鐵路隧道緊急救援站人員疏散時間理論計算方法

于 麗， 代仲宇， 趙 勇， 王明年， 李 琦

(1. 西南交通大學 土木工程學院， 四川 成都 610031； 2. 中國建筑股份有限公司， 北京 100029；3. 中國鐵路經(jīng)濟規(guī)劃研究院， 北京 100038)

近年來，隨著我國鐵路建設的發(fā)展，出現(xiàn)了一大批長度在20 km以上的長大隧道及隧道群，鐵路隧道的防災疏散工程受到了國內(nèi)外學者和鐵路管理部門的重視。

修建緊急救援站是保證列車在隧道內(nèi)發(fā)生火災后，人員能夠安全疏散的有效方式。目前，國內(nèi)外標準一般規(guī)定長度20 km及以上的隧道或隧道群應設置緊急救援站[1]。火災列車在停靠緊急救援站后能否實現(xiàn)人員安全疏散是防災系統(tǒng)設計的關(guān)鍵。目前，歐洲、美國及我國地鐵標準規(guī)定[2-3]在隧道中發(fā)生緊急事故的人員疏散時間應控制在6 min之內(nèi)，而我國鐵路隧道緊急救援站的建設剛剛起步，在設計過程中并沒有相關(guān)的理論計算方法。國內(nèi)外學者針對人員疏散的研究主要采用人群疏散模型和計算機仿真模擬結(jié)合的方法，Helbing[4]提出了基于行人自身驅(qū)動力，考慮恐懼心理狀態(tài)的社會力模型，Lovas[5]提出了分析人流運動特征的排隊網(wǎng)絡模型，石勃偉[6]提出了模擬人員整體運動狀態(tài)的水力模型，Heibing等[7]提出了能夠?qū)r間、空間離散控制的元胞自動機模型，Okazaki[8]提出了基于磁場的描述人與人之間相互作用的磁場力模型。計算機仿真模擬也是基于上述疏散模型或是根據(jù)真實火災數(shù)據(jù)進行概率分析后，建立火災場景進行模擬。針對鐵路隧道緊急救援站的特點，基于水力模型，建立人員疏散時間的理論計算方法，可以檢驗緊急救援站配置參數(shù)的合理性，以便更好的指導設計，為規(guī)范修訂提供參考。

1 人員疏散時間計算方法

1.1 GB 50016—2014《建筑設計防火規(guī)范》[9]計算方法

GB 50016—2014《建筑設計防火規(guī)范》中規(guī)定了體育館、電影院、劇場等有大量人員聚集的公共場所的火災時，每100個人員疏散時需要的最小出口寬度計算式為

( 1 )

得到百人指標后，可以計算某場所疏散所需的出口寬度和數(shù)量，計算式為

( 2 )

式( 1 )、式( 2 )主要適用于多方向上有多個出口的建筑結(jié)構(gòu)內(nèi)，可以根據(jù)需要疏散完畢的時間反推出滿足疏散要求的出口寬度和數(shù)量。

1.2 GB 50157—2013《地鐵設計規(guī)范》[3]計算方法

地鐵站臺層的事故疏散時間計算式為

( 3 )

式中：Q1為列車乘客數(shù)；Q2為站臺上候車乘客和站臺上工作人員；A1為自動扶梯通過能力，人/(min·m)；A2為人行樓梯通過能力，人/(min·m)；N為自動扶梯臺數(shù)；B為人行樓梯總寬度，m。

式( 3 )主要用于地鐵車站具有較寬站臺及多處樓梯及電梯的情況，通過人員的數(shù)量及具體通道寬度和數(shù)量可以得到人員疏散的時間，或根據(jù)規(guī)定的時間反算出車站可以滿足人員疏散的通道寬度及數(shù)量。

1.3 水力模型計算方法

水力模型疏散模型是將人群按照整體考慮成管道中的水，較符合鐵路隧道中人員整體單向疏散，其表達式為

taction=ttravel+tqueue

( 4 )

式中：taction為疏散時間；ttravel為步行時間，按從最遠一點經(jīng)折線距離至出口所需的時間；tqueue為出口通過時間，人員通過某一限制出口所需要的時間，即出口排隊時間。

步行時間計算式為

( 5 )

式中：ttravel為步行時間，min；l為步行最大距離，m；v為步行速度，m/min。

出口通過時間計算式為

( 6 )

式中：tqueue為出口通過時間，min；p為人員密度，人/m2；A為建筑面積，m2；N為出口有效流出系數(shù)，人/(min·m)；B為出口有效寬度，m。

根據(jù)上述水力模型計算方法，針對鐵路隧道內(nèi)人員的緊急疏散特征，給予一定的修改。鐵路隧道發(fā)生火災時，人員的疏散首先要從列車內(nèi)疏散到車外，因此，鐵路隧道人員疏散的時間需要增加人員全部疏散至列車外部的時間，即下車的時間。

由于隧道狹長的結(jié)構(gòu)特點，人員疏散時，在緊急救援站處主要沿單側(cè)的緊急救援站站臺進行疏散，疏散隊伍狹長有序分布，假設在鐵路隧道中，人員疏散的出口通過時間，即擁堵等待時間為0，得到鐵路隧道內(nèi)的人員疏散時間計算式為

to=t1+t2

( 7 )

式中：t1為下車時間，定員數(shù)量最多的車廂內(nèi)人員全部疏散至車外的時間；t2為步行時間，距離出口最遠一點至出口所需的時間。

下車時間計算式為

( 8 )

式中：Q2為火災車廂僅有一端的門供疏散時，每個車門需下車的人員數(shù)量，人；V1為人員下車速度，人/s。

瑞典隆德大學的Noren等對地鐵車輛人員在不同臺階高度情況下人員下車速度的測試結(jié)果，見表1[10]。

表1 人員在不同站臺高度情況下的下車速度

步行時間計算式為

( 9 )

式中：L為距離出口最遠的距離，m；V為人員步行速度，m/min。

確定人員的行進速度對于分析疏散時間格外重要，行進速度與人群的密度、性別、年齡、身體狀況、所處環(huán)境、路徑等諸多因素有關(guān)[11]。根據(jù)文獻[12]的研究，人員密度和行進速度間的關(guān)系曲線見圖1，數(shù)學表達式為

V=K(1-0.266D)

(10)

式中：D為人員密度(不小于0.5)，人/m2；K為系數(shù)，對于水平通道K=84.0，對于樓梯臺階K=51.8(G/R)1/2，G與R分別為踏步的寬度和高度。

人員的密度計算時，假定所計算疏散人員均站在列車外隧道內(nèi)站臺或通道上，則人員密度為

(11)

式中：Q為需疏散的人員數(shù)量，人；A為需疏散人員所占站臺或通道的面積，m2。

2 人員疏散時間計算公式的推導

2.1 公式推導

(12)

式中：Q1為定員數(shù)量最多車廂內(nèi)的人員數(shù)量，人；V1為人員下車速度，人/s；LS為緊急救援站橫通道間距，m；LC為一節(jié)車廂的長度，m；B1為緊急救援站站臺寬度，m；K為系數(shù)，取K=84.0。

2.2 修正系數(shù)確定

考慮一定的安全儲備，針對式(12)提出疏散時間的安全修正系數(shù)。針對25型列車進行計算，其每節(jié)車廂定員人數(shù)為128人，車廂長度為26 m，緊急救援站站臺寬度為2.3 m，高度為0.3 m，在此基礎上，通過對不同結(jié)構(gòu)參數(shù)條件下的緊急救援站人員疏散進行數(shù)值模擬，得到理論公式計算結(jié)果與數(shù)值模擬計算結(jié)果對比曲線，見圖2、圖3。

通過兩曲線的對比，兩者的結(jié)果比值大約在1.0～1.3范圍內(nèi)，因此，可將式(12)變形為

(13)

式中：η為安全修正系數(shù)，η=1.0～1.3。

式(13)的適用前提條件為出口的寬度滿足人員順暢疏散，不會有明顯的滯留現(xiàn)象出現(xiàn)。

3 人員疏散模型試驗驗證

3.1 緊急救援站人員疏散試驗設計

按照規(guī)范中對橫通道寬度，站臺寬度的要求[1]，模擬三節(jié)車廂，車廂長度為26 m，人員分別由車廂站臺側(cè)車門疏散至站臺。試驗模擬工況見表2。

表2 試驗工況

1、2號車廂內(nèi)人員由車廂前后兩門疏散，3號車廂內(nèi)人員由車廂前門疏散，見圖4、圖5。

3.2 緊急救援站人員疏散試驗結(jié)果

(1) 人員疏散時間

緊急救援站人員疏散試驗主要測試在不同出口寬度條件下人員疏散的必需安全疏散時間、出口處擁堵程度、疏散速度以及出口處的人員通過率，疏散現(xiàn)場見圖6，測試結(jié)果見表3。

表3 人員疏散模型試驗結(jié)果

工況出口寬度/m站臺寬度/m橫通道間距/m受測人數(shù)必需安全疏散時間/s出口擁堵時間/sB122.56038813475B232.56038810914

由表3可知，當隧道出口寬度為2 m時，人員全部疏散至安全地點需要134 s，在出口處擁堵時間為75 s。當隧道出口寬度為3 m時，疏散時間為109 s，擁堵時間為14 s。

(2) 人員疏散速度

由試驗測得的疏散時間，可以計算得到不同隧道出口寬度條件下，人員疏散通過隧道出口的平均疏散速度，結(jié)果見表4。

表4 緊急救援站人員疏散速度結(jié)果

由表4可知，隨著隧道出口寬度的增加，人員通過出口的速度明顯提高。當隧道出口寬度為2 m時，人員平均疏散速度大約為71.2 人/(min·m)。當隧道出口寬度為3 m時，人員平均疏散速度大約為87 人/(min·m)。

3.3 驗證

由于試驗中受測人員均為年輕人，且男性占到88%，疏散環(huán)境光線好，地面平整，因此，試驗所測得的疏散時間及速度需進行折減。根據(jù)文獻[13]規(guī)定，隧道中火災煙氣對人員疏散的影響可以用消光系數(shù)來表示，若取消光系數(shù)取臨界值0.4，則人員疏散速度大約折減4%。根據(jù)GB 50016—2014《建筑設計防火規(guī)范》[9]規(guī)定，人在凹凸地面上行走的速度比在平地上行走的速度大約下降14%。實際疏散的人員中，只有45%的成年男性，成年女性的比例為38%，疏散速度為男性的80%，其余為老人和小孩，比例為17%，速度為成年男性的60%，疏散速度下降11%。則人員疏散的速度大約折減33%，得到理論計算結(jié)果和模型試驗結(jié)果的對比，見表5。

表5 人員疏散時間結(jié)果對比

由表5可知，在出口寬度基本滿足人員順暢疏散的條件下，人員疏散時間的理論計算結(jié)果與試驗結(jié)果較吻合，表明鐵路隧道緊急救援站的人員疏散時間計算公式合理。

4 結(jié)論

(1) 基于水力模型疏散時間計算方法，得到緊急救援站人員疏散時間的組成為人員下車時間和步行時間之和。

(2) 針對著火列車停靠在緊急救援站的情況，建立疏散時間與車廂內(nèi)人數(shù)、人員速度、橫通道間距、站臺寬度、列車長度的關(guān)系，得到緊急救援站人員疏散時間計算公式。