低真空管道高速磁浮系統(tǒng)應(yīng)急疏散救援問題探究

陳敬文 晏 銳 劉成文 劉書斌 崔志強(qiáng)

（中鐵第五勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司 北京 102600）

1 引言

由于空氣阻力、氣動(dòng)噪聲等因素的限制，更高速度的地面交通發(fā)展受到限制，發(fā)展真空管道高速交通成為必然選擇［1］。國(guó)內(nèi)外研究人員對(duì)真空管道交通技術(shù)進(jìn)行了大量的研究和展望，提出了實(shí)現(xiàn)商業(yè)化運(yùn)營(yíng)需要解決的技術(shù)難題［2－4］。相關(guān)研究表明，綜合考慮氣動(dòng)效應(yīng)以及真空管道建設(shè)成本，管道壓力選取值可能要達(dá)0.1atm左右［5－6］。在這種接近真空的環(huán)境下，應(yīng)急救援疏散成為管道高速磁浮系統(tǒng)商業(yè)化運(yùn)營(yíng)面臨的關(guān)鍵問題之一，不同于常壓環(huán)境下的軌道交通系統(tǒng)，管道中的低真空環(huán)境給事故條件下疏散救援帶來極大困難。本文針對(duì)這一問題，通過分析低真空環(huán)境下人體適應(yīng)性，模擬乘客離開磁浮車廂進(jìn)入低真空管道過程中遇到的問題，綜合分析比較救援時(shí)間、技術(shù)難度、可靠性等因素，提出不同場(chǎng)景下相應(yīng)的應(yīng)急疏散救援策略，并對(duì)高速磁浮列車車載救援逃生裝置、低真空管道救援通道及平臺(tái)設(shè)置、低真空環(huán)境維持系統(tǒng)提出工程化原則性設(shè)計(jì)建議。

2 低真空環(huán)境人體適應(yīng)性理論

低真空磁浮列車區(qū)間運(yùn)行與民航客機(jī)在萬米以上高空飛行的氣壓環(huán)境相似。人體在低氣壓環(huán)境下，會(huì)面臨減壓癥、腸胃脹氣、體液沸騰、肺損傷等生理損害［7］。因此，磁浮列車車內(nèi)壓力控制應(yīng)該參考民航客機(jī)的壓力調(diào)節(jié)模式，采用增壓座艙［8］，同時(shí)在列車進(jìn)出站的過程中，動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)車內(nèi)壓力，為乘客提供理想的生理環(huán)境。

高速磁浮列車車廂內(nèi)與管道外的壓力環(huán)境差異，給傳統(tǒng)的地面交通救援帶來新的思考，是否可借助某些穿戴設(shè)備從而實(shí)現(xiàn)人員順利地離開車廂進(jìn)入低真空環(huán)境行走。載人航天領(lǐng)域?qū)τ诳朔蛪涵h(huán)境帶來的生理變化的研究理論可以作為參考，相關(guān)理論有助于分析乘員離開磁浮車廂進(jìn)入低真空管道疏散過程中遇到的問題。由于壓力的突然失去，人體組織會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重紊亂的減壓癥。宇航員出艙過程為克服生理損傷，一方面提前適當(dāng)降低艙內(nèi)壓力，另一方面提高氧氣濃度，同時(shí)配合穿著笨重的航天服，這一過程往往伴隨著復(fù)雜的準(zhǔn)備工作，耗時(shí)費(fèi)力［9］。顯然載人航天領(lǐng)域的出艙行走技術(shù)在低真空管道中不再適用，對(duì)普通大眾而言，采用穿戴設(shè)備在低真空環(huán)境中行走是不可能實(shí)現(xiàn)的。

民航客機(jī)在遭遇高空機(jī)艙失壓時(shí)，處置措施是根據(jù)失壓的速率，盡可能快速降低飛機(jī)的高度，使機(jī)艙高度下降到約2 400 m，此高度下人體可不再依靠機(jī)艙內(nèi)壓力調(diào)整系統(tǒng)。同理，高速磁浮列車遇到突發(fā)緊急狀況，需要盡快將列車駛?cè)刖徒囌净蛘呖焖賹⒐艿缐毫μ嵘翝M足人體生理需求的氣壓環(huán)境（約0.76 atm），保證乘員能快速疏散。

3 應(yīng)急疏散救援策略

由于低真空管道的存在，低真空高速磁浮救援面臨的首要問題是人體對(duì)氣壓變化的生理適應(yīng)性問題，必須從車輛、管道附屬救援設(shè)施設(shè)備等多角度出發(fā)，確保乘員在疏散全過程中獲得適宜的氣壓環(huán)境。參考航空航天標(biāo)準(zhǔn)，理想的氣壓環(huán)境為76～100 kPa。國(guó)內(nèi)中低速磁浮系統(tǒng)、高速磁浮系統(tǒng)針對(duì)常壓環(huán)境下的應(yīng)急救援已經(jīng)形成一些比較好的經(jīng)驗(yàn)［10－13］。結(jié)合目前國(guó)內(nèi)常導(dǎo)高速磁浮的研究現(xiàn)狀及未來低真空管道磁浮的工程化發(fā)展方向，針對(duì)不同場(chǎng)景提出相應(yīng)的應(yīng)急疏散救援策略，并對(duì)高速磁浮列車車載救援逃生裝置、低真空管道救援通道及平臺(tái)設(shè)置、低真空環(huán)境維持系統(tǒng)提出工程化原則性設(shè)計(jì)建議。

3.1 基于不破壞管道低真空環(huán)境的應(yīng)急救援

由于列車故障發(fā)生的隨機(jī)性和突發(fā)性，對(duì)于某些故障工況，例如列車機(jī)械設(shè)備故障，無法自主繼續(xù)運(yùn)行，但仍可借助外部動(dòng)力至車站。由于高速磁浮站間距大、橋隧比高，此時(shí)通過管道內(nèi)的疏散平臺(tái)或疏散通道等設(shè)施進(jìn)行乘員疏散，并不是最優(yōu)選擇，最好的方式是讓乘客在車內(nèi)實(shí)現(xiàn)救援?；诓黄茐墓艿赖驼婵窄h(huán)境的救援策略具有重要的現(xiàn)實(shí)意義，可以避免管道復(fù)壓和抽氣過程，有效降低對(duì)后續(xù)正常運(yùn)營(yíng)的干擾，以最小的代價(jià)實(shí)現(xiàn)故障救援。本文針對(duì)不同故障場(chǎng)景，分析不破壞低真空環(huán)境的救援策略及存在的問題。

（1）動(dòng)力系統(tǒng)故障

當(dāng)列車發(fā)生動(dòng)力系統(tǒng)故障時(shí)，仍能保持懸浮，但失去前進(jìn)動(dòng)力。此時(shí)，若供電系統(tǒng)正常，可利用救援車牽引故障車至就近車站。整個(gè)過程可不破壞管道壓力環(huán)境，只要故障車車廂提供滿足人體生理需求的環(huán)境，故障車在就近車站實(shí)現(xiàn)乘客疏散。

（2）懸浮失效

若列車的懸浮系統(tǒng)失效，根據(jù)嚴(yán)重程度可以分為完全失去懸浮能力或者能保持懸浮但需降低功率運(yùn)行。

①若列車可在降低功率運(yùn)行且不危及行車安全，可自主滑行至前方車站疏散乘客。

②若列車完全失去懸浮能力，則需要將支撐輪放下，從而依靠車底部支撐輪將車廂坐落于軌道上，再利用救援工程車牽引故障車至就近車站實(shí)現(xiàn)乘客疏散。此種方式要求磁浮列車車廂底配置支撐輪；同時(shí)配置與真空管道環(huán)境及軌道條件相適應(yīng)的救援工程車。

③若列車懸浮系統(tǒng)完全失效，不能懸浮，且無支撐輪，列車將難以移動(dòng)。目前國(guó)內(nèi)上海高速磁浮線也曾遇到類似問題，此種故障場(chǎng)景，列車支撐滑橇坐落在支撐軌上，列車難以移動(dòng)，乘員不得不離開車廂進(jìn)行疏散，若此時(shí)管道仍為低壓，現(xiàn)有技術(shù)無法實(shí)現(xiàn)救援疏散。

3.2 基于管道恢復(fù)至常壓環(huán)境的應(yīng)急救援

即使低真空管道設(shè)有疏散平臺(tái)、疏散通道等設(shè)施，也無法避免乘員從車廂到疏散通道的走行過程，由于目前列車無法達(dá)成故障條件下車廂與常壓救援通道的無縫銜接技術(shù)，隨之而來就是人體低壓環(huán)境適應(yīng)性問題，因此對(duì)管道進(jìn)行復(fù)壓進(jìn)行救援成為必然。為了更好的商業(yè)化應(yīng)用，將管道環(huán)境恢復(fù)至常壓，在不依賴列車自身提供復(fù)雜救助裝置的條件下，一方面可以避免乘員在低壓環(huán)境的暴露風(fēng)險(xiǎn)，另一方面能夠?qū)崿F(xiàn)在災(zāi)害下的乘員充分疏散，離開車廂遠(yuǎn)離危險(xiǎn)源，撤離至地面安全地帶，保證應(yīng)急疏散救援的絕對(duì)可靠。以下的分析都是基于管道能夠快速實(shí)現(xiàn)破空復(fù)壓，技術(shù)上可行且不帶來其他新問題這一假設(shè)的前提條件。

（1）動(dòng)力系統(tǒng)故障、懸浮部分失效

當(dāng)列車發(fā)生動(dòng)力系統(tǒng)故障或懸浮部分失效，此時(shí)仍可依靠故障車自主滑行或利用救援車牽引故障車至就近車站疏散。

（2）懸浮完全失效

針對(duì)列車懸浮系統(tǒng)完全失效，且不能依靠支撐輪運(yùn)行，列車難以移動(dòng)的情況，此時(shí)車廂直接坐落在軌道上。

①對(duì)于單洞雙線線路，由相鄰線路開行救援列車，同時(shí)真空管道內(nèi)恢復(fù)至常壓環(huán)境，救援車到達(dá)故障車的平行位置停車后，將救援安全渡板橫向搭建于兩車對(duì)應(yīng)客室門之間，將全部乘員轉(zhuǎn)移，然后運(yùn)行至就近車站疏散。

②對(duì)于單洞單線線路，救援列車從前（后）方向接近故障列車，與此同時(shí)管道增壓至常壓，救援車與故障列車連掛，隨后在兩車之間縱向搭建救援安全渡板，乘員通過渡板通道轉(zhuǎn)移，隨后救援列車運(yùn)行至車站疏散。此方案要求車頭需設(shè)置緊急疏散門。

（3）火災(zāi)等需要乘客立即撤離車廂的事故類型

前述的救援策略主要是依靠故障車自主滑行或救援車牽引至就近車站疏散，但無法滿足火災(zāi)等場(chǎng)景事故救援時(shí)效性。對(duì)于此類場(chǎng)景，必須將管道快速增壓至常壓，確保乘客及時(shí)逃離車廂，離開危險(xiǎn)源。參考既有輪軌高速鐵路和常規(guī)磁浮列車的救援疏散經(jīng)驗(yàn)，低真空管道則必須綜合二者的特點(diǎn)，既要滿足乘客離開車廂在管道內(nèi)行走的條件（以疏散平臺(tái)為主），同時(shí)參考輪軌交通《高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范》《鐵路隧道防災(zāi)疏散救援工程設(shè)計(jì)規(guī)范》等規(guī)范要求的橋梁、隧道救援通道必須保留，橋梁配套的上下橋疏散通道、隧道附屬的疏散通道和緊急救援站等均應(yīng)該保留，且設(shè)置數(shù)量和間距應(yīng)考慮人性化，避免疏散過程中人員過長(zhǎng)距離行走及安全需要。確保在火災(zāi)情況下，待管道恢復(fù)至常壓后，乘客通過疏散平臺(tái)就近離開真空管，通過橋梁上或隧道內(nèi)的救援通道疏散至地面，等待下一步的地面救援。

綜上可知：綜合分析比較救援時(shí)間、技術(shù)難度、可靠性等因素，提出不同場(chǎng)景下相應(yīng)的應(yīng)急疏散救援策略，如表1所示。

表1 不同故障場(chǎng)景的救援策略

4 工程化建議

（1）對(duì)低真空環(huán)境人體適應(yīng)性研究表明，將管道恢復(fù)至常壓環(huán)境進(jìn)行應(yīng)急救援是必不可少的。然而這依賴于管道能夠快速實(shí)現(xiàn)低真空與常壓的切換，而不帶來新的其他技術(shù)問題這一前提條件。下一步應(yīng)對(duì)低真空維持系統(tǒng)的技術(shù)方案進(jìn)行進(jìn)一步深入研究，探究真空泵的具體設(shè)置方案，使得抽氣復(fù)壓轉(zhuǎn)換技術(shù)滿足應(yīng)急救援及養(yǎng)護(hù)維修需求，同時(shí)盡可能降低工程建設(shè)成本。

（2）列車在管道內(nèi)發(fā)生故障，故障仍在可控范圍內(nèi)，對(duì)乘客不構(gòu)成短時(shí)的致命威脅時(shí)，采用救援列車牽引或故障車自主滑行至就近車站，技術(shù)上難度較低，可靠性也較高，且可避免對(duì)管道進(jìn)行破空復(fù)壓。

（3）基于管道恢復(fù)至常壓的救援策略，對(duì)低真空管道的布局提出了更多的要求，包括低真空管開口救援通道設(shè)置與橋梁、隧道疏散通道相結(jié)合問題，低真空管內(nèi)長(zhǎng)距離疏散平臺(tái)的設(shè)置問題，必須力求經(jīng)濟(jì)合理的布局，減少乘員管道內(nèi)走行的距離，保證盡可能快速抵達(dá)安全地帶。

（4）管道低真空與常壓切換技術(shù)、高速磁浮列車配置支撐輪、車載密閉救援逃生管道、高速磁浮工程車等關(guān)鍵技術(shù)問題亟需科研攻關(guān)，是解決未來更高速磁浮交通應(yīng)急救援的方向。