長大鐵路隧道緊急救援站疏散設施設計參數研究

王明年， 李 琦，*， 于 麗

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長大鐵路隧道緊急救援站疏散設施設計參數研究

王明年1， 2， 李 琦1， 2，*， 于 麗1， 2

(1. 西南交通大學土木工程學院， 四川 成都 610031； 2. 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)

為了得到基于最少疏散時間和短暫聚集時間原則的鐵路隧道緊急救援站疏散設施設計參數，采用building-EXODUS人員疏散仿真計算軟件，考慮人員疏散的特點、速度及路徑等因素，對不同橫通道間距、橫通道寬度和站臺寬度等參數組合下的人員疏散時間進行計算。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節車廂編組的普速列車緊急救援站站臺的長度不小于500 m，站臺高度不低于0.3 m，站臺寬度不小于2.5 m。

長大鐵路隧道； 緊急救援站； 火災； 疏散設施； 疏散時間； 聚集時間

0 引言

隨著長大隧道越來越多，人們對防災救援也越來越重視，國內外都對緊急救援站開展了較多研究。歐洲基本是針對具體工程開展研究，具有代表性的是瑞士圣哥達基線隧道(57 km)、英法海峽隧道(51 km)和瑞士勒奇山隧道(34.6 km)。目前我國超過20 km的長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)、張唐線的燕山隧道(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)和敦格鐵路的當金山隧道(20.1 km)等[1-7]。

郭春等[3]對緊急救援站的機電配置、防災通風以及消防措施等進行了規劃研究； 孫海富[4]對緊急救援站的橫通道設置數量、風機布置以及防災設備控制系統進行了研究； 謝勇濤等[5]結合設計資料，對緊急救援站的長度、橫通道設置的數量以及站臺寬度、高度等參數給出了簡單建議值； 曹正卯[6]對緊急救援站的橫通道間距及數量進行了初步研究并給出了推薦值； 羅章波[7]通過調研的方法對緊急救援站長度、橫通道設置數量及間距等參數進行了研究。

我國結合石太客專也開展了較多研究，并編制發布了TB 10020—2012《鐵路隧道防災救援疏散工程設計規范》，規定： 長度在20 km及以上的鐵路隧道及隧道群需要設置緊急救援站[8]。由于我國的長大鐵路隧道很多，如何將防災救援疏散工程設置與我國的國情、防災救援管理結合仍需要研究。其中，緊急救援站的建設成本費用成為長大隧道防災救援設計的關注點，而關于緊急救援站疏散設施設計參數的相關研究還相對較少。

因此，對緊急救援站疏散設施設計參數進行仿真研究，確定設計思路及設計方法，不僅可以保證事故列車停靠在緊急救援站時人員疏散的安全，也可以控制緊急救援站的建設成本，對指導鐵路隧道緊急救援站的設計具有指導作用。

1 緊急救援站疏散設施設計參數優選準則

緊急救援站結構是否最優由人員疏散的必需安全時間和人員聚集時間來判斷。人員必需安全疏散時間是指自列車停止開始至全部人員疏散到安全區域的時間，這里安全區域是指緊急救援站的橫通道內，因為有防煙措施，所以橫通道內環境為安全狀態； 人員聚集時間是指自橫通道口開始出現人員聚集現象至人員聚集現象消失的時間。

緊急救援站最優設計參數是指人員的必需安全疏散時間達到最少(隨結構尺寸的增大，必需安全疏散時間不再明顯減少)，并且人員在工程合理設計參數條件下的聚集時間短暫(聚集時間<30 s)時對應的設計參數。

2 緊急救援站疏散設施設計參數研究方法

2.1 研究方法

采用building-EXODUS人員疏散仿真計算軟件對不同結構參數下的人員疏散進行模擬計算，得到人員在各結構設計參數條件下的必需安全疏散時間和人員聚集時間，由最優設計標準確定出最優的結構設計參數。

該模型采用C++面向對象編程技術及規則庫概念對模擬過程進行控制，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體2部分組成，幾何空間由單元節點連接而成，1 m×1 m四邊形節點布置如圖1所示[9]。

圖1 1 m×1 m四邊形的節點(單位： m)

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

2.2 模型參數

模型計算前需要的參數包括隧道及列車的幾何參數和人員屬性參數(性別、年齡和疏散速度等)，模型計算過程中已考慮了人員行為反應特征(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。具體參數如下：

1)隧道寬度選取200 km/h雙洞單線鐵路隧道標準設計斷面尺寸，即寬度為6.5 m。選取由17節車廂組成的旅客列車為研究對象，列車總長470 m。

2)硬座車廂按超載60%計算，共2 145人。每節車廂定員數量如表1所示。根據鐵路客流調研結果可知，人員分配比例如圖2所示[10]。

表1 車廂定員數量

圖2 不同人群分布比例

Fig. 2 Proportions of people with different ages and genders

在火災中，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系采用Frantzich等[11]提出的擬合經驗公式表示，即

(1)

在火災環境中，煙氣濃度較大，視線完全看不清時，消光系數的臨界值為0.40[12]。但在火災初期，隧道內煙氣濃度還不是較大，因此，取Ks=0.35。

由于隧道內的空間有限，人行通道較窄，以及需要盡量遠離火源疏散，所以，人在逃生過程中不可避免地會在在不平地面或鐵軌上行走。根據《建筑防火規范》規定，人在不平地面或臺階上的疏散速度大約是在平地上疏散速度的86%，因此，速度折減系數取0.86。

根據式(1)和不平坦地面時人員疏散速度的折減系數，計算得到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 緊急救援站疏散設施設計參數設計內容

鐵路隧道緊急救援站疏散設施設計參數包括緊急救援站加密橫通道的寬度、間距以及站臺的長度、寬度和高度。

3.1 緊急救援站聯絡橫通道的間距和寬度

緊急救援站的結構型式一般為在緊急救援站范圍內采用橫通道加密的結構型式。因此，在站臺寬度固定的條件下，對不同橫通道間距及寬度組合下的人員疏散進行建模計算，得到人員的必需安全疏散時間和人員聚集時間，由最優設計標準確定出最優的橫通道間距與寬度組合。

3.1.1 人員疏散仿真計算模型

選取橫通道間距分別為50、60、70、80 m 4個參數，橫通道的寬度為2、2.5、3、3.5、4 m 5個參數進行組合計算，共20組計算值。計算各組合時，假設緊急救援站站臺寬度足夠大，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 計算結果分析

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間和人員聚集時間如表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聚集時間/s疏散時間/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間越多，在橫通道入口處人員聚集的時間越長。

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

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

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

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

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

圖4 橫通道寬度與必需安全疏散時間關系圖

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

圖5 橫通道寬度與人員聚集時間關系圖

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

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

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

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

3.2 緊急救援站站臺長度、高度和寬度

3.2.1 緊急救援站站臺長度

緊急救援站的長度采用17輛編組長度加一定富余量，由于客運列車的長度約為470 m，故緊急救援站長度可按照500 m設計。緊急救援站站臺平面布置如圖6所示。

圖6 緊急救援站站臺平面布置圖

3.2.2 緊急救援站站臺高度

瑞典隆德大學的Anders J. Noren和Joel Winer對地鐵車輛人員在不同臺階高度下的人員下車速度進行了測試，結果如表5所示。

表5 人員在不同站臺高度下的下車速度

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

圖7 站臺高度與人員下車速度的關系

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

因此，結合我國鐵路隧道限界情況，建議緊急救援站站臺高度不低于0.3 m。

3.2.3 緊急救援站站臺寬度

緊急救援站站臺的寬度計算參數分別選取2、2.5、3、3.5、4 m 5種情況進行計算。

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

表6 不同緊急救援站站臺寬度下人員疏散時間表

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站臺寬度/m聚集時間/s疏散時間/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)當橫通道間距為50 m、寬度為3 m時，站臺寬度為2.5 m對應的人員疏散必需安全疏散時間為208 s，站臺上人員聚集時間為21 s，聚集情況短暫。

2)當橫通道間距為60 m、寬度為3.5 m時，站臺寬度為2.5 m對應的人員疏散必需安全疏散時間為230 s，站臺上人員聚集時間為29 s，聚集情況短暫。

3)當橫通道間距為70 m、寬度為3.5 m時，站臺寬度為3 m對應的人員疏散必需安全疏散時間為240 s，站臺上人員聚集時間為16 s，聚集情況短暫。

4)當橫通道間距為80 m、寬度為3.5 m時，站臺寬度為3.5 m對應的人員疏散必需安全疏散時間為265 s，站臺上人員聚集時間為23 s，聚集情況短暫。

緊急救援站站臺寬度與人員必需安全疏散時間的關系如圖8所示，緊急救援站站臺寬度與人員聚集時間的關系如圖9所示。

圖8 緊急救援站站臺寬度與必需安全疏散時間關系圖

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

圖9 緊急救援站站臺寬度與人員聚集時間關系圖

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寬度的增加，人員疏散的必需安全疏散時間逐漸減少，當站臺寬度大于2.5 m時，人員必需安全疏散時間減少趨勢不再明顯。

由圖9可知： 隨著緊急救援站站臺寬度的增加，人員在站臺上聚集的時間逐漸減少，當橫通道間距為50 m和60 m時，緊急救援站站臺的寬度為2.5 m對應的人員聚集時間短暫; 當橫通道間距為70 m時，緊急救援站站臺的寬度需要3 m才能保證疏散人員在緊急救援站站臺上聚集的時間比較短暫; 當橫通道間距為80 m時，緊急救援站站臺的寬度需要3.5 m才能保證疏散人員在緊急救援站站臺上聚集的時間比較短暫。

綜上所述，考慮到經濟成本，長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，緊急救援站站臺的寬度不小于2.5 m。

4 結論與建議

4.1 結論

以17輛編組的旅客列車發生火災事故在隧道內緊急救援站停車疏散為例，通過對長大鐵路隧道緊急救援站疏散設施參數的設計研究，得到以下主要結論：

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)緊急救援站的站臺長度不小于500 m，高度不低于0.3 m，寬度不小于2.5 m。

4.2 建議

通過以上研究及結論可知，關于緊急救援站的設計參數，尚未解決的問題主要是疏散橫通道高度的確定，由于其參數確定需要考慮隧道通風換氣等因素的影響，因此，還需對其進行詳細的深入研究。

[1] 王應權. 長大鐵路隧道施工通風方案選擇及優化[J]. 地下空間與工程學報,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))

[2] 趙錄學. 長大隧道通風與防災技術研究[J].隧道建設,2007,27(增刊1): 171-173. (ZHAO Luxue. Research on techniques of ventilation and disaster prevention in long tunnels [J]. Tunnel Construction, 2007, 27(S1): 171-173. (in Chinese))

[3] 郭春,王明年,趙海東. 鐵路特長隧道火災應急救援問題研究[J].中國安全科學學報,2007,17(9): 153-158. (GUO Chun, WANG Mingnian, ZHAO Haidong. Research on the emergency rescue of fire in super-long railway tunnel [J].China Safety Science Journal, 2007,17(9): 153-158. (in Chinese))

[4] 孫海富. 石太客運專線長大隧道防災救援設計研究[J].鐵道工程學報,2009(10): 79-83. (SUN Haifu. Research on the design of disaster prevention and relief in large tunnel of Taiyuan-Shijiazhuang Passenger Dedicated Line [J]. Journal of Railway Engineering Society, 2009(10): 79-83. (in Chinese))

[5] 謝勇濤,丁祥. 香山特長隧道運營通風及防災救援方案設計研究[J].地下工程,2010(4): 81-84. (XIE Yongtao, DING Xiang. Study of operational ventilation and disaster prevention design of Xiangshan extra-long tunnel[J].Underground Engineering,2010(4): 81-84. (in Chinese))

[6] 曹正卯. 關角隧道運營通風防災技術研究[D]. 成都： 西南交通大學,2011.(CAO Zhengmou. Study of the technology of operation ventilation and disaster prevention of Guanjiao Railway Tunnel [D]. Chengdu： Southwest Jiaotong University, 2011. (in Chinese))

[7] 羅章波.包蘭鐵路青天寺隧道運營通風及防災救援設計[J].地下空間與工程學報,2011(1)： 185-193.(LUO Zhangbo.Design on operation ventilation and disaster prevention and relief of the Blue Sky Temple Tunnel at Baotou-Lanzhou Railway[J].Chinese Journal of Underground Space and Engineering, 2011(1)： 185-193.(in Chinese))

[8] 鐵路隧道防災救援疏散工程設計規范: TB 10020—2012[S]. 北京: 中國鐵道出版社,2012.(Code for design on evacuation engineering for disaster prevention and rescue of railway tunnel: TB 10020—2012[S]. Beijing: China Railway Publishing House, 2012. (in Chinese))

[9] 楊立中. 建筑內人員運動規律與疏散動力學[M].北京： 科學出版社, 2012. (YANG Lizhong. Movement rule of staff and evacuation dynamics in building [M]. Beijing： Science Press, 2012. (in Chinese))

[10] WANG Mingnian, LI Qi, YU Li, et al. Study of personnel property key parameters under fire evacuation in shield railway tunnel[J]. The Eighth Chain-Japan Conference on Shield Tunneling, 2015: 203-208.

[11] Frantzich H, Nilsson D. Utrymning Genom T?t R?k: Beteende Och F?rflyttning[J]. Department of Fire Safety Engineering, 2003: 75-76.

[12] 霍然,胡源,李元洲.建筑火災安全工程導論[M]. 北京： 中國科學技術大學出版社,2009.(HUO Ran, HU YUAN, LI Yuanzhou. Introduction to safety engineering of building fire [M]. Beijing: China University of Science and Technology Press, 2009. (in Chinese))

[13] 李琦,王明年,于麗.鐵路隧道斜井式緊急出口的入口段結構參數確定[J].中國鐵道科學,2015,36(5): 36-42.(LI Qi, WANG Mingnian, YU Li. Structure parameters of entrance section of shaft type emergency exit in railway tunnrl [J]. China Railway Science, 2015, 36(5): 36-42. (in Chinese))

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

國家自然科學基金(51308472)； 中國鐵路總公司科技研究開發計劃課題(2014G004-C)； 中國鐵路總公司科技研究開發計劃課題(2015T004-B)； 西南交通大學博士研究生創新基金

王明年(1965—)，男，安徽舒城人，1999年畢業于西南交通大學，橋梁與隧道工程專業，教授，博士生導師，主要從事隧道與地下工程方面的教學與科研工作。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