0 引言
中国已经是世界上铁路隧道运营里程最长、在建规模最大的国家。截至 2019 年底,中国铁路运营里程达 13. 9 万 km,运营隧道16084座,总长18041km; 在建隧道2950座,总长6419km; 规划隧道6395座,总长16326km。 当前,已投入运营长度大于10km的长大隧道 170 座,总长2312km,其中20 km以上特长隧道11座,总长262km; 在建长大铁路隧道123座,总长1689km,其中20km以上特长铁路隧道4座,总长108km; 规划长大铁路隧道362座,总长5359km,其中20km以上特长铁路隧道38座,总长993km。诸如成昆铁路扩能改造段(隧线比75. 7%)、 川藏铁路雅安至林芝段(隧线比83. 4%)等高隧线比线路越来越多。隧道内特别是长大隧道内发生灾害时会造成巨大的经济损失和恶劣的社会影响,为保障线路建成后安全运营,设计、管理单位对于此类隧道内防灾疏散救援工程愈加重视,投入也越来越大。
当前规范规定5 km以上隧道设置防灾疏散救援设备设施,20km以上隧道设置紧急救援站,与土建结构构造相匹配配置各类机电设备设施、监控系统等,统一组成隧道防灾疏散救援工程。 其设计过程涉及土建、电力、给排水、通信信号、消防等专业,运维过程涉及运输、机务、供电、工务、电务、车辆、客运、货运、信息、安监、宣传、调度等部门,是一个复杂的系统工程。近20年来,通过太行山隧道、乌鞘岭隧道、吕梁山隧道、关角隧道、西秦岭隧道 等多座长大铁路隧道在设计、通风技术、救援技术等方面的建设实践与科学研究,我国长大铁路隧道防灾疏散救援工程基本确立了“一隧一议、统筹设计、分项实施、专门管控” 的建设思路。目前,我国一般地区长大铁路隧道防灾疏散救援相关设计、配置、应对预案或措施已形成体系化并取得了长足发展,在设计原则、设计方法、运维管控、标准化贯彻实施等方面进步明显,形成了适应我国隧道发展并具有我国铁路特色的技术体系。
铁路隧道数量不断增加,隧址区域从一般地区延 伸至高海拔山地、城市及水下(海底)。 随着川藏铁路修建,多座海拔在3000m及以上的长大铁路隧道及大规模隧道群会涌现,如易贡隧道长度达到42. 486km,此类隧道建设面临高海拔、低压、低氧的环境条件和人迹罕至的社会条件等严峻挑战。以新建京张铁路八达岭地下车站为代表的深埋地下车站,对极端灾害条件下通风、疏散、救援提出了新的挑战。诸如广深港铁路福田站等地下综合枢纽工程,对城区密集环境多类型交通调度、大数量密集人员疏散等提出了新的要求。处于战略研究阶段的渤海湾海峡隧道、琼州海峡隧道对超埋深超长水下不良地质隧道防灾疏散救援土建结构设施建设、复杂公铁联合运维防灾等提出了新的需求。近年来,国铁集团、铁科院集团公司等单位已经立项了多项科研课题,针对高海拔地区长大防灾疏散救援工程进行研究,取得了一定的研究 成果。
本文在阐述防灾疏散救援体系组成的基础上,围绕体系所涉及的隧道火灾燃烧特性与致灾机制、土建结构设计与优化、机电设备设施设计与优化、监控系统 优化、疏散及救援5个方面的关键技术或问题,基于近年来一般地区和高海拔地区开展的防灾疏散救援相关专项科研课题的研究成果进行归纳总结,分析现状和存在的问题,指出需要进一步研究的方向,并对深埋地下车站、城区地下交通枢纽和水下(海底)隧道等领域防灾疏散救援研究趋势进行阐述。
1 铁路隧道防灾疏散救援体系组成
我国铁路隧道防灾疏散救援体系是在借鉴国内外先进理念和实践经验基础上建立起来的,主要体现了面向火灾并可应对其余灾种、主被动防灾与因地制宜相结合的理念。按照技术范畴可概括为“两设施两系统一模式”,即土建结构设施、机电设备设施、监控系统、管理系统及疏散模式。 铁路隧道防灾疏散救援体 系组成如图1所示。通常又将土建结构设施、机电设 备设施与监控系统合称为防灾疏散救援系统。 土建结构设施包括紧急救援站、横通道、平行导坑、疏散通道、紧急出口、避难所以及各类标线。机电设备设施主要为放置于隧道内的防灾风机风阀、应急照明、疏散指示与水消防设施。监控系统通过在路局或铁路运营公司 机房内设置的各类服务器等,远程监视、管理、维护、控制机电设备设施。管理系统可调动灾害条件下的应急预案,与疏散模式结合,开展救援工作。
图 1 铁路隧道防灾疏散救援体系组成
围绕上述技术体系,主要在基础理论与应用研究2个方面开展研究。基础理论研究方向分为隧道内火灾燃烧特性、探测预警及防治理论、防灾减灾安全工程理论及隧道内人群疏散动力学4个方面。防灾疏散救援基础理论研究方向概括如图2所示。应用研究主要包括工程设计及优化、设备设施研发及检验、专用软件开发与调试以及设备设施技术鉴定和规范性文件的制修订。防灾疏散救援应用研究方向概括如图3所示。
图 2 防灾疏散救援基础理论研究方向概括
图 3 防灾疏散救援应用研究方向概括
当前投入运营长度大于10km和20km的隧道分别超过了170座和10座,在前述2个技术领域的工程实践与科研成果丰富,其中隧道火灾致灾机制、土建结构设计与优化、机电设备设施优化、监控系统的开发以及应急疏散救援5个方面一直是研究的重点。研究并掌握隧道内火灾燃烧特性及致灾的机制是进行设计、建造、运营管理的基础,土建结构选型和实施为疏散救援提供了条件,设备设施的适用性及监控系统的良好运转是灾害条件下人员安全的可靠保障,灾害条件下的疏散模式和救援预案是运营期的必要储备。下文详细阐述这5个方面的关键问题及技术研究现状。
2 隧道火灾燃烧特性及致灾机制关键问题及现状
2. 1 隧道火灾特性及致灾机制研究范围
风、雨、雪、地震等自然灾害,乘客或维护人员的个人或群体行为,隧道工程地质环境和结构稳定性以及列车原因等都会直接或间接影响隧道的安全服役。根据国内外运营铁路隧道列车灾害事故统计分析[6-7] , 火灾、列车脱轨和列车碰撞、衬砌剥落致列车停车等事故占隧道运营期事故总数的80%以上,其中以火灾事故占比最大。 1851—2015 年,从公开文献收集的59例国外铁路隧道运营期灾害事件中,火灾占32 起; 1976—2014年,从公开文献收集的24例国内(含台湾地区2起)铁路隧道运营期灾害案例中,火灾占11起。如1987年8月,1818次货物列车穿越十里山2号隧道 时因钢轨折断引起油罐车在洞内起火,引起了人员伤亡与较大经济损失。长大隧道(群)内发生火灾造成的经济损失巨大、社会影响恶劣,因此,隧道内火灾燃 烧特性及致灾机制一直是长大隧道防灾疏散救援的研究热点。隧道内火灾燃烧特性及致灾机制研究框架如图4所示。基于火源(火焰)的发生发展及时空分析开展烟气逸散规律研究,主要包括烟气三维运动特征与温度、毒害气体、能见度和氧气体积分数的时空分布规律,通过致灾因素阈值分析,界定致灾界限值,进而分析火灾对人、结构、机电设备设施及列车的危害。
图 4 铁路隧道火灾燃烧特性及致灾机制研究框架
2. 2 隧道火灾特性及致灾机制研究现状
隧道火灾的燃烧特性、烟气控制及致灾机制多采用理论分析结合数值分析、试验等方法进行研究。在理论分析与数值分析方面,研究对象多集中在隧道燃烧特性、烟气控制技术、排烟模式、临界风速、控烟抑灾方面。国外标志性研究成果有 PIARC Committee on Road Tunnels, C5《Fire and Smoke Control in Road Tunnels》 和 UIC - Codex 779 - 9《Safety in Railway Tunnels》。国内相关文献对铁路隧道防灾疏散救援设计理念、排烟量计算、排烟方式、人员疏散救援等进行了系统研究,明确了火灾事故下排烟量计算公式、各类防灾疏散设施的控烟方式、控烟标准;提出了铁路隧道人员安全疏散时间控制标准,推导了基于行为模型和水力模型的人员疏散时间计算公式, 明确了高海拔地区人员逃生能力及隧道疏散结构参数的确定方法,对工程设计与规范编修具有参考和指导意义。
近30年来,日本、奥地利、德国、芬兰、挪威、美国均进行了铁路隧道全尺寸火灾试验,研究侧重于火灾持续时间与温度之间关系, PIARC Committee on Road Tunnels, C5 《 Fire and Smoke Control in Road Tunnels》 和 UIC - Codex 779 - 9 《 Safety in Railway Tunnels》等研究成果对长大隧道设计起到了借鉴作用。我国自20世纪80年代开始对此领域进行研究, 受限于客观条件,尚未进行系统性铁路隧道实尺模型试验, 仅在云南阳宗等多座公路隧道进行过试验 ,得到了不同火灾规模和风速条件下烟气运动规律。
2. 3 高海拔隧道火灾特性及致灾机制研究进展及存在的问题
近年来,在川藏铁路高海拔隧道防灾疏散救援工程相关科研中发现,由于低气温、低气压、低氧含量、低空气体积分数、空气浮力小使得隧道内火灾燃烧特性与致灾机制与一般地区迥异,烟气蔓延速率与温度、CO 体积分数、氧含量、能见度时空变化规律的不同, 使得高海拔地区机电设备设施选型、疏散时间、疏散预案甚至土建结构设计参数都有优化的空间。中国铁道科学研究院集团有限公司通过FDS软件对比分析海平面、海拔3500m 2种海拔高度下隧道救援站火灾烟气蔓延规律及致灾机制发现: 1)随着海拔上升,相同时间内海拔3500m的隧道烟气蔓延速率较海平面位置的隧道快约5%,烟气进入横通道的时间提前约110s(横通道间距为50m时); 2)相比海平面位置, 海拔3500m隧道火灾火焰温度下降约15%,但隧道顶部温度反而增加近150 ℃ ; 3)海拔3500m隧道火灾致灾机制较海平面存在一定差异,在高海拔环境下, 致灾因素除热辐射、温度和能见度外,同等的CO体积分数、烟尘高度,其灾害后果更加严重。
囿于世界范围内已开通的长大隧道尤其是高海拔数量较少,国内外既有研究成果尚有以下不足: 1)数值分析与模型试验选取的火灾规模普适性差,是否适用于高海拔铁路隧道有待商榷; 2)既有研究中点状火源的设置与近年来多起列车燃烧事故所表现出的火焰沿着车厢串联蔓延现象不符; 3)可燃物类型考虑少, 如客运列车未考虑机油燃烧情况; 4)针对隧道正线研究多,针对洞内救援站研究少,而特长隧道列车着火多停靠于救援站; 5)研究结论在高海拔地区的应用侧重定性分析,定量结果少,仍需持续开展深入研究。此外,近年来见诸报导的 G281、D5689 次列车着火事件显示出非货运列车燃烧时同样产生大量浓烟,当前规范中建议设计选用的 20MW热释放速率是否可反映真实热辐射与烟气量等尚值得商榷,应组织开展专项研究,侧重1 ∶ 1实车燃烧试验,通过系统研究燃烧发 展速度曲线、烟气总量统计、烟气成分鉴别等,佐证或优化规范条文。
3 防灾疏散救援土建结构设计与优化关键技术及现状
3. 1 防灾疏散救援土建结构型式
隧道防灾疏散救援相关的土建结构主要有紧急救援站、辅助坑道、紧急出口、避难所、横通道[8] 。列车在隧道内发生火灾时,应控制列车驶出隧道进行疏散; 当列车不能驶出隧道,应控制列车停靠在紧急救援站进行疏散和救援。国内外长大铁路隧道洞内紧急救援站分为单洞双线隧道两侧平导型、双洞单线隧道服务通道型、双洞单线隧道加密横通道型(正线隧道排烟)、双 洞单线隧道加密横通道型(横通道排烟)及单洞单线隧道单侧平导型5种类型。隧道内紧急救援站结构示意如表1所示。对于紧急出口的结构型式主要有斜井式紧急出口、横洞式紧急出口、平导式紧急出口和在隧道侧壁开口形式的紧急出口4类。避难所的结构型式,主要有斜井式避难所和横洞式避难所2类。
表 1 隧道内紧急救援站结构示意
3. 2 防灾疏散救援土建结构设计优化与实施现状
土建结构设计和优化涉及隧道线型优选与设计、土建设施间距设置、土建设施类型设置以及设计参数优化。国外隧道防灾疏散救援工程设计理念如表2所示。我国当前长大隧道土建结构设计、优化遵循“以防为主、防消结合、以人为本、应急有备、方便自救、安全疏散”的总体原则。结合隧道工程的地形地貌、工程地质、救援便道以及相关工程设置情况,本着“因地 制宜、合理设置”的原则进行设计和优化。 TB 10020— 2017《铁路隧道防灾疏散救援工程设计规范》 中明确了紧急救援站、紧急出口、避难所、横通道、疏散通道等的设计位置、型式、规模、尺寸。
表 2 国外隧道防灾疏散救援工程设计理念
3. 3 高海拔隧道防灾疏散救援土建结构优化研究进展与待解决的问题
针对高原高海拔长大隧道防灾疏散救援土建设计与优化,国铁集团在川藏铁路建设前期研究中提出了 “以人为本、有序疏散、安全待避、限时救援” 的原则。基于此,健全防灾系统,预防灾害发生,建立完善的疏散设施及救援系统,提供人员安全、有效的疏散途径及避难场所,在限定的合理时间内将人员救援至相邻铁路车站或地方应急中心等安全地带,把灾害造成的影 响降至最低程度。
高海拔区域隧道火灾燃烧特性及致灾机制研究成果中可量化部分较少,其针对土建提出的优化建议较少。以下方面亟需开展研究: 1)线路高程大于3000m地段,烟气沉降速率加快,人员运动能力下降,可研究横通道设置间距是否应优化,以利于人员快速安全待避; 2)高海拔区域外部救援宜采用铁路自救为主, 辅以公路救援相结合的模式,条件允许时,考虑采用铁路、公路结合直升机等空中联合救援的可行性; 3)各类救援方式所需的土建结构设施建设对建设投资、生态环境、救援预案之间的影响效应; 4) 隧道内通风方式和通风标准修正以后对土建结构排烟能力的评估。
4 防灾疏散救援机电设备设施优化关键技术
4. 1 隧道主要防灾疏散救援机电设备设施
长大隧道应采取可靠的防灾疏散救援设备设施, 一方面防止火灾的发生,另一方面控制灾害的发展,做 到预防与报警并重、有效快速灭火、快速疏散与救援。本着简单可靠、易于维护的原则,针对火灾特点和疏散救援特性,设置防灾通风、应急照明、疏散指示、水消防设备设施、防护门等。隧道内设备设施如图5所示。
4. 2 隧道防灾疏散救援设备设施优化研究现状与待解决的问题
在铁路隧道防灾救援疏散设备设施配置方面,目前有西欧8国开展的EUREKA 499项目、欧洲12个国家33个机构参与的FIT项目、欧洲委员会发起的UPTUN项目等系列研究。各个国家在铁路隧道的照明设施、火灾报警、应急通信等防灾救援设备设施方面的设置和标准存在显著差异,但其重视单一产品的标准化生产及检验检测。针对不同类型线路建立设备设施类型库,在设计阶段考虑全生命周期的设计理念,综合考虑隧道的投资、运维、防灾、施工等各种因素。经过有关各方评分后,选出最优配置方案。
图 5 隧道内设备设施
我国的铁路隧道防灾救援研究相对较晚,1988年,针对衡广铁路大瑶山隧道,开展了采用隧道隔断灭火装置封堵断氧窒熄法灭火试验的研究,取得了一定的研究成果。近年来,国内针对乌鞘岭隧道、太行山隧道、关角隧道等进行了特长隧道防灾救援、安全疏散及通风技术研究,取得了积极的成果。在这些研究 成果的基础上,结合国内外大型铁路隧道防灾救援体系设置的资料调研以及UICCODE《国际铁路联盟规范》中铁路隧道安全部分内容,先后颁布了2版《铁路隧道防灾救援疏散工程设计规范》 (2012版与2017版),提出了铁路隧道内火灾随机停车疏散的引导标志及安全扶手设置、隧道内紧急照明系统的设置及要求标准等。我国JTGD70/ 2—2014《公路隧道设计规范第2册: 交通工程与附属设施》对高速公路隧道交通工程设施配置给出了相关规定。然而,铁路隧道防灾疏散机电设施设备尚未实现标准化,在机电设备方面,铁路行业仅防护门有产品技术标准,其余的尚在制定中。国内隧道设计一般根据规范配置防灾疏散设施设备,按照能够满足灾害工况下的人员疏散和救援安全进行配置。从我国国情出发,更多考虑了工程投资、工期、工程实施难易程度等因素。
针对隧道内风机风阀、照明灯具、防护门、各类机箱机柜在列车气动效应引起的疲劳荷载作用下的动力响应,中国铁道科学研究院集团有限公司通过开展CRH380AM-0204和CRH380AJ-0203动车组以速度300km/ h通过断面100m2双线高铁隧道时附属设施设备的 气动荷载测试,可知作用在设备设施上的最大气动荷载不大于±6kPa,但现在仍缺乏长期疲劳性能测试数据。
此外,隧道所处环境、运量运力、列车速度以及更经济性等促使进一步提升设备设施的适用性、耐久性。当前设备设施存在产品及设计验收标准欠缺,软硬件兼容性差,信息化水平低,高原地区、瓦斯隧道、水下 (海底)隧道适用性差等问题,亟需针对不同环境提出对应的机电设施设备功能及配置参数,这既是工程实际需要,也是下一步研发投入与标准制订的方向。
5 防灾疏散救援设备设施监控系统关键技术及现状
5. 1 防灾疏散救援设备设施监控系统国内外实施现状
设置防灾疏散救援监控设备设施系统有2个目的: 1)隧道内设备设施人工巡检及维护成本高,监控系统可远程监视和采用一键巡检等手段随时掌握隧道内设备设施运行状态; 2)灾害情况下服务于疏散救援,远程启动应急预案,随时动态掌握隧道内疏散救援状况。
防灾疏散救援设备设施监控系统,日本、欧美等国研究应用较早。如: 日本新干线采用综合防灾安全监控系统,其为COSMOS综合运营管理系统的子系统;英法海峡隧道在隧道入口及内部按一定间隔(平均1.7km)装有固定的监测设备与闭路监视系统,各种探测信号送往列车上的管理人员和监控中心,一旦发现火情,可远程启动消火栓和防灾风机。国内设备设施监控系统主要有3类: 防灾通风监控系统、应急照明监控系统、应急供电监控系统。当前分别部署隧道数量为363、331、462座。通过分析国内长大铁路隧道防灾救援机电系统的实施情况可知: 此类监控系统存在组网架构不一致、功能不达标、远程维护难、层级架构复杂、信息化水平层次不齐、所需管理部门多等问题,且多针对单体隧道设计,一隧道一系统,系统数量随着运营隧道线性增加,管理所需人力物力日益增多。
5. 2 新型防灾疏散救援设备设施监控系统
中国铁道科学研究院集团有限公司基于多项科研项目研究成果及 TB 10020—2017《铁路隧道防灾疏散 救援工程设计规范》、铁总建设〔2019〕36号《高速铁 路隧道防灾疏散救援工程设计补充规定(试行)》开发了“新型铁路隧道防灾疏散救援设备监控系统”(简称 新型监控系统),在新建敦格铁路当金山隧道试用效果良好。
新型监控系统采用二级架构,由局中心监控主站、 监控业务(维护)终端、隧道端监控系统设备(主控制器、就地控制柜(RTU)、集中控制盘、各类传感器等) 及铁路通信专用网络组成,对隧道内防灾通风、应急照明、疏散指示、水消防、防护门等设备进行统一信息化管理、智能化运营、智能维护。铁路隧道防灾疏散救援 设备监控系统架构如图 6 所示。
新型监控系统可对通风设备、照明设备、消防设施、防护门和疏散设施进行实时监控,对通风设备、照明设备和疏散设施进行远程控制。设备状态监测与远程控制功能,可监测现场各类机电设备、中心服务器、存储设备、网络设备、机电设备、安全数据交换设备等的工作状态; 在线维护功能,可实现按需对隧道内照明、通风、应急疏散、消防等设备完成巡检,并实现在设备巡检过程中遇突发事件可进行中断巡检和暂停巡检的操作; 设备管理功能,可针对隧道现场机电设备、监控系统设备以及用户自定义添加台帐设备; 系统设置功能,可进行用户权限管理和时钟校准等相关设置; 网络设备自检功能,可对所有网络节点进行实时监测, 使系统具有自检功能,能够及时反馈通讯异常位置。新型监控系统主要优势如下: 1) 铁路通信专网传输,全信息化运营; 2) 双层及架构链接管理单位与隧道端,运营管理效率提高; 3) 一主一备冗余配置,保障系统安全可靠性; 4) 内嵌应急预案及程序化管理文件,可一键远程巡检与告警,管控、救援时效性强。
图 6 铁路隧道防灾疏散救援设备监控系统架构
长大隧道防灾疏散救援是个系统工程,涉及人员、机电设备、监控系统、疏散预案及救援模式。虽然设备设施监控系统只是其中1个环节,但其可串联其余各方面,系统的能动性、智能性、轻量化和广泛适用性是进一步进行软件优化与硬件升级的方向与重点,以最大程度保障及时疏散、快速救援以及减少负面损失。
6 疏散和救援模式关键技术及现状
6. 1 疏散和救援模式概述及研究实施现状
长大铁路隧道疏散模式包括向洞外疏散和在隧道洞内待避2种。向洞外疏散是指在不依靠外部救援力量的情况下,人员步行疏散至隧道洞外的疏散模式。发生灾害后,受困乘客在乘务人员的组织下,快速有序地沿隧道内疏散通道疏散至隧道洞外,等待外部救援力量到来。在洞内待避是指人员自受灾列车转移至隧道内紧急救援站、避难所等待避区域的疏散模式。受 困人员需沿疏散通道等路径疏散至隧道内待避区域, 等待外部救援力量进入隧道实施救援。 长大铁路隧道救援模式包括铁路救援、公路救援 及空中救援3种模式。铁路救援是指救援列车在接到救援命令后,从救援基地通过铁路行驶至事故隧道附近,将旅客运送至车站,该救援模式的终点为附近车站。公路救援是指采用汽车将人员从平导、横洞或斜井等通道运输至地方应急避难场所或附近车站的救援模式。空中救援是指采用直升机将人员运送至附近机 场或直升机坪的救援模式,前提是隧道洞口设置直升机坪,预留起降条件。应急预案包括应急组织体系及预案执行2部分。应急组织体系由铁路局、专业部门、站段等各级救援预案组成。 铁路局依托设置于路局内防灾中心或调度所的防灾疏散救援设备设施监控系统处置铁路隧道内突发事件,多数组织机构如图7所示。领导小组及下属机构涵盖主管领导、运输、机务、供电、工务、电务、车辆、客运、货运、信息处、安监室、总工室、宣传部、调度所、铁路公安局以及卫生保障等部门人员。隧道内灾害发生时,在着火列车行车组织及人员疏散对策指导下(见图8)执行洞外停车救援疏散预案、定点停车救援疏散预案、随机停车救援疏散预案。对于长度大于20km特长隧道,紧急救援站疏散模式采用最多。紧急救援站定点停车救援疏散预案执行顺序如图9所示。长大铁路隧道救援与疏散模式研究的热点问题主要集中在人员疏散安全准则、必须安全疏散时间、人员疏散的安全性评价方面。王明年等提出了一般地区人员安全疏散时间控制标准,推导了基于行为模型和水力模型的人员疏散时间计算公式,给出了各类型列车在各类型防灾疏散设施内的最大超载人数; 李国良等以关角隧道为例,利用人员疏散模型,分析了安全疏散的影响因素,并制定了相应的技术对策; 张念研究了列车在隧道内的人员疏散情况,并根据火灾场景和不同横通道间距等变量计算出人员安全疏散时间。
图 8 着火列车行车组织及人员疏散对策
图 9 紧急救援站定点停车救援疏散预案执行顺序
6. 2 待解决的问题
国内外针对救援与疏散开展了大量问卷调查、访谈与模拟工作,主要在建筑物内和地铁站等公共场所开展了大量模拟疏散演练、录像观察、实地观测等工作,得出了一定的结论。现行规范中,人员疏散速度主要针对一般地区设计,对高海拔地区和坡度较大情况下人员疏散速度并没有明确规定,国内外针对高海拔隧道和水下隧道人员疏散研究较少,表现在火灾场景下的人员运动特征、运动参数、疏散模式以及人员疏散时间的确定等研究领域。此外,由于列车上人员分布密集、可燃物多、过道狭窄,隧道内光线照度低,疏散通道不能保证很好的平衡性,长大隧道疏散距离长,在上述因素综合作用下,使得真实疏散与模拟性试验存在很大不同,人员疏散心理、应对时间不同导致疏散时间等与理想化公式计算结果存在差距。
鉴于以上,针对一般区域与高海拔区域长大隧道 理论方面有以下几点亟需进一步开展工作: 1)智能防火等级评估与快速救援计划优化策略研究; 2)常规突发事件大规模人群紧急疏散心理反应及干预机制; 3) 基于信息诱导与博弈行为的长大隧道人群疏散动力学建模及疏散时间研究; 4)非常规突发事件大规模人群应急处置影响因素及全过程动态评估。
7 研究与展望
改革开放40年来,中国在长大隧道建造运维方面积累了丰富的经验,按照中长期铁路发展规划,预计到2030年,铁路隧道长度将达到30000km。随着铁路网不断完善,将涌现出一大批城际、水下和海底铁路隧道。除前文所述一般区域与高海拔特长隧道防灾疏散救援工程面临的一系列有待研究问题外,城际铁路所涉及的特长城市地下区间隧道、水下(海底)铁路隧道所涉及的超深埋超长大坡度水下“V”型公铁组合紧急救援站等对防灾疏散救援工程的设计、施工、建造、运维提出了新的挑战,这些挑战带来的技术难题同样辐 射到致灾机制研究、土建结构设计、机电设备优化配 置、监控系统的升级以及疏散和救援模式的优化这 5 个方面,由此引出研究趋势如下。
7. 1 火灾燃烧特性与机制研究
建立铁路隧道、地铁隧道、公路隧道不同类型列车 与汽车车体、旅客行李与载运货物等可燃物类别、火灾 事故情况数据库;研究水下隧道铁路与公路、地铁共通 道时的防灾疏散救援体系;开展全尺寸隧道火灾燃烧 特性与烟流控制综合试验;揭示特长城市地下区间隧 道与长大坡度水下“V”型公铁组合紧急救援站火灾条 件下烟气、毒气、热辐射、温度时空分布规律,提出致灾 因素阈值、合理通风量区间与最小疏散时间。
7. 2 复杂土建结构设计选型与优化
综合考虑行车组织方式、地质条件、防灾救援、空气动力学效应、工程造价、施工方法等因素,进一步优化特长城市地下区间隧道、深埋地下车站防灾疏散救援土建设施与设计参数; 合理规划疏散通道与地铁隧道、景观设施、商业场所的接驳; 综合分析长大坡度水下“V”型公铁组合紧急救援站选型及其中公路隧道、铁路隧道、服务隧道的空间组合。
7. 3 机电设备设施功能保障与优化配置
系统开展 120、 160、 200、 250、 300、 350、 385、 400 km / h 速度条件下轨旁防灾疏散救援设备设施气动效应测试,分析低周高频气动荷载作用下设备设施耐久性、稳定性与动力响应规律,对应开展室内同等时速条件下检测检验; 积极采用智能化传感器与物联网技 术,实现设备设施状态全天候静动态远程实时采集与监控; 研发适用于高海拔环境、瓦斯环境、水下环境、 一般区域的谱系化多品类设备设施; 开发机电设备设施智能选型匹配数据库,解决设备设施性能与土建结构互斥效应。
7. 4 智能化监控系统的研发应用
基于物联网、大数据及三维可视化技术,将隧道内设备设施与互联网相连进行信息交换和通信,实现人员与设备的智能化识别、定位、跟踪、监控和管理。建立可视化仿真模拟和应急演练系统接口,立足可视化、协调性、模拟性和优化性,融合既有设备设施监控系统,实现远程可视化智能应急保障与控制系统技术方案,用于救援演练与救援模式优化。
7. 5 简统化公铁综合疏散与救援策略制定与实践
重点研究并完善高海拔环境的防灾疏散救援体系,特别是高海拔环境铁路与公路结合救援的研究;综合分析铁路隧道、地铁隧道、公路隧道防灾疏散救援制度、策略、模式与管理方法,制定多功能简统化救援预案与模式,实现分工明确、统筹调度、综合指挥。
8 结语
2019年我国新增运营铁路隧道967座, 总长1710km,其中10km以上长大隧道27座,长度为 369 km,占新增运营长度的38. 1%。投入运营的长大隧道日益增多,防灾疏散救援工程在设计、建造、运维等方面的科学研究和创新实践已成为跨工务、电务、信息、设备等专业的重点领域。随着长大铁路隧道防灾疏散救援工程赋存环境由浅埋到深埋、陆地到水下(海底)、低海拔区域到高海拔区域发展,复杂防灾疏散救援工程设计难点由长管状隧道内紧急救援站或狭长地下空间向铁路隧道、公路隧道、地铁隧道组合救援站或大断面多层地下空间发展,对该领域研究、实践提出了新的要求与挑战。依托既有研究成果,持续深入开展高原高海拔及深埋海底隧道火灾燃烧特性与机制基础科学研究,积极开展室内、现场大尺度试验,紧密结合、统筹考虑土建结构与机电设备设施设计优化,引入人工智能、信息技术等领域先进成果、理念开发简统化、智能化监控系统与管理系统,探索铁路隧道、公路隧道、地铁隧道耦合运营条件下复杂多维救援疏散模式与方法将是当前和今后一定时期内的重点工作。