m時(shí)，人員疏散所用的必需安全疏散時(shí)間為236 s，在橫通道入口處有短暫人員聚集現(xiàn)象。

4)當(dāng)橫通道間距為80 m、寬度為3.5 m時(shí)，人員疏散所用的必需安全疏散時(shí)間為265 s，在橫通道入口處有短暫人員聚集現(xiàn)象。

橫通道寬度與人員必須安全疏散時(shí)間的關(guān)系如圖4所示，橫通道寬度與人員聚集時(shí)間的關(guān)系如圖5所示。

圖4 橫通道寬度與必需安全疏散時(shí)間關(guān)系圖

Fig. 4 Relationships between evacuation passageway width and required evacuation time

圖5 橫通道寬度與人員聚集時(shí)間關(guān)系圖

Fig. 5 Relationships between evacuation passageway width and personnel gathering time

由圖4可知： 當(dāng)橫通道寬度增加到3 m時(shí)，人員疏散的必需安全疏散時(shí)間基本無變化。

由圖5可知： 當(dāng)橫通道間距為50 m，橫通道的寬度為3 m時(shí)，人員的聚集時(shí)間短暫； 當(dāng)橫通道間距為60、70、80 m，橫通道的寬度為3.5 m時(shí)，人員的聚集時(shí)間短暫。

因此，當(dāng)橫通道間距為50 m時(shí)，橫通道的寬度最小為3 m； 當(dāng)橫通道間距為60、70、80 m時(shí)，橫通道的寬度最小為3.5 m。

3.2 緊急救援站站臺(tái)長(zhǎng)度、高度和寬度

3.2.1 緊急救援站站臺(tái)長(zhǎng)度

緊急救援站的長(zhǎng)度采用17輛編組長(zhǎng)度加一定富余量，由于客運(yùn)列車的長(zhǎng)度約為470 m，故緊急救援站長(zhǎng)度可按照500 m設(shè)計(jì)。緊急救援站站臺(tái)平面布置如圖6所示。

圖6 緊急救援站站臺(tái)平面布置圖

3.2.2 緊急救援站站臺(tái)高度

瑞典隆德大學(xué)的Anders J. Noren和Joel Winer對(duì)地鐵車輛人員在不同臺(tái)階高度下的人員下車速度進(jìn)行了測(cè)試，結(jié)果如表5所示。

表5 人員在不同站臺(tái)高度下的下車速度

我國(guó)客運(yùn)列車車廂地板距軌面約1 m的垂直高度，則站臺(tái)高度(站臺(tái)面到軌面的垂直距離)與人員下車疏散速度的關(guān)系如圖7所示。

圖7 站臺(tái)高度與人員下車速度的關(guān)系

由圖7可知: 站臺(tái)高度從0.3 m增到0.7 m時(shí)，人員下車的速度增加的不明顯，只有當(dāng)站臺(tái)高度大于0.7 m時(shí)，人員下車的速度才有明顯提高。

因此，結(jié)合我國(guó)鐵路隧道限界情況，建議緊急救援站站臺(tái)高度不低于0.3 m。

3.2.3 緊急救援站站臺(tái)寬度

緊急救援站站臺(tái)的寬度計(jì)算參數(shù)分別選取2、2.5、3、3.5、4 m 5種情況進(jìn)行計(jì)算。

不同緊急救援站站臺(tái)寬度下人員疏散完畢的必需安全疏散時(shí)間和聚集時(shí)間如表6所示，緊急救援站站臺(tái)上人員聚集情況如表7所示。

表6 不同緊急救援站站臺(tái)寬度下人員疏散時(shí)間表

Table 6 Evacuation time under different heights of emergency rescue station platform

工況橫通道間距/m橫通道寬度/m站臺(tái)寬度/m聚集時(shí)間/s疏散時(shí)間/s150326821325032．521208350331020145033．51019855034101986603．52742477603．52．5292308603．53162199603．53．51621510603．541621511703．529128212703．52．56325113703．533724014703．53．51823615703．541823616803．5211230817803．52．58428518803．535427319803．53．52326520803．5423265

表7 不同橫通道間距和寬度組合下人員聚集情況

Table 7 Personnel gathering time under combinations of different spacings and widths of evacuation passageway

站臺(tái)寬度/m橫通道間距/m，寬度/m50，360，3．570，3．580，3．52一般一般一般一般2．5短暫短暫一般一般3短暫短暫短暫一般3．5短暫短暫短暫短暫4短暫短暫短暫短暫

由表6和表7可知：

1)當(dāng)橫通道間距為50 m、寬度為3 m時(shí)，站臺(tái)寬度為2.5 m對(duì)應(yīng)的人員疏散必需安全疏散時(shí)間為208 s，站臺(tái)上人員聚集時(shí)間為21 s，聚集情況短暫。

2)當(dāng)橫通道間距為60 m、寬度為3.5 m時(shí)，站臺(tái)寬度為2.5 m對(duì)應(yīng)的人員疏散必需安全疏散時(shí)間為230 s，站臺(tái)上人員聚集時(shí)間為29 s，聚集情況短暫。

3)當(dāng)橫通道間距為70 m、寬度為3.5 m時(shí)，站臺(tái)寬度為3 m對(duì)應(yīng)的人員疏散必需安全疏散時(shí)間為240 s，站臺(tái)上人員聚集時(shí)間為16 s，聚集情況短暫。

4)當(dāng)橫通道間距為80 m、寬度為3.5 m時(shí)，站臺(tái)寬度為3.5 m對(duì)應(yīng)的人員疏散必需安全疏散時(shí)間為265 s，站臺(tái)上人員聚集時(shí)間為23 s，聚集情況短暫。

緊急救援站站臺(tái)寬度與人員必需安全疏散時(shí)間的關(guān)系如圖8所示，緊急救援站站臺(tái)寬度與人員聚集時(shí)間的關(guān)系如圖9所示。

圖8 緊急救援站站臺(tái)寬度與必需安全疏散時(shí)間關(guān)系圖

Fig. 8 Relationships between emergency rescue station platform width and required evacuation time

圖9 緊急救援站站臺(tái)寬度與人員聚集時(shí)間關(guān)系圖

Fig. 9 Relationships between emergency rescue station platform width and personnel gathering time

由圖8可知： 隨著緊急救援站站臺(tái)寬度的增加，人員疏散的必需安全疏散時(shí)間逐漸減少，當(dāng)站臺(tái)寬度大于2.5 m時(shí)，人員必需安全疏散時(shí)間減少趨勢(shì)不再明顯。

由圖9可知： 隨著緊急救援站站臺(tái)寬度的增加，人員在站臺(tái)上聚集的時(shí)間逐漸減少，當(dāng)橫通道間距為50 m和60 m時(shí)，緊急救援站站臺(tái)的寬度為2.5 m對(duì)應(yīng)的人員聚集時(shí)間短暫; 當(dāng)橫通道間距為70 m時(shí)，緊急救援站站臺(tái)的寬度需要3 m才能保證疏散人員在緊急救援站站臺(tái)上聚集的時(shí)間比較短暫; 當(dāng)橫通道間距為80 m時(shí)，緊急救援站站臺(tái)的寬度需要3.5 m才能保證疏散人員在緊急救援站站臺(tái)上聚集的時(shí)間比較短暫。

綜上所述，考慮到經(jīng)濟(jì)成本，長(zhǎng)大鐵路隧道緊急救援站橫通道間距不大于60 m，橫通道寬度不小于3.5 m，緊急救援站站臺(tái)的寬度不小于2.5 m。

4 結(jié)論與建議

4.1 結(jié)論

以17輛編組的旅客列車發(fā)生火災(zāi)事故在隧道內(nèi)緊急救援站停車疏散為例，通過對(duì)長(zhǎng)大鐵路隧道緊急救援站疏散設(shè)施參數(shù)的設(shè)計(jì)研究，得到以下主要結(jié)論：

1)緊急救援站的疏散橫通道間距不大于60 m，寬度不小于3.5 m；

2)緊急救援站的站臺(tái)長(zhǎng)度不小于500 m，高度不低于0.3 m，寬度不小于2.5 m。

4.2 建議

通過以上研究及結(jié)論可知，關(guān)于緊急救援站的設(shè)計(jì)參數(shù)，尚未解決的問題主要是疏散橫通道高度的確定，由于其參數(shù)確定需要考慮隧道通風(fēng)換氣等因素的影響，因此，還需對(duì)其進(jìn)行詳細(xì)的深入研究。

[1] 王應(yīng)權(quán). 長(zhǎng)大鐵路隧道施工通風(fēng)方案選擇及優(yōu)化[J]. 地下空間與工程學(xué)報(bào),2015(增刊1): 359-365. (WANG Yingquan. The selection and optimization of ventilation scheme for long railway tunnel construction [J]. Chinese Journal of Underground Space and Engineering, 2015(S1): 359-365. (in Chinese))

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Study of Design Parameters of Evacuation Facility of EmergencyRescue Stations in Long Railway Tunnel

WANG Mingnian1, 2, LI Qi1, 2，*, YU Li1, 2

(1.SchoolofCivilEngineering,SouthwestJiaotongUniversity,Chengdu610031,Sichuan,China;2.KeyLaboratoryofTransportationTunnelEngineering,MinistryofEducation,SouthwestJiaotongUniversity,Chengdu610031,Sichuan,China)

The evacuation time in different combinations of parameters of spacing and width of evacuation passageway and width of platform is calculated by building-EXODUS simulation software considering characteristics, speed and path of evacuation, so as to improve the design parameters of evacuation facility of emergency rescue stations in long railway tunnel based on the principle of the minimum evacuation time and short gathering time. The study results show that: 1) The spacing of evacuation passageways should be smaller than 60 m, of which the width should be larger than 3.5 m. 2) The length of emergency rescue station platform of ordinary speed train with 17 carriages should be larger than 500 m, of which the height should higher than 0.3 m, and of which the width should larger than 2.5 m.

long railway tunnel; emergency rescue station; fire; evacuation facility; evacuation time; gathering time

2016-07-24;

2016-12-13

國(guó)家自然科學(xué)基金(51308472)； 中國(guó)鐵路總公司科技研究開發(fā)計(jì)劃課題(2014G004-C)； 中國(guó)鐵路總公司科技研究開發(fā)計(jì)劃課題(2015T004-B)； 西南交通大學(xué)博士研究生創(chuàng)新基金

王明年(1965—)，男，安徽舒城人，1999年畢業(yè)于西南交通大學(xué)，橋梁與隧道工程專業(yè)，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事隧道與地下工程方面的教學(xué)與科研工作。E-mail: 19910622@163.com。*通訊作者： 李琦， E-mail: 602347502@qq.com。

10.3973/j.issn.1672-741X.2017.03.004

U 452.2

A

1672-741X(2017)03-0285-06