CN103993890B - 一种铁路隧道斜井式紧急出口设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种铁路隧道斜井式紧急出口设计方法。所述方法包括结构设置、数据获取、仿真模拟和结构设计计算步骤；疏散通道由斜井式结构构成，包括与主隧道连接入口处的防护门、斜井式结构的缓坡段和斜井段，缓坡段宽度不小于斜井段宽度；防护门的最小宽度D(P)＝1.75e^0.025P；缓坡段最小面积A(P)＝34e^0.1P；缓坡段最大坡度S(a)＝e^0.18a。本发明采用数值计算方法和模型，获得了满足不同数量人员安全疏散紧急通道结构设计参数，该参数也充分反映了紧急通道结构条件对隧道内人员紧急疏散的影响。本发明提供了目前斜井式紧急通道的结构设计方法，而且为斜井式紧急通道的结构设计提供了科学依据，加强了铁路隧道防灾救援疏散的安全可靠性，最大可能地实现了经济、合理、安全、高效、减少损失。

Description

一种铁路隧道斜井式紧急出口设计方法

技术领域

本发明属于铁路工程建设技术领域，尤其属于铁路隧道安全工程建设技术领域，特别涉及铁路隧道防灾紧急出口通道建设技术。

背景技术

随着我国隧道工程的快速发展，尤其是铁路隧道的迅猛发展，隧道的防灾救援工程的重要性逐渐受到相关研究学者、设计人员及施工人员的高度重视。隧道防灾救援工程的设计成为隧道安全营运和发生紧急情况时保障人员生命安全的关键。目前，我国铁路隧道工程防灾救援设施建设成本耗费巨大，紧急出口作为相对小规模铁路隧道防灾救援设施设计首选，而紧急出口的结构能否通过优化设计来最大限度的保障人员安全疏散成为紧急出口结构设计的基础和关键。

目前,国内外相关研究学者研究的隧道防灾救援措施对象主要集中于紧急救援站和紧急避难所的结构及设备研究，对于紧急出口的结构设计研究较少，且国家设计规范中对斜井式紧急出口的规定仅仅局限于最小断面尺寸的说明。这对紧急出口的结构设计造成了较大的困难，对隧道救援设施设计的合理性和安全可靠性将产生重大影响。

发明内容

本发明根据现有技术的不足公开了一种铁路隧道斜井式紧急出口设计方法。本发明要解决的问题是提供一种铁路隧道斜井式紧急出口设计方法，为斜井式紧急出口的结构设计提供科学依据，以保障铁路隧道防灾救援设施设计合理和安全。

本发明通过以下技术方案实现：

铁路隧道斜井式紧急出口设计方法，其特征在于所述设计方法包括下述步骤：

步骤一、将铁路隧道斜井式紧急出口设置连接在主隧道边墙，斜井式紧急出口包括与主隧道连接入口处的防护门、斜井式结构的缓坡段和斜井段；

步骤二、获取隧道建设参数，至少包括隧道长度、断面尺寸；获取隧道通过列车参数，至少包括通过列车编组数量、列车长度、列车通过速度、列车标准及超载乘客人数、乘客的年龄和性别统计数据；

步骤三、选用大型人员疏散仿真软件EXODUS，建立斜井式紧急出口人员疏散动态模型并得到模型结构计算式，包括：

(1)根据我国客运列车型号确定对应型号客运列车所载人员数量，包含超载情况及不同人群男女老少分配比例，并确定在火灾烟气因素下不同人群的疏散速度；

(2)根据列车型号确定模拟的列车车辆数量以及车辆编组，得到每辆车中座位的数量以及包含超载情况的人员数量；

(3)根据不同车型的列车车辆数、每辆车人员数量和人员属性建立列车模型；

(4)建立隧道模型，选取隧道长度大于列车长度，隧道纵向人行通道宽度1.5±0.5m建立隧道模型；200km/h以上时速的铁路隧道中纵向人行通道宽度为1.35m-1.5m，所取宽度越大，则人员疏散时对紧急出口结构的尺寸需求越大；

(5)建立紧急出口模型，选择将紧急出口设置在列车人员密度大的一端建立紧急出口模型；当越多数量人员距离紧急出口较近时，人员疏散时对紧急出口结构尺寸的需求越大；

(6)输入步骤(1)、(2)、(3)中所选车型情况下的计算参数，改变紧急出口入口处防护门宽度，分别为1m、1.5m、2m、2.5m、3m、3.5m和4m各参数，分别运行软件，记录下每种门宽条件下，人员疏散的必需安全疏散时间和入口聚集时间，以必需安全疏散时间不再减少和入口聚集时间短暂或为0作为判断标准，确定对应人数情况下最优的紧急出口防护门宽度，并拟合导出人员数量与紧急出口防护门宽度的关系曲线和计算式；本处共选择了4种车型，对应的不同人数下共有4组门宽进行拟合；

(7)在防护门最优宽度确定后，改变紧急出口入口缓坡加宽段的宽度，分别计算4m、6m、8m和10m各参数，长度分别计算了10、15、20m、25m、30m、35m、40m、45m、50m、55m、60m、65m和70m各参数，分别运行软件，记录下每种长宽组合条件下，人员疏散的必需安全疏散时间和入口聚集时间，以必需安全疏散时间不再减少和入口聚集时间短暂或为0作为判断标准，确定对应人数情况下最优的紧急出口缓坡加宽段面积容量，并拟合出人员数量与紧急出口面积容量的关系曲线和计算式；本处选择了4种车型，对应的不同人数下共有4组面积容量进行拟合；

(8)在确定防护门最优宽度和紧急出口入口缓坡加宽段面积容量后，针对不同宽度的缓坡加宽段分析此段最大坡度，分别计算了1％、2％、3％和4％、5％、6％、8％、10％和12％各参数，分别运行软件，记录下每种宽度情况下，人员疏散的必需安全疏散时间和入口聚集时间，以必需安全疏散时间不再减少和入口聚集时间短暂或为0作为判断标准，确定对应宽度下最大的紧急出口缓坡加宽段坡度，并拟合出紧急出口缓坡加宽段的宽度与坡度的关系曲线和计算式；本处选择了4中宽度，对应的不同宽度下共有4组坡度进行拟合；

步骤四、斜井式紧急出口结构设计，应用步骤三得到的模型计算式设计紧急出口结构。

进一步本发明选择隧道为单洞双线隧道，并采用时速为160km/h和250km/h的标准设计断面，列车模型采用对应时速的标准客运列车编组和人员数量，根据步骤三得到的模型计算式是：

防护门的最小宽度D为：D(P)＝1.75e^0.025P；

缓坡段最小面积A为：A(P)＝34e^0.1P；

缓坡段最大坡度S为：S(a)＝e^0.18a；

其中，D为防护门最小宽度，单位m；P为疏散人数，单位10²人；A为缓坡段最小面积，单位m²；S为缓坡段最大坡度，单位％；a为缓坡段宽度，单位m，缓坡段宽度a根据工程地质情况确定。

所述步骤四斜井式紧急出口结构设计还包括：

(1)根据疏散人数的需要，采用人员数量与紧急出口防护门宽度关系计算式和人员数量与紧急出口面积容量计算式计算紧急出口防护门最小宽度D和入口加宽缓坡段最小容量A；

(2)根据工程情况，选择加宽缓坡段宽度a，并根据加宽缓坡段最小容量确定加宽缓坡段的长度b；

(3)根据确定后的紧急出口入口加宽缓坡段宽度a，采用紧急出口缓坡加宽段的宽度与坡度关系计算式，计算得到入口加宽缓坡段最大坡度S。

本发明在对铁路建设特别是铁路隧道建设技术、铁路列车运行技术研究基础上提出了铁路隧道紧急出口的设计方法和结构。

本发明首先利用大型人员疏散仿真软件EXODUS，建立斜井式紧急出口人员紧急疏散动态模型，对人员疏散进行模拟计算。计算中考虑火灾情况下，环境对不同年龄、性别的人员在隧道中疏散速度的影响，确定出疏散人员的属性参数；建立列车几何模型和疏散人员动态模型；确定人员疏散原则及出口位置。

然后，根据上述方法建立不同紧急出口入口段结构参数，包括入口处防护门宽度、入口加宽缓坡段容量和坡度的几何模型，对不同出口条件下人员疏散进行计算。包括针对紧急出口入口处的防护门宽度D建模，针对紧急出口入口加宽缓坡段容量A建模，针对紧急出口入口加宽缓坡段坡度S建模。

然后，根据上述计算结果，确定出人员疏散必需安全疏散时间RSET和紧急出口入口处人员的聚集时间EEGT。

然后，确定出紧急出口入口防护门宽度的拟合曲线函数，依据不同数量人员疏散的最小必需安全疏散时间RSET和人员聚集时间EEGT确定出防护门最优宽度的曲线函数D(P),通过对防护门宽度与疏散人数的关系曲线进行非线性拟合,得出计算式。

然后，确定出紧急出口入口加宽缓坡段容量的拟合曲线函数，依据不同数量人员疏散的最小必需安全疏散时间RSET和人员聚集时间EEGT确定出入口加宽缓坡段容量的曲线函数A(P)，通过对入口加宽缓坡段容量与疏散人数的关系曲线进行非线性拟合,得出计算式。

然后，确定出紧急出口入口段坡度的拟合曲线函数，依据不同入口加宽缓坡段宽度条件下人员疏散的最小必需安全疏散时间RSET和人员聚集时间EEGT确定出入口加宽缓坡段坡度的曲线函数S(a)，通过对入口加宽缓坡段坡度与宽度的关系曲线进行非线性拟合,得出计算式。

其中，在实际应用中，根据工程情况，选择满足上述容量前提下的入口加宽缓坡段宽度a和加宽缓坡段的长度b。通常由于紧急出口设置受地质条件，施工条件影响和限制，加宽缓坡段宽度a需要根据具体情况决定，但加宽缓坡段宽度a不小于斜井段宽度，同时根据紧急出口入口加宽缓坡段最小面积A决定加宽缓坡段的长度b，面积A＝a×b。

本发明的有益效果，本发明采用数值计算方法和模型，获得了满足不同数量人员安全疏散紧急出口通道结构设计参数，该参数也充分反映了紧急出口通道结构条件对隧道内人员紧急疏散的影响。本发明提供了目前斜井式紧急出口的结构设计方法，而且为斜井式紧急出口的结构设计提供了科学依据，加强了铁路隧道防灾救援疏散的安全可靠性，最大可能地实现了经济、合理、安全、高效、减少损失。

附图说明

图1是人员疏散几何模型一；

图2是人员疏散几何模型二；

图3是紧急出口平面示意图；

图4是紧急出口纵断面示意图；

图5是人员疏散动态模型；

图6是人员聚集动态模型；

图7是必需安全疏散时间RSET随紧急出口入口处防护门宽度D的变化曲线(P＝2145人)；

图8是人员聚集时间EEGT随紧急出口入口处防护门宽度D的变化曲线(P＝2145人)；

图9是必需安全疏散时间RSET随紧急出口入口加宽缓坡段不同长宽组合结构的变化曲线(P＝2145人)；

图10是人员聚集时间EEGT随紧急出口入口加宽缓坡段不同长宽组合结构的变化曲线(P＝2145人)；

图11是在紧急出口入口加宽缓坡段面积相等前提下，必需安全疏散时间RSET随紧急出口入口加宽缓坡段不同长宽组合结构的变化对比图(P＝2145人)；

图12是在紧急出口入口加宽缓坡段面积相等前提下，人员疏散时间EEGT随紧急出口入口加宽缓坡段不同长宽组合结构的变化对比图(P＝2145人)；

图13是必需安全疏散时间RSET随紧急出口入口加宽缓坡段宽度和坡度不同组合结构的变化曲线(P＝2145人)；

图14是人员疏散时间EEGT随紧急出口入口加宽缓坡段宽度和坡度不同组合结构的变化曲线(P＝2145人)；

图15是紧急出口入口处防护门最优宽度D随疏散人数的变化曲线；

图16是紧急出口入口加宽缓坡段面积A随疏散人数的变化曲线；

图17是紧急出口入口加宽缓坡段坡度S随加宽缓坡段宽度a的变化曲线；

图18是紧急出口断面示意图；

图19是案例列车编组示意图。

图中，1是隧道，2是紧急出口，3是列车，4是防护门，5是缓坡段，6是斜井段，α是缓坡段倾斜角，β斜井段倾斜角。

具体实施方式

下面通过实施例对本发明进行具体的描述，本实施例只用于对本发明进行进一步的说明，但不能理解为对本发明保护范围的限制，本领域的技术人员根据上述本发明的内容作出的一些非本质的改进和调整也属于本发明保护的范围。

本发明通过以下方案实现铁路隧道防灾紧急出口设计。

本例采用时速为160km/h和250km/h的标准设计断面，列车模型采用对应时速的标准客运列车编组和人员数量。紧急出口结构设计参数的确定方法,包括：

1)利用大型人员疏散仿真软件EXODUS，建立斜井式紧急出口人员紧急疏散动态模型，对人员疏散进行计算。

①考虑火灾情况下，环境对不同年龄、性别的人员在隧道中疏散速度的影响，确定出疏散人员的属性参数。

根据人员在平地上有序的疏散速度为0.5-1.5m/s，选取男性疏散速度1.2m/s，女性为1m/s,儿童为0.8m/s，老人为0.72m/s。

在火灾情况下有烟气，对人员速度的影响体现在消光系数Ks的取值，当Ks＝0.4时，人员疏散等于蒙眼行走，而火灾初期达不到此烟雾浓度，因此Ks＝0.35，根据下面公式可以计算得出在烟雾中各人群的疏散速度。

$v_i^0\left(\mathrm{Ks}\right)=\max \{v_{i,\min }^0,\frac{v_i^0}{\mathrm{\α}}(\mathrm{\α}+\mathrm{\βKs})\}$

式中：Ks为消光系数，参数α和β分别为0.706ms-1和-0.057m2s-1， $v_{i,\min }^0=0.1v_i^0$

在隧道中，人员由于穿越火源点等因素，不可避免在铁轨上行走一定距离，在不平或阶梯上行走的速度根据建筑防火规范可知，是在平地上疏散速度的0.86倍，因此在上述有烟下行走速度在折减0.86即为在隧道火灾中人员疏散的速度，如下表1

人员类型	儿童	成年男性	成年女性	老年人
					平坦地面无烟行走速度(m/s)	0.8	1.2	1	0.72
平坦地面有烟行走速度(m/s)(Ks＝0.35)	0.78	1.17	0.97	0.7
					不平地面有烟行走速度(m/s)(k＝0.86)	0.67	1	0.83	0.6

②建立列车几何模型和疏散人员动态模型：分别建立时速为250km/h和160km/h的客运列车几何模型，疏散人数P分别按满载和超载计算，前者列车长度200m，满载时630人，超载时800人；后者列车长度450m，满载时1530人，超载时2145人。图1和图2分别给出了时速为250km/h和160km/h客运列车的几何模型。

③人员疏散原则：火灾车厢人员疏散时，以距出口最短的路线疏散。

2)根据1)建立不同紧急出口入口段结构参数，包括入口处防护门宽度、入口加宽缓坡段容量和入口段坡度的几个模型，对不同出口条件下人员疏散进行计算。图3和图4分别给出了紧急出口入口加宽缓坡段的平面示意图和纵断面示意图。

①针对紧急出口入口处的防护门宽度D建模：建立门宽为1m、1.5m、2m、2.5m、3m、3.5m和4m的紧急出口几何模型。

②针对紧急出口入口加宽缓坡段容量A建模：建立宽度a分别为4m、6m、8m和10m，长度b分别为10m、15m、20m、25m、30m、35m、40m、45m、50m、55m、60m、65m和70m的紧急出口几何模型。

③针对紧急出口入口加宽缓坡段坡度S建模：建立坡度分别为0、1％、2％、3％、4％、5％、6％、8％、10％和12％的紧急出口几何模型。

3)根据计算结果，确定出不同结构参数组合下人员疏散必需安全疏散时间RSET和紧急出口入口处人员的聚集时间EEGT。

①当最后一个人进入紧急出口内时，对应的时间即为人员疏散必需安全疏散时间RSET。图5给出了人员疏散在紧急出口入口段的动态模型。

②由于紧急出口条件影响，人员在紧急出口入口处会产生“瓶颈”聚集现象，从聚集现象产生时刻T1到消失时刻T2所间隔的时间即为聚集时间EEGT，EEGT＝T2-T1。图6给出了人员疏散在紧急出口入口处发生人员聚集现象的动态模型

③RSET为最小值RSET(min)、聚集时间EEGT短暂或为0所对应的紧急出口入口段结构参数为最优结构参数。

经过分析可知，紧急出口入口处防护门宽度和入口加宽缓坡段容量参数逐渐增大对人员疏散的影响逐渐减小，最终趋于稳定，如图7-12。紧急出口入口加宽缓宽度对坡段有很大影响，宽度越小，对坡度的变化越敏感如图13-14。

4)确定出紧急出口防护门宽度的拟合曲线函数：依据不同数量人员疏散的最小必需安全疏散时间RSET和人员聚集时间EEGT确定出防护门最优宽度的曲线函数D(P),通过对防护门宽度与疏散人数的关系曲线进行非线性拟合,见图15，得到式(A)

D(P)＝1.75e^0.025P(A)

上式中：D为紧急出口入口处防护门最小宽度(单位m)；P为疏散人数(单位10²人)。

5)确定出紧急出口入口加宽缓坡段容量的拟合曲线函数：依据不同数量人员疏散的最小必需安全疏散时间RSET和人员聚集时间EEGT确定出入口加宽缓坡段容量的曲线函数A(P)，通过对入口加宽缓坡段容量与疏散人数的关系曲线进行非线性拟合,见图16，得到式(B)：

A(P)＝34e^0.1P(B)

上式中：A为紧急出口入口加宽缓坡段最小面积(单位m²)；P为疏散人数(单位10²人)。

6)根据不同入口加宽缓坡段宽度a，计算得到加宽缓坡段长度b，公式为：

b＝A(P)/a(C)

上式中：b为紧急出口入口加宽缓坡段长度(单位m)；A为紧急出口入口加宽缓坡段最小面积(单位m²)；a为紧急出口入口加宽缓坡段宽度(单位m)。

7)确定出紧急出口入口加宽缓坡段坡度的拟合曲线函数：依据不同入口加宽缓坡段宽度条件下人员疏散的最小必需安全疏散时间RSET和人员聚集时间EEGT确定出入口加宽缓坡段坡度的曲线函数S(a)，通过对入口段坡度与宽度的关系曲线进行非线性拟合,见图17，得到式(D)：

S(a)＝e^0.18a(D)

上式中：S为紧急出口入口加宽缓坡段最大坡度(单位％)；a为紧急出口入口缓坡段宽度(单位m)。

8)斜井式紧急出口结构应用设计步骤。

①根据疏散人数的需要，采用公式(A)和(B)计算得到紧急出口入口处防护门最小宽度D和入口加宽缓坡段最小容量A。

②根据工程情况，选择满足上述容量前提下的入口加宽缓坡段宽度a和加宽缓坡段的长度b。通常由于紧急出口设置受地质条件，施工条件影响和限制，加宽缓坡段宽度a需要根据具体情况决定，但加宽缓坡段宽度a不小于斜井段宽度，同时根据紧急出口入口加宽缓坡段最小面积A决定加宽缓坡段的长度b，面积A＝a×b。

③根据确定后的入口加宽缓坡段宽度a，带入公式(D)，得到入口加宽缓坡段最大坡度S。

结合图1至图17。

图1是人员疏散几何模型一，图1中为动车，列车编组有8辆，在单洞隧道内，停在斜井式紧急出口附近进行紧急疏散，图中，1是隧道，2是紧急出口，3是列车，列车中小点表示乘客。

图2是人员疏散几何模型二，图2为普通快速列车，列车编组有16辆，在单洞隧道内，停在斜井式紧急出口附近进行紧急疏散，图中标示与图1相同。

图3是紧急出口入口加宽缓坡段平面示意图，图4紧急出口入口加宽缓坡段纵断面示意图。图中，4是防护门，5是缓坡段，6是斜井段，α是缓坡段倾斜角，β斜井段倾斜角。

图5是人员疏散动态模型，图6是人员聚集动态模型，图中小点表示乘客。由图6可以看出，人员疏散一段时间后，在紧急出口入口处发生人员聚集现象。

图7是必需安全疏散时间RSET随紧急出口入口处防护门宽度D的变化曲线，横坐标是门宽度D，纵坐标是必需安全疏散时间。以P＝2145人为例，由图7可以看出，人员必需安全疏散时间随着入口防护门宽度的增加而减少，当门宽由1m增加到2m时，人员疏散所用的必需安全时间大大减少，而当门宽继续增大时，人员必需疏散安全时间不再增大。因此，考虑人员疏散的必需安全时间，则推荐门宽为2m为优。

图8是人员聚集时间EEGT随紧急出口入口处防护门宽度D的变化曲线，横坐标是门宽度D，纵坐标是聚集时间。以P＝2145人为例，由图8可以看出，人员聚集时间随着入口防护门宽度的增加而减少，当门宽由1m增加到3m时，人员聚集时间大大减少，而当门宽继续增大时，人员聚集时间不再增大。因此，考虑人员聚集时间，则推荐门宽为3m为优。

图9是必需安全疏散时间RSET随紧急出口入口加宽缓坡段不同长宽组合结构的变化曲线，横坐标是加宽缓坡段长度b，纵坐标是必需安全疏散时间。以P＝2145人为例，由图9可以看出，人员必需安全疏散时间随着入口加宽缓坡段长度的增加而增加。当此段宽度为4m时，长度增大到65m后，人员必需疏散安全时间不再增大；当此段宽度为6m时，长度增大到40m后，人员必需疏散安全时间不再增大；当此段宽度为8m时，长度增大到30m后，人员必需疏散安全时间不再增大；当此段宽度为10m时，长度增大到25m后，人员必需疏散安全时间不再增大。因此，入口加宽缓坡段对人员疏散的必需安全疏散时间的影响主要表现在其面积大小上，面积达到240m²以上后，人员疏散的必需安全时间基本达到最小。

图10是人员聚集时间EEGT随紧急出口入口加宽缓坡段不同长宽组合结构的变化曲线，横坐标是加宽缓坡段长度b，纵坐标是聚集时间。以P＝2145人为例，由图10可以看出，人员在入口聚集时间随着入口加宽缓坡段长度的增加而增加。当此段宽度为4m时，长度增大到70m后，人员在入口聚集时间不再增大；当此段宽度为6m时，长度增大到45m后，人员在入口聚集时间不再增大；当此段宽度为8m时，长度增大到35m后，人员在入口聚集时间不再增大；当此段宽度为10m时，长度增大到30m后，人员在入口聚集时间不再增大。因此，入口加宽缓坡段对人员疏散在入口聚集时间的影响主要表现在其面积大小上，面积达到280m²以上后，人员疏散的聚集时间基本为零。

图11是在紧急出口入口加宽缓坡段面积相等前提下，必需安全疏散时间RSET随紧急出口入口加宽缓坡段不同长宽组合结构的变化对比图，横坐标是加宽缓坡段面积A，纵坐标是必需安全疏散时间。以P＝2145人为例，由图11可以看出，在入口加宽缓坡段面积相等的情况下，不同宽长组合时，人员必需安全疏散时间也有不同。由图11分析可知，长宽比例太大或太小都对人员疏散的必需安全时间有不良的影响，但当此段面积足够大时，则这种影响基本消失。因此，入口加宽缓坡段的取值主要参考其面积对人员疏散的需要，此段的宽度在考虑工程造价的前提下，可直接选择实际工程的斜井原始宽度，不需要加宽。

图12是在紧急出口入口加宽缓坡段面积相等前提下，人员疏散时间EEGT随紧急出口入口加宽缓坡段不同长宽组合结构的变化对比图，横坐标是加宽缓坡段面积A，纵坐标是聚集时间。以P＝2145人为例，由图12可以看出，在入口加宽缓坡段面积相等的情况下，不同宽长组合时，人员入口聚集时间也有不同。由图12分析可知，长宽比例太大或太小都对人员疏散的入口聚集时间有不良的影响，但当此段面积足够大时，则这种影响逐渐消失。因此，入口加宽缓坡段的取值主要参考其面积对人员疏散的需要，此段的宽度在考虑工程造价的前提下，可直接选择实际工程的斜井原始宽度，不需要加宽。

图13是必需安全疏散时间RSET随紧急出口入口加宽缓坡段宽度和坡度不同组合结构的变化曲线，横坐标是加宽缓坡段坡度S，纵坐标是必需安全疏散时间。以P＝2145人为例，由图13可以看出，人员必需安全疏散时间随着入口加宽缓坡段坡度的减小而减少。进一步分析可知，相同坡度条件下，宽度越小，则人员疏散所用的必需安全疏散时间约多，即宽度越小，则坡度对人员疏散的影响越敏感，若要人员疏散的必需安全时间相等，则宽度越小，对应的坡度也越小。

图14是人员疏散时间EEGT随紧急出口入口加宽缓坡段宽度和坡度不同组合结构的变化曲线，横坐标是加宽缓坡段坡度S，纵坐标是聚集时间。以P＝2145人为例，由图14可以看出，人员入口聚集时间随着入口加宽缓坡段坡度的减小而减少。进一步分析可知，相同坡度条件下，宽度越小，则人员入口聚集时间约多，即宽度越小，则坡度对人员入口聚集的影响越敏感，若要人员入口聚集时间相等，则宽度越小，对应的坡度也越小。

图15是紧急出口入口处防护门最优宽度随疏散人数的变化曲线，横坐标是疏散人数P，纵坐标是入口处防护门宽度D。

图16是紧急出口入口加宽缓坡段面积A随疏散人数的变化曲线，横坐标是疏散人数P，纵坐标是入口处防护门面积A。

图17是紧急出口入口加宽缓坡段坡度S随加宽缓坡段宽度a的变化曲线，横坐标是入口缓坡段宽度a，纵坐标是入口缓坡段坡度S。

设计实施例

紧急出口入口的结构参数与所需疏散人员的数量是紧密相关的，若疏散的人员数量少，则对紧急出口结构条件要求低，若疏散的人员数量多，则对紧急出口结构条件要求高。由于铁路隧道人员疏散数量较大，对于紧急出口入口处的结构参数进行合理设计以保障人员疏散时所用时间最少，在入口处不产生聚集现象或只有短暂时间，目的为不造成人员疏散过程中由于人员拥挤所造成二次伤亡事故。因此，采取在入口段进行加宽缓坡的措施解决这一问题。下面以25型客运列车为某单洞铁路隧道主要行驶列车，列车编组如图19所示，该隧道作为紧急出口的斜井断面尺寸为7.5m×6.2m，如图18所示。图18中，列车编组17节，以左方第一节为车头，最后一节为车尾货车，以左方第二节至第五节为硬卧车，第六节为软卧车，第八节为餐车，第九节至第十六节为硬座车。

①确定人员数量P

该列车满员时乘客人数是1480人，工作人员约50人，共1530人。硬座车厢按超载60％计算，则列车所载人数大约为2145人。列车前面车厢为卧铺车厢，后面车厢为硬座车厢。具体每辆车满载时人数见下表2。

表2每辆车规定人数

车辆类型	硬座车	硬卧车	软卧车	餐车
					人数	128	66	36	90

②确定紧急入口门宽

根据所需疏散人数2145人，利用公式A计算得到斜井式紧急出口入口最小门宽：

D(P)＝1.75e^0.025P＝1.75e^0.025×21.45＝3(m)

所以，此斜井式紧急出口入口门宽最小不能小于3m。

③确定入口处加宽缓坡段容量

将所需疏散人数2145人带入公式B计算的到斜井式紧急出口入口处加宽缓坡段最小容量：

A(P)＝34e^0.1P＝34e^0.1×21.45＝290(m²)

所以，此斜井式紧急出口入口处加宽缓坡段最小容量不能小于290m²。

④确定入口处加宽缓坡段长度

根据实际斜井宽度为7.5m，可选择斜井入口处的宽度a即为7.5m，则将a＝7.5m带入C式计算得到缓坡加宽段最小长度：

b＝A(P)/a＝290/7.5＝38.7(m)

所以，此斜井式紧急出口入口处加宽缓坡段最小长度不能小于38.7m。

⑤确定入口处加宽缓坡段坡度

将a＝7.5m带入D式计算得到缓坡加宽段最大坡度：

S(a)＝e^0.18a＝e^0.18×7.5＝3.86(％)

所以，此斜井式紧急出口入口处加宽缓坡段最大坡度不能大于3.86％。

综上所述，该隧道斜井式紧急出口的入口防护门宽度为3m，加宽缓坡段宽度为实际斜井宽度7.5m，长度为38.7m，坡度不大于3.86％。

Claims (3)

1.铁路隧道斜井式紧急出口设计方法，其特征在于所述设计方法包括下述步骤：

步骤一、将铁路隧道斜井式紧急出口设置连接在主隧道边墙，斜井式紧急出口包括与主隧道连接入口处的防护门、斜井式结构的加宽缓坡段和斜井段；

步骤二、获取隧道建设参数，至少包括隧道长度、断面尺寸；获取隧道通过列车参数，至少包括通过列车编组数量、列车长度、列车通过速度、列车标准及超载乘客人数、乘客的年龄和性别统计数据；

步骤三、选用大型人员疏散仿真软件EXODUS，建立斜井式紧急出口人员疏散动态模型并得到模型结构计算式，包括：

(1)根据我国客运列车型号确定对应型号客运列车所载人员数量，包含超载情况及不同人群男女老少分配比例，并确定在火灾烟气因素下不同人群的疏散速度；

(2)根据列车型号确定模拟的列车车辆数量以及车辆编组，得到每辆车中座位的数量以及包含超载情况的人员数量；

(3)根据不同车型的列车车辆数、每辆车人员数量和人员属性建立列车模型；

(4)建立隧道模型，选取隧道长度大于列车长度，隧道纵向人行通道宽度1.5±0.5m建立隧道模型；

(5)建立紧急出口模型，选择将紧急出口设置在列车人员密度大的一端建立紧急出口模型；

(6)输入步骤(1)、(2)、(3)中所选车型情况下的计算参数，改变防护门宽度，分别为1m、1.5m、2m、2.5m、3m、3.5m和4m各参数，分别运行软件，记录下每种门宽条件下，人员疏散的必需安全疏散时间和入口聚集时间，以必需安全疏散时间不再减少和入口聚集时间短暂或为0作为判断标准，确定对应人数情况下最优的防护门宽度，并拟合导出人员数量与防护门宽度的关系曲线和计算式；

(7)在防护门最优宽度确定后，改变加宽缓坡段的宽度，分别计算4m、6m、8m和10m各参数，长度分别计算了10m、15m、20m、25m、30m、35m、40m、45m、50m、55m、60m、65m和70m各参数，分别运行软件，记录下每种长宽组合条件下，人员疏散的必需安全疏散时间和入口聚集时间，以必需安全疏散时间不再减少和入口聚集时间短暂或为0作为判断标准，确定对应人数情况下最优的加宽缓坡段面积容量，并拟合出人员数量与加宽缓坡段面积容量的关系曲线和计算式；

(8)在确定防护门最优宽度和加宽缓坡段面积容量后，针对不同宽度的加宽缓坡段分析此段最大坡度，分别计算了1％、2％、3％和4％、5％、6％、8％、10％和12％各参数，分别运行软件，记录下每种宽度情况下，人员疏散的必需安全疏散时间和入口聚集时间，以必需安全疏散时间不再减少和入口聚集时间短暂或为0作为判断标准，确定对应宽度下最大的加宽缓坡段坡度，并拟合出加宽缓坡段的宽度与坡度的关系曲线和计算式；

步骤四、斜井式紧急出口结构设计，应用步骤三得到的模型计算式设计紧急出口结构。

2.根据权利要求1所述的铁路隧道斜井式紧急出口设计方法，其特征在于所述步骤三得到的模型计算式是：

防护门的最小宽度D为：D(P)＝1.75e^0.025P；

加宽缓坡段最小面积A为：A(P)＝34e^0.1P；

加宽缓坡段最大坡度S为：S(a)＝e^0.18a；

其中，D为防护门最小宽度，单位m；P为疏散人数，单位10²人；A为加宽缓坡段最小面积，单位m²；S为加宽缓坡段最大坡度，单位％；a为加宽缓坡段宽度，单位m，加宽缓坡段宽度a根据工程地质情况确定。

3.根据权利要求2所述的铁路隧道斜井式紧急出口设计方法，其特征在于所述步骤四斜井式紧急出口结构设计，包括：

(1)根据疏散人数的需要，采用人员数量与防护门最小宽度关系计算式和人员数量与加宽缓坡段最小面积计算式计算防护门最小宽度D和加宽缓坡段最小面积A；

(2)根据工程情况，选择加宽缓坡段宽度a，并根据加宽缓坡段最小面积A确定加宽缓坡段长度b；

(3)根据确定后的加宽缓坡段宽度a，采用加宽缓坡段宽度与坡度关系计算式，计算得到加宽缓坡段最大坡度S。