随机停车模式下高速铁路双线隧道横通道间距的确定

严　涛，王明年，李　琦，刘　祥，张子晗，赵菊梅

(1.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；2.西南交通大学 土木工程学院，四川 成都　610031；3.中国中铁二院工程集团有限责任公司，四川 成都　610031；4.中国电建集团 成都勘测设计研究院有限公司，四川 成都　610072)

随着铁路新线的建设，时速超过200 km·h-1、长度超过10 km的双线铁路隧道逐渐增多。在这些特长高速铁路双线隧道中，若发生火灾等事故，主要依靠双线间的横通道使2条主隧道互为救援通道，因此横通道的设置间距关系到救援效率。

近年来，很多学者针对双线铁路隧道横通道间距设置展开了研究。黎旭[1]通过调研得到我国时速不超过200 km·h-1的双线铁路隧道横通道间距大多在250～500 m之间。丁良平[2]以狮子洋海底双线隧道为依托工程，研究了随机停车模式下烟雾扩散及人员逃生规律，得到横通道间距不应超过330 m。张念[3]对平均海拔高度3 350 m的关角隧道随机停车模式下防灾救援进行研究，得到横通道间距设置不应超过420 m。此外，李琦等[4-5]对铁路隧道紧急出口结构参数以及人员疏散时间进行了研究。这些研究取得了一定的成果，但其均在非高速、高海拔、海底等特定条件下计算得到的横通道间距，而2012年颁布的《铁路隧道防灾救援疏散工程设计规范》[6]规定隧道横通道的间距不应大于500 m。随着高速、特长铁路隧道的日益增多，建立我国高速铁路隧道的横通道间距设置方法，对于高速铁路隧道防灾救援工程设计具有重要指导意义。

本文针对高速铁路双线隧道内列车发生火灾且完全丧失动力而随机停车等的最不利工况，分别仿真模拟可用的安全疏散时间和必需的安全疏散时间；根据人员安全疏散的时间控制条件，研究保证人员安全疏散的最大横通道设置间距。

1　人员安全疏散的时间控制条件

隧道内列车火灾救援涉及以下2个特征时间。

(1) 可用的安全疏散时间tASET：是指火灾自发生时起直至发展到对人员构成危险时止的时间。其中火灾对人员构成危险是指：在人眼特征高度Z=2.0 m处，烟气的温度超过80 ℃，烟气的可见度小于10 m。影响因素主要有辐射热、对流热、毒性、能见度等。其中辐射热、对流热属于温度指标；毒性、能见度属于可见度指标。在人眼特征高度Z=2.0 m处，只有当火灾同时满足烟气的温度不超过80 ℃、烟气的可见度不小于10 m这2个条件[7]，才能够保证人员安全疏散。因此，将第1个条件作为人员安全疏散的温度控制条件，第2个条件作为人员安全疏散的可见度控制条件。

(2) 必需的安全疏散时间tRSET：是指在火灾工况下车上所有的人员下车并逃生到安全地点所需的最少时间，主要包括停车后人员的下车时间t1和疏散时间t2。

在高速铁路双线隧道内，列车发生火灾后，若列车动力未完全丧失，可继续运行，则可将列车开行至洞外或洞内的紧急救援站进行救援；若列车脱轨，或者列车动力完全丧失而随机停车，则只有对人员进行疏散。火灾发展与人员安全疏散的时间线如图1所示，人员安全疏散的时间控制条件为tASET>tRSET。

图1　火灾发展与人员疏散的时间线

2　列车随机停车模式下人员安全疏散的最不利工况

在列车随机停车模式下，若列车停车位置距离隧道洞口较近，此时人员可以从洞口安全逃生，而本文不考虑这种情况，仅考虑列车停车位置在2个横通道间或正对横通道，人员只有通过横通道进行疏散的情况。同时假设：列车运行方向为线路下坡方向；列车上的着火部位分别位于车头、车身和车尾3处。对这些因素进行综合比较，结果列于表1中。

表1　列车随机停车模式下各人员逃生工况的状态表

由表1可知：工况4为最不利工况，这主要是因为，列车停车后车头正对着横通道且着火位置在车头，使挨着着火部位的这个横通道完全不能用于人员疏散，人员只能向另一侧的横通道进行疏散，疏散路径最长，同时线路又是上坡，导致逃生人员拥堵，疏散速度降低。该工况下人员疏散路线如图2所示。

图2　列车随机停车模式下人员逃生最不利工况示意图

3　人员逃生最不利工况下横通道间距

3.1　不同横通道间距下可用的安全疏散时间

根据现行高速铁路隧道的实际结构型式，建立人员逃生最不利工况下的火灾仿真模型，采用火灾动态模拟器FDS计算最不利工况下隧道内不同位置处的烟气温度和烟气可见度，从而确定不同横通道间距下可用的安全疏散时间。

3.1.1火灾仿真模型及模型参数

1)火灾仿真模型

隧道长度为700 m；列车选取YZ25T型常用旅客列车，列车由17节车厢组成，长469.3 m；车厢的长×宽×高为26.5 m×3.3 m×3.8 m；设沿隧道纵向方向为x方向，横向方向为y方向，竖直方向为z方向。以横通道间距500 m为例，其中进口段隧道长度为100 m，出口段隧道长度为100 m，车头部位着火，且正对横通道，则人员逃生最长距离为500 m，由此建立的火灾仿真模型如图3所示。

图3　火灾仿真模型

为保证计算速度和计算精度，仅将火源点前后网格加密，其中，火源附近100 m范围内加密网格的尺寸为0.5 m×0.2 m×0.2 m，其余网格尺寸为2.0 m×0.2 m×0.2 m，如图4所示。

图4　模型网格图

2)模型参数

(1)火源功率：对于随机停车模式，丁良平[2]将列车着火时的火源功率取为15 MW。张念[3]对高海拔特长铁路隧道列车着火时的火源功率上限设定为15 MW。文献[8]认为，目前旅客列车火灾时的火源功率上限大多取15～20 MW。由于火源功率越大，生成的烟雾越多，产生的温度越高，因此，从保守考虑，本文取火源功率为20 MW。

(2)火源功率增长系数：火灾一般分为发展阶段、稳定阶段和衰减阶段；其中在发展阶段，温度升高极快。火源功率的增长速度分为慢速、中速、快速和超快速，本文保守考虑，火源功率增长速度取为超快速，其增长系数为0.187 8。

(3)火源位置及火源面积：火源位置选取最不利工况下的位置，火源面积为1.0 m×1.0 m。

(4)横通道的间距和长度：横通道间距分别取500，400，300 m；横通道长度均取40 m。

(5)自然风风速：根据山岭隧道的地理环境特点，取风速为2.5 m·s-1的纵向自然风。

3)测点布置

从火源点开始，在人眼特征高度(z=2 m)处沿隧道纵向中心线往出口方向布置监测点，测点间距为50 m，测点布置长度均取600 m，即3种横通道间距的测点均为13个，以横通道间距为500 m时为例，其测点布置如图5所示。

图5　测点布置图

3.1.2火灾仿真计算结果分析

1)烟气可见度的变化规律

横通道间距为500 m时各测点的烟气可见度随时间变化曲线如图6所示。由图6可知：烟气可见度随着火灾燃烧时间的推移逐渐降低，火源点附近处(测点1—测点7)烟气可见度波动性比较大，这是因为烟气受到火焰羽流的影响，使得火焰面来回摆动，继而影响到烟雾的空间分布；在同一时间点，沿隧道纵向距离火源点越近烟气可见度较高，随着逐渐远离火源点，烟气可见度呈现先降低后升高的趋势，这主要是因为火灾发展过程中，火源点温度急剧升高，使得高温烟气上升至隧道拱顶，而火源点附近隧道底部的冷空气会不断地向火源点处补充新鲜的空气(测点1和测点2)，此时高温烟气主要聚集在隧道上部；随着时间的推移，烟气温度逐步降低，烟气下沉到隧道底部(测点4)。

2)烟气温度的变化规律

横通道间距为500 m时各测点的烟气温度随时间变化曲线如图7所示。由图7可知：测点2，3，4，5处的温度先后超过80 ℃，进入危险状态，其余测点在整个计算过程中均未超过80 ℃。

图7　各测点烟气温度的变化曲线

3)3种横通道间距下可用的安全疏散时间

表2和表3分别为不同横通道间距下各测点烟气的可见度、温度进入危险状态所需要的时间。由表3和表4可知：各测点烟气可见度进入危险状态所需要的时间远小于烟气温度进入危险状态所需要的时间。因此，本文不考虑烟气温度这个参数，仅以烟气可见度作为人员安全疏散的控制条件。以人眼高度处烟气可见度不小于10 m作为控制条件，不同横通道间距下距火源点不同距离处可用的安全疏散时间如图8所示。

表2不同横通道间距下各测点的烟气可见度进入危险状态所需要的时间

测点编号距火源点距离/m所需要的时间/s500m400m300m10000250399400402310042032941141503203573665200360405410625042046646373004804885148350510504504940054054054010450593575576115005855895921255063063063013600675677667

表3不同横通道间距下各测点的烟气温度进入危险状态所需要的时间

测点编号距火源点距离/m所需要的时间/s500m400m300m10000250392392400310043243743041505274625305200800700820

图8　不同横通道间距下可用的安全疏散时间

3.2　不同横通道间距下必需的安全疏散时间

取最不利工况，横通道间距分别为500，400和300 m，根据车辆、人员参数，采用人员疏散模拟EVAC软件监测人员疏散过程，得到必需的安全疏散时间。

3.2.1模型参数

(1)车辆参数：仍以YZ25T型旅客列车为例，列车编组为17辆，如图9所示，其中，发电车1辆(1号车厢)、硬卧车5辆(2—6号车厢)、软卧车1辆(7号车厢)、餐车1辆(8号车厢)、硬座车8辆(9—16号车厢)和货车1辆(17号车厢)。旅客车厢内座位布置如图10所示。

图9　列车编组

图10　旅客车厢内座位布置图

(2)人员参数：列车载客量按照不同车厢的定员数及其一定的超载比例取2 145人。不同年龄、不同性别人员的分配比例见表4。不同人员的疏散速度参照文献[9]中进行取值：16岁及其以下男女、17～49岁男性、17～49岁成年女性和50岁及其以上男女分别取0.67，1.00，0.80，0.60 m·s-1。

表4　人员分配比例

3.2.2人员疏散路径及测点布置

人员疏散路径如图11所示。测点布置如图5所示，因人员是疏散到第2个横通道，第2个横通道以外的测点没有意义，故删去图5中第2个横通道以外的测点，所以横通道间距为500，400和300 m时，分别有11，9和7个测点。

图11　人员疏散路径

3.2.3各测点处人员逃生必需的安全疏散时间

在测点处测得的最后1位人员通过该处时所用的时间即为该测点处必需的安全疏散时间。不同横通道间距时各测点处必需的安全疏散时间如表5和图12所示。由表5和图12可知：横通道的间距越近，必需的安全疏散时间就越短。

表5　不同横通道间距时各测点处的必需的安全疏散时间

图12不同横通道间距下距火源点不同距离处必需的安全疏散时间

3.3　隧道横通道间距的确定

为确定人员安全逃生的最佳横通道间距，将人眼特征高度处烟气可见度不小于10 m作为控制条件得到的可用的安全疏散时间，并将其与必需的安全疏散时间进行对比，如图13所示。

图13　不同横通道间距时可用的安全疏散时间与必需的安全疏散时间对比

从图13可知：在横通道间距为500 m时，距火源点距离大于350 m后，各测点处可用的安全疏散时间均小于必需的安全疏散时间；在横通道间距为400 m时，距火源点距离大于300 m后，各测点处可用的安全疏散时间均小于必需的安全疏散时间；这些测点处不能满足人员安全疏散的时间控制条件，说明此时横通道的间距不足以保证人员安全疏散。当横通道间距为300 m时，在人员疏散路径上所有测点处可用的安全疏散时间均大于必需的安全疏散时间，满足人员安全疏散的时间控制条件，说明此时横通道的间距可以保证人员的安全。因此，为保证火灾工况下人员逃生安全，建议横通道间距取为300 m。

4　结　论

(1)计算得到了最不利工况下横通道间距为500，400和300 m处人员逃生可用的安全疏散时间为585，540和514 s，必需的安全疏散时间分别为759，645和480 s。

(2)根据人眼特征高度处烟气可见度不小于10 m时可用的安全疏散时间大于必需的安全疏散时间作为控制条件，当横通道间距分别为500和400 m时，其可用的安全疏散时间小于必需的安全疏散时间，不满足人员逃生的时间控制条件，人员逃生是危险的；当横通道间距为300 m时，其可用的安全疏散时间大于必需的安全疏散时间，满足人员逃生的时间控制条件，人员逃生是安全的。因此，建议高速铁路隧道横通道的设置间距为300 m。

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