崔 鵬，王明年，于 麗，段儒禹，李春薈，何佳銀

(1.西南交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，四川 成都 610031；2.西南交通大學(xué) 交通隧道工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610031；3.云南省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司，云南 昆明 650041)

0 引言

截至2019年底，我國運(yùn)營、在建、規(guī)劃的高海拔鐵路隧道基數(shù)較大[1]，同時(shí)，隨著川藏鐵路的規(guī)劃、設(shè)計(jì)及建設(shè)工作的推進(jìn)，大量高海拔隧道工程繼續(xù)不斷涌現(xiàn)。

高海拔地區(qū)自然環(huán)境條件惡劣，且以低氧氣含量、低氣溫、低氣壓的環(huán)境特征為主[2]。高海拔惡劣的自然環(huán)境特征導(dǎo)致急上高原人員疏散能力受不同程度影響，使得高海拔鐵路隧道火災(zāi)事故對(duì)受災(zāi)人員的安全疏散提出更高的要求。而高海拔鐵路隧道人員疏散速度基礎(chǔ)參數(shù)的取值對(duì)其安全疏散時(shí)間的確定具有重要影響，因此對(duì)高海拔鐵路隧道人員疏散速度基礎(chǔ)參數(shù)進(jìn)行研究具有重要意義。

對(duì)于高層等民用建筑，F(xiàn)ruin[3]針對(duì)不同傾角的上下行樓梯疏散進(jìn)行研究；楊海明等[4]通過開展垂直疏散試驗(yàn)，分析視頻監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，得到疏散時(shí)間、疏散速度等關(guān)鍵參數(shù)。

對(duì)于地鐵等交通工程，Hankin等[5]研究地鐵車站乘客的疏散運(yùn)動(dòng)速度；方正等[6]基于對(duì)火車站的人流觀測(cè)得到行人進(jìn)站、出站的平均速度。

對(duì)于隧道工程而言，Wang等[7]對(duì)長大鐵路隧道內(nèi)群體疏散進(jìn)行研究，提出不同群體的疏散速度控制標(biāo)準(zhǔn)；Kretz等[8]研究人群流量、疏散時(shí)間等疏散過程參數(shù)；陳漢波[9]以巴朗山隧道工程為依托對(duì)高海拔人員疏散進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)海拔高度對(duì)人員疏散具有較大影響，并以最大攝氧量為評(píng)價(jià)指標(biāo)提出人員疏散速度計(jì)算公式；李琦等[10]通過開展疏散全過程試驗(yàn)和數(shù)值模擬研究，得出長大鐵路隧道火災(zāi)工況下人員疏散的時(shí)間和速度。

高層民用建筑研究重點(diǎn)是關(guān)注垂直疏散問題，而地鐵等建筑構(gòu)造的設(shè)施布置較鐵路隧道結(jié)構(gòu)存在差異，故其研究成果僅能提供方法的借鑒。對(duì)于鐵路隧道工程防災(zāi)疏散而言，國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行大量的研究，但針對(duì)隧道內(nèi)人員疏散速度等參數(shù)的研究較少，尤其針對(duì)急上高原者的疏散速度的相關(guān)研究更為少見。本文基于臺(tái)階現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試試驗(yàn)，以相對(duì)最大攝氧量為指標(biāo)，對(duì)急上高原人員疏散速度基礎(chǔ)參數(shù)進(jìn)行研究，以期為高海拔相關(guān)交通工程的人員安全疏散提供參數(shù)支持。

1 測(cè)試指標(biāo)及試驗(yàn)方法確定

1.1 評(píng)價(jià)指標(biāo)

衡量人體運(yùn)動(dòng)能力的指標(biāo)主要包括最大攝氧量(VO2max)，無氧閾(AT)，最大攝氧量速度(vVO2max)，最大攝氧量平臺(tái)持續(xù)時(shí)間(VO2maxPD)，攝氧量峰值(VO2maxPeak)等[9-13]。無氧閾的確定主要利用乳酸閾值，其測(cè)試具有創(chuàng)新性且操作要求技術(shù)相對(duì)較高，不利于在高海拔隧道現(xiàn)場(chǎng)開展；而最大攝氧量速度、最大攝氧量平臺(tái)持續(xù)時(shí)間、攝氧量峰值等指標(biāo)的測(cè)試則需要對(duì)最大攝氧量進(jìn)行極限測(cè)試，該測(cè)試對(duì)急上高原者具有一定危險(xiǎn)性，因此該類指標(biāo)均不予采納。最大攝氧量可采用亞極量運(yùn)動(dòng)荷載確定，其值會(huì)影響人體機(jī)能，是反映人體運(yùn)動(dòng)能力強(qiáng)弱的重要生理指標(biāo)[13-15]，因此本文研究擬采用最大攝氧量作為評(píng)價(jià)指標(biāo)。

人體在進(jìn)行運(yùn)動(dòng)時(shí)，當(dāng)心肺功能和肌肉利用氧的能力達(dá)到人體的極限水平，單位時(shí)間內(nèi)所能攝取的氧量稱為最大攝氧量[15-16]。在試驗(yàn)過程中，為減小不同受試者個(gè)體差異的影響，最大攝氧量一般以相對(duì)最大攝氧量的形式表示。

1.2 生理指標(biāo)評(píng)價(jià)意義

最大攝氧量在對(duì)人體進(jìn)行運(yùn)動(dòng)能力評(píng)價(jià)時(shí)，具有實(shí)際應(yīng)用意義。國際勞工局曾建議以最大耗氧量的相對(duì)百分比作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，對(duì)勞動(dòng)強(qiáng)度進(jìn)行等級(jí)評(píng)價(jià)[17]。陳漢波[9]通過分析不同運(yùn)動(dòng)荷載下攝氧量與能量消耗之間的關(guān)系，得到人員運(yùn)動(dòng)速度與最大攝氧量之間的關(guān)系式；《士兵體能的測(cè)量和評(píng)價(jià)》(GJB 1337—1992)[18]中采用最大攝氧量評(píng)價(jià)士兵的運(yùn)動(dòng)能力；文獻(xiàn)[14]研究發(fā)現(xiàn)在相同運(yùn)動(dòng)項(xiàng)目中，成績?cè)絻?yōu)秀的運(yùn)動(dòng)員其最大攝氧量相對(duì)偏高；文獻(xiàn)[13]曾給出馬格利亞方程，通過最大攝氧量來預(yù)測(cè)運(yùn)動(dòng)員長跑成績，如式(1)所示：

M=5(V-6)T+5V

(1)

式中：M為長跑的距離，m；V為最大攝氧量,L/min；T為運(yùn)動(dòng)時(shí)間,min。

1.3 評(píng)價(jià)方法

針對(duì)最大攝氧量，其測(cè)試評(píng)價(jià)方法主要有以下2種：1)以遞增運(yùn)動(dòng)荷載的方式進(jìn)行直接極限測(cè)量；2)施加定量運(yùn)動(dòng)荷載，以亞極量運(yùn)動(dòng)荷載的方式進(jìn)行間接測(cè)量。

運(yùn)動(dòng)荷載主要分為跑臺(tái)測(cè)試、功率自行車測(cè)試、臺(tái)階試驗(yàn)等[14，19]，而跑臺(tái)和功率自行車測(cè)試過程相對(duì)復(fù)雜，儀器昂貴，在高海拔現(xiàn)場(chǎng)不易運(yùn)輸，且其大多需要對(duì)受試者進(jìn)行極限運(yùn)動(dòng)能力測(cè)試，故在高海拔現(xiàn)場(chǎng)容易出現(xiàn)意外事故；臺(tái)階試驗(yàn)測(cè)試所用設(shè)備和試驗(yàn)方案相對(duì)簡(jiǎn)便，在高海拔現(xiàn)場(chǎng)易于操作，對(duì)受試者采用亞極量運(yùn)動(dòng)荷載可大大降低運(yùn)動(dòng)意外的發(fā)生概率。

1.4 臺(tái)階測(cè)試的可行性

國內(nèi)外學(xué)者采用臺(tái)階試驗(yàn)對(duì)最大攝氧量進(jìn)行大量研究。Chatterjee等[20]采用簡(jiǎn)單隨機(jī)抽樣的方法，對(duì)40名具有相同社會(huì)背景的印度學(xué)生進(jìn)行臺(tái)階試驗(yàn)，證明臺(tái)階試驗(yàn)在評(píng)價(jià)最大攝氧量方面的適用性；Sykes等[21]通過研究表明，臺(tái)階試驗(yàn)是1種有效的有氧能力評(píng)估方法，且其誤差相對(duì)較?。挥陂L江等[22]通過比較多種用于分析最大攝氧量的運(yùn)動(dòng)負(fù)荷方法發(fā)現(xiàn)，臺(tái)階試驗(yàn)結(jié)果與直接法測(cè)定值的相關(guān)性較好，其較為適用于我國人群；祁象賢等[23]通過3種不同方法對(duì)受試者的最大攝氧量進(jìn)行比較分析，發(fā)現(xiàn)臺(tái)階試驗(yàn)評(píng)估最大攝氧量有應(yīng)用價(jià)值；陳漢波[9]開展高海拔與人員運(yùn)動(dòng)能力的研究，證明臺(tái)階A-R列線圖法在高海拔地區(qū)的適用性。《士兵體能的測(cè)量與評(píng)價(jià)》(GJB 1337—92)[18]也規(guī)定采用臺(tái)階試驗(yàn)法對(duì)最大攝氧量進(jìn)行間接計(jì)算。

基于大量調(diào)研分析可知，通過臺(tái)階試驗(yàn)法對(duì)急上高原人員疏散速度基礎(chǔ)參數(shù)進(jìn)行研究具有實(shí)際意義，考慮到測(cè)試人員的測(cè)試安全，最終選取臺(tái)階試驗(yàn)進(jìn)行間接測(cè)試。

2 測(cè)試對(duì)象及測(cè)試流程

2.1 測(cè)試對(duì)象

本文試驗(yàn)在成都(海拔500 m)、米林(海拔3 000 m)、加查(海拔3 500 m)3個(gè)地區(qū)進(jìn)行，共計(jì)開展43人次的測(cè)試試驗(yàn)。文獻(xiàn)[24]調(diào)研表明，高海拔列車旅客性別上以男性居多，年齡分布以青年為主，考慮到區(qū)域樣本較少，故選擇年齡為20～30歲且身體健康的男性為測(cè)試對(duì)象。在進(jìn)行正式測(cè)試之前，所有受試者均進(jìn)行PAR-Q問卷調(diào)查并簽署知情同意書，保證各受試者充分休息，且在測(cè)試前的12 h內(nèi)受試者不應(yīng)參加重體力勞動(dòng)且不應(yīng)吸煙，避免對(duì)結(jié)果產(chǎn)生干擾。

2.2 測(cè)試流程

本文測(cè)試方案采用Astrand-Ryhming列線圖法[25-27]，該方法是基于受試者的亞極量運(yùn)動(dòng)狀態(tài)對(duì)最大攝氧量進(jìn)行測(cè)算的1種預(yù)測(cè)方法。Astrand-Ryhming列線圖法是間接方法中與直接法標(biāo)準(zhǔn)相關(guān)程度較高的1種方法，且無顯著性差異，可以較為準(zhǔn)確地推測(cè)最大攝氧量。基于個(gè)體年齡差異，對(duì)各受試者的測(cè)試結(jié)果進(jìn)行年齡修正，以臺(tái)階試驗(yàn)作為運(yùn)動(dòng)荷載，通過測(cè)試各受試者在亞極量荷載下的動(dòng)態(tài)心率來推測(cè)最大攝氧量。為消除個(gè)體差異的影響，最終測(cè)試結(jié)果以相對(duì)最大攝氧量的形式表示。

試驗(yàn)的具體流程如下：

1)正式試驗(yàn)之前對(duì)各受試者進(jìn)行基礎(chǔ)靜態(tài)生理參數(shù)的測(cè)試，包括身高、體重、靜態(tài)心率、靜態(tài)血氧飽和度等。

2)基礎(chǔ)測(cè)試完成后，受試者佩戴好Polar表，進(jìn)行1～2 min簡(jiǎn)單活動(dòng)，檢查儀器是否正常工作。

3)記錄測(cè)試開始時(shí)間并進(jìn)行正式試驗(yàn)，令受試者在臺(tái)階上(男性臺(tái)階400 mm，女性臺(tái)階330 mm)按照節(jié)拍器的頻率，以22.5 bpm進(jìn)行上下踏步運(yùn)動(dòng)(左腿上、右腿上、左腿下、右腿下為1次)，持續(xù)時(shí)長5 min。

4)基于Astrand-Ryhming列表圖法，將各受試者恢復(fù)期1 min時(shí)Polar表記錄的心率換算得到各受試者的最大攝氧量。

5)對(duì)年齡修正后，進(jìn)一步換算得到各受試者的相對(duì)最大攝氧量值。年齡修正系數(shù)見表1[10]。

表1 年齡修正系數(shù)

受試者進(jìn)行臺(tái)階試驗(yàn)照片如圖1所示。

圖1 受試者進(jìn)行臺(tái)階試驗(yàn)

2.3 測(cè)試儀器

測(cè)試過程中的心率采用Polar表進(jìn)行記錄，血氧飽和度采用CMS50F(FW)心率血氧儀進(jìn)行測(cè)試記錄，血壓使用ABPM50動(dòng)態(tài)血壓檢測(cè)儀進(jìn)行測(cè)試記錄。

3 測(cè)試結(jié)果分析

3.1 靜態(tài)生理參數(shù)

在正式臺(tái)階試驗(yàn)之前對(duì)參與臺(tái)階試驗(yàn)的各受試者進(jìn)行靜態(tài)生理參數(shù)測(cè)試，確保受試者身體健康，各項(xiàng)生理指標(biāo)正常。測(cè)試內(nèi)容包括受試者的身高、體重、靜態(tài)心率、靜態(tài)血壓、靜態(tài)血氧飽和度等。以成都(海拔約500 m)各受試者的靜態(tài)生理參數(shù)為例進(jìn)行分析。

各受試者的靜態(tài)生理參數(shù)如圖2所示。由圖2及計(jì)算可知，身高均值1.705 3 m，誤差±0.045 2 m；體重均值67.8 kg，誤差±10.77 kg；靜態(tài)心率均值70.8，誤差±8.21；收縮壓均值119.6，誤差±8.12；舒張壓均值73.6，誤差±9.51；靜態(tài)血氧飽和度均值97.07，誤差±1.03。靜態(tài)血氧飽和度的個(gè)體差異性最小，最大變化率為1.99%；靜態(tài)心率個(gè)體差異性最大，最大變化率為24.29%。收縮壓和舒張壓的最大變化率分別為13.88%，22.55%。

圖2 各受試者靜態(tài)生理參數(shù)曲線

3.2 相對(duì)最大攝氧量分析

以成都(海拔約500 m)地區(qū)的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試數(shù)據(jù)為例進(jìn)行分析(米林及加查的測(cè)試數(shù)據(jù)同理分析)。通過Polar表中記錄的心率數(shù)值，采用Astrand-Ryhming列線圖法，對(duì)各受試者的5 min臺(tái)階試驗(yàn)完成后1 min的心率進(jìn)行分析，并對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行年齡修正，得到各受試者的相對(duì)最大攝氧量，見表2。

表2 各受試者相對(duì)最大攝氧量

對(duì)受試者的相對(duì)最大攝氧量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析可得，在海拔500 m的平原地區(qū)各受試者的相對(duì)最大攝氧量平均值為55.64 mL/(kg·min)，同理分析得到米林及加查地區(qū)各受試者的相對(duì)最大攝氧量數(shù)值，結(jié)合前期試驗(yàn)數(shù)據(jù)和調(diào)研，得到相對(duì)最大攝氧量與海拔高度的散點(diǎn)關(guān)系圖，如圖3所示。

圖3 相對(duì)最大攝氧量與海拔高度關(guān)系

以海拔500 m的相對(duì)最大攝氧量為單位1，則其他海拔的相對(duì)最大攝氧量占比(相對(duì)最大攝氧量折減系數(shù))見表3。

表3 相對(duì)最大攝氧量折減系數(shù)

對(duì)相對(duì)最大攝氧量與海拔高度的折減系數(shù)進(jìn)行不同類型的擬合，通過比較不同擬合類型的相關(guān)系數(shù)，最終得到其隨海拔高度的折減系數(shù)公式，見表4。

表4 折減系數(shù)擬合公式

由表4可知，當(dāng)采用6階多項(xiàng)式進(jìn)行擬合時(shí)，所得表達(dá)式的相關(guān)系數(shù)最高，故選用6階多項(xiàng)式對(duì)相對(duì)最大攝氧量隨海拔變化的折減系數(shù)進(jìn)行擬合。

3.3 人員疏散速度基數(shù)

《鐵路隧道防災(zāi)疏散救援工程設(shè)計(jì)規(guī)范》(TB 10020—2017)[28]規(guī)定不同人員類型疏散速度基數(shù)取值。若以成年男性疏散速度為單位進(jìn)行標(biāo)定，則成年女性、老年人、未成年人分別為其80%，60%，66%。進(jìn)一步折減獲得高海拔鐵路隧道急上高原人員疏散速度基礎(chǔ)參數(shù)，見表5。

表5 高海拔鐵路隧道人員疏散速度基礎(chǔ)參數(shù)

《鐵路線路設(shè)計(jì)規(guī)范》(TB 10098—2017)[29]中規(guī)定鐵路機(jī)車加力牽引坡度不得大于30‰，高海拔山區(qū)地勢(shì)起伏較大，故高海拔鐵路隧道的縱坡坡度限值取為30‰。文獻(xiàn)[3]指出當(dāng)坡度小于5%時(shí)，人員速度不會(huì)減速，當(dāng)坡度達(dá)到10%時(shí)，人員速度會(huì)減速10%；當(dāng)坡度達(dá)到20%，人員速度會(huì)減小25%。

鐵路隧道待避區(qū)長度多取550 m，為驗(yàn)證上述結(jié)論在高海拔地區(qū)的適用，在海拔3 000 m處開展驗(yàn)證試驗(yàn)，測(cè)試過程的動(dòng)態(tài)速度如圖4所示。

圖4 驗(yàn)證試驗(yàn)定距疏散行走動(dòng)態(tài)速度

由圖4可知，疏散距離550范圍內(nèi)，個(gè)體人員疏散速度在1個(gè)速度值附近波動(dòng)，并無明顯下降趨勢(shì)，從而驗(yàn)證Fruin研究成果在高原的適用性。鐵路隧道正線線路縱坡一般小于30‰，所以在鐵路隧道內(nèi)受災(zāi)緊急疏散時(shí)，坡度一般不會(huì)對(duì)人員的疏散速度產(chǎn)生影響。

4 結(jié)論

1)基于臺(tái)階試驗(yàn)得出相對(duì)最大攝氧量隨海拔高度變化的規(guī)律，研究發(fā)現(xiàn)各受試者的相對(duì)最大攝氧量值與海拔高度的升高呈下降趨勢(shì)。

2)根據(jù)各受試者的相對(duì)最大攝氧量值隨著海拔高度的關(guān)系，通過計(jì)算得到不同海拔高度下其折減系數(shù)，并經(jīng)由數(shù)值擬合的方式得出急上高原者相對(duì)最大攝氧量隨海拔高度變化的折減系數(shù)公式。

3)基于折減系數(shù)公式對(duì)現(xiàn)行鐵路防災(zāi)規(guī)范中給出的人員疏散速度基數(shù)進(jìn)行折減，得出不同海拔高度處急上高原人員在疏散起始階段疏散速度基礎(chǔ)參數(shù)，為高海拔鐵路隧道人員安全疏散的研究提供參數(shù)支持。