长大铁路隧道紧急救援站疏散设施设计参数研究

王明年， 李 琦，*， 于 丽



长大铁路隧道紧急救援站疏散设施设计参数研究

王明年1， 2， 李 琦1， 2，*， 于 丽1， 2

(1. 西南交通大学土木工程学院， 四川 成都 610031； 2. 西南交通大学交通隧道工程教育部重点实验室， 四川 成都 610031)

为了得到基于最少疏散时间和短暂聚集时间原则的铁路隧道紧急救援站疏散设施设计参数，采用building-EXODUS人员疏散仿真计算软件，考虑人员疏散的特点、速度及路径等因素，对不同横通道间距、横通道宽度和站台宽度等参数组合下的人员疏散时间进行计算。研究得到： 1)紧急救援站疏散横通道的间距不大于60 m，宽度不小于3.5 m； 2)17节车厢编组的普速列车紧急救援站站台的长度不小于500 m，站台高度不低于0.3 m，站台宽度不小于2.5 m。

长大铁路隧道； 紧急救援站； 火灾； 疏散设施； 疏散时间； 聚集时间

0 引言

随着长大隧道越来越多，人们对防灾救援也越来越重视，国内外都对紧急救援站开展了较多研究。欧洲基本是针对具体工程开展研究，具有代表性的是瑞士圣哥达基线隧道(57 km)、英法海峡隧道(51 km)和瑞士勒奇山隧道(34.6 km)。目前我国超过20 km的长大铁路隧道有大瑞铁路的高黎贡山隧道(34.5 km)、西格线的关角隧道(32.6 km)、成兰线的平安隧道(28.4 km)和云屯堡隧道(22.9 km)、兰渝线的西秦岭隧道(28.2 km)、石太线的太行山隧道(27.8 km)、蒙华铁路的崤山隧道(22.7 km)、南疆线的中天山隧道(22.4 km)、向莆铁路的青云山隧道(22.2 km)、成昆线的小相岭隧道(21.8 km)、张唐线的燕山隧道(21.1 km)、太中银线的吕梁山隧道(20.8 km)、兰武线的乌鞘岭隧道(20.1 km)和敦格铁路的当金山隧道(20.1 km)等[1-7]。

郭春等[3]对紧急救援站的机电配置、防灾通风以及消防措施等进行了规划研究； 孙海富[4]对紧急救援站的横通道设置数量、风机布置以及防灾设备控制系统进行了研究； 谢勇涛等[5]结合设计资料，对紧急救援站的长度、横通道设置的数量以及站台宽度、高度等参数给出了简单建议值； 曹正卯[6]对紧急救援站的横通道间距及数量进行了初步研究并给出了推荐值； 罗章波[7]通过调研的方法对紧急救援站长度、横通道设置数量及间距等参数进行了研究。

我国结合石太客专也开展了较多研究，并编制发布了TB 10020—2012《铁路隧道防灾救援疏散工程设计规范》，规定： 长度在20 km及以上的铁路隧道及隧道群需要设置紧急救援站[8]。由于我国的长大铁路隧道很多，如何将防灾救援疏散工程设置与我国的国情、防灾救援管理结合仍需要研究。其中，紧急救援站的建设成本费用成为长大隧道防灾救援设计的关注点，而关于紧急救援站疏散设施设计参数的相关研究还相对较少。

因此，对紧急救援站疏散设施设计参数进行仿真研究，确定设计思路及设计方法，不仅可以保证事故列车停靠在紧急救援站时人员疏散的安全，也可以控制紧急救援站的建设成本，对指导铁路隧道紧急救援站的设计具有指导作用。

1 紧急救援站疏散设施设计参数优选准则

紧急救援站结构是否最优由人员疏散的必需安全时间和人员聚集时间来判断。人员必需安全疏散时间是指自列车停止开始至全部人员疏散到安全区域的时间，这里安全区域是指紧急救援站的横通道内，因为有防烟措施，所以横通道内环境为安全状态； 人员聚集时间是指自横通道口开始出现人员聚集现象至人员聚集现象消失的时间。

紧急救援站最优设计参数是指人员的必需安全疏散时间达到最少(随结构尺寸的增大，必需安全疏散时间不再明显减少)，并且人员在工程合理设计参数条件下的聚集时间短暂(聚集时间<30 s)时对应的设计参数。

2 紧急救援站疏散设施设计参数研究方法

2.1 研究方法

采用building-EXODUS人员疏散仿真计算软件对不同结构参数下的人员疏散进行模拟计算，得到人员在各结构设计参数条件下的必需安全疏散时间和人员聚集时间，由最优设计标准确定出最优的结构设计参数。

该模型采用C++面向对象编程技术及规则库概念对模拟过程进行控制，考虑了人与人、人与建筑物之间的交互影响。模型由几何空间和人员个体2部分组成，几何空间由单元节点连接而成，1 m×1 m四边形节点布置如图1所示[9]。

图1 1 m×1 m四边形的节点(单位： m)

building-EXODUS模拟人员疏散时，在人员移动参数修正方面有2个功能： 1)减少人员上下台阶或拥挤时人员的疏散速度； 2)人员疏散过程中，人员自动选择用时最少或距离最短的路径疏散。

2.2 模型参数

模型计算前需要的参数包括隧道及列车的几何参数和人员属性参数(性别、年龄和疏散速度等)，模型计算过程中已考虑了人员行为反应特征(疏散路线选择、遇障碍绕行或跳跃等)、疏散通道的有效宽度及出口阻塞情况等。具体参数如下：

1)隧道宽度选取200 km/h双洞单线铁路隧道标准设计断面尺寸，即宽度为6.5 m。选取由17节车厢组成的旅客列车为研究对象，列车总长470 m。

2)硬座车厢按超载60%计算，共2 145人。每节车厢定员数量如表1所示。根据铁路客流调研结果可知，人员分配比例如图2所示[10]。

表1 车厢定员数量

图2 不同人群分布比例

Fig. 2 Proportions of people with different ages and genders

在火灾中，人员疏散速度主要受烟气浓度的影响。在不考虑其他因素的条件下，人员疏散速度与烟气浓度的关系采用Frantzich等[11]提出的拟合经验公式表示，即

(1)

在火灾环境中，烟气浓度较大，视线完全看不清时，消光系数的临界值为0.40[12]。但在火灾初期，隧道内烟气浓度还不是较大，因此，取Ks=0.35。

由于隧道内的空间有限，人行通道较窄，以及需要尽量远离火源疏散，所以，人在逃生过程中不可避免地会在在不平地面或铁轨上行走。根据《建筑防火规范》规定，人在不平地面或台阶上的疏散速度大约是在平地上疏散速度的86%，因此，速度折减系数取0.86。

根据式(1)和不平坦地面时人员疏散速度的折减系数，计算得到4类人群在不同条件下的疏散速度[13]，见表2。

表2 不同人员类型的疏散速度值

Table 2 Evacuation speed of people with different ages and genders

m/s

3 紧急救援站疏散设施设计参数设计内容

铁路隧道紧急救援站疏散设施设计参数包括紧急救援站加密横通道的宽度、间距以及站台的长度、宽度和高度。

3.1 紧急救援站联络横通道的间距和宽度

紧急救援站的结构型式一般为在紧急救援站范围内采用横通道加密的结构型式。因此，在站台宽度固定的条件下，对不同横通道间距及宽度组合下的人员疏散进行建模计算，得到人员的必需安全疏散时间和人员聚集时间，由最优设计标准确定出最优的横通道间距与宽度组合。

3.1.1 人员疏散仿真计算模型

选取横通道间距分别为50、60、70、80 m 4个参数，横通道的宽度为2、2.5、3、3.5、4 m 5个参数进行组合计算，共20组计算值。计算各组合时，假设紧急救援站站台宽度足够大，且不影响人员疏散速度。4种横通道间距的紧急救援站的人员疏散模型如图3所示。

图3 紧急救援站模型

3.1.2 计算结果分析

不同横通道间距及宽度组合情况下人员疏散完毕的必需安全疏散时间和人员聚集时间如表3所示，横通道入口处的聚集情况如表4所示。

表3 不同横通道间距和宽度组合下人员疏散时间表

Table 3 Evacuation time under combinations of different spacing and width of evacuation passageway

工况横通道间距/m横通道宽度/m聚集时间/s疏散时间/s1502612242502．5342123503101984503．501985504019866021032487602．5832238603482159603．5162151060402151170211726412702．595249137035223614703．5182361570402361680219433217802．5108281188035726519803．523265208040265

由表3和表4可知： 横通道间距越大，人员疏散所用的必需安全疏散时间越多； 横通道的宽度越小，人员疏散所用的必需安全疏散时间越多，在横通道入口处人员聚集的时间越长。

表4 不同横通道间距和宽度组合下人员聚集情况

Table 4 Personnel gathering time under combinations of different spacings and widths of evacuation passageway

宽度/m间距/m506070802一般一般一般较严重2．5短暂一般一般一般3短暂短暂短暂短暂3．5不聚集短暂短暂短暂4不聚集不聚集不聚集不聚集

1)当横通道间距为50 m、宽度为3 m时，人员疏散所用的必需安全疏散时间为198 s，在横通道入口处有短暂人员聚集现象。

2)当横通道间距为60 m、宽度为3.5 m时，人员疏散所用的必需安全疏散时间为215 s，在横通道入口处有短暂人员聚集现象。

3)当横通道间距为70 m、宽度为3.5 m时，人员疏散所用的必需安全疏散时间为236 s，在横通道入口处有短暂人员聚集现象。

4)当横通道间距为80 m、宽度为3.5 m时，人员疏散所用的必需安全疏散时间为265 s，在横通道入口处有短暂人员聚集现象。

横通道宽度与人员必须安全疏散时间的关系如图4所示，横通道宽度与人员聚集时间的关系如图5所示。

图4 横通道宽度与必需安全疏散时间关系图

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

图5 横通道宽度与人员聚集时间关系图

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

由图4可知： 当横通道宽度增加到3 m时，人员疏散的必需安全疏散时间基本无变化。

由图5可知： 当横通道间距为50 m，横通道的宽度为3 m时，人员的聚集时间短暂； 当横通道间距为60、70、80 m，横通道的宽度为3.5 m时，人员的聚集时间短暂。

因此，当横通道间距为50 m时，横通道的宽度最小为3 m； 当横通道间距为60、70、80 m时，横通道的宽度最小为3.5 m。

3.2 紧急救援站站台长度、高度和宽度

3.2.1 紧急救援站站台长度

紧急救援站的长度采用17辆编组长度加一定富余量，由于客运列车的长度约为470 m，故紧急救援站长度可按照500 m设计。紧急救援站站台平面布置如图6所示。

图6 紧急救援站站台平面布置图

3.2.2 紧急救援站站台高度

瑞典隆德大学的Anders J. Noren和Joel Winer对地铁车辆人员在不同台阶高度下的人员下车速度进行了测试，结果如表5所示。

表5 人员在不同站台高度下的下车速度

我国客运列车车厢地板距轨面约1 m的垂直高度，则站台高度(站台面到轨面的垂直距离)与人员下车疏散速度的关系如图7所示。

图7 站台高度与人员下车速度的关系

由图7可知: 站台高度从0.3 m增到0.7 m时，人员下车的速度增加的不明显，只有当站台高度大于0.7 m时，人员下车的速度才有明显提高。

因此，结合我国铁路隧道限界情况，建议紧急救援站站台高度不低于0.3 m。

3.2.3 紧急救援站站台宽度

紧急救援站站台的宽度计算参数分别选取2、2.5、3、3.5、4 m 5种情况进行计算。

不同紧急救援站站台宽度下人员疏散完毕的必需安全疏散时间和聚集时间如表6所示，紧急救援站站台上人员聚集情况如表7所示。

表6 不同紧急救援站站台宽度下人员疏散时间表

Table 6 Evacuation time under different heights of emergency rescue station platform

工况横通道间距/m横通道宽度/m站台宽度/m聚集时间/s疏散时间/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 不同横通道间距和宽度组合下人员聚集情况

Table 7 Personnel gathering time under combinations of different spacings and widths of evacuation passageway

站台宽度/m横通道间距/m，宽度/m50，360，3．570，3．580，3．52一般一般一般一般2．5短暂短暂一般一般3短暂短暂短暂一般3．5短暂短暂短暂短暂4短暂短暂短暂短暂

由表6和表7可知：

1)当横通道间距为50 m、宽度为3 m时，站台宽度为2.5 m对应的人员疏散必需安全疏散时间为208 s，站台上人员聚集时间为21 s，聚集情况短暂。

2)当横通道间距为60 m、宽度为3.5 m时，站台宽度为2.5 m对应的人员疏散必需安全疏散时间为230 s，站台上人员聚集时间为29 s，聚集情况短暂。

3)当横通道间距为70 m、宽度为3.5 m时，站台宽度为3 m对应的人员疏散必需安全疏散时间为240 s，站台上人员聚集时间为16 s，聚集情况短暂。

4)当横通道间距为80 m、宽度为3.5 m时，站台宽度为3.5 m对应的人员疏散必需安全疏散时间为265 s，站台上人员聚集时间为23 s，聚集情况短暂。

紧急救援站站台宽度与人员必需安全疏散时间的关系如图8所示，紧急救援站站台宽度与人员聚集时间的关系如图9所示。

图8 紧急救援站站台宽度与必需安全疏散时间关系图

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

图9 紧急救援站站台宽度与人员聚集时间关系图

Fig. 9 Relationships between emergency rescue station platform width and personnel gathering time

由图8可知： 随着紧急救援站站台宽度的增加，人员疏散的必需安全疏散时间逐渐减少，当站台宽度大于2.5 m时，人员必需安全疏散时间减少趋势不再明显。

由图9可知： 随着紧急救援站站台宽度的增加，人员在站台上聚集的时间逐渐减少，当横通道间距为50 m和60 m时，紧急救援站站台的宽度为2.5 m对应的人员聚集时间短暂; 当横通道间距为70 m时，紧急救援站站台的宽度需要3 m才能保证疏散人员在紧急救援站站台上聚集的时间比较短暂; 当横通道间距为80 m时，紧急救援站站台的宽度需要3.5 m才能保证疏散人员在紧急救援站站台上聚集的时间比较短暂。

综上所述，考虑到经济成本，长大铁路隧道紧急救援站横通道间距不大于60 m，横通道宽度不小于3.5 m，紧急救援站站台的宽度不小于2.5 m。

4 结论与建议

4.1 结论

以17辆编组的旅客列车发生火灾事故在隧道内紧急救援站停车疏散为例，通过对长大铁路隧道紧急救援站疏散设施参数的设计研究，得到以下主要结论：

1)紧急救援站的疏散横通道间距不大于60 m，宽度不小于3.5 m；

2)紧急救援站的站台长度不小于500 m，高度不低于0.3 m，宽度不小于2.5 m。

4.2 建议

通过以上研究及结论可知，关于紧急救援站的设计参数，尚未解决的问题主要是疏散横通道高度的确定，由于其参数确定需要考虑隧道通风换气等因素的影响，因此，还需对其进行详细的深入研究。

[1] 王应权. 长大铁路隧道施工通风方案选择及优化[J]. 地下空间与工程学报,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] 赵录学. 长大隧道通风与防灾技术研究[J].隧道建设,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,赵海东. 铁路特长隧道火灾应急救援问题研究[J].中国安全科学学报,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] 孙海富. 石太客运专线长大隧道防灾救援设计研究[J].铁道工程学报,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] 谢勇涛,丁祥. 香山特长隧道运营通风及防灾救援方案设计研究[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. 关角隧道运营通风防灾技术研究[D]. 成都： 西南交通大学,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] 罗章波.包兰铁路青天寺隧道运营通风及防灾救援设计[J].地下空间与工程学报,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] 铁路隧道防灾救援疏散工程设计规范: TB 10020—2012[S]. 北京: 中国铁道出版社,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] 杨立中. 建筑内人员运动规律与疏散动力学[M].北京： 科学出版社, 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 Tät Rök: Beteende Och Förflyttning[J]. Department of Fire Safety Engineering, 2003: 75-76.

[12] 霍然,胡源,李元洲.建筑火灾安全工程导论[M]. 北京： 中国科学技术大学出版社,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,于丽.铁路隧道斜井式紧急出口的入口段结构参数确定[J].中国铁道科学,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

国家自然科学基金(51308472)； 中国铁路总公司科技研究开发计划课题(2014G004-C)； 中国铁路总公司科技研究开发计划课题(2015T004-B)； 西南交通大学博士研究生创新基金

王明年(1965—)，男，安徽舒城人，1999年毕业于西南交通大学，桥梁与隧道工程专业，教授，博士生导师，主要从事隧道与地下工程方面的教学与科研工作。E-mail: 19910622@163.com。*通讯作者： 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