馬偉斌,羅勛,王志偉
(1.中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 鐵道建筑研究所,北京100081;2.川藏鐵路有限公司,四川 成都610045)
隧道是百年工程,長大隧道內(nèi)防災(zāi)疏散救援土建結(jié)構(gòu)、設(shè)施設(shè)備的可用性、耐久性、穩(wěn)定性、安全性以及疏散的時效性和救援的應(yīng)急性存在跨越時間維度大、作用周期長的特點(diǎn)。改革開放40年來,我國平原地區(qū)鐵路長大隧道防災(zāi)疏散救援工程建設(shè)取得了長足進(jìn)步[1],隨著川藏鐵路雅安—林芝段先期開工隧道建設(shè),高原地區(qū)鐵路長大隧道防災(zāi)疏散救援原則及關(guān)鍵技術(shù)亟需總結(jié)完善。高原鐵路沿線氣候高寒、干燥、大溫差、強(qiáng)紫外線,自然災(zāi)害風(fēng)險高,地震頻發(fā),易出現(xiàn)高位泥石流、坡面崩塌等,對施工期隧道防災(zāi)疏散救援的挑戰(zhàn)極大。按規(guī)范要求,5 km以上隧道涉及運(yùn)營期防災(zāi)疏散救援工程。由于特長隧道及隧道群分布密集,運(yùn)營期列車一旦在洞內(nèi)發(fā)生火災(zāi),受限空間內(nèi)煙氣難以及時排出洞外,極易造成人員恐慌和傷亡,高海拔地區(qū)人跡罕至,救援組織能力弱,對人員逃生和消防撲救十分不利。沿線環(huán)境條件惡劣,高海拔空氣稀薄、低溫、低氧、低氣壓使人員逃生速度受到極大限制,疏散能力顯著降低,且隧道內(nèi)火災(zāi)煙氣蔓延距離更遠(yuǎn),下沉速度更快,對人員逃生的危害更大。
鑒于以上背景,結(jié)合前期科研積累,面向鐵路長大隧道工程,在論述防災(zāi)疏散救援技術(shù)體系及總體原則的基礎(chǔ)上,分施工期與運(yùn)維期闡述關(guān)鍵技術(shù),并提出亟需進(jìn)一步解決的問題,為科研、設(shè)計(jì)、施工提供技術(shù)參考。
鐵路長大隧道防災(zāi)疏散救援工程涉及基礎(chǔ)科研、土建結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、設(shè)施設(shè)備選型、軟件遠(yuǎn)程監(jiān)控、人員應(yīng)急疏散、事故應(yīng)急救援,關(guān)系隧道施工期和運(yùn)營期的建設(shè)和運(yùn)營保障。
施工期鐵路長大隧道防災(zāi)疏散救援主要針對洞內(nèi)、洞外災(zāi)害,包括地震、突涌水、塌方、滑坡、泥石流、高位巖崩、危巖落石等開展,分應(yīng)急管理、應(yīng)急救援、救援基地建設(shè)、救援隊(duì)伍建設(shè)、救援裝備配置、應(yīng)急指揮信息化平臺、外部保障支撐等方面(見圖1)。
運(yùn)營期鐵路長大隧道防災(zāi)疏散救援工程基于主、被動防災(zāi)與因地制宜的理念,立足預(yù)防、監(jiān)視、減災(zāi)、抑災(zāi)、避災(zāi)與逃災(zāi)等目的,遵循“一隧一議、統(tǒng)籌設(shè)計(jì)、分項(xiàng)實(shí)施、專門管控”的建設(shè)思路,形成包括土建結(jié)構(gòu)設(shè)施、機(jī)電設(shè)備設(shè)施、監(jiān)控系統(tǒng)、疏散模式和管理系統(tǒng)在內(nèi)軟硬件結(jié)合的技術(shù)體系(見圖2)。
圖2 運(yùn)營期鐵路長大隧道防災(zāi)疏散救援技術(shù)體系
鐵路長大隧道施工期災(zāi)害類型可按發(fā)生位置分為洞內(nèi)、洞外災(zāi)害。洞內(nèi)災(zāi)害類型主要為地震、突涌水、塌方等,洞外災(zāi)害類型主要為地震、滑坡、泥石流、高位巖崩、危巖落石等[2]。
根據(jù)調(diào)研資料[3],鐵路長大隧道運(yùn)營期災(zāi)害類型主要為列車火災(zāi)、列車碰撞或脫軌等非火災(zāi)災(zāi)害,以及地震等自然災(zāi)害引發(fā)的高位泥石流、洞口處坡面崩塌等災(zāi)害。列車火災(zāi)成因大多為機(jī)車車輛關(guān)鍵部位出現(xiàn)故障、缺陷,以及列車洞內(nèi)碰撞等。根據(jù)文獻(xiàn)[4-7],鐵路長大隧道運(yùn)營期主要災(zāi)害類型為火災(zāi)。
針對施工期鐵路長大隧道災(zāi)害類型,堅(jiān)持“以人為本、預(yù)防為主、控制災(zāi)害、及時救援”總原則,盡可能在勘察選線期間繞避主要不良地質(zhì),規(guī)避主要災(zāi)害,防止災(zāi)害事故發(fā)生,對極少數(shù)難以預(yù)料的災(zāi)害事故,制定完善的疏散救援預(yù)案,盡可能減小災(zāi)害造成的影響。
針對運(yùn)營期鐵路長大隧道災(zāi)害類型,應(yīng)貫徹“不同海拔高度隧道防災(zāi)疏散救援分級設(shè)計(jì)、災(zāi)害情況下旅客疏散和外部救援路徑分段規(guī)劃,隧道內(nèi)事故列車和洞口自然災(zāi)害分類管控”設(shè)計(jì)理念,遵循“以人為本、便于疏散、安全待避、限時救援”原則,健全防災(zāi)系統(tǒng),預(yù)防災(zāi)害發(fā)生,建立完善的疏散設(shè)施及救援系統(tǒng),提供人員安全、有效的疏散途徑及避難場所,在限定的合理時間內(nèi)將人員救援至相鄰鐵路車站或地方應(yīng)急中心等安全地帶,將災(zāi)害造成的影響降至最低程度。
(1)線位選擇。應(yīng)繞避不良地質(zhì),對確實(shí)無法繞避的應(yīng)有完善的處理措施及應(yīng)急預(yù)案。
(2)營(場)地選擇。應(yīng)開展詳細(xì)的地災(zāi)評估工作,避開滑坡、泥石流、高位巖崩等不良地質(zhì),盡可能選擇開闊地帶,保證施工營(場)地安全。
(3)施工管理。施工期間,對洞內(nèi)的各類災(zāi)害,如塌方、突涌水等,應(yīng)根據(jù)隧道地質(zhì)情況,采用綜合超前地質(zhì)預(yù)報手段,加強(qiáng)超前地質(zhì)預(yù)報工作;加強(qiáng)施工管理,保證施工安全。
(4)臨時道路。應(yīng)提高設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn),加強(qiáng)施工期間維護(hù),保證在緊急情況下道路暢通,方便救援。
(5)救援條件。對遠(yuǎn)離城鎮(zhèn)、交通極差的施工營地,可結(jié)合運(yùn)營期疏散救援需要,設(shè)置停機(jī)坪,預(yù)留空中救援條件。
(1)疏散救援堅(jiān)持以搶救遇險人員生命為中心,同時嚴(yán)防次生災(zāi)害,確保施救人員安全。
(2)疏散救援體系建設(shè)堅(jiān)持預(yù)防為主、應(yīng)急有備、以人為本、科學(xué)救援,遵循“統(tǒng)一指揮、分級負(fù)責(zé)、快速反應(yīng)、專業(yè)救援”的原則。
(3)建立應(yīng)急處置與專業(yè)救援相結(jié)合、洞內(nèi)被困人員自救互救與洞外救援相結(jié)合、鐵路救援與地方救援相結(jié)合的疏散救援體系,加強(qiáng)同國家應(yīng)急救援中心聯(lián)動。
(4)制定疏散救援預(yù)案,建立專業(yè)救援隊(duì)伍,配備專業(yè)救援人員,配置專業(yè)救援設(shè)備,儲備疏散救援物質(zhì)。
(5)對相關(guān)人員進(jìn)行疏散救援教育、知識技能培訓(xùn)和演練。
在堅(jiān)持預(yù)防為主的前提下,應(yīng)規(guī)避絕大部分施工災(zāi)害,針對常見災(zāi)害事故,制定如下疏散救援預(yù)案。
(1)塌方災(zāi)害事故。設(shè)置逃生管道,應(yīng)做到及時為被困人員通風(fēng)供氧、提供必需的生存食品;盡快打通救援通道,使被困人員盡快脫離危險環(huán)境。救援時應(yīng)根據(jù)塌方情況、地形地貌、水文地質(zhì)、救援條件等不同特點(diǎn),選擇采用大口徑水平鉆孔法、小導(dǎo)坑法、頂管法、豎井法、疏通中心水溝(管)等方法。塌方災(zāi)害事故疏散救援流程見圖3。
(2)水災(zāi)事故。應(yīng)事前落實(shí)預(yù)設(shè)洞內(nèi)逃生設(shè)施,災(zāi)害事故發(fā)生后盡快組織進(jìn)洞搜救,迅速將遇險人員運(yùn)出。具有突涌水災(zāi)害事故風(fēng)險的遂道,設(shè)計(jì)單位應(yīng)設(shè)計(jì)逃生爬梯、逃生繩、逃生臺架等具體的應(yīng)急逃生、疏散、自救措施,并加強(qiáng)對現(xiàn)場的技術(shù)交底、指導(dǎo)和配合工作。突涌水災(zāi)害事故疏散救援流程見圖4。
(3)洞外山地災(zāi)害事故。選線時盡量避免滑坡、泥石流、高位巖崩、危巖落石等不良地質(zhì),無法避開時應(yīng)選擇從影響較小的地段通過,同時應(yīng)加強(qiáng)山地災(zāi)害事故監(jiān)測,發(fā)現(xiàn)異常時,及時通知人員撤離疏散到安全地點(diǎn)。洞外山地災(zāi)害事故疏散救援流程見圖5。
(1)強(qiáng)化人員和設(shè)備管理,減小火災(zāi)事故發(fā)生概率。加強(qiáng)列車日常檢查和旅客管理,杜絕車內(nèi)吸煙及攜帶易燃易爆品上車,定期對設(shè)備進(jìn)行維護(hù),最大限度減小列車火災(zāi)發(fā)生的可能性。
圖3 塌方災(zāi)害事故疏散救援流程
圖4 突涌水災(zāi)害事故疏散救援流程
圖5 洞外山地災(zāi)害事故疏散救援流程
(2)提高列車防火性能和火災(zāi)探測能力,配備火災(zāi)報警系統(tǒng)。車體內(nèi)的棉麻制品、高分子材料、塑料、玻璃鋼等材料都可燃燒,應(yīng)配置火災(zāi)報警系統(tǒng)和滅火設(shè)施,同時提高列車失火狀態(tài)下運(yùn)行能力,最大程度保證列車著火后能夠駛出隧道或駛至緊急救援站停車疏散人員。
(3)在線路上設(shè)置軸溫探測裝置、火災(zāi)報警裝置等系統(tǒng)。對列車狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控,當(dāng)列車溫度超高或其他狀態(tài)異常時,阻止列車進(jìn)入隧道,同時對其他列車發(fā)出警告,防止次生災(zāi)害。
(4)加強(qiáng)軌道、列車、隧道內(nèi)設(shè)備、隧道結(jié)構(gòu)的檢修養(yǎng)護(hù)。減少列車脫軌、擦掛、碰撞等事故發(fā)生。
(5)針對大風(fēng)、暴雨、大雪、地震及異物侵入等災(zāi)害或事故,健全鐵路防災(zāi)安全監(jiān)控系統(tǒng),保證運(yùn)營安全。
(6)對洞口危巖落石、高位巖崩等山地災(zāi)害,采用清方、加固、接長明洞、設(shè)置防護(hù)網(wǎng)等綜合措施,消除運(yùn)營期間的安全隱患。
列車在隧道內(nèi)發(fā)生火災(zāi)時,盡量駛出隧道并將失火車廂完全停靠于露天地段,開展人員疏散及消防撲救;當(dāng)列車不能駛出隧道時,列車應(yīng)停靠在緊急救援站進(jìn)行疏散待避和救援。長大隧道分為合修與分修2種類型[8],結(jié)合鐵路長大隧道工程特點(diǎn),緊急救援站定點(diǎn)停車分為“單洞雙線隧道+平導(dǎo)”定點(diǎn)停車、“雙洞單線隧道”定點(diǎn)停車2種情況,具體如下。
4.2.1 “單洞雙線隧道+平導(dǎo)”定點(diǎn)停車疏散救援方案
(1)疏散方案。以左線列車起火為例,失火列車??吭诰o急救援站,人員通過救援站疏散站臺、疏散聯(lián)絡(luò)通道向相鄰側(cè)的平導(dǎo)逃生疏散(見圖6)。
圖6 “單洞雙線隧道+平導(dǎo)”定點(diǎn)停車疏散方案
主要安全保障措施:救援站一側(cè)設(shè)置貫通平導(dǎo),另一側(cè)增設(shè)局部平導(dǎo),并在貫通平導(dǎo)或疏散聯(lián)絡(luò)通道內(nèi)設(shè)置機(jī)械防災(zāi)通風(fēng)和防護(hù)門等,通過平導(dǎo)對火災(zāi)隧道送風(fēng)加壓,防止火災(zāi)煙氣蔓延至疏散聯(lián)絡(luò)通道內(nèi)。此外,利用橫洞或斜井作為救援站排煙道,在救援站地段頂部設(shè)置排煙道與橫洞或斜井相接,以實(shí)現(xiàn)救援站半橫向排煙。
(2)待避方案。當(dāng)全部旅客逃生至平導(dǎo)后,需關(guān)閉救援站疏散聯(lián)絡(luò)通道防護(hù)門,人員在平導(dǎo)或平導(dǎo)內(nèi)待避,等待外部救援。人員待避期間,需繼續(xù)采取通風(fēng)措施,以提供人員呼吸所需要的新鮮風(fēng)。
主要安全保障措施:由于單洞雙線隧道救援站僅一側(cè)設(shè)置貫通平導(dǎo),在隧底設(shè)置1處聯(lián)絡(luò)通道,實(shí)現(xiàn)兩側(cè)平導(dǎo)互聯(lián)互通。
(3)救援方案。由于單洞雙線隧道設(shè)置平導(dǎo),可采用公路救援方案,救援汽車需由地方道路通過平導(dǎo)兩端洞口進(jìn)入救援站人員待避區(qū)內(nèi),將人員運(yùn)送至地方應(yīng)急避難場所或車站等安全地點(diǎn)(見圖7)。
4.2.2 “雙洞單線隧道”定點(diǎn)停車疏散救援方案
可將緊急救援站結(jié)合橫洞或斜井井位設(shè)置,充分利用分修的雙線隧道互為疏散救援。具體方案如下:
(1)疏散方案。著火列車??吭诰o急救援站,開啟安全隧道內(nèi)風(fēng)機(jī)向火災(zāi)隧道通風(fēng),新鮮風(fēng)從安全隧道、救援站疏散聯(lián)絡(luò)通道流入火災(zāi)隧道,人員通過疏散站臺面迎新鮮風(fēng)向疏散聯(lián)絡(luò)通道逃生(見圖8)。
主要安全保障措施:需在救援站地段拱部設(shè)置排煙道,與橫洞或斜井排煙道相接,以實(shí)現(xiàn)救援站半橫向排煙。
(2)待避方案。當(dāng)全部旅客進(jìn)入救援站疏散聯(lián)絡(luò)通道或安全隧道后,關(guān)閉救援站疏散聯(lián)絡(luò)通道防護(hù)門,將疏散聯(lián)絡(luò)通道或安全隧道作為人員的待避空間,并繼續(xù)向安全隧道、疏散聯(lián)絡(luò)通道供送新鮮風(fēng),為待避人員提供足夠的新鮮空氣。
(3)救援方案。采用鐵路救援,救援列車通過安全隧道進(jìn)入救援站,將人員疏散到附近車站(見圖9)。
圖7 “單洞雙線隧道+平導(dǎo)”定點(diǎn)停車救援方案(公路救援)
圖8 “雙洞單線隧道”定點(diǎn)停車疏散方案
圖9 “雙洞單線隧道”定點(diǎn)停車救援方案
非火災(zāi)事故的故障列車或自然災(zāi)害(地震、高位泥石流、崩塌)工況,在保證人員安全前提條件下,可采用隨機(jī)停車為主的疏散方案,具備條件時也可停靠在疏散條件更好的救援站開展人員疏散。隨機(jī)停車疏散分為“單洞雙線隧道+平導(dǎo)”隨機(jī)停車、“雙洞單線隧道”隨機(jī)停車2種情況。
4.3.1 “單洞雙線隧道+平導(dǎo)”隨機(jī)停車疏散救援方案
(1)疏散方案。隨機(jī)停車后,開啟平導(dǎo)內(nèi)的送風(fēng)風(fēng)機(jī),人員通過橫通道疏散到平導(dǎo)內(nèi)(見圖10)。
(2)待避方案。當(dāng)全部人員進(jìn)入平導(dǎo)后,關(guān)閉橫通道防護(hù)門,人員進(jìn)入平導(dǎo)內(nèi)待避。繼續(xù)開啟平導(dǎo)內(nèi)送風(fēng)風(fēng)機(jī),為待避人員提供足夠的新鮮空氣。
(3)救援方案。可采用鐵路救援和公路救援。
①鐵路救援。救援列車通過正線隧道進(jìn)入事故列車附近,人員通過橫通道從平導(dǎo)進(jìn)入正線救援列車,運(yùn)送至附近車站(見圖11)。
②公路救援。救援汽車通過平導(dǎo)進(jìn)入將人員運(yùn)送至地方應(yīng)急救援中心或附近車站(見圖12)。
圖10 “單洞雙線隧道+平導(dǎo)”隨機(jī)停車疏散方案
圖11 “單洞雙線隧道+平導(dǎo)”隨機(jī)停車救援方案(鐵路救援)
圖12 “單洞雙線隧道+平導(dǎo)”隨機(jī)停車救援方案(公路救援)
4.3.2 “雙洞單線隧道”隨機(jī)停車疏散救援方案
當(dāng)列車出現(xiàn)故障或因自然災(zāi)害需隨機(jī)停車,可充分利用分修的雙線隧道互為疏散救援通道。
(1)疏散方案。開啟安全隧道內(nèi)的風(fēng)機(jī),人員從事故隧道通過橫通道進(jìn)入安全隧道(見圖13)。
(2)待避方案。當(dāng)全部人員進(jìn)入安全隧道后,關(guān)閉橫通道門,人員進(jìn)入安全隧道內(nèi)待避。保持安全隧道內(nèi)風(fēng)機(jī)處于開啟狀態(tài),為待避人員提供足夠的新鮮空氣。
(3)救援方案。列車隨機(jī)停靠在雙洞單線隧道地段時,人員進(jìn)入安全隧道內(nèi)待避,采用鐵路救援模式,救援列車通過安全隧道進(jìn)入,將旅客運(yùn)送至附近車站(見圖14)。
圖13 “雙洞單線隧道”隨機(jī)停車疏散方案
圖14 “雙洞單線隧道”隨機(jī)停車救援方案
隧道施工期防災(zāi)疏散救援通常納入施工安全風(fēng)險管控范疇,新建鐵路長大隧道土建工程有嚴(yán)格的質(zhì)量驗(yàn)收程序[9],隧道施工過程中基于安全監(jiān)測數(shù)據(jù)、地質(zhì)預(yù)報數(shù)據(jù)、風(fēng)險管理數(shù)據(jù)建立各類安全監(jiān)測系統(tǒng),目前施工期防災(zāi)疏散救援整體技術(shù)水平較高。在隧道防災(zāi)疏散救援領(lǐng)域,當(dāng)前研究重點(diǎn)為運(yùn)營期的技術(shù)體系。
上述關(guān)鍵技術(shù)側(cè)重疏散救援預(yù)防措施與方案,其決定土建結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原則和方向,但土建結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)結(jié)合隧址范圍內(nèi)工程地質(zhì)特征與環(huán)境條件進(jìn)行專門性致災(zāi)因素分析和致災(zāi)機(jī)制計(jì)算,在此基礎(chǔ)上,進(jìn)行機(jī)電設(shè)備設(shè)施配置,并同時考慮與土建結(jié)構(gòu)的匹配程度,而后設(shè)立監(jiān)控系統(tǒng),輔助設(shè)備設(shè)施日常監(jiān)控與災(zāi)害條件下的應(yīng)急救援。由于世界范圍內(nèi)高原鐵路長大隧道修建數(shù)量有限,工程相關(guān)研究尚不充分,體現(xiàn)在以下幾個方面:
(1)燃燒特性與致災(zāi)機(jī)制方面。數(shù)值分析多側(cè)重救援站內(nèi)燃?xì)饴右?guī)律與致災(zāi)機(jī)制,對于高原鐵路等工程地質(zhì)復(fù)雜、高能地質(zhì)環(huán)境多的線路,應(yīng)該重視預(yù)估運(yùn)營期隧道發(fā)生結(jié)構(gòu)損害影響列車行進(jìn)的特殊情況,列車隨機(jī)停車后撞擊起火情況下燃燒特性、致災(zāi)因素和疏散時間等應(yīng)有科研儲備。
(2)土建結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化方面。應(yīng)立足高原環(huán)境人員運(yùn)動能力下降對土建結(jié)構(gòu)的特殊要求,研究確定橫洞、斜井、豎井、平導(dǎo)、緊急出口設(shè)置修正參數(shù)。
(3)機(jī)電設(shè)備設(shè)施適用性方面。高原低壓低氧的環(huán)境需考慮機(jī)電設(shè)備設(shè)施對電暈、滅弧能力、絕緣強(qiáng)度、溫升、外形和密封、溫度的抵抗能力以及靜電對機(jī)電設(shè)備的影響,規(guī)范設(shè)備設(shè)施對于防腐、抗爆、耐疲勞、耐候性、耐久性的技術(shù)要求,計(jì)算防災(zāi)風(fēng)機(jī)的通風(fēng)效率、功率,計(jì)算水消防泵房的供水能力等。
(4)人員疏散及救援時效方面。應(yīng)引入受限環(huán)境人員疏散動力學(xué)方面理論,考慮疏散心理學(xué)與博弈行為理論,確立非常規(guī)災(zāi)害事故情況下人員疏散評估模型,為救援策略優(yōu)化配置提供支撐。
安全是隧道施工與運(yùn)營永恒的主題。隧道防災(zāi)疏散救援在施工階段和運(yùn)營階段應(yīng)該同等重視,當(dāng)前鐵路長大隧道數(shù)量多、里程長、建設(shè)環(huán)境艱險、運(yùn)營環(huán)境復(fù)雜,建設(shè)運(yùn)維付諸實(shí)踐的前提是確定總體技術(shù)、管理原則,研究救援措施,結(jié)合救援模式確定救援預(yù)案。從施工和運(yùn)營2個方面,闡述了防災(zāi)疏散救援原則與關(guān)鍵技術(shù),并指出運(yùn)營期鐵路長大隧道防災(zāi)疏散救援應(yīng)在燃燒特性與致災(zāi)機(jī)制、土建結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化、機(jī)電設(shè)備設(shè)施適用性、人員疏散及救援時效4個方面進(jìn)一步進(jìn)行研究。當(dāng)前,鐵路長大隧道建設(shè)單位與各鐵路運(yùn)輸企業(yè)非常重視長大隧道應(yīng)急救援機(jī)制的建設(shè)和完善[10],上述防災(zāi)疏散救援原則及關(guān)鍵技術(shù)可為相關(guān)研究和工程技術(shù)人員提供參考。