急上高原人員疏散速度修正的臺階試驗研究*

崔 鵬，王明年，于 麗，段儒禹，李春薈，何佳銀

(1.西南交通大學 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；3.云南省交通規劃設計研究院有限公司，云南 昆明 650041)

0 引言

截至2019年底，我國運營、在建、規劃的高海拔鐵路隧道基數較大[1]，同時，隨著川藏鐵路的規劃、設計及建設工作的推進，大量高海拔隧道工程繼續不斷涌現。

高海拔地區自然環境條件惡劣，且以低氧氣含量、低氣溫、低氣壓的環境特征為主[2]。高海拔惡劣的自然環境特征導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事故對受災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參數的取值對其安全疏散時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參數進行研究具有重要意義。

對于高層等民用建筑，Fruin[3]針對不同傾角的上下行樓梯疏散進行研究；楊海明等[4]通過開展垂直疏散試驗，分析視頻監控數據，得到疏散時間、疏散速度等關鍵參數。

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

對于隧道工程而言，Wang等[7]對長大鐵路隧道內群體疏散進行研究，提出不同群體的疏散速度控制標準；Kretz等[8]研究人群流量、疏散時間等疏散過程參數；陳漢波[9]以巴朗山隧道工程為依托對高海拔人員疏散進行研究，發現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指標提出人員疏散速度計算公式；李琦等[10]通過開展疏散全過程試驗和數值模擬研究，得出長大鐵路隧道火災工況下人員疏散的時間和速度。

高層民用建筑研究重點是關注垂直疏散問題，而地鐵等建筑構造的設施布置較鐵路隧道結構存在差異，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疏散而言，國內外學者進行大量的研究，但針對隧道內人員疏散速度等參數的研究較少，尤其針對急上高原者的疏散速度的相關研究更為少見。本文基于臺階現場測試試驗，以相對最大攝氧量為指標，對急上高原人員疏散速度基礎參數進行研究，以期為高海拔相關交通工程的人員安全疏散提供參數支持。

1 測試指標及試驗方法確定

1.1 評價指標

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

人體在進行運動時，當心肺功能和肌肉利用氧的能力達到人體的極限水平，單位時間內所能攝取的氧量稱為最大攝氧量[15-16]。在試驗過程中，為減小不同受試者個體差異的影響，最大攝氧量一般以相對最大攝氧量的形式表示。

1.2 生理指標評價意義

最大攝氧量在對人體進行運動能力評價時，具有實際應用意義。國際勞工局曾建議以最大耗氧量的相對百分比作為評價指標，對勞動強度進行等級評價[17]。陳漢波[9]通過分析不同運動荷載下攝氧量與能量消耗之間的關系，得到人員運動速度與最大攝氧量之間的關系式；《士兵體能的測量和評價》(GJB 1337—1992)[18]中采用最大攝氧量評價士兵的運動能力；文獻[14]研究發現在相同運動項目中，成績越優秀的運動員其最大攝氧量相對偏高；文獻[13]曾給出馬格利亞方程，通過最大攝氧量來預測運動員長跑成績，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為運動時間,min。

1.3 評價方法

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

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

1.4 臺階測試的可行性

國內外學者采用臺階試驗對最大攝氧量進行大量研究。Chatterjee等[20]采用簡單隨機抽樣的方法，對40名具有相同社會背景的印度學生進行臺階試驗，證明臺階試驗在評價最大攝氧量方面的適用性；Sykes等[21]通過研究表明，臺階試驗是1種有效的有氧能力評估方法，且其誤差相對較小；于長江等[22]通過比較多種用于分析最大攝氧量的運動負荷方法發現，臺階試驗結果與直接法測定值的相關性較好，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行比較分析，發現臺階試驗評估最大攝氧量有應用價值；陳漢波[9]開展高海拔與人員運動能力的研究，證明臺階A-R列線圖法在高海拔地區的適用性。《士兵體能的測量與評價》(GJB 1337—92)[18]也規定采用臺階試驗法對最大攝氧量進行間接計算。

基于大量調研分析可知，通過臺階試驗法對急上高原人員疏散速度基礎參數進行研究具有實際意義，考慮到測試人員的測試安全，最終選取臺階試驗進行間接測試。

2 測試對象及測試流程

2.1 測試對象

本文試驗在成都(海拔500 m)、米林(海拔3 000 m)、加查(海拔3 500 m)3個地區進行，共計開展43人次的測試試驗。文獻[24]調研表明，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。在進行正式測試之前，所有受試者均進行PAR-Q問卷調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內受試者不應參加重體力勞動且不應吸煙，避免對結果產生干擾。

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動狀態對最大攝氧量進行測算的1種預測方法。Astrand-Ryhming列線圖法是間接方法中與直接法標準相關程度較高的1種方法，且無顯著性差異，可以較為準確地推測最大攝氧量。基于個體年齡差異，對各受試者的測試結果進行年齡修正，以臺階試驗作為運動荷載，通過測試各受試者在亞極量荷載下的動態心率來推測最大攝氧量。為消除個體差異的影響，最終測試結果以相對最大攝氧量的形式表示。

試驗的具體流程如下：

1)正式試驗之前對各受試者進行基礎靜態生理參數的測試，包括身高、體重、靜態心率、靜態血氧飽和度等。

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

3)記錄測試開始時間并進行正式試驗，令受試者在臺階上(男性臺階400 mm，女性臺階330 mm)按照節拍器的頻率，以22.5 bpm進行上下踏步運動(左腿上、右腿上、左腿下、右腿下為1次)，持續時長5 min。

4)基于Astrand-Ryhming列表圖法，將各受試者恢復期1 min時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。年齡修正系數見表1[10]。

表1 年齡修正系數

受試者進行臺階試驗照片如圖1所示。

圖1 受試者進行臺階試驗

2.3 測試儀器

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

3 測試結果分析

3.1 靜態生理參數

在正式臺階試驗之前對參與臺階試驗的各受試者進行靜態生理參數測試，確保受試者身體健康，各項生理指標正常。測試內容包括受試者的身高、體重、靜態心率、靜態血壓、靜態血氧飽和度等。以成都(海拔約500 m)各受試者的靜態生理參數為例進行分析。

各受試者的靜態生理參數如圖2所示。由圖2及計算可知，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；靜態血氧飽和度均值97.07，誤差±1.03。靜態血氧飽和度的個體差異性最小，最大變化率為1.99%；靜態心率個體差異性最大，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 各受試者靜態生理參數曲線

3.2 相對最大攝氧量分析

以成都(海拔約500 m)地區的現場測試數據為例進行分析(米林及加查的測試數據同理分析)。通過Polar表中記錄的心率數值，采用Astrand-Ryhming列線圖法，對各受試者的5 min臺階試驗完成后1 min的心率進行分析，并對測試結果進行年齡修正，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據進行分析可得，在海拔500 m的平原地區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各受試者的相對最大攝氧量數值，結合前期試驗數據和調研，得到相對最大攝氧量與海拔高度的散點關系圖，如圖3所示。

圖3 相對最大攝氧量與海拔高度關系

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)見表3。

表3 相對最大攝氧量折減系數

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

表4 折減系數擬合公式

由表4可知，當采用6階多項式進行擬合時，所得表達式的相關系數最高，故選用6階多項式對相對最大攝氧量隨海拔變化的折減系數進行擬合。

3.3 人員疏散速度基數

《鐵路隧道防災疏散救援工程設計規范》(TB 10020—2017)[28]規定不同人員類型疏散速度基數取值。若以成年男性疏散速度為單位進行標定，則成年女性、老年人、未成年人分別為其80%，60%，66%。進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參數，見表5。

表5 高海拔鐵路隧道人員疏散速度基礎參數

《鐵路線路設計規范》(TB 10098—2017)[29]中規定鐵路機車加力牽引坡度不得大于30‰，高海拔山區地勢起伏較大，故高海拔鐵路隧道的縱坡坡度限值取為30‰。文獻[3]指出當坡度小于5%時，人員速度不會減速，當坡度達到10%時，人員速度會減速10%；當坡度達到20%，人員速度會減小25%。

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

圖4 驗證試驗定距疏散行走動態速度

由圖4可知，疏散距離550范圍內，個體人員疏散速度在1個速度值附近波動，并無明顯下降趨勢，從而驗證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‰，所以在鐵路隧道內受災緊急疏散時，坡度一般不會對人員的疏散速度產生影響。

4 結論

1)基于臺階試驗得出相對最大攝氧量隨海拔高度變化的規律，研究發現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)根據各受試者的相對最大攝氧量值隨著海拔高度的關系，通過計算得到不同海拔高度下其折減系數，并經由數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公式。

3)基于折減系數公式對現行鐵路防災規范中給出的人員疏散速度基數進行折減，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參數，為高海拔鐵路隧道人員安全疏散的研究提供參數支持。