單洞雙線鐵路隧道火災(zāi)人員疏散安全性分析*

徐志勝，孔 杰，游溫嬌，陳 濤

(中南大學(xué) 防災(zāi)科學(xué)與安全技術(shù)研究所，湖南 長(zhǎng)沙410075)

0 引言

隨著國(guó)內(nèi)鐵路隧道建設(shè)向著高海拔、超深地下空間發(fā)展，單洞雙線隧道以工程造價(jià)低、占用地下空間小的優(yōu)勢(shì)，在城際地下空間、水下空間、山嶺中獲得了一定的建設(shè)規(guī)模。但由于隧道救援通道及安全空間容易受到隧道內(nèi)輪廓空間的影響，2條線路通常不設(shè)置隔墻，隧道內(nèi)若發(fā)生火災(zāi)將直接對(duì)相鄰線路列車造成威脅，人員無法通過聯(lián)絡(luò)橫通道快速疏散，增加了火災(zāi)條件下的疏散難度。學(xué)者們對(duì)高速鐵路隧道人員疏散開展了計(jì)算機(jī)仿真模擬研究[1-3]，針對(duì)隧道內(nèi)人員疏散輔助設(shè)施也有相關(guān)學(xué)者進(jìn)行探討，主要集中在疏散指示標(biāo)志類的輔助設(shè)施、橫通道、中間救援站、服務(wù)隧道以及平導(dǎo)、豎井等輔助坑道的研究[4-5]。此外，疏散人員行走參數(shù)研究也是近年來主要研究趨勢(shì)之一[6-8]，尤其對(duì)復(fù)雜火災(zāi)條件下人員行走速率、疏散口數(shù)量、疏散口選擇等隨機(jī)性較強(qiáng)的參數(shù)量化研究[9-11]。

相較普通鐵路隧道，高速鐵路特長(zhǎng)水下盾構(gòu)隧道火災(zāi)危險(xiǎn)性更大。目前國(guó)內(nèi)的單洞雙線隧道通常采用沿洞內(nèi)軌道向外疏散的方式[12]，該方法受限于隧道長(zhǎng)度，人員疏散時(shí)間長(zhǎng)；另有一些隧道設(shè)置了救援專用通道，但通道口受到規(guī)劃和施工方法限制，設(shè)置較少。獅子洋海底隧道是我國(guó)鐵路隧道中首個(gè)采用縱向疏散的隧道，利用隧道下部空間，設(shè)計(jì)成人員疏散區(qū)，較好地將人員與火源分離。但這種疏散方式將縱向疏散通道設(shè)置在隧道中心線上，人員疏散時(shí)可能存在折返現(xiàn)象，此外，疏散通道間距設(shè)置需要兼顧人員疏散效率和建設(shè)成本，縱向疏散設(shè)施數(shù)量、乘客人數(shù)是否會(huì)對(duì)火災(zāi)人員疏散安全性產(chǎn)生影響，都需要進(jìn)一步開展研究。本文以獅子洋單洞雙線隧道為研究對(duì)象，利用火災(zāi)動(dòng)力學(xué)模擬軟件FDS，研究高速列車在隧道內(nèi)發(fā)生火災(zāi)后煙氣的蔓延情況，得到不同疏散模式下人員可用安全疏散時(shí)間。根據(jù)隧道單洞雙線結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和豎向疏散的逃生模式，分別探討不同疏散模式對(duì)人員疏散安全的影響，利用Pathfinder軟件模擬隧道列車火災(zāi)時(shí)人員逃生的安全性，選擇最佳的人員疏散模式。

1 理論基礎(chǔ)與軟件介紹

1.1 人員疏散安全判據(jù)

隧道發(fā)生火災(zāi)后，人員能否安全疏散主要取決于2個(gè)特征時(shí)間：一是火災(zāi)發(fā)展到對(duì)人員構(gòu)成危險(xiǎn)所需的時(shí)間，即可用安全疏散時(shí)間ASET；二是人員疏散到安全區(qū)域的時(shí)間，即必需安全疏散時(shí)間RSET[13]。如果ASET>RSET，可認(rèn)為人員疏散是安全的。RSET通常由火災(zāi)報(bào)警時(shí)間、疏散預(yù)動(dòng)時(shí)間和疏散行動(dòng)時(shí)間組成，而ASET的數(shù)值受火場(chǎng)參數(shù)影響很大。火災(zāi)發(fā)生后，某區(qū)域溫度達(dá)到60℃所用的時(shí)間，定義為該區(qū)域的高溫特征時(shí)間；火災(zāi)發(fā)生后人員所處環(huán)境2 m高處CO濃度值達(dá)到500 ppm的時(shí)間，定義為煙氣毒性特征時(shí)間；火場(chǎng)內(nèi)區(qū)域2 m高處的能見度低于10 m的時(shí)間，定義為該區(qū)域的能見度特征時(shí)間。當(dāng)隧道內(nèi)某個(gè)位置達(dá)到上述3個(gè)條件之一，便認(rèn)為該處己經(jīng)達(dá)到了火災(zāi)的危險(xiǎn)狀態(tài)，此時(shí)可用安全疏散時(shí)間ASET取三者中最小值[14]。

1.2 模型設(shè)置

本文使用火災(zāi)動(dòng)力學(xué)模擬軟件FDS計(jì)算火災(zāi)中的煙氣和熱傳遞過程，研究列車火災(zāi)和隧道內(nèi)煙氣蔓延規(guī)律，并以此獲得人員可用安全疏散時(shí)間。隧道模型長(zhǎng)度為400 m，火源模擬庚烷的燃燒形式。國(guó)內(nèi)外有關(guān)的列車實(shí)體火災(zāi)實(shí)驗(yàn)及相關(guān)的火災(zāi)熱釋放速率主要處在7.5～20 MW之間，考慮隧道列車火災(zāi)最不利情況，本文選擇火災(zāi)模擬的熱釋放速率為20 MW。火災(zāi)增長(zhǎng)方式遵循“t2”，火災(zāi)增長(zhǎng)速度選擇快速火(火災(zāi)增長(zhǎng)因子a=0.046 89)，經(jīng)過對(duì)火災(zāi)模型網(wǎng)格敏感性測(cè)試，最后確定網(wǎng)格尺寸為0.25 m×0.25 m×0.25 m。

使用Pathfinder軟件模擬人員的疏散情況。計(jì)算模型中列車車廂地板距疏散平臺(tái)高度為1.0 m，疏散門寬度1.1 m，根據(jù)Noren和Winer對(duì)地鐵車輛人員在不同臺(tái)階高度情況下人員下車速度的測(cè)試，車廂地板距疏散平臺(tái)高度為1.0 m時(shí)，人員下車速度在0.5～0.73人/s之間。因此，疏散門通過率設(shè)置為0.6人/s。疏散平臺(tái)寬度1.6 m，凈高2.0 m。隧道中線位置疏散口間距為60 m和80 m，疏散樓梯寬度0.8 m，樓梯通行率1.3人/s。搭載人員分男、女、老、幼，比例分別為45%，38%，7%，10%，行走速度分別1.2，1.0，0.78，0.8 m/s。另外，不同類型人員的身高和肩寬等參數(shù)需要區(qū)別設(shè)置。

2 疏散模式分析

隧道內(nèi)列車在運(yùn)行過程中發(fā)生火災(zāi)，根據(jù)火災(zāi)發(fā)生的時(shí)間、列車運(yùn)行在隧道的位置以及列車動(dòng)力等情況，著火列車可以選擇繼續(xù)行駛至隧道外進(jìn)行滅火和疏散，也可以選擇在隧道內(nèi)臨時(shí)停車，人員通過隧道內(nèi)逃生系統(tǒng)進(jìn)行疏散[15]。

2.1 駛離隧道疏散模式

隧道空間狹小、封閉，火災(zāi)高溫和煙氣容易積聚，因此，列車在隧道內(nèi)發(fā)生火災(zāi)時(shí)，應(yīng)盡可能將事故列車駛出隧道[16]。疏散過程中，著火車廂人員首先疏散至相鄰車廂，列車可沿路線繼續(xù)運(yùn)行出隧道，或者選擇掉頭由隧道入口行駛至隧道外。

2.2 臨時(shí)停車疏散模式

列車在隧道內(nèi)發(fā)生火災(zāi)，動(dòng)力不足以支撐列車駛出隧道，列車將隨機(jī)停泊在隧道內(nèi)。車輛停穩(wěn)后，乘客應(yīng)迅速逃離車廂，沿疏散平臺(tái)疏散至列車兩端，翻越軌道后沿救援平臺(tái)尋找位于隧道中線位置的最近的疏散口，根據(jù)人員疏散過程中是否選擇折返，給出了2種疏散方式，包括正常疏散路徑和折返路徑，如圖1所示。

圖1 列車臨時(shí)停靠人員疏散路徑Fig.1 Evacuation routes of temporary stop for trains

3 可用安全疏散時(shí)間分析

火災(zāi)發(fā)生在列車的不同部位會(huì)對(duì)人員疏散方式產(chǎn)生較大影響，針對(duì)列車頭部車廂火災(zāi)和中部車廂火災(zāi)2種火災(zāi)場(chǎng)景進(jìn)行討論。疏散人員經(jīng)過疏散平臺(tái)，越過列車車軌，通過疏散樓梯進(jìn)入軌道下方的逃生通道即認(rèn)定為到達(dá)隧道內(nèi)的安全區(qū)域。

3.1 頭部車廂火災(zāi)

如列車頭部發(fā)生火災(zāi)，車頭內(nèi)所有人員立即疏散至相鄰車廂，待列車停穩(wěn)后，人員下車并向車尾方向疏散。行至車尾后，越過鐵軌抵達(dá)隧道的中線位置的疏散樓梯口，通過疏散樓梯進(jìn)入軌道平面下方的逃生通道，逃生通道空間內(nèi)相對(duì)行車道保持正壓，防止上層通道內(nèi)火災(zāi)煙氣蔓延至逃生通道，使得逃生通道作為1個(gè)人員逃生的安全區(qū)域。此時(shí)隧道內(nèi)排煙風(fēng)機(jī)開啟，將高溫?zé)煔饪刂圃诨鹪匆欢耍藛T在縱向通風(fēng)保護(hù)下疏散。本文建立隧道列車火災(zāi)模型，計(jì)算得到隧道內(nèi)2 m高處溫度、能見度和CO濃度分布隨時(shí)間的變化情況。

圖2為列車車頭發(fā)生火災(zāi)時(shí)，隧道內(nèi)疏散平臺(tái)和疏散通道上方2 m 高處的溫度和能見度的變化情況。從圖2(a)和(b)中可以看出，在縱向通風(fēng)作用下，火源上游一側(cè)，1 800 s內(nèi)疏散平臺(tái)和疏散通道上方2 m處的溫度均小于60℃，未對(duì)疏散人員造成威脅。從圖2(c)和(d)中可知，在縱向通風(fēng)的作用下，火源一側(cè)的疏散平臺(tái)和疏散通道上方2 m高處的能見度始終保持在30 m，人員在疏散過程中視野清晰，安全性高。列車車頭發(fā)生火災(zāi)，在隧道內(nèi)臨時(shí)停車，火災(zāi)煙氣在縱向通風(fēng)的控制下，人員可用安全疏散時(shí)間超過1 800 s。

圖2 頭部車廂火災(zāi)危險(xiǎn)性分析Fig.2 Fire risk analysis of head carriage

3.2 中部車廂火災(zāi)

列車中部車廂發(fā)生火災(zāi)時(shí)，火災(zāi)車廂人員迅速疏散至相鄰車廂，列車停穩(wěn)后，火源兩側(cè)人員分別向車頭和車尾方向疏散。由于火源兩側(cè)都有逃生人群，添加縱向通風(fēng)將對(duì)火源一側(cè)的人員安全造成威脅。故不開啟排煙風(fēng)機(jī)，令煙氣自由蔓延和沉降。據(jù)此建立火災(zāi)動(dòng)力學(xué)模型，計(jì)算可用安全疏散時(shí)間。無縱向通風(fēng)作用時(shí)，自火災(zāi)發(fā)生至穩(wěn)定時(shí)刻(1 800 s)，隧道內(nèi)除火源車廂位置外，其他區(qū)域溫度和CO濃度值一直處于安全狀態(tài)，火災(zāi)發(fā)展到1 800 s時(shí)，隧道內(nèi)距離火源位置200 m處出現(xiàn)能見度低于10 m的情況，說明列車中部車廂發(fā)生火災(zāi)，隧道內(nèi)無縱向通風(fēng)情況下，距離火源200 m范圍內(nèi)可用安全疏散時(shí)間小于1 800 s。

圖3為列車中部車廂發(fā)生火災(zāi)時(shí)，隧道內(nèi)疏散平臺(tái)和疏散通道上方2 m高處的溫度和能見度的變化情況。圖3(a)和(b)所示火源位置兩側(cè)的疏散平臺(tái)和疏散通道上方2 m高處溫度均小于60℃，未對(duì)人員安全造成威脅。從圖3(c)和(d)中可知，疏散平臺(tái)上方2 m高處，距離火源160 m范圍內(nèi)，1 800 s內(nèi)能見度均大于10 m；疏散通道上方2 m高處在1 800 s內(nèi)均大于10 m。說明列車中部車廂發(fā)生火災(zāi)，在隧道內(nèi)臨時(shí)停車，無縱向通風(fēng)排煙作用時(shí)，距離火源位置160 m內(nèi)，人員疏散可用安全疏散時(shí)間為1 800 s，超過160 m的位置，人員疏散的可用安全時(shí)間小于1 800 s。

圖3 中部車廂火災(zāi)危險(xiǎn)性分析Fig.3 Fire risk analysis of central carriage

4 必需安全疏散時(shí)間分析

4.1 工況設(shè)置

列車在隧道內(nèi)行駛時(shí)發(fā)生火災(zāi)，在動(dòng)力沒有缺失的情況下，建議采取繼續(xù)行駛出隧道進(jìn)行滅火和救援，根據(jù)列車搭載人數(shù)不同，建立工況見表1。著火列車失去動(dòng)力或者火勢(shì)過大，必須立即停車進(jìn)行人員疏散，根據(jù)列車發(fā)生火災(zāi)車廂位置、人員疏散是否折返選擇最近的疏散口、列車搭載人數(shù)以及疏散口間距不同，設(shè)置工況如表2所示。

表1 著火列車駛出隧道人員疏散工況Table 1 Personnel evacuation conditions when fire train leave the tunnel

表2 著火列車停在隧道內(nèi)人員疏散工況Table 2 Personnel evacuation conditions when fire train stops in the tunnel

4.2 Pathfinder仿真計(jì)算結(jié)果及分析

4.2.1 著火列車駛出隧道疏散

著火列車駛出隧道疏散過程可分為2個(gè)階段：第1階段為起火車廂乘客由列車兩端通道疏散到相鄰車廂；第2階段為列車駛出隧道后，人員從列車疏散至安全區(qū)域。D1和D2工況分別為CRH6列車額定人數(shù)557人和超員人數(shù)1 116人。當(dāng)搭載人數(shù)為557人時(shí)，人員全部疏散至相鄰2節(jié)車廂需要31.7 s，全部從車廂內(nèi)疏散到安全區(qū)域需要130.4 s；當(dāng)搭載人數(shù)為1 116人時(shí)，人員全部疏散到相鄰車廂用時(shí)123.6 s，全部從車廂內(nèi)疏散到安全區(qū)域需要336.9 s。疏散模擬結(jié)果如圖4所示。

4.2.2 列車頭部車廂火災(zāi)人員疏散

設(shè)C1與C2工況疏散總?cè)藬?shù)為557人，疏散口間距分別是80 m和60 m，所有人員在逃生過程中不得穿越起火車廂進(jìn)行疏散，乘客行走至列車兩端可根據(jù)疏散指示選擇折返尋找最近疏散口。圖5為疏散口間距對(duì)人員疏散的影響，C1工況人員全部疏散完畢用時(shí)992.8 s，C2工況用時(shí)726.4 s，疏散過程時(shí)間減少266.4 s。

圖4 著火列車駛出隧道人員疏散Fig.4 Evacuation graph of fire train leaving the tunnel

圖5 疏散口間距對(duì)人員疏散的影響Fig.5 Influence of space for safety exits on personnel evacuation

4.2.3 列車中部車廂火災(zāi)人員疏散

設(shè)A1工況為疏散過程無人員折返，A2工況下有折返。人員疏散情況如圖6所示。A1工況下，0 s時(shí)火災(zāi)發(fā)生在中間車廂，列車滿載557人，233 s內(nèi)人員全部疏散離車廂，并通過疏散平臺(tái)向疏散口移動(dòng)。711 s時(shí)人員全部經(jīng)過隧道中線疏散口，經(jīng)疏散樓梯抵達(dá)安全區(qū)域。A2工況下，列車停穩(wěn)后，乘客由列車車廂到達(dá)疏散平臺(tái)，沿疏散平臺(tái)行至列車兩端后，根據(jù)疏散指示，選擇繞過列車尋找最近疏散口進(jìn)行逃生。人員在225.9 s時(shí)離開列車，此時(shí)有4個(gè)可用疏散口，497.3 s時(shí)人員全部通過中線位置疏散口抵達(dá)安全區(qū)域。疏散人數(shù)為1 116人時(shí)，755.0 s時(shí)人員全部經(jīng)過疏散口抵達(dá)安全區(qū)域。

不同疏散模式下人員疏散所用時(shí)間，根據(jù)公式REST=火災(zāi)報(bào)警時(shí)間+疏散預(yù)動(dòng)時(shí)間+疏散行動(dòng)時(shí)間計(jì)算得各工況下安全疏散時(shí)間。通過對(duì)比分析，可得單洞雙線鐵路隧道發(fā)生火災(zāi)時(shí)人員疏散的安全性，如表3和圖7所示。

圖6 著火列車緊急制動(dòng)停在隧道內(nèi)人員疏散模型Fig.6 Evacuation graph of fire train emergency braking in the tunnel

工況編號(hào)工況D1工況D2工況A1工況A2工況A3工況C1工況C2工況C3ASET9009001 8001 8001 8001 8001 8001 800RSET281.4487.98316178751 112.8846.41 691.8安全性安全安全安全安全安全安全安全安全

圖7 人員疏散安全性分析Fig.7 Graph of evacuation safety

5 結(jié)論

1)分析不同列車運(yùn)行模式和人員疏散模式，發(fā)現(xiàn)最不利火災(zāi)場(chǎng)景為列車中部車廂發(fā)生火災(zāi)，且列車失去動(dòng)力，在隧道內(nèi)臨時(shí)停車，此種情況下，為保證下游人員疏散安全，停止運(yùn)行隧道內(nèi)縱向通風(fēng)設(shè)備。當(dāng)疏散口間距為80 m時(shí)，能夠保證1 116旅客的安全疏散。

2)對(duì)比分析了人員疏散過程中折返選擇最近疏散口和無折返疏散情況，發(fā)現(xiàn)相同疏散距離和疏散人數(shù)同

為557人的情況下，人員在疏散過程中折返選擇最近疏散口，全部疏散完畢用時(shí)節(jié)省214 s。因此，隧道內(nèi)沿逃生平臺(tái)，應(yīng)設(shè)置明顯的疏散口位置指示標(biāo)識(shí)。

3)通過對(duì)比分析疏散口間距為80 m和60 m 2種情況下的人員疏散，557名旅客完成疏散用時(shí)相差266.4 s。適當(dāng)縮小疏散口間距，可有效提高疏散效率。著火列車未失去動(dòng)力的情況下，建議列車駛出隧道進(jìn)行滅火救援和應(yīng)急疏散。