铁路与林区防火基础设施一体化设计技术初探

仝明萍，姚令侃，2

(1.西南交通大学土木工程学院，成都 610031;2.西南交通大学防灾减灾工程研究所，成都 610031)

我国是一个森林火灾多发的国家，据统计，1988～2006年全国平均每年发生森林火灾7 537次，火灾烧毁森林面积9.7万hm2，火灾受害率为0.56‰，因森林火灾死亡54人、受伤146人［1］。山区森林资源丰富，地形坡度较大使得大火蔓延更加迅速，增加了大型火灾的危险;同时，由于山区森林连接成片，地形复杂，交通不便，巡山护林困难，消防人员很难快速到达事发现场，错过救火的最佳时机，给扑救工作带来很大的困难。

在森林防火中，林区道路可以起到阻隔林火蔓延的作用，是森林防火重要的基础设施。合理的林区道路网能够保证及时输送灭火人员和物资到达火灾现场，以利于迅速扑灭森林火灾。目前，受国家投资和地形地貌的影响，我国林区道路密度低，路况差，病害多，有利于防火的公路网密度是400 m/km2［2］，然而我国林区防火道路网密度仅为150 m/km2(国家林业局，全国森林防火中长期规划)。国外林区道路修建成网，密度一般达到1 000 m/km2，有利于开展森林防火工作［3］。与发达国家相比，我国林区道路的建设急待加强。

据统计，森林火灾中地表火发生最为频繁，占森林火灾总数的90%以上，铁路工程对于地表火和地下火有很好的阻隔作用。例如1987年大兴安岭“5·6”大火，东部火场的南界由于有铁路线作为依托，便于实施扑火措施，因此东部火场南界扑火效果明显，但其余地域火场缺乏铁路的依托，基本按自然规律扩展，扑火没有起到多大作用［4］。出于对环境保护的考虑，目前过林区铁路主要选择绕避或以隧道方式穿过两种方案，以减少树木的砍伐量。针对我国林区由于资金短缺防火基础设施极不完善的现状，合理的设计可使铁路成为林区防火基础设施的重要组成部分，铁路建设对于改善森林的环境安全状态有着积极的作用。但目前对兼具防火功能的林区铁路设计研究甚少，本文即从选线与横断面设计等方面对林区铁路的设计进行专题研究。

1 林区铁路设计技术

1.1 林区铁路的总体要求

林区铁路的设计，选线是极为重要的一步，林区铁路选线首先要在兼顾林区防火要求的基础上，以林区火灾发生后救援及时快捷为原则，充分利用有利地形进行选线;横断面布置方式决定了铁路的隔火效果，是设计工作的重点。林区铁路的设计方法与常规铁路有所不同，林区铁路设计技术如图1所示。

图1 林区铁路设计技术

1.2 林区铁路选线布局原则

林区铁路选线要兼顾铁路建设与环境保护的协调发展，铁路隔火功能和方便救火的优点说明了铁路建设对森林安全有益，在选线过程中应遵循以下原则。

(1)林区铁路设计首先要保证林火扑救的及时和快捷

林区铁路的修建要保证救火人员快速到达火灾现场，林区道路网规划模式可以采用扇形和鱼骨形(图2)。当铁路部分穿过林区或穿过道路网密集的林区，可将路网规划为扇形路网，铁路与公路通过车站连接;当铁路穿越整个林区时，林区路网可以铁路为纵向骨干，多条横向公路防火通道直接与铁路连接以构成防火通道网络，火灾发生时直接通过铁路向两侧森林输送灭火人员、装备和物资。

图2 林区道路网规划模式

(2)线路设计考虑天然防火带(河流、山脊线)的综合布局

河流两侧发生火灾后可以利用水源进行灭火;根据林火现场试验，南方山脊防火线的宽度10 m，4行木荷树的防火隔离带就可阻止火灾的蔓延［5］。因此河流和山脊是林区内天然的防火隔离带，铁路线路应穿过林区中部并且平行于河流、山脊线以形成更多的防火隔离带。

(3)根据林区火险等级区划铁路穿过火险等级高的林区

火险等级高的林区，防火能力差，火灾的预防和救援需求更加突出。根据火险等级区划，铁路直接穿过火险等级高的林区，火灾发生后阻断林火的同时也有利于扑火工作。

(4)铁路尽可能通过有水源的地区并在水源附近设站

目前以水灭火是森林火灾扑救的主要方式，林区内水资源不足已成为森林灭火重要的瓶颈因素［6］。铁路运输大量物资的优势促进了水源的再次分配，使得火灾发生时可及时的利用铁路运送水源扑救火灾，因此应在水源附近设站以解决消防水源的问题。

(5)铁路应穿过森林郁闭度低且易燃性高的林区

森林郁闭度低的地方，树冠遮盖面积小，蒸发量大，树木底层湿度小，发生火灾危险性大;油松、侧柏等树种含油较多，很容易燃烧，危险性高。铁路应尽量选择穿过郁闭度低且易燃性高的林区。

1.3 林区铁路定线要点

由于林区地形复杂多变，而地形又是影响林火蔓延的重要因素。为了满足森林隔火的要求，以地形因素为指导的林区铁路定线要点如下。

(1)铁路首先选择从阳坡通过

山的向阳侧直接受到太阳照射，平均温度高、蒸发量大且湿度低;白天气流顺坡而上形成上坡风，夜晚空气顺坡下滑，形成下坡风，对火的强度和蔓延速度影响很大。经调查，阳坡森林火灾发生次数较多［7］，因此铁路应首先选择从阳坡穿过。

(2)铁路走向与当地森林防火季节主导风向垂直

风能降低林内湿度，加速可燃物干燥，增大火灾发生的可能性;火灾发生后，风能改变热辐射、增加热平流并补充氧气加速燃烧进程，使林火烧得更旺盛。铁路能够阻断大火沿风向的蔓延，因此铁路走向应与当地森林防火季节主导风向垂直，夹角在80°～100°为宜［8］。

(3).铁路高程宜选择在易发生火灾的海拔高度

在山区低海拔地区，人类活动频繁，交通方便，一旦着火易于扑救，不易酿成大火;山区中部人员活动相对较少，而且森林干燥度较大，容易发生火灾;高海拔地区随着海拔高度增加，温度降低，蒸发减小，湿度变大，发生林火的可能性降低。如根据统计资料，西藏地区森林火灾多发生在海拔2 800～3 600 m的阳坡森林中［9］，铁路以从此海拔高程通过为宜。

(4)铁路定线横坡应选择隔火效益和工程综合效益好的部位

铁路横穿坡体，在定线时需同时考虑隔火效益和工程造价两方面的因素，这里提出一种选择最佳定线横坡坡度的简单方法。

森林火场燃烧和蔓延状况随地面坡度的不同而有很大的差异。地面坡度增大时，热辐射和对流增大，大火蔓延速度快、强度高。坡角每升高5°，林火的蔓延速度就要加快1倍［3］，因此铁路设于地面坡度越陡的区带，隔火效益越显著;但当坡角大于35°时，由于燃烧物容易滚落形成新的火场，直接对扑火队员的生命安全造成威胁［10］，不宜直接扑打，所以从隔火的角度考虑，铁路定线横坡坡度越大越好，但坡角不宜超过35°。现定义反映铁路隔火效益的无量纲数g，本例中按地面坡角θ从0°～35°呈线性增加考虑隔火效益g随θ的变化，同时定义坡角为0°时g取0，35°时取1;若从铁路工程经济性角度考虑，一般地面横坡越陡，路基工程造价越高，现定义反映铁路工程经济性的无量纲数h，本例中按0°～35°范围h呈线性降低考虑h随θ的变化，同时定义在坡角为0°时 h取1，35°时h取0。按照以上定义，在坐标系中可画出反映g、h随θ变化的两条直线如图3所示，得出交点横坐标为17.5°。即在本例中若选择地面坡角为17.5°左右的坡度带定线，铁路的隔火功能和工程经济性的综合效益最高。

1.4 林区铁路横断面设计

铁路是一条带状建筑物，对林区火灾蔓延有良好的阻断作用，横断面设计是决定隔火效果的关键，设计时应考虑与防火沟、防火隔离带、防火林带和防火墙等防火基础设施的设计相结合。

图3 过林区铁路定线的最优地面坡度

从防火角度考虑林区铁路应尽量设计为路堤或路堑形式以起到隔火作用，与路堑相比，路堤兼有防火隔离带与防火墙的优点，具有更好的立体隔火效果，是二者中首选的工程形式。林区内的火灾可分为地下火、地表火和树冠火3种形式，铁路路基坡脚外选用卵石土、粗砾土等铺设防火带能够很好的将地表火、地下火阻断，因此铁路横断面设计主要考虑阻断树冠火的蔓延。

1.4.1 平原铁路横断面

《铁路工程设计防火规范》(TB10063—2007)规定:铁路通过林区时，应设置自铁路外侧线路中心距林木投影边缘不应小于30 m的防火隔离带。防火隔离带能有效地阻止树冠火的蔓延，是林区有效的防火基础设施，在隔离带中，可保留不宜燃烧的树木，但必须清理枯草杂枝，从而为消防人员提供安全的灭火场地［11］。

防火沟可以阻止地表腐殖质层引起的地下火的蔓延，铁路两侧边沟和排水沟也能实现这一功能，因此可将防火沟与边沟等结合在一起设计;当面向铁路侧墙体为防火墙或设置耐火极限3.0 h并高于轨面4.0 m的防火隔墙时，防火间距可适当减少，但不应减少到50%［12］。因此铁路与树木边缘距离不满足规范要求时，应设置防火墙对铁路机车予以保护。

因此由内向外横断面依次为:路基、边沟(防火沟)、防火隔离带、森林(树木高度取西藏林芝地区平均树高15 m)，对于平原微丘区可采用如图4所示的断面形式。

图4 林区铁路横断面示意(单位:m)

1.4.2 斜坡铁路横断面

斜坡路基可设置成半填半挖路基的形式，此时铁路不但在横向隔断地表火和地下火，垂直方向上也能阻止树冠火的蔓延。对于斜坡路基虽然目前规范尚无横断面设计的具体图示，但基本的原则是基于林火传播的立体特征进行横断面设计，现以半填半挖路基为例说明斜坡路基横断面设计的方法。

斜坡上地下火的传播规律与平地相同，但树冠火沿斜坡向上蔓延速度加快，坡角24°时火的蔓延速度可达到10 m/min，坡角每升高5°，林火的蔓延速度就要加快1倍;地表火则可能出现燃烧物沿坡滚落的情况，形成新的火场。

斜坡路基下侧森林一旦发生火灾，由于热辐射和热对流的影响大火向上蔓延迅速，因此按规范要设置30 m宽的防火隔离带。防火林带不但能够阻止上坡火的蔓延降低风速，与单纯的防火隔离带相比还可减少森林内的水土流失，起到保护环境的作用，因此宜将隔离带设计为防火林带;根据防火林带的野外阻火实验，下坡火的蔓延速度只有上坡火蔓延速度的0.16倍［5］，路基上侧主要考虑阻断滚落的燃烧物，因此从经济性考虑铁路两侧防火隔离带不必设置成对称形式，上侧防火隔离带宽度可适当缩短，根据规范本例中取最小值15 m。斜坡铁路横断面如图5所示。

图5 斜坡铁路横断面示意(单位:m)

为了阻断上侧林区滚下的燃烧物和由燃烧引起的倾倒的树木，斜坡路基上侧还应设置一面防火墙保护铁路安全。林区防火墙可与防落石墙的设计相结合，陡坡地段不宜设置防火墙的地段应以防护网代替。

2 运营期间林区铁路防火要求

发生森林火灾90%是人为火源引起。距离林道越近，人的活动更加频繁，发生林火的可能性就越大。运营期间应做好林区铁路防火管理工作，以防止铁路引发森林火灾。

(1)铁路上行驶的客货列车，是产生明火或散发火花的火源，加强对铁路本身火源的检控，保证铁路员工的用火安全，建立健全火车内部火灾的扑救办法。在防火期内，机车通过林区时，必须设有防火装置，严禁喷火漏火。

(2)铁路边坡种植难燃的灌木进行绿化，避免由铁路向森林的蔓延。铁路两侧防火隔离带内易生阳性杂草，燃烧性强，是引起森林火灾的重要地段，火烧防火线是很好的预防措施。

(3)铁路车站要满足设计防火规范的要求，避免车站成为火源。车站垃圾要定点排放，集中处理，完善铁路的垃圾回收工作，避免垃圾焚烧产生的火灾隐患。

(4)对施工管理人员和车站员工定期进行森林防火知识培训，宣传防火安全管理办法，加强相关法律和政策的学习。特别是在防火期内严禁人员在林区内使用火种。

(5)完善林区的防火救灾体系，增加林区防火基础设施的建设力度;注重灭火队伍的建设，森林火灾发生时，铁路部门应当按照森林火灾应急预案做好扑救森林火灾的有关工作，服从森林防火指挥机构的统一指挥，应当优先组织运送森林火灾扑救人员和扑救物资。

3 结语

传统的林区铁路主要选择绕避或以隧道方式穿过林区，但是设计合理的铁路可以作为林区防火基础设施重要组成部分，照此理念有时铁路以明线穿越林区，可以实现铁路建设和林区保护的双赢。对于林区铁路，我们提出定线时需综合考虑坡向、风向、海拔和坡度等影响火灾传播的因素;铁路横断面的设计主要需考虑隔火功能，如对半挖半填横断面，提出下侧需设置较宽防火林带、上侧设较窄的防火隔离带但需增设防火墙的断面设计形式;从而建立了铁路与林区防火基础设施一体化设计的初步技术框架。现提出以下尚需注意的其它问题。

(1)防火林带宽度的设定是决定林区铁路隔火功能的关键指标。现行铁路规范统一规定防火隔离带宽度取为30 m，未考虑地区气候的差异。建议在不同地区修建铁路时应视当地实际气候条件适当调整，如南方气候潮湿，防火隔离带的宽度就可适当降低。文定元针对南方森林提出防火林带有效宽度的关系式［13］

式中，Y为防火林带有效宽度，m;X1为可燃物载量，t/hm2;X2为林带高度，m;X3为风速，m/s。

从上式得出南方防火林带宽度12～15 m即可，可作为南方铁路防火隔离带宽度设置取值的参考。

(2)本文主要从防火角度考虑森林铁路的设计要点。不容忽视的是，考虑了防火隔离功能的林区铁路将对动物通行形成较大的障碍。因此在总体设计时，还应考虑设置动物通道等问题。

(3)铁路交通是地方旅游资源开发的重要基础服务设施，设计为明线的林区铁路无疑可为铁路观光旅游创造良好条件。因此林区铁路规划应与景区发展规划相协调，同时林区铁路景观设计也应成为设计的重要环节。

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