中低速磁浮鐵路運(yùn)營(yíng)風(fēng)險(xiǎn)及事故災(zāi)害應(yīng)急救援分析

魏慶朝 初智杰 潘姿華

(1.北京交通大學(xué)土木建筑工程學(xué)院， 100044， 北京；2.中國(guó)建筑一局(集團(tuán))有限公司， 100161， 北京∥第一作者， 教授)

中低速磁浮鐵路作為一種新型交通運(yùn)輸方式，在牽引、軌道、線路、車輛等方面都有別于其他交通工具，有著獨(dú)特的工作原理和運(yùn)行方式[1]。而這種特殊性，導(dǎo)致磁浮列車在高架橋上突發(fā)事故或突遇災(zāi)害時(shí)，列車救援和乘客疏散工作開展起來較為困難。目前，我國(guó)已有長(zhǎng)沙磁浮快線和北京磁浮S1線兩條中低速磁浮鐵路開通運(yùn)營(yíng)，而清遠(yuǎn)磁浮旅游專線也于2020年投入使用。本文將基于已開通運(yùn)營(yíng)的兩條線路，對(duì)中低速磁浮鐵路救援設(shè)施、設(shè)備和事故災(zāi)害應(yīng)急救援方案進(jìn)行對(duì)比分析和研究。

1 中低速磁浮鐵路運(yùn)營(yíng)風(fēng)險(xiǎn)分析

1.1 運(yùn)營(yíng)風(fēng)險(xiǎn)因素分析

中低速磁浮列車由牽引、懸浮、供電、照明、通信等多個(gè)系統(tǒng)組成，任何一個(gè)系統(tǒng)發(fā)生故障都有可能導(dǎo)致列車正常運(yùn)行受到影響。磁浮線路和軌道的平順性也是安全運(yùn)營(yíng)的重要保障。另外，極端天氣也給列車的正常運(yùn)行帶來了一定的威脅。表1對(duì)中低速磁浮鐵路運(yùn)營(yíng)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了分析，給出了存在的風(fēng)險(xiǎn)及其可能帶來的后果。

1.2 線路敷設(shè)方式及對(duì)救援的影響

中低速磁浮鐵路的線路敷設(shè)方式可分為高架、低置和隧道三種。CJJ/T 262—2017《中低速磁浮交通設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定，中低速磁浮交通正線宜采用架空、全封閉的敷設(shè)方式[5]，即高架線路。特殊區(qū)段可采用低置或隧道敷設(shè)。不同的敷設(shè)方式對(duì)事故救

表1 中低速磁浮鐵路運(yùn)營(yíng)風(fēng)險(xiǎn)分析

援有著重大的影響。

1.2.1 低置線路

低置線路結(jié)構(gòu)，是由支承軌道結(jié)構(gòu)的承軌梁與用來支承承軌梁的路基兩部分組成。承軌梁一般采用“凸”型鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，分為下部底板和上部梁體兩部分。下部底板埋置于路基上，上部梁體支承軌道結(jié)構(gòu)。承軌梁下的路基應(yīng)按土工結(jié)構(gòu)物設(shè)計(jì)，確保其滿足強(qiáng)度、穩(wěn)定性和耐久性的要求，并符合環(huán)境保護(hù)、水土保持等相關(guān)規(guī)定。路基又可分為路堤和路塹兩種形式。圖1和圖2分別是典型的低置結(jié)構(gòu)雙線路堤、路塹結(jié)構(gòu)橫斷面圖。

圖1 低置結(jié)構(gòu)雙線路堤橫斷面

對(duì)于地質(zhì)復(fù)雜、工后沉降難以控制，或地下水位較高、路基易產(chǎn)生凍害等存在不穩(wěn)定因素的地段，不宜采用低置線路結(jié)構(gòu)[5]。

1.2.2 高架線路

高架線路是中低速磁浮最常用的線路敷設(shè)方式。采用高架線路既保持了專用道的形式，同時(shí)占地較少，與公路呈立體交叉，對(duì)城市交通的干擾也較少，可以充分利用磁浮交通的小半徑、大坡度的特點(diǎn)避讓既有建筑及橋梁[6]。

圖2 低置結(jié)構(gòu)雙線路塹橫斷面

區(qū)間一般地段宜采用等跨簡(jiǎn)支梁式橋跨結(jié)構(gòu)，上部結(jié)構(gòu)應(yīng)優(yōu)先采用預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)，亦可采用鋼結(jié)構(gòu)和鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)。在需要跨越城市干線、鐵路、大江大河等大型平面障礙時(shí)，優(yōu)先采用常規(guī)跨度，考慮中間設(shè)墩布置。當(dāng)常規(guī)跨度不能跨越時(shí)，考慮連續(xù)梁、拱橋等方案。當(dāng)跨越道路交叉角度較小時(shí)，可考慮采用框架墩。

1.2.3 隧道線路

中低速磁浮鐵路在特殊地段，經(jīng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較后，可采用隧道線路。隧道線路需要注意抗震、防水、防火設(shè)計(jì)，同時(shí)要考慮空氣動(dòng)力學(xué)效應(yīng)對(duì)列車進(jìn)洞和出洞造成的影響。北京磁浮S1線設(shè)有287 m長(zhǎng)的隧道線路。日本東部丘陵線設(shè)有1.4 km長(zhǎng)的隧道線路[7]。

1.2.4 敷設(shè)方式對(duì)救援的影響

線路敷設(shè)方式?jīng)Q定了線路的空間位置，對(duì)事故和災(zāi)害的救援有著直接的影響。

低置線路車廂地板距離地面高度相對(duì)高架線路較小，但即使是完全低置線路，從車廂地板降至地面也有1.8 m左右，緊急情況下乘客仍需沿線路縱向疏散。同時(shí)，這種敷設(shè)方式會(huì)占用城市地面空間，一定程度上對(duì)公路交通產(chǎn)生干擾，同時(shí)易受水災(zāi)、路基病害的影響，因此使用較為有限，大多作為車輛檢修和車站承載結(jié)構(gòu)[8]。

高架線路雖然有利于保持線路的平順性，但由于高架橋一般高度較高，在實(shí)際運(yùn)營(yíng)過程中突發(fā)事故或?yàn)?zāi)害后，乘客的疏散和列車救援只能沿著線路縱向進(jìn)行，無法向兩側(cè)開展，這給乘客疏散和列車救援帶來了很大難度。另外，高架線路可能跨越城市繁忙交通干線或河道等復(fù)雜自然人文、地質(zhì)條件，不易于救援設(shè)施的施展。

隧道線路可以減少線路繞避，但卻為救援帶來了更大的困難。相比于高架線路，隧道內(nèi)乘客的疏散和列車救援同樣只能沿著線路縱向進(jìn)行，而且隧道空間相對(duì)狹小、封閉，救援設(shè)備難以進(jìn)入，一旦發(fā)生火災(zāi)，煙氣不易疏散，極易造成嚴(yán)重的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。

結(jié)合規(guī)范和對(duì)不同敷設(shè)方式的分析，中低速磁浮鐵路應(yīng)盡可能采用高架敷設(shè)的方式，這也為事故救援增加了難度，因此后續(xù)將針對(duì)高架區(qū)間的事故救援進(jìn)行分析。

2 中低速磁浮鐵路救援設(shè)施設(shè)備分析

盡管中低速磁浮鐵路有多種措施和設(shè)施保障列車的正常運(yùn)行，但在遭遇特殊情況和極端天氣時(shí)，還是有可能發(fā)生安全事故。為了保證乘客的生命安全和線路的正常運(yùn)營(yíng)，中低速磁浮鐵路需要配備救援設(shè)施和設(shè)備，以便事故發(fā)生時(shí)及時(shí)對(duì)乘客進(jìn)行疏散和救援，同時(shí)對(duì)事故列車進(jìn)行處置。救援設(shè)施設(shè)備可分為固定救援疏散設(shè)施和車載救援設(shè)備兩大類。

2.1 固定救援疏散設(shè)施

2.1.1 疏散平臺(tái)

根據(jù)CJJ/T 262—2017《中低速磁浮交通設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定，中低速磁浮鐵路的高架區(qū)間應(yīng)設(shè)置縱向疏散平臺(tái)[5]。

對(duì)于雙線線路，疏散平臺(tái)一般敷設(shè)在兩線之間，以方便任意方向列車疏散使用。疏散平臺(tái)集合了檢修、電纜通道以及乘客緊急疏散通道等功能。疏散平臺(tái)一般由支撐柱、橫梁、平臺(tái)板、欄桿、槽鋼、混凝土基礎(chǔ)組成，如圖3所示。

圖3 疏散平臺(tái)橫斷面圖

根據(jù)規(guī)范，縱向疏散平臺(tái)寬度應(yīng)不小于1 000 mm[5]。但在實(shí)際建設(shè)中由于限界限制以及軌道梁寬度的有限性，疏散平臺(tái)寬度往往僅滿足最低標(biāo)準(zhǔn)。考慮到疏散時(shí)可能會(huì)出現(xiàn)擁擠狀態(tài)，盡管規(guī)范未作要求，但往往在疏散平臺(tái)兩側(cè)增設(shè)防護(hù)欄桿。護(hù)欄為間斷式，以適應(yīng)中低速磁浮列車隨機(jī)停車的要求；疏散平臺(tái)兩側(cè)欄桿錯(cuò)位交替布置，可滿足列車隨機(jī)停車時(shí)乘客的疏散要求，也可滿足疏散乘客行走時(shí)的安全防護(hù)要求[9]。

日本的Linimo磁浮線雖然沒有設(shè)置疏散平臺(tái)，但在雙線地段通過橫向連接兩片箱梁形成寬大的橋面，給乘客沿線路方向疏散提供空間，這與疏散平臺(tái)的本質(zhì)和意義是相同的[10]。

2.1.2 逃生樓梯

當(dāng)在中低速磁浮鐵路站間距較大時(shí)，乘客在逃離至疏散平臺(tái)后需要較長(zhǎng)時(shí)間才能步行至臨近車站。此時(shí)可每隔一定距離設(shè)置一處逃生樓梯。圖4和圖5是逃生樓梯的縱、橫斷面圖。事故發(fā)生后，乘客可直接步行至逃生樓梯所在位置，在工作人員的組織下有序步行至地面。逃生樓梯的設(shè)置，可以使乘客無需步行至相近車站，大大減少了逃生所需時(shí)間，可最大限度保證乘客的生命安全。

圖4 逃生樓梯縱斷面圖

圖5 逃生樓梯橫斷面圖

2.2 車載救援設(shè)備

車載救援設(shè)備包括充氣滑梯、救生氣墊、逃生軟管、伸縮梯等。車載設(shè)備可設(shè)置在磁浮列車車門附近的設(shè)備柜內(nèi)。當(dāng)事故發(fā)生時(shí)，可由工作人員或乘客通過托架固定疏散氣墊的位置，再使用氣體發(fā)生裝置為疏散氣墊充氣，旅客即可通過疏散氣墊滑落至地面。利用充氣滑梯等設(shè)備救援雖然有疏散速度快的優(yōu)點(diǎn)，但由于磁浮列車高架橋高度較高，同時(shí)這種疏散方式對(duì)線下環(huán)境有較高要求，因此在選擇時(shí)需綜合考慮。

3 中低速磁浮鐵路應(yīng)急救援方案分析

3.1 應(yīng)急救援原則及方法

中低速磁浮列車的救援可分為列車救援和乘客疏散兩部分。當(dāng)遇到一般事故時(shí)，可先進(jìn)行列車救援，再進(jìn)行乘客的疏散。當(dāng)事故較為嚴(yán)重時(shí)，需要首先保證乘客的生命安全，以最快速度將乘客疏散，再進(jìn)行列車救援。

3.2 列車救援

列車救援可分為利用列車自身能力救援和使用其他列車救援兩種方式。

利用列車自身能力救援是指中低速磁浮列車某個(gè)系統(tǒng)發(fā)生故障后，依靠故障車的自身剩余能力繼續(xù)行駛至安全的位置，再處理事故并疏散乘客，這是最常見的事故救援方式。

例如，當(dāng)列車供電系統(tǒng)發(fā)生故障，無法從供電軌獲取電源時(shí)，列車可以依靠安裝在車上的備用電源供電來保持懸浮一定時(shí)間，待慣性滑行至安全位置后再進(jìn)行故障排查[11]；當(dāng)列車懸浮系統(tǒng)發(fā)生故障，無法提供需要列車正常行駛所需的懸浮力時(shí)，司機(jī)會(huì)釋放列車的液壓支承輪，其結(jié)構(gòu)如圖6所示。故障車輛依靠自身的動(dòng)力，使用液壓支承輪低速運(yùn)行至目的地[12]。

圖6 磁浮列車的液壓支承輪

使用其他列車救援是指當(dāng)故障列車無法利用自身能力救援時(shí)，使用其他救援列車與故障列車連掛，牽引故障列車運(yùn)行到相鄰車站。

例如，當(dāng)列車牽引系統(tǒng)失效時(shí)，列車失去動(dòng)力無法繼續(xù)行駛，司機(jī)可將列車盡可能停放在平直、距地面較近或下方有公路的線路上，實(shí)施“緊急制動(dòng)”和“停放制動(dòng)”，同時(shí)對(duì)乘客進(jìn)行疏散[13]。乘客疏散完畢后，再由其他磁浮列車，從前方或后方接近故障列車，與故障列車連接、試?yán)螅瑢⒐收宪囃闲兄料噜徿囌尽Ｈ缬鎏厥馇闆r，需要切斷全線電源時(shí)，不能采用依靠電磁力驅(qū)動(dòng)的磁浮列車來拖行故障車，此時(shí)可以使用內(nèi)燃動(dòng)力的工程車去拖行故障車[13]。

3.3 乘客疏散

乘客疏散方法可分為疏散平臺(tái)疏散、車載裝置疏散、地面消防救援三種方式。

疏散平臺(tái)疏散是指利用設(shè)置在磁浮線路兩線間的疏散平臺(tái)進(jìn)行疏散。在發(fā)生緊急狀況下，司機(jī)將列車停穩(wěn)，將疏散平臺(tái)邊車門打開，乘客可輕松下到疏散平臺(tái)上，沿疏散平臺(tái)步行至相鄰車站或逃生樓梯，轉(zhuǎn)移到安全位置；也可由對(duì)向列車來進(jìn)行接駁，將乘客牽引至相鄰車站進(jìn)行疏散。

車載裝置疏散是指乘客在工作人員的指引下，使用隨磁浮列車攜帶的充氣滑梯、救生氣墊等裝置，從高架橋上直接疏散至橋下，這種疏散方式對(duì)線下環(huán)境要求較高。

地面消防救援是在乘客急需疏散且車門無法打開等特殊情況下，無法使用上述疏散方式，此時(shí)需要消防隊(duì)員使用專業(yè)救援設(shè)備(如云梯車、搶險(xiǎn)車、水罐車、泡沫車、超高壓水噴霧切割滅火車和壓縮空氣泡沫水罐車等)開展救援[15]。

4 我國(guó)既有線路應(yīng)急救援設(shè)施及救援方案分析

4.1 既有線路概述

4.1.1 北京磁浮S1線

北京磁浮S1線西起石門營(yíng)站，東至蘋果園站，共設(shè)6座中間站。線路全長(zhǎng)10.2 km，大部分為高架線路，其余為低置線路，另有隧道1座，長(zhǎng)278 m。線路設(shè)計(jì)速度為100 km/h，其中，石門營(yíng)至金安橋段已于2017年底開通運(yùn)營(yíng)。

4.1.2 長(zhǎng)沙磁浮快線

長(zhǎng)沙磁浮快線于2016年開通，是中國(guó)首條中低速磁浮鐵路。長(zhǎng)沙磁浮快線連接長(zhǎng)沙火車南站和長(zhǎng)沙黃花國(guó)際機(jī)場(chǎng)，設(shè)計(jì)速度為100 km/h。線路全長(zhǎng)18.5 km，最小曲線半徑為50 m，除小部分區(qū)段為低置區(qū)間外，剩下均為高架敷設(shè)。初期設(shè)車站3座，未來將在現(xiàn)有線路基礎(chǔ)上向東延長(zhǎng)4.3 km，其中高架線路約0.2 km，地下線路約4.1 km，增設(shè)T2站、T3站2座車站，預(yù)計(jì)2020年11月開工建設(shè)。

4.2 救援設(shè)施對(duì)比分析

在救援設(shè)施方面，盡管北京磁浮S1線和長(zhǎng)沙磁浮快線軌道梁形式不同(北京磁浮S1線為雙線箱梁，長(zhǎng)沙磁浮快線為并置單線箱梁)，但兩者均按規(guī)范敷設(shè)了疏散平臺(tái)，且疏散平臺(tái)均位于雙線之間，分別如圖7和圖8所示。

圖7 北京磁浮S1線疏散平臺(tái)

圖8 長(zhǎng)沙磁浮快線疏散平臺(tái)(仰視圖)

疏散平臺(tái)寬度為1.0 m，設(shè)置間斷扶手欄桿，乘客在車門開啟后，可解開扶手處的鐵鏈逃離至疏散平臺(tái)。欄桿造型采用“門”式(也稱倒“U”式)造型，每組寬度約為500 mm，間距約為500 mm。盡管兩線的疏散平臺(tái)位置與尺寸都較為相似，但對(duì)于疏散平臺(tái)上乘客的疏散方式卻有一定區(qū)別。

北京磁浮S1線疏散平臺(tái)分段設(shè)置，平臺(tái)端部設(shè)于車站盡頭，并在端部設(shè)置較寬開口。事故發(fā)生時(shí)，乘客沿疏散平臺(tái)步行至相鄰的車站，此時(shí)車站內(nèi)會(huì)設(shè)置一輛空車，將車門與疏散平臺(tái)端部開口相連，如圖9所示。當(dāng)乘客行至端部時(shí)，可通過空車從疏散平臺(tái)過渡至站臺(tái)，并進(jìn)行后續(xù)疏散。

與北京磁浮S1線不同，長(zhǎng)沙磁浮快線并非讓乘客步行至車站逃生，而是在沿線設(shè)置了逃生樓梯，如圖10所示，乘客沿疏散平臺(tái)步行至下橋點(diǎn)后經(jīng)由逃生樓梯下橋逃生。

圖9 北京磁浮S1線疏散方式——站內(nèi)空車連接

圖10 長(zhǎng)沙磁浮快線疏散方式——逃生樓梯

這種區(qū)別是由于兩線的站間距不同。北京磁浮S1線為市內(nèi)通勤線路，平均站間距僅為1.7 km；而長(zhǎng)沙磁浮快線為市郊線路，平均站間距為9.25 km，是北京磁浮的5倍以上。若僅將疏散平臺(tái)終點(diǎn)設(shè)為車站，乘客步行所需時(shí)間將大大增加，考慮到疏散平臺(tái)的有限寬度及逃生過程的不確定性，會(huì)對(duì)疏散效果帶來極大的影響。長(zhǎng)沙磁浮快線逃生樓梯的平均間距僅為1.52 km，乘客可在逃至疏散平臺(tái)后選擇最近的逃生樓梯下橋，可大幅減少逃生所需時(shí)間，提高了逃生效率。

4.3 救援方案對(duì)比分析

由于兩線所采用的磁浮列車運(yùn)行、通信等設(shè)施設(shè)備采用同一標(biāo)準(zhǔn)，因此在救援方案的制定上基本相同，下面針對(duì)具體類型事故給出救援方案。

4.3.1 供電故障

當(dāng)供電系統(tǒng)失效后，列車將首先啟動(dòng)緊急制動(dòng)并開啟車載懸浮電源，可維持懸浮約2 min。若供電系統(tǒng)在2 min內(nèi)恢復(fù)正常使用，則列車可繼續(xù)受電運(yùn)行；若供電系統(tǒng)在停電后2 min內(nèi)未恢復(fù)正常，則列車耗盡懸浮電源能量后，將采用落車制動(dòng)保護(hù)，并啟用應(yīng)急電源。應(yīng)急電源可維持列車照明、通風(fēng)、通信等基本功能。待供電恢復(fù)后恢復(fù)受電、懸浮和正常運(yùn)行；若供電系統(tǒng)在停電后45 min仍未恢復(fù)供電，此時(shí)應(yīng)使用其他磁浮列車或使用救援工程車將故障列車拖入車站。

4.3.2 列車火災(zāi)

對(duì)于磁浮列車火災(zāi)，根據(jù)列車所在位置不同其應(yīng)急救援方案也有一定區(qū)別。

當(dāng)磁浮列車于車站起火時(shí)，應(yīng)由值班站長(zhǎng)和列車司機(jī)迅速組織應(yīng)急救援，安排乘客由列車車門疏散至站臺(tái)，隨后有序疏散至地面。

當(dāng)磁浮列車于區(qū)間起火時(shí)，事故列車司機(jī)應(yīng)迅速報(bào)告，由控制中心封閉區(qū)間，列車內(nèi)工作人員應(yīng)在第一時(shí)間進(jìn)行滅火和排煙，并組織火源車廂乘客疏散至相鄰車廂。當(dāng)火情輕微可控時(shí)，磁浮列車應(yīng)快速行駛至臨近車站后組織乘客疏散；當(dāng)火情重大或發(fā)生爆炸事故時(shí)，根據(jù)所處區(qū)間長(zhǎng)短和實(shí)際情況選擇疏散方式。若選擇立即停車疏散，則應(yīng)迅速將乘客疏散至疏散平臺(tái)，遠(yuǎn)離事故區(qū)域。隨后根據(jù)區(qū)間長(zhǎng)短不同，組織乘客通過疏散平臺(tái)沿線路疏散至相鄰車站或逃生樓梯逃生[16]。

4.3.3 冰凍災(zāi)害

一般遇到軌道積雪，可在磁浮列車前端設(shè)置掃雪器進(jìn)行清理。但遇到強(qiáng)降雪導(dǎo)致供電軌被冰層覆蓋，將對(duì)磁浮列車正常運(yùn)行造成影響，此時(shí)選擇停運(yùn)線路是較為穩(wěn)妥的措施，待對(duì)供電軌進(jìn)行除冰、檢修合格后方可重新開通運(yùn)營(yíng)。

2018和2019年年初，我國(guó)南方兩次遭遇冰雪天氣，湖南省氣象局分別啟動(dòng)了低溫雨雪冰凍Ⅲ級(jí)應(yīng)急響應(yīng)和Ⅳ級(jí)應(yīng)急響應(yīng)。受凍雨天氣影響，為確保運(yùn)輸安全，長(zhǎng)沙磁浮快線分別于2018年1月26—31日、2019年1月2—3日臨時(shí)停運(yùn)[17]。而目前，北京磁浮S1線尚未因冰凍等自然災(zāi)害而停運(yùn)。因此對(duì)于冰凍災(zāi)害，其應(yīng)急處理方案值得進(jìn)一步研究。

5 結(jié)語

中低速磁浮交通的線路敷設(shè)方式可分為高架、低置、隧道三種，一般以高架線路為主。不同的敷設(shè)方式及線下環(huán)境會(huì)對(duì)中低速磁浮事故救援有較大影響。中低速磁浮線路的救援設(shè)施可分為疏散平臺(tái)、逃生樓梯和車載救援設(shè)備三種。疏散平臺(tái)作為一種高效的救援設(shè)施，集合了多種功能，極大地提高了救援的效率和安全，具有設(shè)置的必要性。當(dāng)站間距較大時(shí)，需間隔一定距離設(shè)置逃生樓梯，便于乘客逃生。磁浮列車具有一定的自救能力。在列車發(fā)生事故后，確定事故原因，優(yōu)先考慮使用列車自身能力救援。當(dāng)事故比較緊急或磁浮列車無法移動(dòng)時(shí)，可通過疏散平臺(tái)先將乘客沿線路方向疏散，再進(jìn)行故障列車的救援。北京磁浮S1線和長(zhǎng)沙磁浮快線均設(shè)有疏散平臺(tái)，但經(jīng)由疏散平臺(tái)的疏散方式略有不同。對(duì)于站間距較長(zhǎng)的線路，應(yīng)參考長(zhǎng)沙磁浮快線設(shè)置逃生樓梯。對(duì)于冰凍災(zāi)害的應(yīng)急處理方案應(yīng)開展進(jìn)一步研究，以減少因冰凍災(zāi)害導(dǎo)致磁浮線路停運(yùn)的情況。