急上高原人員疏散速度修正的臺階試驗(yàn)研究*

崔 鵬，王明年，于 麗，段儒禹，李春薈，何佳銀

(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；3.云南省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司，云南 昆明 650041)

0 引言

截至2019年底，我國運(yùn)營、在建、規(guī)劃的高海拔鐵路隧道基數(shù)較大[1]，同時(shí)，隨著川藏鐵路的規(guī)劃、設(shè)計(jì)及建設(shè)工作的推進(jìn)，大量高海拔隧道工程繼續(xù)不斷涌現(xiàn)。

高海拔地區(qū)自然環(huán)境條件惡劣，且以低氧氣含量、低氣溫、低氣壓的環(huán)境特征為主[2]。高海拔惡劣的自然環(huán)境特征導(dǎo)致急上高原人員疏散能力受不同程度影響，使得高海拔鐵路隧道火災(zāi)事故對受災(zāi)人員的安全疏散提出更高的要求。而高海拔鐵路隧道人員疏散速度基礎(chǔ)參數(shù)的取值對其安全疏散時(shí)間的確定具有重要影響，因此對高海拔鐵路隧道人員疏散速度基礎(chǔ)參數(shù)進(jìn)行研究具有重要意義。

對于高層等民用建筑，F(xiàn)ruin[3]針對不同傾角的上下行樓梯疏散進(jìn)行研究；楊海明等[4]通過開展垂直疏散試驗(yàn)，分析視頻監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，得到疏散時(shí)間、疏散速度等關(guān)鍵參數(shù)。

對于地鐵等交通工程，Hankin等[5]研究地鐵車站乘客的疏散運(yùn)動速度；方正等[6]基于對火車站的人流觀測得到行人進(jìn)站、出站的平均速度。

對于隧道工程而言，Wang等[7]對長大鐵路隧道內(nèi)群體疏散進(jìn)行研究，提出不同群體的疏散速度控制標(biāo)準(zhǔn)；Kretz等[8]研究人群流量、疏散時(shí)間等疏散過程參數(shù)；陳漢波[9]以巴朗山隧道工程為依托對高海拔人員疏散進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)海拔高度對人員疏散具有較大影響，并以最大攝氧量為評價(jià)指標(biāo)提出人員疏散速度計(jì)算公式；李琦等[10]通過開展疏散全過程試驗(yàn)和數(shù)值模擬研究，得出長大鐵路隧道火災(zāi)工況下人員疏散的時(shí)間和速度。

高層民用建筑研究重點(diǎn)是關(guān)注垂直疏散問題，而地鐵等建筑構(gòu)造的設(shè)施布置較鐵路隧道結(jié)構(gòu)存在差異，故其研究成果僅能提供方法的借鑒。對于鐵路隧道工程防災(zāi)疏散而言，國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行大量的研究，但針對隧道內(nèi)人員疏散速度等參數(shù)的研究較少，尤其針對急上高原者的疏散速度的相關(guān)研究更為少見。本文基于臺階現(xiàn)場測試試驗(yàn)，以相對最大攝氧量為指標(biāo)，對急上高原人員疏散速度基礎(chǔ)參數(shù)進(jìn)行研究，以期為高海拔相關(guān)交通工程的人員安全疏散提供參數(shù)支持。

1 測試指標(biāo)及試驗(yàn)方法確定

1.1 評價(jià)指標(biāo)

衡量人體運(yùn)動能力的指標(biāo)主要包括最大攝氧量(VO2max)，無氧閾(AT)，最大攝氧量速度(vVO2max)，最大攝氧量平臺持續(xù)時(shí)間(VO2maxPD)，攝氧量峰值(VO2maxPeak)等[9-13]。無氧閾的確定主要利用乳酸閾值，其測試具有創(chuàng)新性且操作要求技術(shù)相對較高，不利于在高海拔隧道現(xiàn)場開展；而最大攝氧量速度、最大攝氧量平臺持續(xù)時(shí)間、攝氧量峰值等指標(biāo)的測試則需要對最大攝氧量進(jìn)行極限測試，該測試對急上高原者具有一定危險(xiǎn)性，因此該類指標(biāo)均不予采納。最大攝氧量可采用亞極量運(yùn)動荷載確定，其值會影響人體機(jī)能，是反映人體運(yùn)動能力強(qiáng)弱的重要生理指標(biāo)[13-15]，因此本文研究擬采用最大攝氧量作為評價(jià)指標(biāo)。

人體在進(jìn)行運(yùn)動時(shí)，當(dāng)心肺功能和肌肉利用氧的能力達(dá)到人體的極限水平，單位時(shí)間內(nèi)所能攝取的氧量稱為最大攝氧量[15-16]。在試驗(yàn)過程中，為減小不同受試者個(gè)體差異的影響，最大攝氧量一般以相對最大攝氧量的形式表示。

1.2 生理指標(biāo)評價(jià)意義

最大攝氧量在對人體進(jìn)行運(yùn)動能力評價(jià)時(shí)，具有實(shí)際應(yīng)用意義。國際勞工局曾建議以最大耗氧量的相對百分比作為評價(jià)指標(biāo)，對勞動強(qiáng)度進(jìn)行等級評價(jià)[17]。陳漢波[9]通過分析不同運(yùn)動荷載下攝氧量與能量消耗之間的關(guān)系，得到人員運(yùn)動速度與最大攝氧量之間的關(guān)系式；《士兵體能的測量和評價(jià)》(GJB 1337—1992)[18]中采用最大攝氧量評價(jià)士兵的運(yùn)動能力；文獻(xiàn)[14]研究發(fā)現(xiàn)在相同運(yùn)動項(xiàng)目中，成績越優(yōu)秀的運(yùn)動員其最大攝氧量相對偏高；文獻(xiàn)[13]曾給出馬格利亞方程，通過最大攝氧量來預(yù)測運(yùn)動員長跑成績，如式(1)所示：

M=5(V-6)T+5V

(1)

式中：M為長跑的距離，m；V為最大攝氧量,L/min；T為運(yùn)動時(shí)間,min。

1.3 評價(jià)方法

針對最大攝氧量，其測試評價(jià)方法主要有以下2種：1)以遞增運(yùn)動荷載的方式進(jìn)行直接極限測量；2)施加定量運(yùn)動荷載，以亞極量運(yùn)動荷載的方式進(jìn)行間接測量。

運(yùn)動荷載主要分為跑臺測試、功率自行車測試、臺階試驗(yàn)等[14，19]，而跑臺和功率自行車測試過程相對復(fù)雜，儀器昂貴，在高海拔現(xiàn)場不易運(yùn)輸，且其大多需要對受試者進(jìn)行極限運(yùn)動能力測試，故在高海拔現(xiàn)場容易出現(xiàn)意外事故；臺階試驗(yàn)測試所用設(shè)備和試驗(yàn)方案相對簡便，在高海拔現(xiàn)場易于操作，對受試者采用亞極量運(yùn)動荷載可大大降低運(yùn)動意外的發(fā)生概率。

1.4 臺階測試的可行性

國內(nèi)外學(xué)者采用臺階試驗(yàn)對最大攝氧量進(jìn)行大量研究。Chatterjee等[20]采用簡單隨機(jī)抽樣的方法，對40名具有相同社會背景的印度學(xué)生進(jìn)行臺階試驗(yàn)，證明臺階試驗(yàn)在評價(jià)最大攝氧量方面的適用性；Sykes等[21]通過研究表明，臺階試驗(yàn)是1種有效的有氧能力評估方法，且其誤差相對較?。挥陂L江等[22]通過比較多種用于分析最大攝氧量的運(yùn)動負(fù)荷方法發(fā)現(xiàn)，臺階試驗(yàn)結(jié)果與直接法測定值的相關(guān)性較好，其較為適用于我國人群；祁象賢等[23]通過3種不同方法對受試者的最大攝氧量進(jìn)行比較分析，發(fā)現(xiàn)臺階試驗(yàn)評估最大攝氧量有應(yīng)用價(jià)值；陳漢波[9]開展高海拔與人員運(yùn)動能力的研究，證明臺階A-R列線圖法在高海拔地區(qū)的適用性?！妒勘w能的測量與評價(jià)》(GJB 1337—92)[18]也規(guī)定采用臺階試驗(yàn)法對最大攝氧量進(jìn)行間接計(jì)算。

基于大量調(diào)研分析可知，通過臺階試驗(yàn)法對急上高原人員疏散速度基礎(chǔ)參數(shù)進(jìn)行研究具有實(shí)際意義，考慮到測試人員的測試安全，最終選取臺階試驗(yàn)進(jìn)行間接測試。

2 測試對象及測試流程

2.1 測試對象

本文試驗(yàn)在成都(海拔500 m)、米林(海拔3 000 m)、加查(海拔3 500 m)3個(gè)地區(qū)進(jìn)行，共計(jì)開展43人次的測試試驗(yàn)。文獻(xiàn)[24]調(diào)研表明，高海拔列車旅客性別上以男性居多，年齡分布以青年為主，考慮到區(qū)域樣本較少，故選擇年齡為20～30歲且身體健康的男性為測試對象。在進(jìn)行正式測試之前，所有受試者均進(jìn)行PAR-Q問卷調(diào)查并簽署知情同意書，保證各受試者充分休息，且在測試前的12 h內(nèi)受試者不應(yīng)參加重體力勞動且不應(yīng)吸煙，避免對結(jié)果產(chǎn)生干擾。

2.2 測試流程

本文測試方案采用Astrand-Ryhming列線圖法[25-27]，該方法是基于受試者的亞極量運(yùn)動狀態(tài)對最大攝氧量進(jìn)行測算的1種預(yù)測方法。Astrand-Ryhming列線圖法是間接方法中與直接法標(biāo)準(zhǔn)相關(guān)程度較高的1種方法，且無顯著性差異，可以較為準(zhǔn)確地推測最大攝氧量?；趥€(gè)體年齡差異，對各受試者的測試結(jié)果進(jìn)行年齡修正，以臺階試驗(yàn)作為運(yùn)動荷載，通過測試各受試者在亞極量荷載下的動態(tài)心率來推測最大攝氧量。為消除個(gè)體差異的影響，最終測試結(jié)果以相對最大攝氧量的形式表示。

試驗(yàn)的具體流程如下：

1)正式試驗(yàn)之前對各受試者進(jìn)行基礎(chǔ)靜態(tài)生理參數(shù)的測試，包括身高、體重、靜態(tài)心率、靜態(tài)血氧飽和度等。

2)基礎(chǔ)測試完成后，受試者佩戴好Polar表，進(jìn)行1～2 min簡單活動，檢查儀器是否正常工作。

3)記錄測試開始時(shí)間并進(jìn)行正式試驗(yàn)，令受試者在臺階上(男性臺階400 mm，女性臺階330 mm)按照節(jié)拍器的頻率，以22.5 bpm進(jìn)行上下踏步運(yùn)動(左腿上、右腿上、左腿下、右腿下為1次)，持續(xù)時(shí)長5 min。

4)基于Astrand-Ryhming列表圖法，將各受試者恢復(fù)期1 min時(shí)Polar表記錄的心率換算得到各受試者的最大攝氧量。

5)對年齡修正后，進(jìn)一步換算得到各受試者的相對最大攝氧量值。年齡修正系數(shù)見表1[10]。

表1 年齡修正系數(shù)

受試者進(jìn)行臺階試驗(yàn)照片如圖1所示。

圖1 受試者進(jìn)行臺階試驗(yàn)

2.3 測試儀器

測試過程中的心率采用Polar表進(jìn)行記錄，血氧飽和度采用CMS50F(FW)心率血氧儀進(jìn)行測試記錄，血壓使用ABPM50動態(tài)血壓檢測儀進(jìn)行測試記錄。

3 測試結(jié)果分析

3.1 靜態(tài)生理參數(shù)

在正式臺階試驗(yàn)之前對參與臺階試驗(yàn)的各受試者進(jìn)行靜態(tài)生理參數(shù)測試，確保受試者身體健康，各項(xiàng)生理指標(biāo)正常。測試內(nèi)容包括受試者的身高、體重、靜態(tài)心率、靜態(tài)血壓、靜態(tài)血氧飽和度等。以成都(海拔約500 m)各受試者的靜態(tài)生理參數(shù)為例進(jìn)行分析。

各受試者的靜態(tài)生理參數(shù)如圖2所示。由圖2及計(jì)算可知，身高均值1.705 3 m，誤差±0.045 2 m；體重均值67.8 kg，誤差±10.77 kg；靜態(tài)心率均值70.8，誤差±8.21；收縮壓均值119.6，誤差±8.12；舒張壓均值73.6，誤差±9.51；靜態(tài)血氧飽和度均值97.07，誤差±1.03。靜態(tài)血氧飽和度的個(gè)體差異性最小，最大變化率為1.99%；靜態(tài)心率個(gè)體差異性最大，最大變化率為24.29%。收縮壓和舒張壓的最大變化率分別為13.88%，22.55%。

圖2 各受試者靜態(tài)生理參數(shù)曲線

3.2 相對最大攝氧量分析

以成都(海拔約500 m)地區(qū)的現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)為例進(jìn)行分析(米林及加查的測試數(shù)據(jù)同理分析)。通過Polar表中記錄的心率數(shù)值，采用Astrand-Ryhming列線圖法，對各受試者的5 min臺階試驗(yàn)完成后1 min的心率進(jìn)行分析，并對測試結(jié)果進(jìn)行年齡修正，得到各受試者的相對最大攝氧量，見表2。

表2 各受試者相對最大攝氧量

對受試者的相對最大攝氧量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析可得，在海拔500 m的平原地區(qū)各受試者的相對最大攝氧量平均值為55.64 mL/(kg·min)，同理分析得到米林及加查地區(qū)各受試者的相對最大攝氧量數(shù)值，結(jié)合前期試驗(yàn)數(shù)據(jù)和調(diào)研，得到相對最大攝氧量與海拔高度的散點(diǎn)關(guān)系圖，如圖3所示。

圖3 相對最大攝氧量與海拔高度關(guān)系

以海拔500 m的相對最大攝氧量為單位1，則其他海拔的相對最大攝氧量占比(相對最大攝氧量折減系數(shù))見表3。

表3 相對最大攝氧量折減系數(shù)

對相對最大攝氧量與海拔高度的折減系數(shù)進(jìn)行不同類型的擬合，通過比較不同擬合類型的相關(guān)系數(shù)，最終得到其隨海拔高度的折減系數(shù)公式，見表4。

表4 折減系數(shù)擬合公式

由表4可知，當(dāng)采用6階多項(xiàng)式進(jìn)行擬合時(shí)，所得表達(dá)式的相關(guān)系數(shù)最高，故選用6階多項(xiàng)式對相對最大攝氧量隨海拔變化的折減系數(shù)進(jìn)行擬合。

3.3 人員疏散速度基數(shù)

《鐵路隧道防災(zāi)疏散救援工程設(shè)計(jì)規(guī)范》(TB 10020—2017)[28]規(guī)定不同人員類型疏散速度基數(shù)取值。若以成年男性疏散速度為單位進(jìn)行標(biāo)定，則成年女性、老年人、未成年人分別為其80%，60%，66%。進(jìn)一步折減獲得高海拔鐵路隧道急上高原人員疏散速度基礎(chǔ)參數(shù)，見表5。

表5 高海拔鐵路隧道人員疏散速度基礎(chǔ)參數(shù)

《鐵路線路設(shè)計(jì)規(guī)范》(TB 10098—2017)[29]中規(guī)定鐵路機(jī)車加力牽引坡度不得大于30‰，高海拔山區(qū)地勢起伏較大，故高海拔鐵路隧道的縱坡坡度限值取為30‰。文獻(xiàn)[3]指出當(dāng)坡度小于5%時(shí)，人員速度不會減速，當(dāng)坡度達(dá)到10%時(shí)，人員速度會減速10%；當(dāng)坡度達(dá)到20%，人員速度會減小25%。

鐵路隧道待避區(qū)長度多取550 m，為驗(yàn)證上述結(jié)論在高海拔地區(qū)的適用，在海拔3 000 m處開展驗(yàn)證試驗(yàn)，測試過程的動態(tài)速度如圖4所示。

圖4 驗(yàn)證試驗(yàn)定距疏散行走動態(tài)速度

由圖4可知，疏散距離550范圍內(nèi)，個(gè)體人員疏散速度在1個(gè)速度值附近波動，并無明顯下降趨勢，從而驗(yàn)證Fruin研究成果在高原的適用性。鐵路隧道正線線路縱坡一般小于30‰，所以在鐵路隧道內(nèi)受災(zāi)緊急疏散時(shí)，坡度一般不會對人員的疏散速度產(chǎn)生影響。

4 結(jié)論

1)基于臺階試驗(yàn)得出相對最大攝氧量隨海拔高度變化的規(guī)律，研究發(fā)現(xiàn)各受試者的相對最大攝氧量值與海拔高度的升高呈下降趨勢。

2)根據(jù)各受試者的相對最大攝氧量值隨著海拔高度的關(guān)系，通過計(jì)算得到不同海拔高度下其折減系數(shù)，并經(jīng)由數(shù)值擬合的方式得出急上高原者相對最大攝氧量隨海拔高度變化的折減系數(shù)公式。

3)基于折減系數(shù)公式對現(xiàn)行鐵路防災(zāi)規(guī)范中給出的人員疏散速度基數(shù)進(jìn)行折減，得出不同海拔高度處急上高原人員在疏散起始階段疏散速度基礎(chǔ)參數(shù)，為高海拔鐵路隧道人員安全疏散的研究提供參數(shù)支持。