鐵路與林區防火基礎設施一體化設計技術初探

仝明萍，姚令侃，2

(1.西南交通大學土木工程學院，成都 610031;2.西南交通大學防災減災工程研究所，成都 610031)

我國是一個森林火災多發的國家，據統計，1988～2006年全國平均每年發生森林火災7 537次，火災燒毀森林面積9.7萬hm2，火災受害率為0.56‰，因森林火災死亡54人、受傷146人［1］。山區森林資源豐富，地形坡度較大使得大火蔓延更加迅速，增加了大型火災的危險;同時，由于山區森林連接成片，地形復雜，交通不便，巡山護林困難，消防人員很難快速到達事發現場，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設施。合理的林區道路網能夠保證及時輸送滅火人員和物資到達火災現場，以利于迅速撲滅森林火災。目前，受國家投資和地形地貌的影響，我國林區道路密度低，路況差，病害多，有利于防火的公路網密度是400 m/km2［2］，然而我國林區防火道路網密度僅為150 m/km2(國家林業局，全國森林防火中長期規劃)。國外林區道路修建成網，密度一般達到1 000 m/km2，有利于開展森林防火工作［3］。與發達國家相比，我國林區道路的建設急待加強。

據統計，森林火災中地表火發生最為頻繁，占森林火災總數的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，基本按自然規律擴展，撲火沒有起到多大作用［4］。出于對環境保護的考慮，目前過林區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。針對我國林區由于資金短缺防火基礎設施極不完善的現狀，合理的設計可使鐵路成為林區防火基礎設施的重要組成部分，鐵路建設對于改善森林的環境安全狀態有著積極的作用。但目前對兼具防火功能的林區鐵路設計研究甚少，本文即從選線與橫斷面設計等方面對林區鐵路的設計進行專題研究。

1 林區鐵路設計技術

1.1 林區鐵路的總體要求

林區鐵路的設計，選線是極為重要的一步，林區鐵路選線首先要在兼顧林區防火要求的基礎上，以林區火災發生后救援及時快捷為原則，充分利用有利地形進行選線;橫斷面布置方式決定了鐵路的隔火效果，是設計工作的重點。林區鐵路的設計方法與常規鐵路有所不同，林區鐵路設計技術如圖1所示。

圖1 林區鐵路設計技術

1.2 林區鐵路選線布局原則

林區鐵路選線要兼顧鐵路建設與環境保護的協調發展，鐵路隔火功能和方便救火的優點說明了鐵路建設對森林安全有益，在選線過程中應遵循以下原則。

(1)林區鐵路設計首先要保證林火撲救的及時和快捷

林區鐵路的修建要保證救火人員快速到達火災現場，林區道路網規劃模式可以采用扇形和魚骨形(圖2)。當鐵路部分穿過林區或穿過道路網密集的林區，可將路網規劃為扇形路網，鐵路與公路通過車站連接;當鐵路穿越整個林區時，林區路網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成防火通道網絡，火災發生時直接通過鐵路向兩側森林輸送滅火人員、裝備和物資。

圖2 林區道路網規劃模式

(2)線路設計考慮天然防火帶(河流、山脊線)的綜合布局

河流兩側發生火災后可以利用水源進行滅火;根據林火現場試驗，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的蔓延［5］。因此河流和山脊是林區內天然的防火隔離帶，鐵路線路應穿過林區中部并且平行于河流、山脊線以形成更多的防火隔離帶。

(3)根據林區火險等級區劃鐵路穿過火險等級高的林區

火險等級高的林區，防火能力差，火災的預防和救援需求更加突出。根據火險等級區劃，鐵路直接穿過火險等級高的林區，火災發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并在水源附近設站

目前以水滅火是森林火災撲救的主要方式，林區內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勢促進了水源的再次分配，使得火災發生時可及時的利用鐵路運送水源撲救火災，因此應在水源附近設站以解決消防水源的問題。

(5)鐵路應穿過森林郁閉度低且易燃性高的林區

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

1.3 林區鐵路定線要點

由于林區地形復雜多變，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，以地形因素為指導的林區鐵路定線要點如下。

(1)鐵路首先選擇從陽坡通過

山的向陽側直接受到太陽照射，平均溫度高、蒸發量大且濕度低;白天氣流順坡而上形成上坡風，夜晚空氣順坡下滑，形成下坡風，對火的強度和蔓延速度影響很大。經調查，陽坡森林火災發生次數較多［7］，因此鐵路應首先選擇從陽坡穿過。

(2)鐵路走向與當地森林防火季節主導風向垂直

風能降低林內濕度，加速可燃物干燥，增大火災發生的可能性;火災發生后，風能改變熱輻射、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向的蔓延，因此鐵路走向應與當地森林防火季節主導風向垂直，夾角在80°～100°為宜［8］。

(3).鐵路高程宜選擇在易發生火災的海拔高度

在山區低海拔地區，人類活動頻繁，交通方便，一旦著火易于撲救，不易釀成大火;山區中部人員活動相對較少，而且森林干燥度較大，容易發生火災;高海拔地區隨著海拔高度增加，溫度降低，蒸發減小，濕度變大，發生林火的可能性降低。如根據統計資料，西藏地區森林火災多發生在海拔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］，因此鐵路設于地面坡度越陡的區帶，隔火效益越顯著;但當坡角大于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°。現定義反映鐵路隔火效益的無量綱數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;若從鐵路工程經濟性角度考慮，一般地面橫坡越陡，路基工程造價越高，現定義反映鐵路工程經濟性的無量綱數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濟性的綜合效益最高。

1.4 林區鐵路橫斷面設計

鐵路是一條帶狀建筑物，對林區火災蔓延有良好的阻斷作用，橫斷面設計是決定隔火效果的關鍵，設計時應考慮與防火溝、防火隔離帶、防火林帶和防火墻等防火基礎設施的設計相結合。

圖3 過林區鐵路定線的最優地面坡度

從防火角度考慮林區鐵路應盡量設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。林區內的火災可分為地下火、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

《鐵路工程設計防火規范》(TB10063—2007)規定:鐵路通過林區時，應設置自鐵路外側線路中心距林木投影邊緣不應小于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，是林區有效的防火基礎設施，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層引起的地下火的蔓延，鐵路兩側邊溝和排水溝也能實現這一功能，因此可將防火溝與邊溝等結合在一起設計;當面向鐵路側墻體為防火墻或設置耐火極限3.0 h并高于軌面4.0 m的防火隔墻時，防火間距可適當減少，但不應減少到50%［12］。因此鐵路與樹木邊緣距離不滿足規范要求時，應設置防火墻對鐵路機車予以保護。

因此由內向外橫斷面依次為: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平均樹高15 m)，對于平原微丘區可采用如圖4所示的斷面形式。

圖4 林區鐵路橫斷面示意(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范尚無橫斷面設計的具體圖示，但基本的原則是基于林火傳播的立體特征進行橫斷面設計，現以半填半挖路基為例說明斜坡路基橫斷面設計的方法。

斜坡上地下火的傳播規律與平地相同，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;地表火則可能出現燃燒物沿坡滾落的情況，形成新的火場。

斜坡路基下側森林一旦發生火災，由于熱輻射和熱對流的影響大火向上蔓延迅速，因此按規范要設置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速，與單純的防火隔離帶相比還可減少森林內的水土流失，起到保護環境的作用，因此宜將隔離帶設計為防火林帶;根據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］，路基上側主要考慮阻斷滾落的燃燒物，因此從經濟性考慮鐵路兩側防火隔離帶不必設置成對稱形式，上側防火隔離帶寬度可適當縮短，根據規范本例中取最小值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)

為了阻斷上側林區滾下的燃燒物和由燃燒引起的傾倒的樹木，斜坡路基上側還應設置一面防火墻保護鐵路安全。林區防火墻可與防落石墻的設計相結合，陡坡地段不宜設置防火墻的地段應以防護網代替。

2 運營期間林區鐵路防火要求

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

(1)鐵路上行駛的客貨列車，是產生明火或散發火花的火源，加強對鐵路本身火源的檢控，保證鐵路員工的用火安全，建立健全火車內部火災的撲救辦法。在防火期內，機車通過林區時，必須設有防火裝置，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。鐵路兩側防火隔離帶內易生陽性雜草，燃燒性強，是引起森林火災的重要地段，火燒防火線是很好的預防措施。

(3)鐵路車站要滿足設計防火規范的要求，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，避免垃圾焚燒產生的火災隱患。

(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，宣傳防火安全管理辦法，加強相關法律和政策的學習。特別是在防火期內嚴禁人員在林區內使用火種。

(5)完善林區的防火救災體系，增加林區防火基礎設施的建設力度;注重滅火隊伍的建設，森林火災發生時，鐵路部門應當按照森林火災應急預案做好撲救森林火災的有關工作，服從森林防火指揮機構的統一指揮，應當優先組織運送森林火災撲救人員和撲救物資。

3 結語

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

(1)防火林帶寬度的設定是決定林區鐵路隔火功能的關鍵指標。現行鐵路規范統一規定防火隔離帶寬度取為30 m，未考慮地區氣候的差異。建議在不同地區修建鐵路時應視當地實際氣候條件適當調整，如南方氣候潮濕，防火隔離帶的寬度就可適當降低。文定元針對南方森林提出防火林帶有效寬度的關系式［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置取值的參考。

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

(3)鐵路交通是地方旅游資源開發的重要基礎服務設施，設計為明線的林區鐵路無疑可為鐵路觀光旅游創造良好條件。因此林區鐵路規劃應與景區發展規劃相協調，同時林區鐵路景觀設計也應成為設計的重要環節。

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