铁路隧道防灾性能化设计分析

󰀁󰀁文章编号:1001-4373(2011)04-0043-06

兰州交通大学学报

JournalofLanzhouJiaotongUniversity

Vol.30No.4

Aug.2011

铁路隧道防灾性能化设计分析

张󰀁晟,󰀁莫俊文,󰀁吕俊超

1

2

2

*

(1.西平铁路有限责任公司,陕西西安󰀁712046;2.兰州交通大学土木工程学院,甘肃兰州󰀁730070)

摘󰀁要:随着国内铁路建设高速化发展,铁路隧道设计长度不断增加,隧道设计难点越来越多.隧道防灾是隧道设计中的重要内容,但目前国内铁路隧道研究中对于防灾设计还不够完善.通过对铁路隧道中常见灾害案例进行分析研究,发现铁路隧道安全运营影响最大的灾害是火灾.然后提出铁路隧道防灾性能化设计准则,该原则可以为铁路隧道防灾设计提供参考.结合实际案例,采用人员疏散模拟软件STEPS对4个性能化设计方案进行模拟实验和数据分析,该设计案例的研究可供类似铁路隧道防灾性能化设计参考.关键词:铁路隧道;防灾;性能化设计

中图分类号:U214.2󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁文献标志码:A

0󰀁引言

铁路隧道是一个相对封闭的空间,其安全性直接关系到乘客生命安全与托运财产安全.当列车在隧道内发生事故时造成的经济影响与社会影响是十分巨大的,因此隧道防灾设计与研究意义重大.随着铁路建设发展,我国长大铁路隧道的不断出现,对隧道防灾设计提出巨大挑战,传统的规范化、统一化的铁路隧道设计规范和方法越来越满足不了铁路隧道防灾目标的要求.因此迫切地需要建立一种更安全、合理的新型防灾设计方法,性能化防灾设计方法已经在民用建筑中探索使用并取得良好效果,因此可以考虑将性能化设计引入铁路隧道防灾设计中.然而,我国在铁路隧道防灾性能化设计方面存在许多空白,理论研究和技术应用都存在许多空白,加强铁路隧道防灾性能化设计的方法理论及相关模型的研究就显得尤为重要.

发生7起,累计中断行车时间达2500h,人员伤亡超过300人,其中死亡115人,其直接经济损失超过3000万元,间接经济损失则无法估计.因此,对隧道防灾安全研究的重点应放在隧道火灾防治.1.2󰀁隧道安全隐患因素

从事故案例中可以看出[2],隧道火灾事故主要是由列车因素和隧道因素造成的.

列车因素主要是列车易燃性、列车设备和乘客违规造成,主要包括:

1)列车易燃性.例如旅客列车的部分内装饰和卧具,货物列车运输的各种危险物品、化学物品、油类物品,都极易燃烧甚至发生爆炸导致火灾.

2)列车设备.例如列车上的带电设备或加热设备使用不当,制动时产生的摩擦火花引燃易燃货物.

3)乘客违规.例如列车乘客吸烟或者携带的违禁品燃烧.

隧道因素主要是隧道内的轨道、电器设备和环境造成,主要包括:

1)轨道.路基下陷、违章公务作业造成线路变形、钢轨超期使用产生断裂,造成列车脱轨、、碰撞,从而引起火灾.

2)电器设备.电网与受电弓之间因漏水或者接触不良形成大电弧,导致电器设备起火.

3)环境.隧道内燃烧物引起货物燃烧,从而导致隧道火灾也是有可能发生的.

1󰀁隧道灾害分析

1.1󰀁隧道安全现状

影响铁路隧道安全的主要因素有地震、洪水涌水、停电、运送危险物品、列车相撞、列车脱轨、火灾、恐怖活动等[1].据文献资料显示[2],自1970年以来,各国客货列车在铁路隧道内发生的火灾事故已超过30起,在我国这类事故自1976年至1997年之间共

*收稿日期:2011-03-29

作者简介:张󰀁晟(1971-),男,陕西岐山人,工程师.

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2󰀁隧道性能化设计准则

2.1󰀁性能化目标

铁路隧道防灾性能化设计总目标应该符合铁路建设的基本理念,即󰀁以人为本,服务运输,强本减末,系统优化,着眼发展󰀁,结合具体隧道具体条件,采用安全、可靠、先进、成熟、经济、适用的技术,不生搬硬套标准.

铁路隧道防灾性能化设计的具体功能目标应该考虑紧急防灾使用和日常维护使用.

1)紧急防灾使用.主要考虑发生灾害时,隧道中的设施,能够最大程度为滞留在铁路隧道中的人员提供最安全、快捷的逃离灾害现场的条件,为救援人员提供最快捷、有效的救助灾害现场的条件,设计主要应急功能.

2)日常维护使用.主要考虑未发生灾害时,隧道中的设施能够为铁路运营维护人员提供检查、维修隧道设施的便捷条件,设计主要考虑预防功能.2.2󰀁性能化指标

性能化目标在具体设计时应使用以下主要指标进行性能化设计与设计后的评价:

1)疏散时间.隧道内的旅客能否安全疏散主要依赖于两个特征时间,一是火灾发展到对人构成危险所需的时间,即可用安全疏散时间ASET(Avai-lableSafetyEgressTime);二是人员疏散到达安全区域所需要的时间,即必需安全疏散时间RSET(RequiredSafetyEgressTime).

RSET(1)

由式(1)可以看出,保证隧道内人员安全疏散的关键条件是󰀁必需安全疏散时间󰀁(RSET)必须小于󰀁可用安全疏散时间󰀁(ASET).因此,在此约束条件下的人员疏散设计方案才是合理可行的.2)疏散空间内人员密度.人员疏散运动时间计算的关键是行走速度和人员的流动.人员疏散可定量地表示为3个基本的特征,它们均表述为比值,分别为人群密度󰀁、流量f和速度V.这3个基本特征与通道的宽度W在通用公式相互关联的,可表述为

f=󰀁VW

(2)

由式(2)可以看出,在通道宽度固定的情况下,人员行走速度在一定程度上取决于人群密度,如果

人群密度过大,则会相互影响减缓速度,直至最后由于人员密度过大而无法移动.因此,疏散设计时必须考虑通道内的人群密度.

[3]

3󰀁隧道防灾性能化设计案例

3.1󰀁工程概况

西平铁路永寿梁隧道地处渭北黄土南缘,泾渭分水岭东端,设计为两座相对平行的单线隧道,I、II线线间距为35m.I线隧道起讫里程DK95+607~DK112+765,进口端135.81m位于R-1200m的曲线上,出口端361.21m位于R-1200m的曲线上,长17160.76m(长链2.76m),II线隧道起讫里程DyK95+591~DyK112+750,长17152.92m(短链6.86m),进口端352.29m位于R-2000m的曲线上,出口端340.14m位于R-1600m的曲线上.

3.2󰀁性能化设计分析

该隧道总长度超过5km,属于长大隧道,按照规范需要在隧道内设置󰀁定点󰀁疏散处.󰀁定点󰀁设置在隧道中部,使用2号斜井(DK103+950)作为紧急出口和通风通道,在DK103+950到DK104+440每隔一定距离设置一条疏散通道联络󰀁线、󰀁线,长度35m,宽度4m,高度4.5m.为了提高疏散人员在等待救援时的安全度和舒适度,在两条运营隧道之间,垂直于疏散通道设置一条避难通道,长度490m,宽度5m,高度4.5m.󰀁定点󰀁处的疏散设施应包括:站台、疏散通道、临时避难所、消防疏散设备等.隧道󰀁定点󰀁设置方案的示意图见图1.

[4]

图1󰀁󰀂定点󰀁横通道示意图

Fig.1󰀁Transversepassagewayintheemergencystation

通过上述分析可知,隧道防灾重点是火灾防治,因此󰀁定点󰀁设计按火灾场景计算.

隧道内󰀁定点󰀁停车的人员疏散主要受烟热的扩散速度和横通道间距这两个因素的影响,人为可以控制的因素主要是横通道的间距,因此定点疏散主要是对横通道的间距进行模拟计算和设计.

假设横通道间距有4种:50,60,70,80m.横通道间距主要影响疏散距离和进入横通道的人员密第4期张󰀁晟等:铁路隧道防灾性能化设计分析

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度.

假设烟热扩散的情况有两种:缓慢,快速.烟热扩散情况主要影响疏散人员的步行速度.

3.3󰀁疏散时间计算

近年来,各国已发展了多种计算机模拟人员安全疏散模型与软件,STEPS软件使用精细网格法,能够较为准确地模拟不同的建筑结构以及人员的运动位置,可以进行三维实时模拟可以针对大规模人群进行分类模拟,并且对个体赋予不同的特性参数,包括个体特征、对环境的熟悉程度、耐心程度等.STEPS软件可以通过模拟疏散过程中从而获得隧道性能化设计所需的数据,因此,本文将使用STEPS软件进行必须疏散时间和空间密度的计算.

模拟计算时车辆取25型客车的数据,其中硬座车定员118人,硬卧车定员66人,软卧车定员36人,餐车定员48人.客车取20节编组,其中硬座车9节、硬卧车5节、软卧车3节、餐车1节、空调发电车1节、行李车1节.为保障安全性,计算时按照列车所有车厢满员的情况,取计算疏散人数为1548人.3.3.1󰀁可用安全疏散时间

由于我国铁路隧道没有规定可用安全疏散时间,对于隧道可用安全疏散时间的取值需要借鉴国内外相关设计规范以及实际案例中的取值.

1)我国现行的GB50157󰀁2003󰀁地铁设计规范󰀁第19.1.19条规定:出口楼梯和疏散通道的宽度,应保证在远期高峰小时客流量时发生火灾的情况下,6min内将一列车乘客和站台上候车的乘客及工作人员全部撤离站台

[5]

假设报警时间为0s.

tpre是人员接到火灾报警后准备逃离的时间.这里考虑硬座和餐车车厢人员通常处于清醒状态,准备时间是0s;硬卧和软卧车厢人员可能处于睡眠状态,准备时间是30s.

tmave是人员逃离的时间,计算最后一个人员逃离到安全场所所用的时间,是行走时间与排队时间之差,逃离时间主要受行走距离、个体步行速度、个体所占面积、可用通行面积以及耐心程度.这里步行距离和可用通行面积是随横通道设计变化的,这里采用的人员特征值如表1所示,假设人员在不同车厢中是按正态分布.

表1󰀁人员特征值

Tab.1󰀁Characteristicvalueofpeople

年龄段少年中青年老年

肩宽/m0.30.47(男)0.41(女)0.4

(m󰀁s-1)

0.20.670.23(男)1.26(男)0.25(女)0.25

1.18(女)0.65

体厚/m

步速/

耐心0.50.6

比例0.2150.36(男)

0.34(女)0.80.075

3.3.3󰀁必须安全疏散时间

使用STEPS对不同场景进行模拟计算后得出

结果,列车上所有人员疏散到安全场所所用时间如表2所示.

表2󰀁疏散所用时间

Tab.2󰀁Time-consumingofevacuation模拟场景

烟气扩散慢,到达横通道

烟气扩散快,到达横通道烟气扩散慢,到达避难所烟气扩散快,到达避难所

50m60m70m80m156s163s175s231s190s196s201s251s172s186s197s241s191s212s224s278s

.

2)美国对有轨交通系统的NFPA130标准中5.5.3.1条规定,应该有充足的出口容量,在4min或更短的时间内,将站台上的人员疏散完毕,并规定车站的设计应允许从站台上的最远点到安全地点的疏散在6min或更短时间内完成.

3)由关角隧道的旅客列车火灾烟气分布特征模拟分析数据可知,可用安全疏散时间取360s是可以接受的,在自然通风条件下,20MW规模的旅客列车火灾中对人员安全疏散模拟烟气浓度和温度.

综合上述国内外相关规范和实际案例,可以设定可用安全疏散时间为360s.3.3.2󰀁疏散模型与计算条件

模拟疏散时间的计算公式如下:

RSET=talarm+tpre+tmave

(3)

式中:talarm是火灾发生后的发出警报通知的时间.这里考虑列车车厢空间较小,出现火情会立刻被发现,

3.4󰀁空间人员密度计算3.4.1󰀁横通道入口处人流量

用STEPS分别模拟计算烟气扩散慢和烟气扩散快两种场景下,横通道间距设计为50,60,70,80m的通道入口处人员密度.

1)50m间距时横通道

50m间距时,横通道入口最大人流量是2.7人/s,小于NAFF规定中计算所得的4.09人/s,不会发生拥堵现象.11号通道没有人员通过,该通道利用率为0.

2)60m间距时横通道

60m间距时,横通道入口最大人流量是3.4人/s,小于NAFF规定中计算所得的4.09人/s,不会发生拥堵现象.横通道均有使用,没有使用率为046

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图2󰀁50m间距横通道入口处的行人流量Fig.2󰀁Pedestrianfluxattransversepassageway

entranceby50mspacing

图4󰀁70m间距横通道入口处的行人流量Fig.4󰀁Pedestrianfluxattransversepassageway

entranceby70mspacing

图3󰀁60m间距横通道入口处的行人流量Fig.3󰀁Pedestrianfluxattransversepassageway

entranceby60mspacing

图5󰀁80m间距横通道入口处的行人流量Fig.5󰀁Pedestrianfluxattransversepassageway

entranceby80mspacing

的通道.

3)70m间距时横通道

70m间距时,横通道入口最大人流量是3.7人/s,小于NAFF规定中计算所得的4.09人/s,不会发生拥堵现象.横通道均有使用,没有使用率为0的通道.

4)80m间距时横通道

80m间距时,横通道入口最大人流量是3.4第4期张󰀁晟等:铁路隧道防灾性能化设计分析

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人/s,小于NAFF规定中计算所得的4.09人/s,不会发生拥堵现象.横通道均有使用,没有使用率为0的通道.

3.4.2󰀁横通道内人员密度

不同疏散通道间距时,通道中人员密度对比如表3所示.每条疏散通道的可用疏散面积从防火门内开始计算,假设人员不进入临时避难所,全部通过横通道进入相邻隧道,据设计数据,其长为25m,宽为4m,计算后得到在不同间距时通道中人员密度,如表3所示.

表3󰀁间距不同时通道中人员密度

Tab.3󰀁Occupantdensityintransversepassageway

bydifferentspacing

横通道间距/m50607080

可用疏散面积/m21100900800700

通道中最大人数/人1548154815481548

人员密度/(人󰀁m-2)

1.411.72

1.942.21

隧道时.50m间距、60m间距和70m间距时横通道内人员密度小于2人/m2,疏散通道内基本不会发生人员拥堵和阻滞现象[6].80m间距时,通道内的人员的分布密度大于2人/m但小于4人/m,说明会出现迅速拥堵现象,疏散通道内人员行动会受到但仍然可以行走[7].为避免拥堵现象发生,认为80m的设计不合理.

综合上述疏散效率、疏散通道利用率和空间密度的分析结果,60m和70m间距设计优于50m和80m间距,再考虑到间距越大,横通道个数越少,建设的经济成本越低,选择70m间距的方案是最优方案.

2

2

5󰀁结束语

本文提出的铁路隧道防灾性能化设计准则,融合了铁路建设的基本理念,同时引入了性能化设计的思想,并结合了隧道防灾的实际情况.该准则具有建议性,是为铁路隧道防灾设计提供一种设计理念,可以作为铁路隧道防灾设计的参考.

本文案例的隧道全长超过10km,属于特长铁路隧道,按照铁路工程设计防火规范,超过5km的铁路隧道需要在隧道内设置󰀁定点󰀁疏散设施.但对于󰀁定点󰀁的防灾设计在规范中并没有具体规定,必须采用性能化设计的思路,针对具体案例的情况和需求进行设计,本案例的研究可供类似铁路隧道防灾性能化设计参考.参考文献:

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4󰀁隧道防灾性能化评价

对设计时给定的4种设计方案,分别从疏散时间和空间密度两个方面进行评价.

1)疏散时间

从模拟结果可以看出,当列车发生事故时,列车

旅客是在列车员的疏导下自发选择疏散距离较近的横通道逃生,考虑最不利的疏散情况,对于烟气扩散较快情况下,总疏散时间最长可达278s,而如果疏散至横通道的时间只需要251s.按前述取6min作为可用安全时间,假设的4种间距下,人员的必须疏散时间都小于安全疏散时间.

在烟气扩散速度不同的情况下,50,60,70m间距的时间变化较小,时间减小不是很明显,但从80m减小到70m时,时间的减小是很明显的,说明50,60,70m设计在疏散效率上明显优于80m设计.50m时,有横通道的使用率为0,说明50m设计方案过于保守,在疏散通道利用率上不如60,70,80m的设计.

2)空间密度

当列车人员全部进入疏散通道时.4种方案在横通道入口处均不会发生拥堵现象,但50m间距时,疏散时有疏散通道利用率为0,说明该设计方案太过保守.

当列车人员全部进入疏散通道,但不进入邻近

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AnalysisoftheDisasterPreventionPerformance-basedDesignofRailwayTunnel

ZHANGSheng1,󰀁MOJun-wen2,󰀁LVJun-chao2

(1.XipingRailwayLLC,Xi󰀁an712046,China;2.SchoolofCivilEngineering,LanzhouJiaotongUniversity,Lanzhou730070,China)

Abstract:Withtherapidadvancementofdomesiticrailwayconstruction,thedesigned-distanceofrailwaytunnelbecomeslongerandthetaskalsoturnsouttobemorechallenging.Butthedisaster-prevention,whichplaysacriticalroleinthedesign,needstobeimprovedatpresent.Throughadetailedcasestudyon

accidentscausedbytunneldisaster,thefireaccidenthasbeenidentifiedasthemostinfluentialfactorcon-tributingtothesafetyofrailwayoperation.Thereby,thecriteriafordesigningthedisasterpreventionsys-tem,whichcouldbeareferenceforthewholedesign,hasbeenputforward.Inthisstudy,wehaveadoptedSTEPSsofttofieldsimulationanddataanalysisthroughrea-lscenecases,anditcanbeusedasreferencesbyotherparalleddesignsfordisasterprevention.

Keywords:railwaytunnel;disasterprevention;performance-baseddesign

(上接第42页)

StudyonFuzzyComprehensiveAssessmentofTunnellingRiskinRockMass

OUEr-feng

1,2

,󰀁YANSong-hong

1,2

,󰀁LIANGQing-guo

2

(1.KeyLaboratoryofRoad&BridgeandUndergroundEngineeringofGansuProvince,Lanzhou730070,China;

2.SchoolofCivilEngineering,LanzhouJiaotongUniversity,Lanzhou730070,China)

Abstract:Tunnellingisadynamicalprocedurealwaysaffectedbyvariouscomplexfactorssuchasgeology,rockandsoilproperties,excavationmethodandsupportstructures,constructionorganizationandmanage-mentetal,soitisofmuchcrucialforappropriatesafetyriskanalysisandassessmenttoadopttimelyandpropermeasurestomitigatethetunnellingrisks.Basedontheexisting5-graderiskassessmentcriteriaanddoublelayeredhierarchymodelofriskassessmentindicesoftunnellinginrockmass,theassessmentfactorsetandassessmentmatrixwereestablishedafterquantifyingthequalitativefactorsandsubsequentcalcu-latingtheweightvectorsofalltheindicesbyAHPmethod.Themethodwasthenusedtoassessthetun-nellingriskofpreliminarytunnellingschemeforF7faultzoneinWushaolingTunnelontheLanzhou-Wu-weimult-itrackrailway,whichyieldedreasonableresults.

Keywords:tunnelling;fuzzycomprehensiveassessment;AHP;safetyrisk