单洞铁路隧道火灾列车紧急出口停车模式研究

1引言
随着我国铁路交通运输网的快速发展，长大铁路隧道及隧道群数量不断增大。而客运列车最大一个特点为所载人员数量巨大，一旦在隧道中发生火灾，则人员的紧急疏散必需做到争分夺秒，以做到最大程度上的降低人员的伤亡率。
长大单洞铁路隧道及隧道群中防灾救援疏散设施多数以紧急出口和避难所的形式出现。由于单洞铁路隧道紧急出口和避难所只有一处出口的结构特点，列车发生火灾后，在此处停车进行紧急疏散时，人员全部进入安全区域所需的时间较长。因此，明确不同工况下发生火灾后在紧急出口和避难所的停车模式，快速做出最合理、最有利的停车选择，对减少人员疏散必需时间和人员伤亡数量具有重要意义。
2火灾列车停车模式的主要影响因素及停车原则
单洞铁路隧道紧急出口和避难所停车模式的选择主要与隧道中自然风的大小及风向、主隧道的坡度、火源点位置、列车人员分布密度和疏散过程中需要穿越火源点的人员数量等因素有关。
(1)自然风大小及风向。铁路隧道中在一些特殊地质气候环境下存在有自然风，其大小及风向很大程度上控制了火灾烟雾扩散的方向及速度。火灾烟雾扩散的规律为向自然风下游方向扩散速度大于向上游方向扩散速度，即下游更快受到火灾烟雾的污染，烟雾的浓度及温度发展规律亦如此。因此，应尽量将列车停在紧急出口和避难所入口的下游方向。本文主要考虑自然风风向与列车同向和反向两种情况。
(2)隧道的坡度。隧道的坡度对火灾烟雾的发展也具有一定影响，在没有自然风或风速很小的情况下，由于烟筒效应，火灾烟雾向上坡方向扩散的速度大于向下坡方向扩散的速度，其浓度与温度发展规律亦如此。因此，应尽量将列车停在紧急出口和避难所入口的上坡方向。本文主要考虑隧道坡度为上坡和下坡两种情况。
(3)火源点的位置。列车火源点的位置是选择为列车停车模式考虑的一个重点，距离火源点越近，烟雾的温度越高，火源位置拱顶处烟气一般可达到150℃。因此，应尽量将火源点远离紧急出口和避难所入口停车。本文主要考虑火源点位置在车头位置、距车头1/4位置、中部位置、距车尾1/4位置和车尾位置五种情况。
(4)列车人员分布密度。由于客运列车车辆编组不同，列车中人员分布的密度前后不均，按照满载情况考虑，硬座车厢的人数大概是卧铺车厢人数的2倍，在超载的情况下可能达到3倍。疏散过程中，人员所走的平均距离越短，则疏散所用的必需时间越少。因此，尽量将列车密度大的一端停在紧急出口和避难所入口附近，以减少平均疏散距离。本文主要考虑列车头部密度大尾部密度小和头部密度小尾部密度大两种情况。
(5)穿越火源点人数。由于单洞隧道中紧急出口和避难所入口仅有一处，因而，发生列车火灾后，必然有部分人员不要穿越火源点进入安全区域。而隧道空间狭长，火源点附近烟雾温度高，很容易对人员造成伤害。因此，必须选择尽可能少的人员疏散过程中穿越火源点，这也是停车模式选择所考虑的第一位主要因素。
3考虑多因素的停车模式
考虑到停车位置的可操作性，选择列车头部或尾部停在紧急出口和避难所入口附近两种停车位置。当自然风对烟雾扩散的影响与主洞坡度对烟雾扩散的影响作用相反时，则需要选择起主要影响作用的因素为参考对象。因此，分为自然风为主要影响作用下的停车模式和主洞坡度为主要影响作用下的停车模式两大类。
自然风风向与列车行驶方向同向时，其对烟雾的影响作用与列车上坡行驶时，坡度对烟雾的影响作用一致。同理，自然风风向与列车行驶方向反向时，其对烟雾的影响作用与列车下坡行驶时，坡度对烟雾的影响作用一致。因此，自然风为主要影响作用下的停车模式和主洞坡度为主要影响作用下的停车模式可以归结为一类，停车模式的工况共40种，由列车人员分布密度可以得到疏散过程中穿越火源点人数的比例。具体如表1所示。

表1　停车模式

4考虑穿越火源点人数因素下停车模式优选
依据人员疏散过程中，穿越火源点人数越少越好的原则，选择在主洞坡度（自然风风向）、火源点位置和列车人员分布密度情况三个因素相同条件下，疏散过程中穿越火源点人数少的停车模式。因此，表1中工况1-4比选后选择工况2的停车模式，工况5和6比选后选择工况6，工况7和8比选后选择工况8，工况9和10比选后选择工况9，工况11和12比选后选择工况12，工况13和14比选后选择工况13，工况15和16比选后选择工况15，工况17-20比选后选择工况17，工况21-24比选后选择工况22，工况25和26比选后选择工况26，工况27和28比选后选择工况28，工况29和30比选后选择工况29，工况31和32比选后选择工况32，工况33和34比选后选择工况33，工况35和36比选后选择工况36，工况37-40比选后选择工况37。最后比选后的较优工况为工况2、6、8、9、12、13、15、17、22、26、28、29、32.33.35和37共16种。同时，考虑较少数量人员穿越火源点的停车原则后优选出的停车模式结果同时也满足火源点位置尽量远离紧急出口或避难所入口的原则。
5考虑主洞坡度（自然风）因素下停车模式优选
根据停车位置尽量停在自然风下游方向或紧急出口和避难所入口的上坡方向的原则，选择在主洞坡度（自然风风向）、火源点位置和穿越火源点人数三个因素相同条件下，更有利于人员疏散的停车模式。在上述工况上进一步进行比选，工况9和12比选后选择工况12，工况29和32比选后选择工况29。因此，进一步优选后的工况为工况2、6、8、12、13、15、17、22、26、28、29、33、35和37共14种。
6考虑多因素下最优停车模式
经过上述停车模式优选，在不考虑具体穿越火源点人员数量比例的情况下，最终得到紧急出口和避难所的最优停车模式。将工况6和8比选后选择工况6，工况13和15比选后选择工况13，工况26和28比选后选择工况26，工况33和35比选后选择工况33。因此，进一步优选后的工况分别为工况2、6、12、13、17、22、26、29、33、和37，共10种停车模式。
对于一般特长铁路隧道中自然风几乎不存在，而且方向不确定，因此，停车模式主要考虑主隧道的坡度对火灾烟流影响。但对于特殊地质和气候等条件下的特长铁路隧道应考虑自然风的影响。一般特长铁路隧道停车模式可最终归纳为3种，具体如表2所示。

表2　停车模式

三种停车模式对应的人员紧急疏散路线示意图

7结论
通过对火灾列车在长大隧道及隧道群紧急出口和避难所停车模式影响因素的研究，得到如下结论：
(1)影响火灾列车在紧急出口和避难所入口处停车模式的主要因素为主洞坡度和火源点位置。
(2)通过对火灾列车在隧道紧急出口和避难所车紧急停车模式的研究，最终得到三种停车模式。
(3)当列车前半部着火，则列车尾部停在紧急出口或避难所入口附近。
(4)当列车后半部着火，则列车头部停在紧急出口或避难所入口附近。
(5)当列车中部附近着火，则根据列车行驶坡度而定。当列车上坡行驶，则尾部停在紧急出口或避难所入口附近；当列车下坡行驶，则头部停在紧急出口或避难所入口附近。

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