公交化特点下新型城际铁路隧道防灾救援研究

郭现钊

（中国铁路设计集团有限公司华南公司， 广东深圳 518059）

1 引言

对于城际铁路隧道区间防灾救援及相关设施设计，目前依据的规范主要有《铁路隧道防灾疏散救援工程设计规范》（TB 10020-2017）和《城际铁路设计规范》（TB 10623-2014）。与此同时，现有轨道交通及地方也有相应的防灾设计规范，以《地铁设计规范》（GB 50157-2013）、《市域快速轨道交通设计规范》（TCCES 2-2017）为代表。不同规范在防灾救援理念上存在差异，导致在规范体系选取时产生理解上的偏差。同时，针对新型城际铁路，结合大湾区城际铁路的地下化、高运量、行车密度大、公交化的特点，分析表明铁路规范存在一定的局限性。因此，本文以深圳至大亚湾城际铁路（以下简称“深大城际铁路”）深圳段为例，通过对区间隧道防灾救援的基本原则及不同规范的梳理和分析、火灾场景的风险评估、人员疏散可靠度的建模计算，提出应对新型城际铁路隧道防灾救援的加强措施 ，并给出相应的设计建议。

2 不同规范的梳理和对比

随着都市圈城际铁路地下化和公交化的发展，隧道内灾害一旦发生将导致严重的社会影响。目前关于区间防灾救援有2类规范体系：①以铁路规范为主的“定点”救援体系；②以城市轨道交通规范为主的“定点+随机”救援体系。随着珠江三角洲、长江三角洲和京津冀都市核心区的发展，打造轨道上的都市圈，构建以轨道交通为骨干的通勤圈，推动干线铁路、城际铁路、市域（郊）铁路、城市轨道交通“四网融合”成为未来发展的趋势。在这种情形下现行规范存在2个问题：①在城际（市域）铁路公交化、城市轨道交通高速化下的前提下，城市轨道交通和铁路间的界限越来越模糊，而在防灾救援中采用哪种规范体系往往成为关注点和争议点；②在铁路和城市轨道交通互联互通的情况下，具体采用何种标准能够在保证安全的前提下与技术标准兼容，也是需要关注的焦点之一。

在市域轨道交通领域中不同规范对应不同的适用范围及救援模式，具体内容如表1所示。在铁路市域化和快速化的背景下，公交化的城际铁路、市域（郊）铁路、市域快线、地铁快线间的车辆、行车速度、隧道断面等技术标准的差异越来越小，但在防灾救援体系方面，铁路和城市轨道交通却有着较大的差别，具体包括：①消防设施方面，城市轨道交通设置排烟设施、水消防设施及行车追踪设施，铁路仅在车站及救援站内设置消防设施；②救援通道方面，城市轨道交通设置与车厢面同高的疏散平台，铁路则利用水沟盖板面设置与轨面同高的救援通道；③隧道中隔墙方面，城市轨道交通双线隧道需分隔左右线，铁路双线隧道则无中隔墙。

表1 轨道交通类规范/标准防灾救援模式梳理

在“四网融合”的趋势下，防灾救援模式的选取究竟依据何种规范也颇具争议。以深大城际铁路为例（设计速度160 km/h），如将其纳入市域快速轨道交通范畴，则需依据地铁规范体系标准采用“定点+随机”的模式，区间需设置防排烟系统同时还需加密联络通道对“随机”救援进行加强；如将其纳入铁路范畴，则仅需在车站（救援站）内设置疏散设施，区间隧道不仅不需要设置排烟系统，联络通道也仅在非火灾工况下使用。因此为完善我国铁路隧道防灾救援体系，有必要对公交化特点下的新型城际铁路区间隧道防灾救援开展研究，并为大湾区城际铁路的建设提供技术支撑。

3 火灾场景和风险评估

3.1 火灾场景的划分

对于区间防灾救援，铁路规范体系以“定点”救援为主，这主要是考虑到在车站（救援站）的救援条件比在隧道内组织救援更有利，而列车发生火灾且失去动力行驶不到邻近车站（救援站）的概率微乎其微（详见《铁路隧道防灾疏散救援工程设计规范》（TB 10020-2017）条文说明3.0.5）。因此火灾场景以列车停靠在车站（救援站）为主，场景展示如图1a所示。

城市轨道交通规范体系以“定点+随机”相结合的模式， 因此火灾场景主要有2种：①当列车具备行驶条件，以车站作为火灾场景，场景展示如图1a所示；②当着火列车失去动力，以列车随机停靠在区间作为火灾场景，场景展示如图1b所示。

图1 不同规范体系火灾工况场景

3.2 对行驶列车内人员的危险评估

城际铁路和城市轨道交通在人员密度上有较大的差异。城际铁路以中国高速铁路（CRH）型动车组为例，一节车厢定员600人，超员720人（按超员20%计算），采用横向座椅。铁路车厢内部情况如图2a所示。城市轨道交通以A型车为例，一列车厢定员1 608（按5人/m2计）～1 860人（按6人/m2计），采用纵向座椅，在人员密度上大于城际铁路。城市轨道交通车厢内部情况如图2b所示。城际铁路列车每节车厢上除配备消防灭火器外，还配备列车员，在较小密度的定员下能够做到发生火灾第一时间扑灭或控制。而城市轨道交通由于人员密度大、运营环境复杂，所面临的火灾预防控制条件更加严峻，一旦发生火灾，造成的危害会更加严重。对于以通勤客流为主的新型城际铁路，以深大城际铁路为例，定员 1 504 人（按4人/m2计），超员1 988人（按6人/m2计），虽然属于城际铁路，但从运营管理来说更接近城市轨道交通。

图2 不同轨道交通定员的差别

城际铁路和城市轨道交通除在人员密度上存在差异之外，在行李携带要求上也不尽相同。铁路规定，旅客携带行李每件重量不超过50 kg，体积以适于装入行李车为限；对于城市轨道交通，以深圳地铁行李携带规定为例，重量超过30 kg或者外部尺寸长宽高之和超过1.6 m的物品禁止携带进入。通过对铁路旅客携带行李情况及车厢内装材料的调研，参考《狮子洋水下隧道人员疏散规律数值模拟及试验研究分析阶段性报告》中天津消防所对车厢内火灾发展速率的研究数据，得出车厢内装材料燃烧速率（数值模拟、实车试验）变化在超快速至中速之间，行李燃烧速率为慢速。结合两者的燃烧速率分析，车厢内火灾的发展速率在超快速、快速、中速和慢速之间均有可能出现。车厢内火灾发展速率如图 3所示。

图3 车厢内火灾发展速率

通过对既有案例研究可知，列车发生火灾后烟气浓度变化比较大的是CO、CO2，此外还有燃烧产生的烟气颗粒。火灾中受难人员的死亡原因约有一半是由于CO中毒，另外一半是由于烧伤、爆炸压力、缺氧等其他因素。根据相关文献和资料可知，短时间内暴露在500 ppm的CO浓度环境下，人员的生命安全会受到威胁。根据人体对辐射热耐受能力的研究，人体对烟气层等火灾环境的辐射热的耐受极限是2.5 kW/m2。对于对流热，人体在180℃环境的对流热下耐受力难以超过1 min。不同温度下人体对对流热的耐受时间如表 2所示。

表2 人体对对流热的耐受极限 min

本项目地下长区间较多，以五和—白泥坑区间（长度约10 km，行车时间为5.18 min）为例 。一旦在隧道区间发生火灾，结合上述的火灾发展速率和人员耐受极限，若不能及时采取控制措施 ，人员的生命安全将会受到严重威胁 。

3.3 列车着火后被迫停的危害

依据《城际铁路设计规范》（TB 10623-2014）条文说明，按照列车最低档的设计速度120 km/h计算，3 min可以行进6 km，5 min可以行进10 km，10 min可以行进20 km，对于小于10 km的隧道，列车5 min即可被拉出洞外。车厢内发生火灾与动车组失去全部动力同时发生的概率非常小，一旦发生火灾，也可在短时间内将列车拉出洞外并将起火点放在明线上或车站内，方便消防以及救援。因此铁路规范体系对列车发生火灾且被迫停留在区间的情况未做考虑，也未做火灾工况下“随机”停留在区间的防排烟设置。本文梳理出列车着火后被迫停留区间的4种情况：①列车发生火灾，且影响动车组动力供给造成列车停滞；②列车发生火灾影响接触网等保障列车行驶的设备，造成列车停滞；③列车发生火灾的同时发生脱轨等其他事故被迫停留在区间，或脱轨、碰撞等其他事故发生的同时造成火灾等次生灾害；④列车发生火灾且由于区间过长，无法在人员到达耐受极限前行驶至车站。铁路规范分析的工况仅是上述工况中的一种，因此要加强隧道防灾救援措施有必要对火灾“全工况”进行分析。

以列车发生火灾影响接触网为例，参考中铁第一勘察设计院集团有限公司《160 km/h乌鞘岭隧道接触网悬挂方式研究》成果，当采用柔性接触网时由于90%以上的零件为受力件且互相联系密切，如个别构件失效会影响其他构件，从而可能会使整个系统失效。参考《电气化铁道用铜及铜合金接触线》（TB/T 2809-2005）附录B4规定，对于接触网金属导线允许最高工作温度规定为150 ℃。参考西南交通大学科研课题《长大及大规模隧道群防灾救援技术》试验结果，在隧道内不通风条件下拱顶温度分布曲线如图4所示，在20 MW火灾规模时隧道拱顶最高温度可高达600 ℃左右；在15 MW火灾规模时隧道拱顶最高温度可高达480 ℃左右，均高于接触网金属导线允许的最高工作温度150 ℃。火焰形成的壁面羽流区高温对接触网及相关构件会产生影响和破坏。因此列车着火后被迫停存在很大的危险隐患。

图4 额定火灾规模下温度分布曲线

4 疏散的基本原则和要求

4.1 疏散的基本原则

不论是铁路隧道还是其他工程，对于人员疏散是否安全的界定原则均一致，即可用安全疏散时间（ASET）大于必需安全疏散时间（RSET），即人在达到危险状态之前疏散至安全区域，这也是所有消防和疏散规范的核心原则。ASET的定义为自火灾发生开始至火灾环境对人员构成危险所经历的时间。参考国标《消防安全工程》（GB/T 31593.9-2015） 第9部分—人员疏散评估指南中5.1.1疏散评估的流程，ASET又可以理解为自起火开始后的探测时间、报警时间、识别时间、反应时间、运动时间和安全裕量之和。RSET 定义为自火灾发生开始至全部人员疏散到安全区域的时间。火灾疏散流程如图5所示。

图5 火灾疏散流程图

铁路规范对ASET和RSET的定义分别为：ASET为从着火列车停车开始至火灾发展到对人员安全构成危险所需的时间；RSET为从着火列车停车开始到列车中所有人员疏散至安全区域所需的时间。铁路规范ASET设定为从停车发生开始，而按照美国Standard for Fixed Guideway Transit and Passenger Rail Systems（NFPA 130-2017）中的规定取值6 min是以自火灾发生起计。依据这样的规定就会造成了一个悖论，即只要着火列车不停，车上的人员永远是安全的，或者说对行驶中着火列车人员是否安全的界定没有一个明确判定标准。

4.2 公交化新型城际铁路疏散原则

结合上文的分析，针对城际铁路地下化、公交化的特点在制定新型城际铁路疏散原则时需要考虑以下2个问题：①有必要对防灾救援全过程进行分析，即火灾发生—停车，停车—疏散结束的整个疏散过程。②有必要对防灾救援全工况进行分析，即在原“定点”体系下救援站内安全疏散评价之外，还需对行车相关设施（车辆、接触网等）的安全保障是否会受到影响，多车追踪情形下列车阻塞等工况进行分析。

在此基础上，结合《铁路隧道防灾疏散救援工程设计规范》（TB 10020-2017）相关规定，确定公交化场景下新型城际铁路疏散原则如下：①区间防灾疏散救援工程设计应遵循以人为本、安全疏散、自救为主、方便救援的原则；②当列车在隧道内发生火灾时，应控制列车驶出洞外或停靠邻近车站进行救援；③在不设置区间机械通风排烟的情况下，应加强车厢内自救措施，车厢间应设置防火隔断门，并保证15 min内耐火完整性、隔热性和气密性；④保障行车区间的洞内设施（如接触网及相关连接构件）应具备高温下强度保持率。

5 加强措施及数值模拟计算

5.1 加强疏散措施

疏散方案一，采用 “定点”疏散原则。当隧道内行驶的列车发生火灾后，着火列车开行至前方车站（救援站）内组织疏散和救援，车站配置防灾通风系统。针对列车在开行至车站这段时间内的安全保障进行的加强措施，具体内容包括：①进出站加强安检，最大限度减少火灾隐患；②增加车厢消防器材和火灾报警装置，车厢配备巡视员，发生火灾后尽量第一时间扑灭；③高峰期限流，不同的车厢间加防火隔断门，使其具备疏散到邻近车厢的条件；④列车及座位采用阻燃材料；⑤车厢间应设置防火隔断门，并保证15 min内耐火完整性、隔热性和气密性。城际铁路列车防火隔断门如图6所示。

图6 城际铁路列车防火隔断门

疏散方案二，采用“定点+随机”的疏散原则。当隧道内行驶的列车发生火灾后：①着火列车具备开行至前方车站（救援站）内组织疏散和救援条件时，进行定点救援，车站配置防灾通风和疏散系统；②当着火列车不具备开行至前方车站的条件而被迫停留在区间时，进行区间随机停车疏散，区间配置防灾通风和疏散系统。区间疏散原则上应朝上风向（迎着新风）疏散，利用水沟盖板面作为疏散通道，利用联络通道左右线互为救援隧道。用于疏散的车厢楼梯如图7所示。

图7 下至疏散平台的车厢楼梯

5.2 疏散模拟分析

以深大城际铁路五和—白泥坑区间为例，疏散方案一考虑列车停靠在车站定点救援，计算模型和列车停靠位置如图8所示。

图8 疏散计算模型

通过对疏散场景进行模拟分析，各时刻人员疏散状态如图9所示。当列车开出五和站进入区间后发生火灾，从起火到停靠白泥坑站时间为311 s，从停靠车站到人员完成疏散的时间为124 s。从着火时刻到完成疏散总计435 s。结合上述计算分析，当采用车厢隔断措施保证人员在停车前安全的前提下，疏散时间124 s小于6 min的可用安全疏散时间。

图9 定点停车救援模式下各时刻疏散状态

通过对疏散方案二的随机救援工况进行模拟分析，在联络通道600 m间距下各时刻人员疏散状态如图10所示。通过计算可知，在以隧道一侧作为救援通道的情况下，着火后乘客经过联络通道疏散至另一侧隧道所需疏散时间为490 s。为尽快在可用疏散时间内从联络通道疏散至非火灾隧道，联络通道应进行加密，具体时间如表3 所示。

表3 不同联络通道间距下疏散时间计算表 s

图10 随机停车救援模式下各时刻疏散状态

6 结论

（1）由于火灾的危险性，有必要从着火开始（而非停靠车站开始）考虑全过程（列车着火至停靠车站+停靠车站至完成疏散）中人员的安全。

（2）当列车停靠区间时，人员疏散至准安全区所需的疏散时间较长。当列车停靠疏散救援定点时，由于此处站台较宽和临时避难空间较大，极大地提高了人员的疏散效率，从而使人员的疏散行动时间更进一步缩短。因此着火后，在能保证安全的前提下首先考虑停靠在车站（救援站）进行救援。

（3）在采用定点救援情况下，需考虑“全过程”和“全工况”的疏散要求，车厢间应设置防火隔断门，并保证15 min内耐火完整性、隔热性和气密性，并对洞内设施的高温强度保持率做相应要求，以保证火灾车辆能顺利开行至车站。

（4）在采用随机救援模式下，为保障人员能尽快在可用疏散时间内从联络通道疏散至非火灾隧道，联络通道应进行加密。