隨機停車模式下高速鐵路雙線隧道橫通道間距的確定

嚴　濤，王明年，李　琦，劉　祥，張子晗，趙菊梅

(1.西南交通大學　交通隧道工程教育部重點實驗室，四川 成都　610031；2.西南交通大學 土木工程學院，四川 成都　610031；3.中國中鐵二院工程集團有限責任公司，四川 成都　610031；4.中國電建集團 成都勘測設(shè)計研究院有限公司，四川 成都　610072)

隨著鐵路新線的建設(shè)，時速超過200 km·h-1、長度超過10 km的雙線鐵路隧道逐漸增多。在這些特長高速鐵路雙線隧道中，若發(fā)生火災(zāi)等事故，主要依靠雙線間的橫通道使2條主隧道互為救援通道，因此橫通道的設(shè)置間距關(guān)系到救援效率。

近年來，很多學者針對雙線鐵路隧道橫通道間距設(shè)置展開了研究。黎旭[1]通過調(diào)研得到我國時速不超過200 km·h-1的雙線鐵路隧道橫通道間距大多在250～500 m之間。丁良平[2]以獅子洋海底雙線隧道為依托工程，研究了隨機停車模式下煙霧擴散及人員逃生規(guī)律，得到橫通道間距不應(yīng)超過330 m。張念[3]對平均海拔高度3 350 m的關(guān)角隧道隨機停車模式下防災(zāi)救援進行研究，得到橫通道間距設(shè)置不應(yīng)超過420 m。此外，李琦等[4-5]對鐵路隧道緊急出口結(jié)構(gòu)參數(shù)以及人員疏散時間進行了研究。這些研究取得了一定的成果，但其均在非高速、高海拔、海底等特定條件下計算得到的橫通道間距，而2012年頒布的《鐵路隧道防災(zāi)救援疏散工程設(shè)計規(guī)范》[6]規(guī)定隧道橫通道的間距不應(yīng)大于500 m。隨著高速、特長鐵路隧道的日益增多，建立我國高速鐵路隧道的橫通道間距設(shè)置方法，對于高速鐵路隧道防災(zāi)救援工程設(shè)計具有重要指導(dǎo)意義。

本文針對高速鐵路雙線隧道內(nèi)列車發(fā)生火災(zāi)且完全喪失動力而隨機停車等的最不利工況，分別仿真模擬可用的安全疏散時間和必需的安全疏散時間；根據(jù)人員安全疏散的時間控制條件，研究保證人員安全疏散的最大橫通道設(shè)置間距。

1　人員安全疏散的時間控制條件

隧道內(nèi)列車火災(zāi)救援涉及以下2個特征時間。

(1) 可用的安全疏散時間tASET：是指火災(zāi)自發(fā)生時起直至發(fā)展到對人員構(gòu)成危險時止的時間。其中火災(zāi)對人員構(gòu)成危險是指：在人眼特征高度Z=2.0 m處，煙氣的溫度超過80 ℃，煙氣的可見度小于10 m。影響因素主要有輻射熱、對流熱、毒性、能見度等。其中輻射熱、對流熱屬于溫度指標；毒性、能見度屬于可見度指標。在人眼特征高度Z=2.0 m處，只有當火災(zāi)同時滿足煙氣的溫度不超過80 ℃、煙氣的可見度不小于10 m這2個條件[7]，才能夠保證人員安全疏散。因此，將第1個條件作為人員安全疏散的溫度控制條件，第2個條件作為人員安全疏散的可見度控制條件。

(2) 必需的安全疏散時間tRSET：是指在火災(zāi)工況下車上所有的人員下車并逃生到安全地點所需的最少時間，主要包括停車后人員的下車時間t1和疏散時間t2。

在高速鐵路雙線隧道內(nèi)，列車發(fā)生火災(zāi)后，若列車動力未完全喪失，可繼續(xù)運行，則可將列車開行至洞外或洞內(nèi)的緊急救援站進行救援；若列車脫軌，或者列車動力完全喪失而隨機停車，則只有對人員進行疏散?；馂?zāi)發(fā)展與人員安全疏散的時間線如圖1所示，人員安全疏散的時間控制條件為tASET>tRSET。

圖1　火災(zāi)發(fā)展與人員疏散的時間線

2　列車隨機停車模式下人員安全疏散的最不利工況

在列車隨機停車模式下，若列車停車位置距離隧道洞口較近，此時人員可以從洞口安全逃生，而本文不考慮這種情況，僅考慮列車停車位置在2個橫通道間或正對橫通道，人員只有通過橫通道進行疏散的情況。同時假設(shè)：列車運行方向為線路下坡方向；列車上的著火部位分別位于車頭、車身和車尾3處。對這些因素進行綜合比較，結(jié)果列于表1中。

表1　列車隨機停車模式下各人員逃生工況的狀態(tài)表

由表1可知：工況4為最不利工況，這主要是因為，列車停車后車頭正對著橫通道且著火位置在車頭，使挨著著火部位的這個橫通道完全不能用于人員疏散，人員只能向另一側(cè)的橫通道進行疏散，疏散路徑最長，同時線路又是上坡，導(dǎo)致逃生人員擁堵，疏散速度降低。該工況下人員疏散路線如圖2所示。

圖2　列車隨機停車模式下人員逃生最不利工況示意圖

3　人員逃生最不利工況下橫通道間距

3.1　不同橫通道間距下可用的安全疏散時間

根據(jù)現(xiàn)行高速鐵路隧道的實際結(jié)構(gòu)型式，建立人員逃生最不利工況下的火災(zāi)仿真模型，采用火災(zāi)動態(tài)模擬器FDS計算最不利工況下隧道內(nèi)不同位置處的煙氣溫度和煙氣可見度，從而確定不同橫通道間距下可用的安全疏散時間。

3.1.1火災(zāi)仿真模型及模型參數(shù)

1)火災(zāi)仿真模型

隧道長度為700 m；列車選取YZ25T型常用旅客列車，列車由17節(jié)車廂組成，長469.3 m；車廂的長×寬×高為26.5 m×3.3 m×3.8 m；設(shè)沿隧道縱向方向為x方向，橫向方向為y方向，豎直方向為z方向。以橫通道間距500 m為例，其中進口段隧道長度為100 m，出口段隧道長度為100 m，車頭部位著火，且正對橫通道，則人員逃生最長距離為500 m，由此建立的火災(zāi)仿真模型如圖3所示。

圖3　火災(zāi)仿真模型

為保證計算速度和計算精度，僅將火源點前后網(wǎng)格加密，其中，火源附近100 m范圍內(nèi)加密網(wǎng)格的尺寸為0.5 m×0.2 m×0.2 m，其余網(wǎng)格尺寸為2.0 m×0.2 m×0.2 m，如圖4所示。

圖4　模型網(wǎng)格圖

2)模型參數(shù)

(1)火源功率：對于隨機停車模式，丁良平[2]將列車著火時的火源功率取為15 MW。張念[3]對高海拔特長鐵路隧道列車著火時的火源功率上限設(shè)定為15 MW。文獻[8]認為，目前旅客列車火災(zāi)時的火源功率上限大多取15～20 MW。由于火源功率越大，生成的煙霧越多，產(chǎn)生的溫度越高，因此，從保守考慮，本文取火源功率為20 MW。

(2)火源功率增長系數(shù)：火災(zāi)一般分為發(fā)展階段、穩(wěn)定階段和衰減階段；其中在發(fā)展階段，溫度升高極快?；鹪垂β实脑鲩L速度分為慢速、中速、快速和超快速，本文保守考慮，火源功率增長速度取為超快速，其增長系數(shù)為0.187 8。

(3)火源位置及火源面積：火源位置選取最不利工況下的位置，火源面積為1.0 m×1.0 m。

(4)橫通道的間距和長度：橫通道間距分別取500，400，300 m；橫通道長度均取40 m。

(5)自然風風速：根據(jù)山嶺隧道的地理環(huán)境特點，取風速為2.5 m·s-1的縱向自然風。

3)測點布置

從火源點開始，在人眼特征高度(z=2 m)處沿隧道縱向中心線往出口方向布置監(jiān)測點，測點間距為50 m，測點布置長度均取600 m，即3種橫通道間距的測點均為13個，以橫通道間距為500 m時為例，其測點布置如圖5所示。

圖5　測點布置圖

3.1.2火災(zāi)仿真計算結(jié)果分析

1)煙氣可見度的變化規(guī)律

橫通道間距為500 m時各測點的煙氣可見度隨時間變化曲線如圖6所示。由圖6可知：煙氣可見度隨著火災(zāi)燃燒時間的推移逐漸降低，火源點附近處(測點1—測點7)煙氣可見度波動性比較大，這是因為煙氣受到火焰羽流的影響，使得火焰面來回擺動，繼而影響到煙霧的空間分布；在同一時間點，沿隧道縱向距離火源點越近煙氣可見度較高，隨著逐漸遠離火源點，煙氣可見度呈現(xiàn)先降低后升高的趨勢，這主要是因為火災(zāi)發(fā)展過程中，火源點溫度急劇升高，使得高溫煙氣上升至隧道拱頂，而火源點附近隧道底部的冷空氣會不斷地向火源點處補充新鮮的空氣(測點1和測點2)，此時高溫煙氣主要聚集在隧道上部；隨著時間的推移，煙氣溫度逐步降低，煙氣下沉到隧道底部(測點4)。

2)煙氣溫度的變化規(guī)律

橫通道間距為500 m時各測點的煙氣溫度隨時間變化曲線如圖7所示。由圖7可知：測點2，3，4，5處的溫度先后超過80 ℃，進入危險狀態(tài)，其余測點在整個計算過程中均未超過80 ℃。

圖7　各測點煙氣溫度的變化曲線

3)3種橫通道間距下可用的安全疏散時間

表2和表3分別為不同橫通道間距下各測點煙氣的可見度、溫度進入危險狀態(tài)所需要的時間。由表3和表4可知：各測點煙氣可見度進入危險狀態(tài)所需要的時間遠小于煙氣溫度進入危險狀態(tài)所需要的時間。因此，本文不考慮煙氣溫度這個參數(shù)，僅以煙氣可見度作為人員安全疏散的控制條件。以人眼高度處煙氣可見度不小于10 m作為控制條件，不同橫通道間距下距火源點不同距離處可用的安全疏散時間如圖8所示。

表2不同橫通道間距下各測點的煙氣可見度進入危險狀態(tài)所需要的時間

測點編號距火源點距離/m所需要的時間/s500m400m300m10000250399400402310042032941141503203573665200360405410625042046646373004804885148350510504504940054054054010450593575576115005855895921255063063063013600675677667

表3不同橫通道間距下各測點的煙氣溫度進入危險狀態(tài)所需要的時間

測點編號距火源點距離/m所需要的時間/s500m400m300m10000250392392400310043243743041505274625305200800700820

圖8　不同橫通道間距下可用的安全疏散時間

3.2　不同橫通道間距下必需的安全疏散時間

取最不利工況，橫通道間距分別為500，400和300 m，根據(jù)車輛、人員參數(shù)，采用人員疏散模擬EVAC軟件監(jiān)測人員疏散過程，得到必需的安全疏散時間。

3.2.1模型參數(shù)

(1)車輛參數(shù)：仍以YZ25T型旅客列車為例，列車編組為17輛，如圖9所示，其中，發(fā)電車1輛(1號車廂)、硬臥車5輛(2—6號車廂)、軟臥車1輛(7號車廂)、餐車1輛(8號車廂)、硬座車8輛(9—16號車廂)和貨車1輛(17號車廂)。旅客車廂內(nèi)座位布置如圖10所示。

圖9　列車編組

圖10　旅客車廂內(nèi)座位布置圖

(2)人員參數(shù)：列車載客量按照不同車廂的定員數(shù)及其一定的超載比例取2 145人。不同年齡、不同性別人員的分配比例見表4。不同人員的疏散速度參照文獻[9]中進行取值：16歲及其以下男女、17～49歲男性、17～49歲成年女性和50歲及其以上男女分別取0.67，1.00，0.80，0.60 m·s-1。

表4　人員分配比例

3.2.2人員疏散路徑及測點布置

人員疏散路徑如圖11所示。測點布置如圖5所示，因人員是疏散到第2個橫通道，第2個橫通道以外的測點沒有意義，故刪去圖5中第2個橫通道以外的測點，所以橫通道間距為500，400和300 m時，分別有11，9和7個測點。

圖11　人員疏散路徑

3.2.3各測點處人員逃生必需的安全疏散時間

在測點處測得的最后1位人員通過該處時所用的時間即為該測點處必需的安全疏散時間。不同橫通道間距時各測點處必需的安全疏散時間如表5和圖12所示。由表5和圖12可知：橫通道的間距越近，必需的安全疏散時間就越短。

表5　不同橫通道間距時各測點處的必需的安全疏散時間

圖12不同橫通道間距下距火源點不同距離處必需的安全疏散時間

3.3　隧道橫通道間距的確定

為確定人員安全逃生的最佳橫通道間距，將人眼特征高度處煙氣可見度不小于10 m作為控制條件得到的可用的安全疏散時間，并將其與必需的安全疏散時間進行對比，如圖13所示。

圖13　不同橫通道間距時可用的安全疏散時間與必需的安全疏散時間對比

從圖13可知：在橫通道間距為500 m時，距火源點距離大于350 m后，各測點處可用的安全疏散時間均小于必需的安全疏散時間；在橫通道間距為400 m時，距火源點距離大于300 m后，各測點處可用的安全疏散時間均小于必需的安全疏散時間；這些測點處不能滿足人員安全疏散的時間控制條件，說明此時橫通道的間距不足以保證人員安全疏散。當橫通道間距為300 m時，在人員疏散路徑上所有測點處可用的安全疏散時間均大于必需的安全疏散時間，滿足人員安全疏散的時間控制條件，說明此時橫通道的間距可以保證人員的安全。因此，為保證火災(zāi)工況下人員逃生安全，建議橫通道間距取為300 m。

4　結(jié)　論

(1)計算得到了最不利工況下橫通道間距為500，400和300 m處人員逃生可用的安全疏散時間為585，540和514 s，必需的安全疏散時間分別為759，645和480 s。

(2)根據(jù)人眼特征高度處煙氣可見度不小于10 m時可用的安全疏散時間大于必需的安全疏散時間作為控制條件，當橫通道間距分別為500和400 m時，其可用的安全疏散時間小于必需的安全疏散時間，不滿足人員逃生的時間控制條件，人員逃生是危險的；當橫通道間距為300 m時，其可用的安全疏散時間大于必需的安全疏散時間，滿足人員逃生的時間控制條件，人員逃生是安全的。因此，建議高速鐵路隧道橫通道的設(shè)置間距為300 m。

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