关键技术探讨王明年12郭晓啥％崔鹏12于丽12（1西南交通大学土木工程学院，成都610031 ;2西南交通大学交通隧道工程教育部重点实验室,
成都 610031）摘要随着铁路路网向西部地区扩展，高海拔铁路隧道数量显著增加。高海拔地区具有低气压、低温和低
含氧量的特点，且自然环境条件恶劣,一旦发生火灾等灾害，烟气扩散速度加快，但人员疏散能力降低，严重影响受 困人员的生命安全。鉴于此，文章采用现场实测、理论分析、数值模拟等多种研究手段,给出了铁路隧道群划分标
准,洞口间距小于250 m定义为毗邻铁路隧道群,洞口间距大于250 m小于400 m定义为连续铁路隧道群;探明了高 海拔地区人员疏散能力下降规律，海拔每升高1 000 m,人员疏散能力相较平原地区约下降11.28%；得到了考虑坡
度和海拔高度的人员疏散能力综合折减系数;综合考虑海拔高度、坡度等因素，给出了紧急救援站上下坡方向隔离
区长度分别应不小于700 m和200 m的建议;依据烟气扩散规律和人员疏散能力等参数.给岀了洞内外紧急救援站、
紧急岀口和避难所等防灾救援土建结构的设计建议，提出了适用于高海拔铁路隧道的救援模式。关键词铁路隧道防灾救援关键技术现场实验理论分析数值计算高海拔中图分类号:U458.1;X951; TU921
文献标识码:A1引言特点开展铁路隧道防灾疏散救援研究。目前，国内
随着我国西部地区铁路建设的不断推进，高海
外学者对高海拔铁路隧道防灾疏散救援的研究主要
拔铁路隧道（群）不断涌现，典型工程有乌鞘岭隧
分为火灾燃烧特性、烟气蔓延规律研究及人员疏散
道“、新关角隧道叫祁连山隧道（群严等。伴随隧线
能力研究两大方向。Yan等巾通过在海拔4 100m的
比高达70.2%的川藏铁路冋规划、设计工作全面推
隧道开展全尺寸现场实测，得到高海拔地区实测质
进，我国高海拔铁路隧道的海拔高度、隧道长度将远 量损失率低于理论计算值的结论;Hu等问通过在西
远超出现有铁路隧道极限。同时，由于高海拔地区
藏地区开展现场实测的方法，研究了气体燃料的燃
具有低含氧量、低气压、低气温叭常年冰雪覆盖等
烧特性及火焰高度;Zhang等0呵通过现场试验及数
环境特点，严重影响人员的疏散能力、反应时间、烟
值模拟的方法对高海拔地区隧道烟气、人员疏散进
气纵向扩散速度及风机排烟效率问，一旦发生灾害
行了研究，并依托关键隧道对防灾疏散救援工程土
将危及受困人员生命和财产安全。为此，开展高海 建参数提出优化建议。另有部分学者结合典型隧道 拔大规模铁路隧道群防灾疏散救援工程关键技术研
对高海拔铁路隧道防灾疏散救援技术进行论述wm。究具有十分重要的意义。为了进一步明确既有规范或标准对高海拔铁路 由于火灾对疏散时间要求最为严格,常依据其
隧道（群）的指导作用,探明高海拔地区火灾烟气扩修改稿返回日期:2019-12-30基金项目：四川省科技计划项目（2018JY0566）；西藏自治区重点研发与转化计划项目（XZ201801-GB-07）；中铁隧道局集团有限公司科技项
目（2015-21）;云南省交通运输厅科技计划项目（云交科教便[2019] 6号）；四川省科技厅科技创新创业项§ （2018RZ0109）.作者简介:王明年（1965-）,男，博士，教授，主要从事隧道及地下工程防灾救援研究及教学工作,E-mail： 19910622@163.com.通讯作者:于丽（1978-）,女，博士，教授，主要从事隧道及地下工程防灾救援研究及教学工作,E-mail：yuli_1026@163.com.第57卷第1期（总第390期）,2020年2月出版
1Vol.57, No.l (Total No.390), Feb.2020现代隧道技术MODERN TUNNELLING TECHNOLCXjY高海拔大规模铁路隧道群防灾疏散救援工程关键技术探讨散规律、人员运动和疏散能力衰减规律等,本文通过
现场实测、数值模拟等方法，在明确隧道群划分标准
及影响因素的基础上，对高海拔地区人员疏散能力、 烟气蔓延规律进行研究，为高海拔铁路隧道（群）防
灾疏散救援提出具有普适意义的设计标准，进而依
据高海拔铁路隧道（群）防灾救援设计原则制定适应 不同紧急救援站形式的救援模式，以期为高海拔铁
路隧道群防灾疏散救援工程设计提供理论支撑。2隧道群影响因素及划分标准在人员疏散阶段，当前后两座隧道洞内环境均
受到洞外列车火灾影响时，两座隧道可作为一座隧
道看待，即称为隧道群。隧道群的影响因素包括列 车火灾烟气影响范围、列车安全停车距离以及相邻
隧道洞口间距等主要因素。2.1停车安全距离通过广泛调研既有隧道群情况,并结合《列车运 行监控装置控制模式设定规范》中关于停车安全距
离的相关规定，如式（1）所示,得到事故列车洞内停
车安全距离应为60 mo5=4+0.5%
（1）式中M为安全距离基本值,站内紧急制动控制取20
m; Vo为列车的实际速度，事故列车按80 km/h取值。2.2相邻隧道洞口间距对火灾烟气范围的影响2.2.1下游隧道烟气扩散规律通过模型试验及数值模拟的方法，对不同相邻 隧道洞口间距情况下，下游隧道内人眼高度处温度
及可视度进行研究，结果如图1、图2所示。由图1、图2可知，当隧道群间距小于30 m时,
火灾车厢停在洞外，对下游隧道内环境的影响仍较
为严重;当隧道群间距大于80 m时，火灾车厢停在
洞外，对下游隧道内环境几乎无影响。2.2.2外露区域列车火灾烟流长度通过数值模拟的方法建立外露区火灾模型，计
算下游10 m高度处可视度、温度分布规律，如图3、353025-5=10m 20r* ― a ■15—♦— j=30m
一
10/兀二-/ 7 *
••…--j=60m \"A s=80m00
50
100150 200 250距洞口距离/m图1下游隧道内人眼位置处可视度曲线Fig. 1 Visibility curves at the position of human eyes in thedownstream tunnel2
第57卷第1期（总第390期）,2020年2月出版Vol.57, No.l (Total No.390), Feb.2020■ j=10m♦ j=30m■ j=60in* f=80m距洞n距离/m图2下游隧道内人眼位置处温度曲线Fig.2 Temperature curves at the position of human eyes in thedownstream tunnel40302010r …| +r=4OOs ]
/=800s r=!200s r=1600s-»-r=2000soo
50loo150距火车距离/m图3下游10 m高度处可视度曲线Fig.3 Visibility curves at the height of 10 m in the downstream
tunnel图4所示。距火源点50-55 m范围以外，列车火灾 烟气的温度基本在40覽以下.可视度基本无变化，对
疏散的人员基本无危害。|-4-r=400s-»-z=800s
匸 1200s r=1600s |-»-h2000s距火车距离/m图4下游10 m高度处温度曲线Fig.4 Temperature curves at the height of 10 m in the
downstream tunnel综合不同相邻隧道洞口间距对下游隧道影响及
外露区列车烟流长度的影响，确定火灾烟气影响范
围为55 m。2.3隧道群划分标准根据以上研究可以看岀:停车安全距离为60 m, 烟气影响范围约为55 m,则两端共110 m。考虑最 不利情况，当火灾列车运行至铁路隧道紧急救援站
时，火灾已蔓延到相邻车厢，共三节车厢，约80 m。
因此，当相邻隧道洞口间距为60+110+80=250 m时, 火灾的烟气对隧道内的环境基本无影响。高海拔大规模铁路隧道群防灾疏散救援工程关键技术探讨现代隧道技术MODERN TUNNELLING TECHNOLOGY将两相邻隧道洞口间距小于250 m的隧道群定 力分级临界值。以平原地区相对最大摄氧量为单位 义为毗邻铁路隧道群，如图5所示。1,则海拔3 000 m高度的相对最大摄氧量为67.26%,
当相邻隧道洞口间距大于250 m时,火灾列车 海拔3 500 m高度的相对最大摄氧量为65.41%。停在外露段中部附近时，火灾烟气对邻近隧道内的 3.2人员疏散能力综合折减系数环境基本无影响。列车的长度一般可视为400 m。
根据现场实测并结合资料调研冋，基于行走运
因此,定义两相邻隧道洞口间距在250-400 m之间 动测试完成时间，得到不同坡度场景下人员行走能
的铁路隧道群为连续铁路隧道群，如图6所示。力的折减系数，如表1所示。S<250m表1不同坡度下的人运动能力的折减系数Table 1 Reduction coefBcients of human athletic abilities图5毗邻铁路隧道群示意under different gradientsFig.5 Schematic diagram of adjacent railway tunnel group坡度/(%。)人行走能力的折减系数01____________________________ 250wS<400m _____________________________
50.994 2100.988 4图6连续铁路隧道群示意150.982 6Fig.6 Schematic diagram of continuous railway tunnel group200.976 8250.971 0303高海拔铁路隧道人员疏散能力0.965 2本文通过在成都(海拔高度500 m)、米林(海拔
《TB 10098-2017铁路线路设计规范》中规定:
高度3 000 m)、加查(海拔高度3 500 m)三地开展现 铁路机车加力牵引坡度不得大于30%。,且考虑到高 场实测，得到了基于相对最大摄氧量的运动能力折
海拔山区地势起伏大，导致设计时隧道的纵坡坡度
减系数并给出综合考虑海拔高度及坡度的疏散能力 也相对较大，故取隧道坡度为30%。。折减系数。从表1中可以看出，对人员运动能力来说，相对
3.1基于相对最大摄氧量的疏散能力折减于海拔高度，坡度影响较小。当坡度小于5%。时，人 结合调研结果g及现场台阶试验网结果，得到
员的疏散速度不会减小何。高海拔恶劣环境条件下相对最大摄氧量的变化规
因此,综合考虑海拔高度及隧道坡度对人员运动
律，如图7所示。能力的影响，得到了高海拔情况下人员沿不同隧道坡
由图7可知，相对最大摄氧量随着海拔高度的
度疏散能力动态变化的综合折减系数,如表2所示。 升高而下降,海拔高度小于3 000 m时衰减缓慢;在
4高海拔铁路隧道群火灾烟气扩散3 000 m处发生骤减，大于3 000 m后又进入缓慢减低
阶段。因此,选取海拔高度3 000 m作为人员疏散能4.1火灾规模通过调研得到海拔高度与气压间关系m如式(u(2) 所示;结合Wieser™提出的火灾燃烧热释放速率 E&与随气压变化公式及热释放速率计算公式，如式uEy
(3) 、式(4)所示,假设燃料类型、燃烧效率均不变，可 曲潔以得到不同海拔高度下火灾燃烧热释放速率折减系
軀*联数，如图8所示。夜無
P= 101.325(1-\\ —44329 严丿5876
(2)海拔高度/mmOCPa
(3)Q = T)mhc
(4)图7相对最大摄氧量随海拔高度的折减变化曲线式中/为海拔高度(m);P为当地大气压力(kPa); a
Fig.7 Curve of reduction of relative maximum oxygen uptake
为指数系数，取1.3;m为燃烧质量损失速率(K)；“
varying with altitude
为燃烧速率;入为燃料的燃烧热值(kj/kg)o第57卷第1期(总第390期),2020年2月出版
3Vol.57, No.l (Total No.390), Feb.2020现代隧道技术MODERN TUNNELLING TECHNOLOGY高海拔大规模铁路隧道群防灾疏散救援工程关键技术探讨表2人员疏散能力综合折减系数Table 2 Comprehensive reduction coefficieiits of personnel evacuation capacities海拔高嬴厂3 000坡度/（%。）00.7060.6560.6060.55650.7021015200.6900.64125300.6980.6490.6940.6860.6370.5890.6820.6340.5853 5004 0004 5000.6530.6030.5530.9940.6450.5960.5470.5990.5500.5920.5430.9770.5400.5370.9655 0001.0000.9880.9830.971T坡方向隔离区长辱
200m
!
]
上坡方向隔离区长度700m__________________________
紧急救援站范鬧图9隔离区长度示意Fig.9 Diagram of the length of isolation area海拔高度/m图8热释放速率折减系数变化规律Fig.8 Variation law of reduction coefficient of heat release rate5高海拔铁路隧道群防灾疏散救援土建工程设计建议及救援模式结合高海拔铁路线路高差大、环境条件恶劣的
结合上述分析,铁路隧道火灾规模随海拔高度
升高逐渐降低,依据＜TB 10020-2017铁路隧道防灾
特点，制定了“以人为本、有序疏散、安全待避、限时 救援”的高海拔铁路隧道群防灾疏散救援总体原
则。依据总原则对高海拔防灾疏散救援土建工程提 岀设计建议，并结合紧急救援站形式给出高海拔铁
疏散救援工程设计规范》问中按“动车组采用15
MW,普通旅客列车20 MW”的火灾规模要求设计高
海拔铁路隧道防灾疏散救援工程是偏于安全的，因 此建议暂按原规范进行设计。路隧道群救援模式。5.1防灾疏散救援土建工程设计建议4.2隔离区长度通过调研可知,随着海拔高度升高，烟气沿隧道 纵向蔓延速度加快㈣，且高海拔铁路隧道常设置较
5.1.1紧急救援站形式建议参照（TB10020-2017铁路隧道防灾疏散救 援工程设计规范》中相关规定设计洞内、洞外紧急救
大坡度，以克服地势高差。一旦发生火灾，强烈的火
风压效应将进一步加剧沿上坡方向的烟气蔓延速
援站形式，具体如图10、图11所示。综合考虑了高海
度，严重影响人员疏散安全。随着川藏铁路建设，高 海拔铁路隧道坡度或可达到30%。,海拔高度可能达
到 4 350 m。为此,采用数值模拟方法研究最不利工况下,即
拔铁路隧道群海拔高度、大纵坡或可达到30%。以及 三种动车组的残余运行能力，按目前的机车运行能
力，保守估计列车丧失1/4动力情况下均衡速度为80
km/h,仍能运行15 min,残余运营距离为20 km,因此
海拔高度为4 350 m、坡度30%。时铁路隧道内烟气纵 向扩散长度。分析结果可以得出，车尾着火且位于紧 急救援站进口为烟气沿下坡方向蔓延最不利情况，蔓
建议紧急救援站间距仍按不超过20 km进行设计。
5.1.2紧急出口及避难所结合第3节研究成果,高海拔地区人员运动能力
延出紧急救援站外长度约为200 m;车头着火且位 于紧急救援站出口为烟气沿上坡方向蔓延最不利情
下降，旅客难以通过横洞或斜井式紧急出口向洞外
逃生，因此，建议取消横洞或斜井式紧急岀口设置。
况，蔓延出紧急救援站外长度约为700 m,如图9所 示。因此，建议高海拔铁路隧道群紧急救援站下坡
侧隔离区长度不得小于200 m,上坡侧隔离区长度
为便于人员在避难所安全待避,以及方便外部救援, 可充分利用高海拔铁路隧道群施工期间的平行导坑 作为人员的避难场所,以满足人员的待避要求。5.2洞内紧急救援站救援模式不得小于700 m04
第57卷第1期（总第390期）,2020年2月出版Vol.57, No.l (Total No.390), Feb.2020高海拔大规模铁路隧道群防灾疏散救援工程关键技术探讨现代隧道技术(a)加密横通道型(b)两侧半导型(c)单侧平导型图10洞内紧急救援站形式示意Fig.10 Diagram of emergency rescue station in tunnel(a)洞口辅助坑道型(b)洞口横通道加密型(c)洞口疏敵型图11洞外紧急救援站形式示意Fig.l 1 Diagram of emergency rescue station outside the tunnel5.2.1两侧平导型单洞双线隧道+双侧平导救援模式分为两个阶
段:第一阶段，着火列车依靠残余运力开往紧急救援
站进行疏散,停靠后开启集中排烟，受困人员经过横
通道疏散至(局部)平导等远离火区的安全区待避；
第二阶段,热备列车开进事故隧道或公铁合用列车、
救援汽车开进平导(局部)进行救援,将受困人员运
送至洞外，如图12所示。5.2.2加密横通道型双洞单线隧道加密横通道救援模式仍分为两个
阶段:第一阶段,着火列车停靠于紧急救援站进行疏
MODERN TUNNELLING TECHNOLOGY图12双侧平导型救援模式示意Fig」2 Schematic diagram of the rescue mode of parallel-aditsat both sides散,开启集中排烟的同时，受困人员经过横通道疏散
至相邻安全隧道进行待避、等待救援;第二阶段，热
备列车开进相邻安全隧道进行救援，将受困人员运
送至洞外，如图13所示。5.2.3双洞单线隧道+平导双洞单线隧道+平导救援模式仍分为两个阶 段：第一阶段，着火列车停靠于紧急救援站进行疏
散,开启集中排烟的同时，受困人员经过横通道疏散
至服务隧道进行待避、等待救援;第二阶段,热备列
车开进相邻安全隧道进行救援，将受困人员运送至
洞外，如图14所示。图13加密横通道型救援模式示意Fig. 13 Schematic diagram of the rescue mode of densely
arranged cross passages图14双洞单线隧道+平导救援模式示意Fig. 14 Schematic diagram of the rescue mode of double-tube
single-track tunnel with parallel adit第57卷第1期(总第390期),2020年2月出版 5Vol.57, No.l (Total No.390), Feb.2020现代隧 道技术MODERN TUNNELLING TECHNOLOGY高海拔大规模铁路隧道群防灾疏散救援工程关键技术探讨(3) 随海拔高度的升高，大气压力降低,火灾燃
烧质量损失率降低，进而影响火灾燃烧热释放速率,
6结论本文采用理论分析、现场实测、数值模拟等方
法，在明确隧道群影响因素及划分标准的基础上，对 高海拔大规模铁路隧道群人员疏散能力、火灾烟气
蔓延进行了研究，并制定了高海拔铁路隧道群救援 模式，得到如下结论：因此，依据《铁路隧道防灾疏散救援工程设计规范》
中火灾规模相关规定进行设计是偏于安全的，建议 暂按原规范进行设计。(4) 综合考虑海拔高度、坡度等因素，模拟列车 尾部着火且位于紧急救援站进口侧、列车头部着火
(1) 铁路隧道群影响因素主要包括列车火灾烟 气影响范围、列车安全停车距离以及相邻隧道洞口
间距等主要因素,划分标准为洞口间距250 m,洞口
且位于紧急救援站出口侧两种极限情况下火灾烟气
蔓延长度，得到上下坡方向隔离区长度分别不得小
于700 m,200 m的结论。间距＜ 250 m定义为毗邻铁路隧道群;250 m ＜洞口
间距＜ 400 m定义为连续铁路隧道群。(5) 在明确高海拔隧道群防灾疏散救援总体原
(2) 高海拔恶劣环境条件使得人员疏散运动能
力有所下降，海拔每升高1 000 m人员疏散运动能力
则的基础上，确定紧急救援站形式及间距参照《铁路 隧道防灾疏散救援工程设计规范》进行设计,高海拔 地区建议取消紧急出口、避难所等防灾救援土建设
施;针对紧急救援站形式制定了高海拔隧道救援模
相较平原地区约下降11.28%,并获得了考虑隧道纵
向坡度的高海拔恶劣环境条件下的人员疏散能力综 合折减系数。式，分别阐述了其救援流程。参考文献References[1] 袁庸瑁•乌鞘岭隧道建设过程中的环境问题及其对策分析[D].成都:西南交通大学,2007.YUAN Yongxuan. Study of the Impact and Countermeasure on the Environment during the Construction of the Wushaoling Railway Tunnel[DJ. Chengdu: Southwest Jiaotong University, 2007.[2] 张念，谭忠盛.高海拔特长铁路隧道火灾烟气分布特性数值模拟研究[J].中国安全科学学报,2013, 23⑹:52-57.ZHANG Nian, TAN Zhongsheng. Numerical Simulation Study on Smoke Distribution of Fire in High-altitude Super-long Railway
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ty and Environmental Protection, 2016, 42 (8): 11-13+20.Discussion on the Key Techniques for Disaster Prevention, Evacuation and Rescue of Large-scale Railway Tunnel Group in High Altitude AreaWANG Mingnian' 2 GUO Xiaohan'-1 CUI Peng\" YU LN(1 School of Civil Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031; 2 Key Laboratory of Transportation Tunnel
Engineering of Ministry of Education, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031)Abstract With an extension of the railway network to the west China, the number of high-altitude railway tunnels has increased significantly. In condition of tunnel fire, the smoke diffusion will speed up and the evacuation capacity
will decrease because of the low atmospheric pressure, low temperature, low oxygen content and harsh natural envi・ ronment condition in high altitude area, endangering the life safety of trapped people. The classification standards
for the railway tunnel group are given based on field research, theoretical analysis, numerical simulation and so on, they are defined as the adjacent railway tunnel group if the tunnel portal spacing is less than 250 m, and they are defined as the continuous railway tunnel group if the tunnel spacing is between 250- 400 m. The law of evacuation ca
pacities in high altitude area is understood, and it is found the evacuation capacity decreases by 11.28% for every 1 000 m increase in altitude compared with that of plain area; a comprehensive reduction factor of evacuation capaci-
ty, which considers the slope and altitude, is obtained. It is recommended the lengths of isolation areas of rescue
emergency station in uphill and downhill directions should be no less than 700 m and 200 m respectively considering
the altitude, slope and other factors. In light of the smoke diffusion law and personnel evacuation capacity, the sug
gestions concerning the designs of civil structures of disaster prevention and rescue like emergency rescue station
both inside and outside of tunnel, emergency exit and refuge are proposed, and the rescue mode suitable for the rail
way tunnel in high altitude area is presented.Keywords Railway tunnel; Key techniques for disaster prevention and rescue; Field test; Theoretical analysis; Nu
merical calculation; High altitude第57卷第1期(总第390期),2020年2月出版 7Vol.57, No.l (Total No.390), Feb.2020
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