劉松濤　衛(wèi)文彬　歐宸

（1.中國(guó)建筑科學(xué)研究院建筑防火研究所　北京100013；　2.住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部防災(zāi)研究中心　北京100013；3.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)（北京）資源與安全工程學(xué)院　北京100083）

雙洞單線高鐵隧道列車中部火災(zāi)人員最優(yōu)疏散模式研究*

劉松濤1，2衛(wèi)文彬3歐宸1

（1.中國(guó)建筑科學(xué)研究院建筑防火研究所北京100013；2.住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部防災(zāi)研究中心北京100013；3.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)（北京）資源與安全工程學(xué)院北京100083）

分析了雙洞單線隧道疏散設(shè)計(jì)概況，針對(duì)隧道疏散最不利的列車中部火災(zāi)場(chǎng)景，建立了人員疏散路徑選擇網(wǎng)絡(luò)模型?；诤侠淼募僭O(shè)，確定了雙洞單線隧道列車中部火災(zāi)的5種疏散路徑，并運(yùn)用圖解法求解出了最優(yōu)疏散時(shí)間與列車位置關(guān)系的數(shù)學(xué)方程式，確定了最優(yōu)疏散路徑選擇模式。通過(guò)pathfinder數(shù)值模擬對(duì)比分析可知，最優(yōu)疏散路徑選擇模式的理論模型與模擬結(jié)果高度吻合，可以準(zhǔn)確計(jì)算出人員安全疏散所需時(shí)間 ，對(duì)改善隧道疏散設(shè)計(jì)，減少人員傷亡具有重要意義。

高鐵隧道 列車 橫通道 疏散模式 pathfinder數(shù)值模擬

0　引言

隨著我國(guó)高鐵建設(shè)的快速推進(jìn)，高鐵隧道在高鐵線路中所占的比重越來(lái)越大，不斷增加的隧道數(shù)量及長(zhǎng)度勢(shì)必導(dǎo)致隧道列車火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)增大，由于隧道空間相對(duì)封閉、斷面較小，隧道火災(zāi)往往具有熱、煙危害嚴(yán)重，人員逃生條件差，消防救援難度大等特點(diǎn)，如何確保隧道火災(zāi)條件下人員的安全疏散，國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了大量研究。但是對(duì)于鐵路隧道人員疏散的研究基本上是從宏觀方面把握，給出整體的設(shè)計(jì)方案，針對(duì)性較弱。本文將針對(duì)長(zhǎng)及特長(zhǎng)雙洞單線隧道最不利于人員安全疏散的列車中部火災(zāi)情況下的人員安全疏散進(jìn)行研究，通過(guò)建立的疏散模型對(duì)人員疏散模式進(jìn)行優(yōu)化研究，以期得到此最不利工況的最優(yōu)疏散模式，從而達(dá)到減少人員傷亡，降低經(jīng)濟(jì)損失的目的。

1　隧道及高鐵列車概況

1.1雙洞單線隧道概況

根據(jù)參考文獻(xiàn)［1］～文獻(xiàn)［3］中有關(guān)雙洞單線隧道疏散設(shè)計(jì)的要求，可將其概括總結(jié)為如下幾點(diǎn)：①長(zhǎng)及特長(zhǎng)隧道應(yīng)設(shè)置橫通道，應(yīng)利用橫通道等設(shè)施設(shè)置緊急出口。②橫通道間距不應(yīng)大于500 m，凈寬不應(yīng)小于2.3 m。③隧道內(nèi)應(yīng)設(shè)置貫通的單側(cè)救援通道，地面應(yīng)保持平整，寬度不宜小于1.5 m。

1.2CRH2A型列車概況

以CRH2A-2011型列車編組為例，各個(gè)車廂配置如下表1所示。

表1　CRH2A-2011型列車車廂配置

列車在隧道中的不同?？课恢脤?duì)人員疏散路徑的選擇具有重要影響，因此，筆者在本文中只針對(duì)列車停靠于雙洞單線隧道兩橫通道之間這一情況展開具體分析。

2　人員疏散路徑選擇

根據(jù)雙洞單線隧道的設(shè)計(jì)概況，在不考慮火災(zāi)發(fā)生的前體下，人員對(duì)疏散路徑的選擇可以看作是一個(gè)隨機(jī)概率事件，可能的路徑選擇方式便可以用以下網(wǎng)絡(luò)模型表示。

圖1　人員疏散路徑選擇網(wǎng)絡(luò)模型

因此，人員從車廂疏散到橫通道的路徑組合種類可用以下公式計(jì)算：

其中 ，S為人員所有疏散路徑組合種類的總數(shù)；Cn為第n節(jié)車廂內(nèi)的人數(shù)，n為車廂的編號(hào)，n=1，2，3…，8。

在實(shí)際的隧道疏散中 ，由于受到列車?？课恢谩⒒馂?zāi)位置、隧道通風(fēng)模式、人的從眾心理等的影響，人員疏散路徑的選擇便會(huì)限定在一定的范圍內(nèi)。

為了便于對(duì)隧道人員疏散模式的分析，本文進(jìn)行如下假設(shè)：

（1）列車發(fā)生火災(zāi)的車廂只有一節(jié)，即火災(zāi)不會(huì)在車廂之間蔓延，分析過(guò)程中不考慮煙氣能見度等對(duì)人員疏散的影響。

（2）當(dāng)隧道風(fēng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)，上風(fēng)側(cè)的人員處于安全區(qū)域，但仍需疏散至上風(fēng)側(cè)橫通道內(nèi)。

（3）不考慮人員之間的行為動(dòng)作，對(duì)疏散路徑的分析從人員走出車廂開始，假設(shè)各車廂人員在車廂內(nèi)的行動(dòng)時(shí)間均相同 ，記作 Tstart。

（4）不考慮人員交叉疏散，同一節(jié)車廂的人員所選擇的疏散路徑相同。

基于上述假設(shè)，可以對(duì)人員的疏散路徑選擇進(jìn)行簡(jiǎn)化，隧道人員對(duì)于疏散路徑的選擇便可根據(jù)著火車廂的不同分為列車頭部火災(zāi)人員疏散，列車尾部火災(zāi)人員疏散及列車中部火災(zāi)人員疏散3種情況。

當(dāng)火災(zāi)位于列車端部（頭部或尾部）時(shí)，由于隧道通風(fēng)模式的確定性，從而使人員的疏散路徑相對(duì)簡(jiǎn)單，隧道內(nèi)人員全部向上風(fēng)側(cè)疏散。因此，本文對(duì)這兩種情況不再做進(jìn)一步分析。

當(dāng)火災(zāi)位于列車中部車廂（第4節(jié)或5節(jié)車廂）時(shí)，無(wú)論采取何種通風(fēng)方式都必然導(dǎo)致至少有4節(jié)車廂的人員位于下風(fēng)側(cè)。根據(jù)上述假設(shè)，隧道中所有人員的疏散路徑選擇種類可縮減為5種，如下表2所示。

表2　列車中部火災(zāi)人員疏散路徑

3　最優(yōu)疏散路徑求解

在對(duì)下風(fēng)側(cè)車廂人員進(jìn)行疏散時(shí)，各車廂人員疏散至下風(fēng)側(cè)橫通道或起火車廂上風(fēng)側(cè)所需的疏散時(shí)間可以用如下公式進(jìn)行計(jì)算：

式中，TAn為第n節(jié)車廂人員疏散至下風(fēng)側(cè)橫通道所需時(shí)間，s；TBn為第n節(jié)車廂人員疏散至起火車廂上風(fēng)側(cè)所需時(shí)間，s；Tstart為人員從車廂疏散至救援通道所需時(shí)間 ，保守取65 s［4］；l為列車車廂長(zhǎng)度，取25 m；Δv為人員疏散速度，m/s；s為第一節(jié)車廂距離下風(fēng)側(cè)橫通道的距離，0 m≤s≤300 m。

根據(jù)Fruin［5-6］疏散模型 ，人員在隧道救援通道內(nèi)的疏散速度與人員密度可以用如下線性關(guān)系式表示：

式中 ，ρ為人員密度，0.2人/m2≤ρ≤4.0人/m2；其他符號(hào)同上。

因此，上述5種不同疏散路徑各自所需的疏散時(shí)間可以用下式表示：

TN=max｛（TAn，TBn）｝ （N=1，2，3，4，5）（4）式中，TN為第N種疏散路徑所需的疏散時(shí)間，s；其他符號(hào)同上。

由此可得到隧道人員最優(yōu)疏散路徑所需的疏散時(shí)間為：

式中，T為隧道人員最優(yōu)疏散路徑所需疏散時(shí)間，s；其他符號(hào)同上。

根據(jù)隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)資料及列車各車廂人員分布情況，可以分別求出各個(gè)疏散路徑所需時(shí)間的方程表達(dá)式，如下表3所示。

表3　各疏散路徑所需時(shí)間方程式匯總

運(yùn)用圖解法對(duì)上述數(shù)學(xué)模型中的方程組進(jìn)行求解，如圖2所示。

根據(jù)上圖，隧道內(nèi)人員最優(yōu)疏散路徑所需的疏散時(shí)間可以用以下方程式表示：

圖2　不同起火位置的最優(yōu)疏散路徑

由此可知，雙洞單線隧道列車中部（第4或5節(jié)車廂）火災(zāi)時(shí)，人員的最優(yōu)疏散路徑與第一節(jié)車廂距離下風(fēng)側(cè)橫通道的距離有關(guān)，當(dāng)0 m≤s≤19 m時(shí)，人員的最優(yōu)疏散路徑為路徑I；當(dāng)19 m≤s≤106 m時(shí)，人員的最優(yōu)疏散路徑為路徑IV；當(dāng)106 m≤s≤300 m時(shí)，人員的最優(yōu)疏散路徑為路徑V。

4　數(shù)值模擬驗(yàn)證分析

論文采用pathfinder對(duì)上述理論分析結(jié)果進(jìn)行數(shù)值模擬驗(yàn)證。根據(jù)SFPE《消防安全手冊(cè)》，人員的構(gòu)成及平面行走速度設(shè)定為：35%成年男性，速度1.2 m/s；30%成年女性，速度1.0 m/s；20%老人，速度0.9 m/s；15%兒童，速度0.8 m/s。

因此，根據(jù)列車?？课恢玫牟煌O(shè)置隧道人員疏散場(chǎng)景，如下表4所示。

通過(guò)對(duì)場(chǎng)景A～場(chǎng)景F進(jìn)行人員疏散數(shù)值模擬，對(duì)各個(gè)場(chǎng)景中疏散路徑I～V的人員安全疏散時(shí)間分布進(jìn)行繪圖，如圖3所示。

圖3　各場(chǎng)景不同疏散路徑安全疏散時(shí)間分布

（1）場(chǎng)景A～場(chǎng)景F的最優(yōu)疏散路徑依次為：路徑III，路徑III，路徑IV，路徑IV，路徑V，路徑V。

（2）疏散路徑I～I(xiàn)V的安全疏散時(shí)間隨著列車距離下風(fēng)側(cè)橫通道的距離的增大而逐漸增大；疏散路徑V的安全疏散時(shí)間為常數(shù)，與列車?？课恢脹](méi)有直接關(guān)系，但列車與下風(fēng)側(cè)橫通道的距離越遠(yuǎn)，疏散路徑V越接近最優(yōu)路徑。

（3）對(duì)于所有的疏散場(chǎng)景 ，均存在 TI＞TII＞TIII，此結(jié)果主要是由于人員擁擠等因素造成的。

（4）TIV在各個(gè)場(chǎng)景中與 TIII和 TV都比較接近 ，但當(dāng)列車距離下風(fēng)側(cè)的距離較?。▓?chǎng)景A）或較大（場(chǎng)景E、F）時(shí)，它們之間相差也較大。

對(duì)各個(gè)場(chǎng)景的最優(yōu)疏散路徑和最優(yōu)疏散時(shí)間進(jìn)行統(tǒng)計(jì)匯總，同時(shí)根據(jù)理論得出最優(yōu)疏散路徑所需的疏散時(shí)間的方程式對(duì)各個(gè)場(chǎng)景的最優(yōu)疏散路徑及最優(yōu)疏散時(shí)間進(jìn)行求解，然后將模擬結(jié)果與理論計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，如下表5所示。

表5　數(shù)值模擬與理論計(jì)算結(jié)果對(duì)比分析

場(chǎng)景A中，考慮s=10 m，對(duì)應(yīng)驗(yàn)證理論模型中的第一段方程式 ，即0 m≤s≤19 m，此時(shí)理論模型中的最優(yōu)疏散路徑為路徑III，最優(yōu)疏散時(shí)間為 T= 151 s。從表中可知數(shù)值模擬結(jié)果中路徑III為最優(yōu)疏散路徑，最優(yōu)疏散時(shí)間為132 s，與理論計(jì)算結(jié)果的相對(duì)誤差為12.6%，相差不大，從而驗(yàn)證了理論模型。

場(chǎng)景B、C、D中，考慮 s=50 m、s=80 m及 s= 100 m 3種情況，對(duì)應(yīng)于理論模型中的第二、三段方程式，即19 m≤s≤106 m，此時(shí)理論模型中的最優(yōu)疏散路徑均為路徑IV，最優(yōu)疏散時(shí)間分別為：165 s、181 s及203 s。從表中可以看出，當(dāng) s=50 m時(shí)，數(shù)值模擬結(jié)果的最優(yōu)疏散路徑為路徑III，最優(yōu)疏散時(shí)間為167 s，相對(duì)誤差僅為1.2%，最優(yōu)疏散時(shí)間與理論計(jì)算結(jié)果極為接近，但是最優(yōu)路徑與理論模型不同。從圖3最優(yōu)疏散路徑圖中可以看出 ，當(dāng)s=50 m時(shí)，路徑III與路徑IV的疏散時(shí)間十分接近；路徑IV的數(shù)值模擬結(jié)果為174 s，與路徑III的模擬結(jié)果以及理論計(jì)算結(jié)果都十分接近 ，因此，在模擬結(jié)果中出現(xiàn)這種情況是合理的。當(dāng) s=80 m及 s=100 m時(shí)，數(shù)值模擬的結(jié)果中的最優(yōu)疏散路徑均為路徑IV，最優(yōu)時(shí)間分別為177 s和172 s，相對(duì)誤差分別為2.2%和15.6%，與理論計(jì)算結(jié)果十分接近，進(jìn)一步加強(qiáng)了對(duì)理論模型的驗(yàn)證。

場(chǎng)景E、F中，考慮s=150 m及 s=200 m這兩種情況，對(duì)應(yīng)驗(yàn)證理論模型中的第四段方程式，即106 m≤s≤300 m，此時(shí)理論模型中的最優(yōu)疏散路徑為路徑V，最優(yōu)疏散時(shí)間為 T=207 s。從表中可知數(shù)值模擬結(jié)果中對(duì)應(yīng)的最優(yōu)疏散路徑也均為路徑V，且最優(yōu)疏散時(shí)間也是207 s，相對(duì)誤差為0.0%，與理論計(jì)算結(jié)果相同，充分驗(yàn)證了理論模型的準(zhǔn)確性。

5　結(jié)論

（1）分析了雙洞單線隧道疏散設(shè)計(jì)概況，建立了隨機(jī)概率事件下人員疏散路徑選擇網(wǎng)絡(luò)模型，并給出了人員疏散路徑組合種類的計(jì)算公式。

（2）建立了不同疏散路徑人員安全疏散所需時(shí)間的計(jì)算公式，確定了隧道人員最優(yōu)疏散路徑的求解模型，并運(yùn)用圖解法得出了最優(yōu)路徑的選擇模式以及最優(yōu)疏散時(shí)間與列車?？课恢玫臄?shù)學(xué)方程式。

（3）通過(guò)設(shè)置6組不同列車位置的隧道人員疏散場(chǎng)景，對(duì)最優(yōu)疏散路徑選擇模式的理論模型進(jìn)行人員疏散數(shù)值模擬驗(yàn)證，結(jié)果表明，理論模型與模擬結(jié)果十分吻合，充分驗(yàn)證了疏散模擬的準(zhǔn)確性與可行性。

［1］鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司.鐵路工程設(shè)計(jì)防火規(guī)范（TB 10063—2007）［S］.北京：中國(guó)鐵道出版社，2007.

［2］鐵道第二勘察設(shè)計(jì)院.鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范（TB 10003—2005）［S］.北京：中國(guó)鐵道出版社，2005.

［3］鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司.鐵路隧道防災(zāi)救援疏散工程設(shè)計(jì)規(guī)范（TB 10020—2012）［S］.北京：中國(guó)鐵道出版社，2012.

［4］李修柏.高速鐵路長(zhǎng)大隧道列車火災(zāi)安全疏散研究［D］.上海：中南大學(xué)，2013.

［5］李思成 ，王偉，趙耀華，等.幾個(gè)典型隧道火災(zāi)問(wèn)題研究進(jìn)展［J］.建筑科學(xué)，2014，30（10）：94-105.

［6］Fruin J J.Pedestrian planning and design［M］.New York：Metropolitan Association of Urban Designer and Environmental Planners，1971.

Research on the Optimal Evacuation Mode for The Middle Train Compartment Fire of Single-track High-speed Railway Tunnels

LIU Songtao1，2WEIWenbin3OU Chen1
（1.Institute of Building Fire Research，China Academy of Building Research Beijing 100013）

Evacuation design profiles of single-track high-speed railway tunnels are analyzed，and the path selection network modelof evacuation is established under the mostserious condition ofmiddle train compartment fire.Based on several reasonable assumptions，five paths are confirmed for the middle train compartmentfire of single-track high-speed railway tunnels；by using the graphicalmethod，mathematical equations of the relationship between the optimal evacuation time and the train position is calculated，and the optimal evacuation model is determined.The results of pathfinder numerical simulation analysis are highly consistentwith the theoreticalmodel，and the safe evacuation time can be calculated exactly，which will help to improve the evacuation design and reduce casualties and property losses.

high-speed railway tunnel train transverse passage way evacuation mode pathfinder numerical simulation

中國(guó)建筑科學(xué)研究院自籌資金課題（20140111330730049）。

劉松濤 ，男 ，1978年生，博士，高級(jí)工程師，主要從事安全工程、火災(zāi)及消防工程等領(lǐng)域的研究。

（2015-09-15）