CN113530564B - 一种高海拔铁路隧道口紧急救援站的设计方法及系统 - Google Patents

一种高海拔铁路隧道口紧急救援站的设计方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种高海拔铁路隧道隧道口紧急救援站设计方法及系统，设计方法包括：构建隧道口紧急救援站的几何模型，几何模型包括避难空间、横通道和疏散站台，横通道连接在两座主隧道之间，横通道与主隧道连接处设置有防护门；避难空间设置于横通道中部；疏散站台设置在隧道内部；获取平行隧道的建设参数、通过主隧道的列车参数、人员疏散速度以及主隧道的空气质量参数统计数据；构建隧道口紧急救援站人员疏散动态模型；获取隧道口紧急救援站的结构设计参数，设计隧道口紧急救援站。本发明使建设在高海拔铁路隧道口的紧急救援站结构类型能够保障列车人员的疏散环境安全，降低灾害对疏散人员的危害，为高海拔铁路隧道防灾疏散救援建设提供技术支撑。

Description

一种高海拔铁路隧道口紧急救援站的设计方法及系统
技术领域
本发明涉及高海拔地区铁路工程建设技术领域，特别是涉及一种高海拔铁路隧道口紧急救援站设计方法及系统。
背景技术
随着我国经济的迅猛增长，为推动西部高原地区经济发展，改善区域铁路路网布局，提高沿线各族人民生活水平，高海拔铁路隧道随之迅猛发展，西部山区长大及大规模隧道群数量增加，通往高海拔地区的隧道工程建设得到了高速发展，随之出现越来越多的高海拔长大隧道。由于高海拔隧道工程的特殊性，为保证长大隧道运营的安全，高海拔长大隧道防灾救援研究也越来越受到重视。随着越来越多长度超过20km的高海拔铁路隧道的建成运营，研究高海拔地区隧道发生火灾时的防灾救援问题显得刻不容缓。对于高海拔隧道内紧急救援站防灾救援设施建设成本耗费巨大，隧道口紧急救援站横通道作为长大铁路隧道防灾救援设施设计重点，而救援疏散设施的结构参数能否通过优化设计来最大限度的保障人员在高海拔环境下安全疏散成为紧急救援站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平原隧道内紧急救援站和紧急避难所的结构及设备研究，对于高海拔铁路隧道口紧急救援站疏散设施的结构设计研究较少，且国家设计规范中对隧道防灾救援设施的规定仅仅局限于低海拔隧道口紧急救援站的说明。高海拔铁路隧道口紧急救援站的相关研究几乎没有，隧道的疏散设施设计参数的合理性和安全可靠性没有得到证实。由于高海拔环境属于低压缺氧低温的“三低”气候条件，因此人员在疏散中会由于缺氧或者高原反应导致疏散能力下降，据研究表明海拔在4000m以上时人的运动疏散能力相当于低海拔的70％，所以做好高海拔隧道防灾疏散救援工程的合理设计对于高速铁路安全运营极为重要。
因此，亟需一种对于高海拔铁路含避难空间加密横通道型隧道口紧急救援站的设计方法。
发明内容
本发明的目的是提供一种隧道口紧急救援站设计方法及系统，以解决上述现有技术存在的问题，使建设在高海拔铁路隧道口的紧急救援站结构类型能够保障列车人员的疏散环境安全，降低灾害对疏散人员的危害，为高海拔铁路隧道防灾疏散救援建设提供技术支撑。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：本发明提供一种隧道口紧急救援站设计方法，包括以下步骤：
构建所述隧道口紧急救援站的几何模型，其中，所述几何模型包括避难空间、横通道和疏散站台，所述横通道连接在两座隧道之间，用于联通两座隧道，所述横通道与所述主隧道的连接处设置有防护门；所述避难空间设置于横通道中部；所述疏散站台设置在所述隧道内部
获取所述平行隧道的建设参数、通过所述隧道的列车参数、疏散速度以及所述隧道的空气质量参数统计数据；
基于所述几何模型、所述建设参数、所述列车参数、所述疏散速度和所述空气质量参数，构建隧道口紧急救援站人员疏散动态模型；
基于所述隧道口紧急救援站人员疏散动态模型，获取所述隧道口紧急救援站的结构设计参数，设计所述隧道口紧急救援站。
优选的，所述横通道设置有缓坡段，所述缓坡段的坡度为12％。
优选的，所述建设参数包括隧道长度、断面尺寸；所述列车参数至少包括列车编组数量、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、性别。
优选的，构建隧道口紧急救援站人员疏散动态模型包括:
基于所述列车参数、所述疏散速度和所述空气质量参数，构建列车模型；
基于所述横通道的参数设计构建隧道口紧急救援站模型，所述建隧道口紧急救援站模型的长度包括明线段长度与两端洞口段长度，且所述明线段与任意一端所述隧道的洞口段长度之和不小于所述列车长度；
基于所述列车参数和所述隧道口紧急救援站模型，设置若干所述防护门的宽度和疏通人员数量，分别计算人员疏散的必需安全疏散时间T1，获取最小防护门宽度和最优防护门宽度，并拟合导出所述疏通人员数量与所述防护门的宽度之间的关系曲线和关系计算式；
基于所述最优防护门宽度，设置若干所述横通道的间距和所述疏通人员数量，分别计算人员疏散的必需安全疏散时间T2，获取最大横通道间距和最优横通道间距，拟合导出所述疏通人员数量与横通道间距的关系曲线和关系计算式；
基于所述最优防护门宽度和所述最优横通道间距，设置若干所述隧道口紧急救援站的站台宽度和疏通人员数量，分别计算人员疏散的必需安全疏散时间T3，获取最小站台宽度和最优站台宽度，拟合导出所述疏通人员数量与所述站台宽度的关系曲线和关系计算式。
优选的，构建隧道口紧急救援站人员疏散动态模型还包括获取避难空间长度l和避难空间面积容量A，所述避难空间长度l为紧急救援站长度减去明线段长度，所述避难空间面积A如下式所示且大于列车人数量P×0.5m2，
A＝4*(2Y-2L)，
其中，Y表示列车长度，L表示明线段长度。
优选的，获取所述隧道口紧急救援站的结构设计参数，设计所述隧道口紧急救援站包括：
根据疏散人数需求，基于所述疏通人员数量与所述防护门的宽度之间的关系计算式、所述疏通人员数量与横通道间距的关系计算式和所述疏通人员数量与所述站台宽度的关系计算式，计算所述最小防护门宽度、所述最大横通道间距、所述最小站台宽度；并计算最优防护门宽度、所述最优横通道间距、所述最优站台宽度；
根据紧急救援站设计长度需求，基于所述列车长度和所述明线段长度L计算避难空间长度l；
根据疏散人数避难空间需要，采用所述避难空间面积容量A的计算式，计算得到所述避难空间的最小面积。
优选地，所述结构设计参数的计算模型为：
所述最小防护门宽度：D1＝0.4147e0.0677P，式中，D1为最小防护门宽度，
所述最优防护门宽度：D2＝0.3918e0.0912P，式中，D2为最优防护门宽度，
所述最大横通道间距：R1＝1752.1e-0.152P，式中，R1为最大横通道间距，
所述最优横通道间距：R2＝440.68e-0.107P，式中，R2为最优横通道间距，
所述最小站台宽度：S1＝0.6888e0.0497P，式中，S1为最小站台宽度，
所述最优站台宽度：S2＝0.704e0.0558P，式中，S2为最优站台宽度。
优选的，所述明线段长度小于250m。
还提供一种隧道口紧急救援站设计系统，包括数据获取模块，用于获取隧道建设参数，所述隧道建设参数至少包括隧道长度、断面尺寸；隧道通过的列车参数，所述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、性别；疏散速度以及高海拔隧道空气质量参数统计数据；
设计模块，用于根据所述数据获取模块采集的统计数据构建隧道口紧急救援站人员疏散动态模型并得到所述隧道口紧急救援站的结构计算模型，确定所述隧道口紧急救援站的结构的设计参数。
本发明公开了以下技术效果：
本发明提供的一种高海拔铁路隧道口紧急救援站设计方法及系统，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设施结构设计参数，也充分反映了疏散设施结构设计参数对隧道内人员紧急疏散的影响。本发明提供了目前高海拔铁路隧道口紧急救援站疏散设施的结构设计方法，而且为高海拔铁路隧道口紧急救援站的结构设计提供了科学依据，加强了高海拔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
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本申请实施例提供的高海拔铁路隧道口紧急救援站设计方法的流程图；
图2为本申请实施例提供的人员疏散几何模型与列车模型；
图3为本申请实施例提供的高海拔铁路含避难空间加密横通道型隧道口紧急救援站几何模型；
图4为本申请实施例提供的含避难空间加密横通道型隧道口紧急救援站平面示意图；
图5为本发明实施例提供的高海拔铁路隧道口紧急救援站断面示意图；
图6为本发明实施例提供的必需安全疏散时间RSET随横通道入口处防护门宽度D(不同横通道间距组合)的变化曲线图(P＝118人，总人数2124人)；
图7为本发明实施例提供的必需安全疏散时间RSET随横通道间距R(不同防护门宽D组合)的变化曲线图(P＝118人，总人数2124人)；
图8为本发明实施例提供的确定防护门宽D为3m，横通道间距R为40m后必需安全疏散时间RSET随站台宽度S的变化曲线图(P＝118人，总人数2124人)；
图9为本发明实施例提供的横通道入口处防护门最小宽度D1随疏散人数的变化曲线图；
图10为本发明实施例提供的横通道最大间距R1随疏散人数的变化曲线图；
图11为本发明实施例提供的站台的最小宽度S1随疏散人数的变化曲线图；
图12为本发明实施例提供的横通道入口处防护门最优宽度D2随疏散人数的变化曲线图；
图13为本发明实施例提供的通道最优间距R2随疏散人数的变化曲线图；
图14为本发明实施例提供的站台的最优宽度S2随疏散人数的变化曲线图；
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
本发明提供一种隧道口紧急救援站设计方法，如图1-5所示。隧道作为铁路的重要组成部分之一，近些年其数量不断增多并且单座隧道长度也不断增长。尽管相比于公路隧道，铁路隧道发生火灾等灾害的概率较小，但是，由于其深埋地下，环境封闭，在通风、客流快速疏散等方面都受到了极大的限制。在突发事故，需要紧急救援时，人员从疏散站台疏散至横通道，并最终在避难空间等待救援。
在高海拔铁路建设中，隧道口紧急救援站设计方法，包括如下步骤：
S100：参考图3和图5，构建隧道口紧急救援站的几何模型，其中，紧急救援站的几何模型中包括避难空间、横通道和疏散站台，避难空间设置于横通道中部，将横通道设置在两隧道之间，用于联通两座隧道，横通道与隧道连接处设置有防护门，横通道包括与隧道连接入口处的防护门、横通道的缓坡段。横通道的缓坡段与水平地面的夹角为12°，即横通道的缓坡段坡度为12％。疏散站台设置在隧道内部，与防护门相连接。
S200：确定隧道建设参数，至少包括隧道长度、断面尺寸，确定隧道通过的列车参数，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、性别，确定疏散速度以及高海拔隧道空气质量参数(比如含氧量)统计数据；
S300：建立高海拔铁路隧道口紧急救援站人员疏散动态模型并得到隧道口紧急救援站结构计算模型，确定结构设计参数。
步骤S300具体包括：
S301、根据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，并确定同时考虑在灾难环境，如火灾烟气、隧道内灰尘浓度以及高海拔低压缺氧低温的环境因素下不同人群的疏散速度；
S302、根据列车型号确定模拟的列车车厢数量以及车辆编组，得到每车厢中座位的数量以及包含超载情况的人员数量；
S303、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，如图2所示；
S304、针对于横通道的参数设计隧道口紧急救援站建立模型，隧道口设置防灾通风系统，适用于双洞单线隧道(大部分特长高海拔隧道洞线数量为双洞单线)。隧道口紧急救援站的长度应包括明线段与两端洞口段长度之和，且明线段与任意一端隧道洞口段长度之和不小于列车长度，并且明线段长度小于250m，因为列车起火点不明确，尽量将列车起火点停在明线段进行人员疏散，更能够保证人员疏散过程的安全。由于高海拔环境的恶劣气候条件，该隧道口紧急救援站的人员在不跨越起火点的情况，疏散至隧道口两端的横通道，进入避难空间等待救援，避难空间应保证良好的通风条件。根据现有相关规定和文献针对平原隧道的研究：紧急救援站纵向人行通道站台高度不低于0.3m，宽度不小于2.5m。本发明的确定隧道口紧急救援站模型参数时规定车厢地板到站台的距离取0.3m建立隧道口紧急救援站模型。
S305、建立隧道口紧急救援站模型，选择将洞内横通道等距设置在救援站的一端建立模型；当越多数量列车人员距离横通道较近时，人员疏散对横通道间距和结构尺寸的要求越大。
S306、利用步骤(1)、(2)、(3)中所选车型情况下的计算参数，改变横通道入口处防护门宽度，分别为1m、1.5m、2m、2.5m和3m五个参数，记录下每种防护门门宽条件下人员疏散的必需安全疏散时间，以必需安全疏散时间不再减少且小于行业标准规范规定的6min作为判断标准，确定对应人数情况下最小的横通道防护门宽度；然后改变横通道入口处防护门宽度，分别为1m、1.5m、2m、2.5m、3m、3.5m和4m七个参数，记录下每种防护门门宽条件下人员疏散的必需安全疏散时间，以必需安全疏散时间减少程度不明显且无人员聚集现象作为判断标准，确定对应人数情况下最优的横通道防护门宽度，为方便分析横通道防护门宽度的改变对必需安全疏散时间产生的差异，设定每车厢人数相同且均为硬座车厢的情况。选择的人数工况每车厢取相同人数的工况，并拟合导出人员数量与横通道防护门宽度的关系曲线和计算式。
S307、在横通道防护门最优宽度确定后，改变横通道间距，分别为40m、50m、60m、70m和80m五个参数；假设紧急救援站站台宽度足够大，且不影响人员疏散速度，然后分别记录下每种横通道间距条件下人员疏散的必需安全疏散时间，以必需安全疏散时间不再减少且小于6min作为判断标准，确定对应人数情况下最小的横通道防护门宽度；然后以必需安全疏散时间减少程度不明显且无人员聚集现象作为判断标准，确定对应人数情况下最优的横通道防护门宽度，为方便分析横通道间距的改变对必需安全疏散时间产生的差异，设定每车厢人数相同且均为硬座车厢的情况。选择的人数工况为每车厢取相同人数的工况，并拟合导出人员数量与横通道间距的关系曲线和计算式。
S308、在确定横通道防护门最优宽度和横通道最优间距后，改变隧道口紧急救援站的站台宽度，分别取1.5m、2m、2.5m、3m和3.5m五个参数，记录下每种站台宽度条件下人员疏散的必需安全疏散时间，以必需安全疏散时间不再减少且小于6min作为判断标准，确定对应人数情况下最小的横通道防护门宽度；然后以必需安全疏散时间减少程度不明显且无人员聚集现象作为判断标准，确定对应人数情况下最优的横通道防护门宽度，为方便分析站台宽度的改变对必需安全疏散时间产生的差异，设定每车厢人数相同且均为硬座车厢的情况。选择的人数工况为每车厢取相同人数的工况，并拟合导出人员数量与站台宽度的关系曲线和计算式。
S309、最后确定避难空间长度l与避难空间面积A，避难空间的净空尺寸不宜小于4m*5m，建立宽度为4m，长度由紧急救援站长度减去明线段长度L，避难空间的面积A＝4*(2Y-2L)且需要满足大于人员数量P×0.5m2。避难空间的长度为紧急救援站长度(2Y-L)减去明线段长度L。
高海拔隧道口紧急救援站的结构设计，应用步骤S300得到的模型计算式设计疏散设施的结构参数。
根据疏散人数的需要，采用人员数量与横通道防护门宽度关系和横通道间距关系计算式以及人员数量与站台最小宽度计算式，计算横通道防护门最小宽度D1、横通道最大间距R1、站台最小宽度S1；并且计算横通道防护门最优宽度D2、横通道最优间距R2、站台最优宽度S2；
根据紧急救援站设计长度的需求，采用列车长度Y和明线段长度L确定避难空间长度l；根据疏散人数避难空间的需要，采用人员数量与避难空间面积容量A关系计算式，计算得到避难空间最小面积A。
进一步，本发明选择隧道为双洞单线隧道，并采用时速为200km/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，该发明专利的列车模型采用对应时速的标准客运列车编组和人员数量，研究工况为列车中部发生火灾(最不利工况)，列车将火灾点停在明线段中间后进行人员疏散，也就是火灾点距离两洞口各100m左右，通过Pathfinder仿真软件3D模拟得到的数据，请参阅图6-14，根据步骤S300拟合获得隧道口紧急救援站的结构设计参数的计算模型：
(1)洞内横通道防护门的最小宽度D1：D1＝0.4147e0.0677P
(2)洞内横通道防护门的最优宽度D2：D2＝0.3918e0.0912P
(3)洞内横通道的最大间距R1：R1＝1752.1e-0.152P
(4)洞内横通道的最优间距R2：R2＝440.68e-0.107P
(5)站台最小宽度S1：S1＝0.6888e0.0497P
(6)站台最优宽度S2：S2＝0.704e0.0558P
(7)避难空间长度l：l＝2Y-2L
(8)避难空间最小面积A：A＝4*(2Y-2L)满足(A>P×0.5m2)
其中，D1为防护门最小宽度，单位m；D2为防护门最优宽度，单位m；R1为横通道最大间距，单位m；R2为横通道最优间距，单位m；P为疏散人数，单位102人；S1为站台最小宽度，单位m；S2为站台最优宽度，单位m；l为避难空间最小长度，单位m；A为避难空间最小面积，单位m2；避难空间的设置应根据工程地质情况确定。其中自变量(已知参数)为：列车人数P、列车长度Y、明线段长度设为L(<250m)。
实施例1：
本实施例采用隧道为双洞单线隧道，时速为200km/m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，灾害选择火灾。紧急救援站横通道结构设计参数的确定方法，包括：
1)利用人员疏散仿真软件Pathfinder，建立隧道口紧急救援站人员疏散动态模型如图2，对人员疏散进行计算。
①考虑火灾情况下，同时高海拔低压缺氧环境对不同年龄、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，人员疏散类似于蒙眼行走，而火灾初期达不到此烟雾浓度，且列车在隧道口紧急救援站进行疏散时，烟气大部分排除在隧道外，因此Ks＝0.3，根据下面公式可以计算得出在烟雾中各人群的疏散速度。
Figure BDA0003172310390000141
式中：Ks为消光系数，参数α和β分别为0.706ms-1和-0.057m2s-1，其中
Figure BDA0003172310390000142
在双洞单线高海拔铁路隧道中，由于隧道内的空间有限，人行通道较窄，以及需要尽量远离火源疏散，人员由于高海拔缺氧低压环境等因素，运动疏散能力不可避免地会降低，基于高海拔缺氧低压条件下，在紧急救援站站台上行走的速度根据相关文献调研可知，人员在海拔高度为3500m以上时的疏散速度是在平原平地上疏散速度的65％左右，因此，速度折减系数k2＝0.65。因此在上述在黑暗有烟条件下行走速度再折减0.65即为在高海拔隧道口紧急救援站火灾中人员疏散的速度，调研相关文献得到不同海拔高度、不同紧急救援站位置情况下人员疏散能力折减系数，各工况下人员疏散速度如表1。根据式(1)和高海拔条件下人员疏散能力衰减系数，最终确定在海拔高度3500m条件下的4类人群疏散速度为人员特征参数如下表2。
表1
Figure BDA0003172310390000143
表2
Figure BDA0003172310390000151
②在Pathfinder中建立列车几何模型和疏散人员动态模型：救援站全长814m,其中伸入左隧道出口段355m明线段104m,伸入右进口段355m。按照《铁路隧道防灾疏散救援工程设计规范》的相关规定，根据已建和规划在建的高海拔铁路隧道的设计时速情况，决定该铁路隧道宽度选取200km/m双洞单线铁路隧道标准设计断面尺寸，即宽度大于6.5m。避难所净空断面尺寸不宜小于4.0m*5.0m，选取由18节车厢组成的旅客列车为研究对象，每节25.5m，车门宽度为1，总共18节，列车总长459m。
③人员疏散原则以及Pathfinder遵循的原则：火灾车厢人员疏散时，以最短的疏散路线进行救援疏散，且无视个体之间碰撞。
2)根据1)建立不同紧急救援站疏散设施的结构参数，包括横通道间距、横通道防护门宽度、站台宽度，对不同疏散设施设计参数条件下人员疏散进行计算。分别给出了隧道口紧急救援站含避难空间加密横通道的平面示意图和纵断面示意图如图3-5所示。
①针对横通道防护门宽度D建模：建立门宽为1m、1.5m、2m、2.5m、3m、3.5m和4m七个参数的模拟模型。
②针对横通道的间距R建模：建立横通道间距为40m、50m、60m、70m和80m五个参数的模拟模型。
③针对站台宽度S建模：建立站台宽度分别为1.5m、2m、2.5m、3m和3.5m五个参数的模拟模型。
④针对避难空间面积A建模：避难空间的净空尺寸不宜小于4m*5m，建立避难空间宽度为4m，长度由紧急救援站长度减去明线段长度L，避难空间的面积A＝4*(2Y-2L)且需要满足A大于人员数量p×0.5m2。横通道的坡度为下坡12度，避难空间的坡度为0，在此段需要进行通风以满足疏散人员在高海拔低压缺氧环境下的呼吸状态，也能缓解和减少疏散人员进行疏散运动后的缺氧或者高原反应。
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。
①当最后一个人进入横通道防护门内时，对应的时间即为人员疏散必需安全疏散时间RSET。
②必需安全疏散时间为最大为6min，模拟得到对应的横通道间距、防护门宽度和站台宽度结构参数为保障人员安全的结构参数。
经过分析可知，必需安全疏散时间RSET随横通道入口处防护门宽度D的减小而逐渐减小最终趋于稳定，如图6所示。必需安全疏散时间RSET随横通道间距R的减小而逐渐减小最终趋于稳定，如图7所示。另外站台宽度S逐渐增大对人员疏散的影响逐渐减小，最终趋于稳定，如图8所示。
确定出横通道间距和横通道防护门宽度的拟合曲线函数：依据不同数量人员疏散的最大必需安全疏散时间RSET(5min)确定出横通道防护门最小宽度的曲线函数D1(P)以及横通道最大间距R1(P)，分别通过对防护门宽度和横通道间距与疏散人数的关系曲线进行非线性拟合，见图9和图10，得到式(A)和(B)。同理，依据不同数量人员疏散的安全必需安全疏散时间RSET(4min左右)确定出横通道防护门最优宽度的曲线函数D2(P)以及横通道最优间距R2(P)，分别通过对防护门宽度和横通道间距与疏散人数的关系曲线进行非线性拟合，见图12和图13，得到式(C)和(D)。
D1(P)＝0.4147e0.0677P (A)
R1(P)＝1752.1e-0.152P (B)
D2(P)＝0.3918e0.0912P (C)
R2(P)＝440.68e-0.107P (D)
其中，D1为横通道入口处防护门最小宽度(单位m)；R1为紧急救援站中横通道最大间距(单位m)；D2为横通道入口处防护门最优宽度(单位m)；R2为紧急救援站中横通道最优间距(单位m)；P为疏散人数(单位102人)。
5)确定出站台宽度S的拟合曲线函数：依据不同数量人员疏散的最大必需安全疏散时间RSET(5min)确定出曲线函数S1(P)，同理，依据不同数量人员疏散的最大必需安全疏散时间RSET(4min左右)确定出曲线函数S2(P)，通过对站台宽度与疏散人数的关系曲线进行非线性拟合，见图11和图14，得到式(E)和(F)：
S1(P)＝0.6888e0.0497P (E)
S2(P)＝0.704e0.0558P (F)
上式中：S1为紧急救援站的站台最小宽度(单位m)；S2为紧急救援站的站台最优宽度(单位m)；P为疏散人数(单位102人)。
6)最后确定避难空间的长度l和面积A的拟合曲线函数：避难空间的净空尺寸不宜小于4m*5m，建立宽度为4m，长度由紧急救援站长度减去明线段长度L，避难空间的面积A＝4*(2Y-2L)且需要满足大于人员数量P×0.5m2。避难空间的长度为紧急救援站长度(2Y-L)减去明线段长度L，见图3、图12和图13，得到式(G)和式(H)。
l＝2Y-2L (G)
A＝4*(2Y-2L)满足(A>P×0.5m2) (H)
8)高海拔铁路隧道口紧急救援站结构应用设计步骤。
①根据疏散人数的需要，采用公式(A)、(B)和(E)可以计算得到横通道入口处防护门最小宽度D、横通道最大间距R和站台最小宽度S。同理，根据疏散人数的需要，采用公式(C)、(D)和(F)可以计算得到横通道入口处防护门最优宽度D、横通道最优间距R和站台最优宽度S。
②根据工程情况，选择满足上述容量前提下的避难空间长度l和面积A。通常由于横通道设置受地质条件，施工条件影响和限制，避难空间的净空尺寸不宜小于4m*5m，建立宽度为4m，长度由紧急救援站长度减去明线段长度L，避难空间的面积A＝4*(2Y-2L)且需要满足大于人员数量P×0.5m2。避难空间的长度为紧急救援站长度(2Y-L)减去明线段长度L。横通道的坡度为下坡12度，避难空间的坡度为0，在此段需要进行通风以满足疏散人员在高海拔低压缺氧环境下的呼吸状态，也能缓解疏散人员进行疏散运动后的缺氧或者高原反应。
高海拔铁路隧道口紧急救援站疏散设施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，则对疏散设施的结构条件要求低，若疏散的人员数量多，则对疏散设施的结构条件要求高。由于铁路隧道人员疏散数量较大，对于隧道口紧急救援站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，目的一是为了节约疏散时间、二是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、三是减少人员在缺氧低压环境下的时间和运动量，因此，采取在入口段进行横通道下缓坡的措施解决这一问题。救援站全长800m,其中伸入左隧道出口段350m,明线段100m,伸入右进口段350m，隧道口紧急救援站平面布置见图3。按照《铁路隧道防灾疏散救援工程设计规范》的相关规定，根据已建和规划在建的高海拔铁路隧道的设计时速情况，决定该铁路隧道宽度选取200km/m双洞单线铁路隧道标准设计断面尺寸，即宽度大于6.5m。
选取由18节车厢组成的旅客列车为研究对象，每节载客车厢25.5m，总共16节，车头和车尾车厢为21m，列车总长450m。列车编组18节，以左方第一节为车头，最后一节为车尾，以左方第二节至第五节为硬卧车，第六节至第七节为软卧车，第八节为餐车，第九节至第十七节为硬座车，列车尺寸定员
①确定人员数量P
该列车满员时乘客人数是1488人，工作人员约50人，共1538人。硬座车厢按超载60％计算，则列车所载人数大约为2229人。列车前面车厢为卧铺车厢，后面车厢为硬座车厢，设置车头和车尾车厢各25人工作人员。根据铁路客流调研结果可知，人员分配比例与参数如表3所示。
表3
人员种类 比例(％) 平均身高(cm) 平均肩宽(cm)
成年男性 45 172 45.58
成年女性 40 160 44.58
小孩 7 120 35
老年人 8 165 45
每节车厢定员数量如表4所示，具体每辆车满载时人数见下表4。
表4
类型 尺寸(长乘宽) 定员 节数与位置
硬座车厢 25.5m*3m 128 第九至第十七节
硬卧车厢 25.5m*3m 66 第二至第五节
软卧车厢 25.5m*3m 36 第六至第七节
餐车 25.5m*3m 90 第八节
车头 21m*3m 25 第一节
车尾 21m*3m 25 最后一节
②确定横通道入口防护门门宽和横通道间距
根据所需疏散人数2229人，利用公式A和B计算得到入口最小防护门宽D1和横通道最小间距R1；利用公式C和D计算得到入口最优防护门宽D2和横通道最优间距R2：
D1(P)＝1.88(m)
R1(P)＝59.2(m)
D2(P)＝2.99(m)
R2(P)＝40.58(m)
所以，横通道入口防护门宽最小不能小于1.88m；此横通道间距最大不超过59.2m；横通道入口防护门宽最优为2.99m；此横通道间距最优为40.58m。
③确定紧急救援站的站台宽度
将所需疏散人数2229人，带入公式E计算的到疏散站台最小宽度S1；带入公式F计算的到疏散站台最优宽度S2：
S1(P)＝2.1(m)
S2(P)＝2.44(m)
所以，此紧急救援站的站台宽度不小于2.1m；紧急救援站的站台宽度最优为2.44m。
④确定避难空间的长度和避难空间的面积
避难空间的净空尺寸不宜小于4m*5m，建立宽度为4m，长度由紧急救援站长度减去明线段长度L，避难空间的面积A＝4*(2Y-2L)且需要满足大于人员数量P×0.5m2。避难空间的长度为紧急救援站长度(2Y-L)减去明线段长度L。
l＝2Y-2L＝700m
A＝4*(2Y-2L)＝2800m2
此避难空间的长度不能小于700m，避难空间的面积为2800m2，不小于1114.5m2。
综上所述，该高海拔铁路隧道口紧急救援站的横通道入口防护门宽最小不能小于1.88m；此横通道间距最大不超过59.2m；横通道入口防护门宽最优为2.99m；此横通道间距最优为40.58m；紧急救援站的站台宽度不小于2.1m；站台宽度最优为2.44m。避难空间长度为700m，面积为2800m2，不得小于1114.5m2。
本发明还提供了一种隧道口紧急救援站设计系统，用于实施本发明中的隧道口紧急救援站设计方法，包括数据获取模块，用于获取隧道建设参数，所述隧道建设参数至少包括隧道长度、断面尺寸；隧道通过的列车参数，所述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、性别；疏散速度以及高海拔隧道空气质量参数统计数据；
设计模块，用于根据所述数据获取模块采集的统计数据构建隧道口紧急救援站人员疏散动态模型，并构建所述高海拔铁路隧道口紧急救援站的结构计算模型，确定所述高海拔铁路隧道口紧急救援站的结构的设计参数。
以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (8)

1.一种高海拔铁路隧道口紧急救援站设计方法，其特征在于：包括以下步骤：
构建所述隧道口紧急救援站的几何模型，其中，所述几何模型包括避难空间、横通道和疏散站台，所述横通道连接在两座隧道之间，用于联通两座隧道，所述横通道与主隧道的连接处设置有防护门；所述避难空间设置于横通道中部；所述疏散站台设置在所述隧道内部；
获取所述隧道的建设参数、通过所述隧道的列车参数、疏散速度以及所述隧道的空气质量参数统计数据；
基于所述几何模型、所述建设参数、所述列车参数、所述疏散速度和所述空气质量参数，构建隧道口紧急救援站人员疏散动态模型；
构建隧道口紧急救援站人员疏散动态模型包括：
基于所述列车参数、所述疏散速度和所述空气质量参数，构建列车模型；
基于所述横通道的参数设计构建隧道口紧急救援站模型，所述隧道口紧急救援站模型的长度包括明线段长度与两端洞口段长度，且所述明线段与任意一端所述隧道的洞口段长度之和不小于列车长度；
基于所述列车参数和所述隧道口紧急救援站模型，设置若干所述防护门的宽度和疏通人员数量，分别计算人员疏散的必需安全疏散时间T1，获取最小防护门宽度和最优防护门宽度，并拟合导出所述疏通人员数量与所述防护门的宽度之间的关系曲线和关系计算式；
基于所述最优防护门宽度，设置若干所述横通道的间距和所述疏通人员数量，分别计算人员疏散的必需安全疏散时间T2，获取最大横通道间距和最优横通道间距，拟合导出所述疏通人员数量与横通道间距的关系曲线和关系计算式；
基于所述最优防护门宽度和所述最优横通道间距，设置若干所述隧道口紧急救援站的站台宽度和疏通人员数量，分别计算人员疏散的必需安全疏散时间T3，获取最小站台宽度和最优站台宽度，拟合导出所述疏通人员数量与所述站台宽度的关系曲线和关系计算式；
基于所述隧道口紧急救援站人员疏散动态模型，计算所述隧道口紧急救援站的结构设计参数，设计所述隧道口紧急救援站。
2.根据权利要求1所述的高海拔铁路隧道口紧急救援站设计方法，其特征在于：所述横通道设置有缓坡段，所述缓坡段的坡度为12％。
3.根据权利要求2所述的高海拔铁路隧道口紧急救援站设计方法，其特征在于：所述建设参数包括隧道长度、断面尺寸；所述列车参数至少包括列车编组数量、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、性别。
4.根据权利要求1所述的高海拔铁路隧道口紧急救援站设计方法，其特征在于：构建隧道口紧急救援站人员疏散动态模型还包括获取避难空间长度l和避难空间面积容量A，所述避难空间长度l为紧急救援站长度减去明线段长度，所述避难空间面积A如下式所示且大于列车人数量P×0.5m2，
A＝4*(2Y-2L)，
其中，Y表示列车长度，L表示明线段长度。
5.根据权利要求1所述的高海拔铁路隧道口紧急救援站设计方法，其特征在于：获取所述隧道口紧急救援站的结构设计参数，设计所述隧道口紧急救援站包括：
根据疏散人数需求，基于疏通人员数量与所述防护门的宽度之间的关系计算式、所述疏通人员数量与横通道间距的关系计算式和所述疏通人员数量与站台宽度的关系计算式，计算所述最小防护门宽度、所述最大横通道间距、所述最小站台宽度；并计算最优防护门宽度、所述最优横通道间距、所述最优站台宽度；
根据紧急救援站设计长度需求，基于所述列车长度和所述明线段长度L计算避难空间长度l；
根据疏散人数避难空间需要，采用所述避难空间面积容量A的计算式，计算得到所述避难空间的最小面积。
6.根据权利要求5所述的高海拔铁路隧道口紧急救援站设计方法，其特征在于：所述结构设计参数的计算模型为：
所述最小防护门宽度：D1＝0.4147e0.0677P，式中，D1为最小防护门宽度，
所述最优防护门宽度：D2＝0.3918e0.0912P，式中，D2为最优防护门宽度，
所述最大横通道间距：R1＝1752.1e-0.152P，式中，R1为最大横通道间距，
所述最优横通道间距：R2＝440.68e-0.107P，式中，R2为最优横通道间距，
所述最小站台宽度：S1＝0.6888e0.0497P，式中，S1为最小站台宽度，
所述最优站台宽度：S2＝0.704e0.0558P，式中，S2为最优站台宽度。
7.根据权利要求1-6任一所述的高海拔铁路隧道口紧急救援站设计方法，其特征在于：所述明线段长度小于250m。
8.一种隧道口紧急救援站设计系统，所述隧道口紧急救援站设计系统用于实施权利要求1-7任一所述的隧道口紧急救援站设计方法，其特征在于：包括数据获取模块，用于获取隧道建设参数，所述隧道建设参数至少包括隧道长度、断面尺寸；隧道通过的列车参数，所述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、性别；疏散速度以及高海拔隧道空气质量参数统计数据；
设计模块，用于根据所述数据获取模块采集的统计数据构建隧道口紧急救援站人员疏散动态模型，并构建所述隧道口紧急救援站的结构计算模型，确定所述隧道口紧急救援站的结构的设计参数。
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