公交化特點下新型城際鐵路隧道防災救援研究

郭現釗

（中國鐵路設計集團有限公司華南公司， 廣東深圳 518059）

1 引言

對于城際鐵路隧道區間防災救援及相關設施設計，目前依據的規范主要有《鐵路隧道防災疏散救援工程設計規范》（TB 10020-2017）和《城際鐵路設計規范》（TB 10623-2014）。與此同時，現有軌道交通及地方也有相應的防災設計規范，以《地鐵設計規范》（GB 50157-2013）、《市域快速軌道交通設計規范》（TCCES 2-2017）為代表。不同規范在防災救援理念上存在差異，導致在規范體系選取時產生理解上的偏差。同時，針對新型城際鐵路，結合大灣區城際鐵路的地下化、高運量、行車密度大、公交化的特點，分析表明鐵路規范存在一定的局限性。因此，本文以深圳至大亞灣城際鐵路（以下簡稱“深大城際鐵路”）深圳段為例，通過對區間隧道防災救援的基本原則及不同規范的梳理和分析、火災場景的風險評估、人員疏散可靠度的建模計算，提出應對新型城際鐵路隧道防災救援的加強措施 ，并給出相應的設計建議。

2 不同規范的梳理和對比

隨著都市圈城際鐵路地下化和公交化的發展，隧道內災害一旦發生將導致嚴重的社會影響。目前關于區間防災救援有2類規范體系：①以鐵路規范為主的“定點”救援體系；②以城市軌道交通規范為主的“定點+隨機”救援體系。隨著珠江三角洲、長江三角洲和京津冀都市核心區的發展，打造軌道上的都市圈，構建以軌道交通為骨干的通勤圈，推動干線鐵路、城際鐵路、市域（郊）鐵路、城市軌道交通“四網融合”成為未來發展的趨勢。在這種情形下現行規范存在2個問題：①在城際（市域）鐵路公交化、城市軌道交通高速化下的前提下，城市軌道交通和鐵路間的界限越來越模糊，而在防災救援中采用哪種規范體系往往成為關注點和爭議點；②在鐵路和城市軌道交通互聯互通的情況下，具體采用何種標準能夠在保證安全的前提下與技術標準兼容，也是需要關注的焦點之一。

在市域軌道交通領域中不同規范對應不同的適用范圍及救援模式，具體內容如表1所示。在鐵路市域化和快速化的背景下，公交化的城際鐵路、市域（郊）鐵路、市域快線、地鐵快線間的車輛、行車速度、隧道斷面等技術標準的差異越來越小，但在防災救援體系方面，鐵路和城市軌道交通卻有著較大的差別，具體包括：①消防設施方面，城市軌道交通設置排煙設施、水消防設施及行車追蹤設施，鐵路僅在車站及救援站內設置消防設施；②救援通道方面，城市軌道交通設置與車廂面同高的疏散平臺，鐵路則利用水溝蓋板面設置與軌面同高的救援通道；③隧道中隔墻方面，城市軌道交通雙線隧道需分隔左右線，鐵路雙線隧道則無中隔墻。

表1 軌道交通類規范/標準防災救援模式梳理

在“四網融合”的趨勢下，防災救援模式的選取究竟依據何種規范也頗具爭議。以深大城際鐵路為例（設計速度160 km/h），如將其納入市域快速軌道交通范疇，則需依據地鐵規范體系標準采用“定點+隨機”的模式，區間需設置防排煙系統同時還需加密聯絡通道對“隨機”救援進行加強；如將其納入鐵路范疇，則僅需在車站（救援站）內設置疏散設施，區間隧道不僅不需要設置排煙系統，聯絡通道也僅在非火災工況下使用。因此為完善我國鐵路隧道防災救援體系，有必要對公交化特點下的新型城際鐵路區間隧道防災救援開展研究，并為大灣區城際鐵路的建設提供技術支撐。

3 火災場景和風險評估

3.1 火災場景的劃分

對于區間防災救援，鐵路規范體系以“定點”救援為主，這主要是考慮到在車站（救援站）的救援條件比在隧道內組織救援更有利，而列車發生火災且失去動力行駛不到鄰近車站（救援站）的概率微乎其微（詳見《鐵路隧道防災疏散救援工程設計規范》（TB 10020-2017）條文說明3.0.5）。因此火災場景以列車停靠在車站（救援站）為主，場景展示如圖1a所示。

城市軌道交通規范體系以“定點+隨機”相結合的模式， 因此火災場景主要有2種：①當列車具備行駛條件，以車站作為火災場景，場景展示如圖1a所示；②當著火列車失去動力，以列車隨機停靠在區間作為火災場景，場景展示如圖1b所示。

圖1 不同規范體系火災工況場景

3.2 對行駛列車內人員的危險評估

城際鐵路和城市軌道交通在人員密度上有較大的差異。城際鐵路以中國高速鐵路（CRH）型動車組為例，一節車廂定員600人，超員720人（按超員20%計算），采用橫向座椅。鐵路車廂內部情況如圖2a所示。城市軌道交通以A型車為例，一列車廂定員1 608（按5人/m2計）～1 860人（按6人/m2計），采用縱向座椅，在人員密度上大于城際鐵路。城市軌道交通車廂內部情況如圖2b所示。城際鐵路列車每節車廂上除配備消防滅火器外，還配備列車員，在較小密度的定員下能夠做到發生火災第一時間撲滅或控制。而城市軌道交通由于人員密度大、運營環境復雜，所面臨的火災預防控制條件更加嚴峻，一旦發生火災，造成的危害會更加嚴重。對于以通勤客流為主的新型城際鐵路，以深大城際鐵路為例，定員 1 504 人（按4人/m2計），超員1 988人（按6人/m2計），雖然屬于城際鐵路，但從運營管理來說更接近城市軌道交通。

圖2 不同軌道交通定員的差別

城際鐵路和城市軌道交通除在人員密度上存在差異之外，在行李攜帶要求上也不盡相同。鐵路規定，旅客攜帶行李每件重量不超過50 kg，體積以適于裝入行李車為限；對于城市軌道交通，以深圳地鐵行李攜帶規定為例，重量超過30 kg或者外部尺寸長寬高之和超過1.6 m的物品禁止攜帶進入。通過對鐵路旅客攜帶行李情況及車廂內裝材料的調研，參考《獅子洋水下隧道人員疏散規律數值模擬及試驗研究分析階段性報告》中天津消防所對車廂內火災發展速率的研究數據，得出車廂內裝材料燃燒速率（數值模擬、實車試驗）變化在超快速至中速之間，行李燃燒速率為慢速。結合兩者的燃燒速率分析，車廂內火災的發展速率在超快速、快速、中速和慢速之間均有可能出現。車廂內火災發展速率如圖 3所示。

圖3 車廂內火災發展速率

通過對既有案例研究可知，列車發生火災后煙氣濃度變化比較大的是CO、CO2，此外還有燃燒產生的煙氣顆粒。火災中受難人員的死亡原因約有一半是由于CO中毒，另外一半是由于燒傷、爆炸壓力、缺氧等其他因素。根據相關文獻和資料可知，短時間內暴露在500 ppm的CO濃度環境下，人員的生命安全會受到威脅。根據人體對輻射熱耐受能力的研究，人體對煙氣層等火災環境的輻射熱的耐受極限是2.5 kW/m2。對于對流熱，人體在180℃環境的對流熱下耐受力難以超過1 min。不同溫度下人體對對流熱的耐受時間如表 2所示。

表2 人體對對流熱的耐受極限 min

本項目地下長區間較多，以五和—白泥坑區間（長度約10 km，行車時間為5.18 min）為例 。一旦在隧道區間發生火災，結合上述的火災發展速率和人員耐受極限，若不能及時采取控制措施 ，人員的生命安全將會受到嚴重威脅 。

3.3 列車著火后被迫停的危害

依據《城際鐵路設計規范》（TB 10623-2014）條文說明，按照列車最低檔的設計速度120 km/h計算，3 min可以行進6 km，5 min可以行進10 km，10 min可以行進20 km，對于小于10 km的隧道，列車5 min即可被拉出洞外。車廂內發生火災與動車組失去全部動力同時發生的概率非常小，一旦發生火災，也可在短時間內將列車拉出洞外并將起火點放在明線上或車站內，方便消防以及救援。因此鐵路規范體系對列車發生火災且被迫停留在區間的情況未做考慮，也未做火災工況下“隨機”停留在區間的防排煙設置。本文梳理出列車著火后被迫停留區間的4種情況：①列車發生火災，且影響動車組動力供給造成列車停滯；②列車發生火災影響接觸網等保障列車行駛的設備，造成列車停滯；③列車發生火災的同時發生脫軌等其他事故被迫停留在區間，或脫軌、碰撞等其他事故發生的同時造成火災等次生災害；④列車發生火災且由于區間過長，無法在人員到達耐受極限前行駛至車站。鐵路規范分析的工況僅是上述工況中的一種，因此要加強隧道防災救援措施有必要對火災“全工況”進行分析。

以列車發生火災影響接觸網為例，參考中鐵第一勘察設計院集團有限公司《160 km/h烏鞘嶺隧道接觸網懸掛方式研究》成果，當采用柔性接觸網時由于90%以上的零件為受力件且互相聯系密切，如個別構件失效會影響其他構件，從而可能會使整個系統失效。參考《電氣化鐵道用銅及銅合金接觸線》（TB/T 2809-2005）附錄B4規定，對于接觸網金屬導線允許最高工作溫度規定為150 ℃。參考西南交通大學科研課題《長大及大規模隧道群防災救援技術》試驗結果，在隧道內不通風條件下拱頂溫度分布曲線如圖4所示，在20 MW火災規模時隧道拱頂最高溫度可高達600 ℃左右；在15 MW火災規模時隧道拱頂最高溫度可高達480 ℃左右，均高于接觸網金屬導線允許的最高工作溫度150 ℃。火焰形成的壁面羽流區高溫對接觸網及相關構件會產生影響和破壞。因此列車著火后被迫停存在很大的危險隱患。

圖4 額定火災規模下溫度分布曲線

4 疏散的基本原則和要求

4.1 疏散的基本原則

不論是鐵路隧道還是其他工程，對于人員疏散是否安全的界定原則均一致，即可用安全疏散時間（ASET）大于必需安全疏散時間（RSET），即人在達到危險狀態之前疏散至安全區域，這也是所有消防和疏散規范的核心原則。ASET的定義為自火災發生開始至火災環境對人員構成危險所經歷的時間。參考國標《消防安全工程》（GB/T 31593.9-2015） 第9部分—人員疏散評估指南中5.1.1疏散評估的流程，ASET又可以理解為自起火開始后的探測時間、報警時間、識別時間、反應時間、運動時間和安全裕量之和。RSET 定義為自火災發生開始至全部人員疏散到安全區域的時間。火災疏散流程如圖5所示。

圖5 火災疏散流程圖

鐵路規范對ASET和RSET的定義分別為：ASET為從著火列車停車開始至火災發展到對人員安全構成危險所需的時間；RSET為從著火列車停車開始到列車中所有人員疏散至安全區域所需的時間。鐵路規范ASET設定為從停車發生開始，而按照美國Standard for Fixed Guideway Transit and Passenger Rail Systems（NFPA 130-2017）中的規定取值6 min是以自火災發生起計。依據這樣的規定就會造成了一個悖論，即只要著火列車不停，車上的人員永遠是安全的，或者說對行駛中著火列車人員是否安全的界定沒有一個明確判定標準。

4.2 公交化新型城際鐵路疏散原則

結合上文的分析，針對城際鐵路地下化、公交化的特點在制定新型城際鐵路疏散原則時需要考慮以下2個問題：①有必要對防災救援全過程進行分析，即火災發生—停車，停車—疏散結束的整個疏散過程。②有必要對防災救援全工況進行分析，即在原“定點”體系下救援站內安全疏散評價之外，還需對行車相關設施（車輛、接觸網等）的安全保障是否會受到影響，多車追蹤情形下列車阻塞等工況進行分析。

在此基礎上，結合《鐵路隧道防災疏散救援工程設計規范》（TB 10020-2017）相關規定，確定公交化場景下新型城際鐵路疏散原則如下：①區間防災疏散救援工程設計應遵循以人為本、安全疏散、自救為主、方便救援的原則；②當列車在隧道內發生火災時，應控制列車駛出洞外或停靠鄰近車站進行救援；③在不設置區間機械通風排煙的情況下，應加強車廂內自救措施，車廂間應設置防火隔斷門，并保證15 min內耐火完整性、隔熱性和氣密性；④保障行車區間的洞內設施（如接觸網及相關連接構件）應具備高溫下強度保持率。

5 加強措施及數值模擬計算

5.1 加強疏散措施

疏散方案一，采用 “定點”疏散原則。當隧道內行駛的列車發生火災后，著火列車開行至前方車站（救援站）內組織疏散和救援，車站配置防災通風系統。針對列車在開行至車站這段時間內的安全保障進行的加強措施，具體內容包括：①進出站加強安檢，最大限度減少火災隱患；②增加車廂消防器材和火災報警裝置，車廂配備巡視員，發生火災后盡量第一時間撲滅；③高峰期限流，不同的車廂間加防火隔斷門，使其具備疏散到鄰近車廂的條件；④列車及座位采用阻燃材料；⑤車廂間應設置防火隔斷門，并保證15 min內耐火完整性、隔熱性和氣密性。城際鐵路列車防火隔斷門如圖6所示。

圖6 城際鐵路列車防火隔斷門

疏散方案二，采用“定點+隨機”的疏散原則。當隧道內行駛的列車發生火災后：①著火列車具備開行至前方車站（救援站）內組織疏散和救援條件時，進行定點救援，車站配置防災通風和疏散系統；②當著火列車不具備開行至前方車站的條件而被迫停留在區間時，進行區間隨機停車疏散，區間配置防災通風和疏散系統。區間疏散原則上應朝上風向（迎著新風）疏散，利用水溝蓋板面作為疏散通道，利用聯絡通道左右線互為救援隧道。用于疏散的車廂樓梯如圖7所示。

圖7 下至疏散平臺的車廂樓梯

5.2 疏散模擬分析

以深大城際鐵路五和—白泥坑區間為例，疏散方案一考慮列車停靠在車站定點救援，計算模型和列車停靠位置如圖8所示。

圖8 疏散計算模型

通過對疏散場景進行模擬分析，各時刻人員疏散狀態如圖9所示。當列車開出五和站進入區間后發生火災，從起火到停靠白泥坑站時間為311 s，從停靠車站到人員完成疏散的時間為124 s。從著火時刻到完成疏散總計435 s。結合上述計算分析，當采用車廂隔斷措施保證人員在停車前安全的前提下，疏散時間124 s小于6 min的可用安全疏散時間。

圖9 定點停車救援模式下各時刻疏散狀態

通過對疏散方案二的隨機救援工況進行模擬分析，在聯絡通道600 m間距下各時刻人員疏散狀態如圖10所示。通過計算可知，在以隧道一側作為救援通道的情況下，著火后乘客經過聯絡通道疏散至另一側隧道所需疏散時間為490 s。為盡快在可用疏散時間內從聯絡通道疏散至非火災隧道，聯絡通道應進行加密，具體時間如表3 所示。

表3 不同聯絡通道間距下疏散時間計算表 s

圖10 隨機停車救援模式下各時刻疏散狀態

6 結論

（1）由于火災的危險性，有必要從著火開始（而非停靠車站開始）考慮全過程（列車著火至停靠車站+停靠車站至完成疏散）中人員的安全。

（2）當列車停靠區間時，人員疏散至準安全區所需的疏散時間較長。當列車停靠疏散救援定點時，由于此處站臺較寬和臨時避難空間較大，極大地提高了人員的疏散效率，從而使人員的疏散行動時間更進一步縮短。因此著火后，在能保證安全的前提下首先考慮停靠在車站（救援站）進行救援。

（3）在采用定點救援情況下，需考慮“全過程”和“全工況”的疏散要求，車廂間應設置防火隔斷門，并保證15 min內耐火完整性、隔熱性和氣密性，并對洞內設施的高溫強度保持率做相應要求，以保證火災車輛能順利開行至車站。

（4）在采用隨機救援模式下，為保障人員能盡快在可用疏散時間內從聯絡通道疏散至非火災隧道，聯絡通道應進行加密。