陳詩(shī)明，張玉春，杜 晟，曹應(yīng)龍，王 飛

(1.西南交通大學(xué) 地球與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，四川 成都 611756；2.安徽省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究總院股份有限公司，安徽 合肥 230000)

車輛-人員荷載條件對(duì)隧道人員疏散時(shí)間的影響

陳詩(shī)明1，張玉春1，杜 晟1，曹應(yīng)龍1，王 飛2

(1.西南交通大學(xué) 地球與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，四川 成都 611756；2.安徽省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究總院股份有限公司，安徽 合肥 230000)

隧道人員疏散時(shí)間是合理設(shè)計(jì)疏散通道和火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的依據(jù)。為此，系統(tǒng)分析了車輛、人員等因素對(duì)人員疏散時(shí)間的影響，并利用人員疏散仿真模擬軟件，建立了隧道橫通道人員疏散模型，開(kāi)展了不同人員荷載密度、車輛位置對(duì)人員疏散時(shí)間的影響研究，分析了發(fā)生疏散通道人員堵塞時(shí)的人員荷載條件，研究了車輛停車位置對(duì)人員疏散通行能力的影響。研究結(jié)果表明：低人員荷載密度條件下，人員疏散時(shí)間計(jì)算主要以人員運(yùn)動(dòng)時(shí)間為主，而高人員荷載密度下，人員疏散時(shí)間計(jì)算主要取決于人員堵塞時(shí)間；隧道內(nèi)車輛的停車間距對(duì)人員疏散時(shí)間影響較小，但隧道疏散出口處的車輛停車位置將影響人員疏散的通行能力，合理的禁停標(biāo)志線有助于減少疏散通道車輛停靠位置對(duì)人員疏散時(shí)間的影響。

公路隧道；車輛；人員荷載密度；人員疏散；數(shù)值模擬

由于隧道為狹長(zhǎng)空間，發(fā)生火災(zāi)時(shí)隧道人員通常很難快速到達(dá)隧道出入口，疏散通道的作用就是保證人員在緊急情況下能夠快速、安全地逃離事故地點(diǎn)，轉(zhuǎn)入相對(duì)安全的區(qū)域。因此，設(shè)置疏散通道時(shí)，應(yīng)能夠保證人員在火災(zāi)達(dá)到危險(xiǎn)狀態(tài)之前，全部疏散到安全區(qū)域，這也是國(guó)際上提倡的建筑物性能化防火設(shè)計(jì)方法的基本思想[1]，基于該思想，國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者利用經(jīng)驗(yàn)公式和仿真軟件對(duì)山嶺公路隧道和水下公路隧道火災(zāi)時(shí)的人員疏散逃生時(shí)間進(jìn)行了分析。如張玉春等通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)獲取了不同寬度和照度條件下橫通道人員的通行能力，為經(jīng)驗(yàn)公式基本參數(shù)提供了理論依據(jù)；褚冠全等[3]采用數(shù)值模擬分析了不同疏散準(zhǔn)備時(shí)間下，通道寬度變化對(duì)疏散時(shí)間的影響，并發(fā)現(xiàn)疏散準(zhǔn)備時(shí)間服從正態(tài)分布時(shí)，總的疏散時(shí)間也服從正態(tài)分布并向右平移一個(gè)值；NILSSON等研究了首批疏散人員的行為與隧道內(nèi)感知設(shè)備對(duì)人員疏散過(guò)程的影響；范磊等[5]定義了“人員安全疏散的臨界時(shí)間”和“人員安全疏散的臨界距離”，并得出了特長(zhǎng)隧道進(jìn)出口段和中間段的人行橫通道的平均間距。

現(xiàn)有的人員逃生時(shí)間的計(jì)算分析，主要基于人員疏散過(guò)程的察覺(jué)時(shí)間、確認(rèn)時(shí)間和疏散逃生時(shí)間來(lái)計(jì)算[6-8]，但該過(guò)程很少關(guān)注車輛對(duì)人員疏散時(shí)間的影響。公路隧道人員疏散是車輛、人員、隧道等多場(chǎng)環(huán)境相互耦合影響的過(guò)程，車輛的停車間距、停車位置將影響人員疏散時(shí)間。筆者通過(guò)分析人員、車輛和疏散通道對(duì)人員疏散時(shí)間的相互影響關(guān)系，基于仿真模擬軟件，開(kāi)展了公路隧道車輛-人員耦合作用下的人員疏散時(shí)間研究，為合理計(jì)算人員疏散時(shí)間和設(shè)計(jì)疏散通道提供了依據(jù)。

1 人員疏散時(shí)間計(jì)算公式

疏散通道的設(shè)置，應(yīng)能夠確保人員在火災(zāi)達(dá)到危險(xiǎn)狀態(tài)之前，全部疏散到安全區(qū)域。隧道火災(zāi)時(shí)的人員逃生行為，將經(jīng)歷察覺(jué)、確認(rèn)事件信息、下車、主隧道逃生、疏散通道逃生等過(guò)程，確認(rèn)信息可能是下車之前或之后，為了便于分析，筆者將人員逃生行為分為3個(gè)階段：察覺(jué)、確認(rèn)火災(zāi)信息階段(包括下車)，主隧道逃生階段，疏散通道逃生階段。即傳統(tǒng)的人員必需安全疏散時(shí)間Tr包括察覺(jué)、確認(rèn)火災(zāi)信息時(shí)間Ts，主隧道逃生時(shí)間Tt和疏散通道人員通行時(shí)間Tc，如式(1)所示[10]。

Tr=Ts+Tt+Tc

(1)

其中，察覺(jué)、確認(rèn)火災(zāi)時(shí)間Ts與隧道火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)和人員特性有關(guān)，現(xiàn)階段Ts通常設(shè)置為60～180 s[11]。人員在主隧道內(nèi)的逃生時(shí)間Tt與疏散距離和疏散速度v有關(guān)，計(jì)算公式如式(2)所示。

(2)

式中：L為逃生通道間距；v為主隧道內(nèi)的人員逃生速度。

但上述過(guò)程沒(méi)有考慮到受人員荷載、車輛停靠隧道疏散出口時(shí)造成的人員堵塞時(shí)間。當(dāng)隧道內(nèi)人員荷載密度較高、疏散通道通行能力較小及受車輛?？坑绊憰r(shí)，人員在疏散通道口將發(fā)生堵塞。這時(shí)，人員在疏散通道口的疏散堵塞時(shí)間tr與人員離疏散通道的間距L、疏散通道的通行能力p、人員荷載密度n、人員在主隧道的疏散速度v、車輛是否?？縳等因素有關(guān)，可用式(3)計(jì)算。

tr=f(L,v,n,p,x)

(3)

因此，合理確定各因素對(duì)人員疏散的影響至關(guān)重要，筆者將通過(guò)數(shù)值模擬對(duì)人員疏散影響因素進(jìn)行定性定量分析，人員疏散堵塞示意圖如圖1所示，車輛存在情況下人員堵塞示意圖如圖2所示。

圖1 人員疏散堵塞示意圖

圖2 車輛對(duì)人員疏散的影響示意圖

2 疏散仿真模型建立及場(chǎng)景

2.1 隧道仿真模型

以某特長(zhǎng)公路隧道為模型，借助人員疏散模擬軟件Pathfinder對(duì)該公路隧道火災(zāi)情況下人員疏散進(jìn)行三維實(shí)體模擬，該隧道全長(zhǎng)7.9 km，雙洞六車道，單線隧道寬13.5 m，隧道內(nèi)每隔450 m設(shè)置人行橫通道，每隔750 m設(shè)置一處車行橫通道，模型選取長(zhǎng)度為920 m的隧道進(jìn)行疏散模擬分析，隧道橫斷面示意圖和疏散數(shù)值模型分別如圖3和圖4所示。

圖3 隧道橫斷面示意圖

圖4 隧道疏散數(shù)值模型

2.2 工況設(shè)定

(1)人員參數(shù)。隧道內(nèi)疏散人員行走速度一般為1.0～1.5 m/s，筆者取1.0 m/s；人員荷載密度應(yīng)考慮隧道內(nèi)車型的構(gòu)成、不同車型的載人數(shù)量、車道數(shù)和停車間距等因素，疏散人員荷載密度可根據(jù)式(4)計(jì)算[13]：

(4)

式中：d為隧道單位面積的人員荷載密度；ηi為第i類車型的構(gòu)成比例；pi為第i類車型的滿載人數(shù)；φi為第i類車型的人員載客系數(shù)，筆者取1；Li為第i類車型的車型長(zhǎng)度；k為車道數(shù)；L為隧道總車道寬度；m為停車間距。相關(guān)參數(shù)取值如表1所示。

表1 相關(guān)參數(shù)值

(2)車輛設(shè)置。針對(duì)車輛存在情況，設(shè)置了隧道內(nèi)有無(wú)車輛的兩種場(chǎng)景，在有車情況下，車間距分別為1.0 m、1.5 m、2.0 m、3.0 m、5.0 m，停車間距場(chǎng)景示意圖如圖5所示；針對(duì)車輛位置情況，考慮了車輛位于距出口不同縱向距離與橫向距離兩種場(chǎng)景：①當(dāng)車輛中心位于原點(diǎn)時(shí)，車輛上邊緣與出口距離分別為1.0 m，1.5 m，3.0 m，共3種工況；②當(dāng)車輛上邊緣距通道入口平面1.0 m時(shí)，中心縱截面在橫坐標(biāo)上移動(dòng)，車輛左邊緣位于X=-4，-3，-2，-1，0，1，2，共7種工況，場(chǎng)景示意圖如圖6所示。

圖5 隧道內(nèi)停車間距場(chǎng)景示意圖

圖6 車輛處于不同位置場(chǎng)景示意圖

3 仿真疏散模擬結(jié)果

3.1 停車間距、密度對(duì)疏散時(shí)間的影響

圖7 人員疏散時(shí)間曲線

圖8 堵塞發(fā)生時(shí)間曲線

不同人員荷載密度、停車間距下的隧道人員疏散時(shí)間曲線如圖7所示，可知在低人員荷載條件下，即人員荷載密度小于0.10 p/m2時(shí)，停車間距對(duì)人員疏散時(shí)間并無(wú)影響；在高人員荷載條件下，停車間距越小，疏散時(shí)間增加，但增長(zhǎng)幅度有限。原因在于：停車間距越小，人員荷載越高，人員在隧道內(nèi)的單位有效疏散通道面積越少，受此影響，人員疏散時(shí)間增加，但增長(zhǎng)幅度不大，表明停車間距對(duì)人員疏散時(shí)間影響總體不大。同時(shí)，隨著人員荷載密度的增加，疏散時(shí)間從基本不變到線性增加；總體上隨著人員荷載變大，堵塞發(fā)生得越早，但是，其與車輛停車間距之間關(guān)系在不同人員荷載密度下效果不一樣，堵塞發(fā)生時(shí)間曲線如圖8所示，可知在較低荷載密度下，間距越小，堵塞發(fā)生越早；而在較高荷載密度時(shí)，情況相反。

圖9所示為隧道不同人員荷載條件下的人員疏散模擬過(guò)程，結(jié)合圖9出口處較大人流量動(dòng)畫(huà)分析原因，在低荷載密度條件下，由于隧道內(nèi)人員數(shù)量較少，人員疏散時(shí)間主要受人員疏散距離決定，車輛存在無(wú)明顯影響，即人員荷載密度為0.05～0.10 p/m2時(shí)人員疏散時(shí)間基本不變；但人員荷載密度大于0.10 p/m2后，隨著人員荷載密度增加，疏散通道口發(fā)生堵塞，此時(shí)人員疏散時(shí)間與疏散通道間距無(wú)關(guān)，而是由人員荷載密度和通道口寬度決定。就堵塞發(fā)生時(shí)間而言，當(dāng)處于較低荷載時(shí)，車輛越多，出口處可疏散面積越小，人員發(fā)生堵塞越早；當(dāng)處于較高荷載時(shí)，車輛越多反而減緩高人員荷載密度對(duì)出口的負(fù)擔(dān)，通過(guò)改變?nèi)藛T疏散路徑，增加了通過(guò)出口前的疏散準(zhǔn)備時(shí)間，延遲了堵塞發(fā)生時(shí)間。

圖9 隧道不同人員荷載條件下的人員疏散模擬過(guò)程

基于上述研究表明：①在隧道疏散通道設(shè)計(jì)過(guò)程中，偏遠(yuǎn)山區(qū)隧道人員荷載密度較低時(shí)，人員疏散時(shí)間主要受疏散距離的影響，其橫通道設(shè)計(jì)可減少相應(yīng)寬度，并縮短疏散通道間距；②在城市等人員荷載密度高的隧道，人員疏散時(shí)間與疏散通道口的通行能力有關(guān)，可通過(guò)增加橫通道寬度，減少疏散時(shí)間，同時(shí)，根據(jù)堵塞發(fā)生時(shí)間制定相應(yīng)合理的疏散應(yīng)急預(yù)案。

圖10 車輛距出口不同橫向距離與疏散時(shí)間曲線

3.2 車輛位置對(duì)人員疏散時(shí)間的影響

(1)橫向間距的影響。車輛距疏散通道不同橫向距離時(shí)的人員疏散時(shí)間如圖10所示。當(dāng)?shù)腿藛T荷載條件時(shí)，由于隧道內(nèi)人員較少，車輛?？课恢貌挥绊懭藛T疏散時(shí)間。但當(dāng)達(dá)到一定人員荷載密度條件后，隨著車輛停靠橫通道口距離的增加，人員疏散逃生時(shí)間逐漸減小并保持不變，表明車輛越靠近橫向疏散口停放，將增加人員的疏散時(shí)間。

圖11所示為隧道不同橫向停車間距的人員疏散模擬過(guò)程。由圖11可知,當(dāng)車輛?？渴枭⑼ǖ揽诰嚯x1.0 m時(shí)，受車輛對(duì)人員通行的限制，人員必須穿越車輛進(jìn)入橫通道，由于停車位置太近，車輛兩邊只能限一股人流進(jìn)入，即橫通道內(nèi)只有兩股人流通過(guò)；而隨著車輛?？渴枭⒖诰嚯x的增加，車輛對(duì)人員進(jìn)入的橫通道的限制減少，當(dāng)距離為2.0 m時(shí)，橫通道內(nèi)可達(dá)到3股人流，與無(wú)車輛?？繒r(shí)基本一致，對(duì)人員疏散影響較小。

圖11 隧道不同橫向停車間距的人員疏散模擬過(guò)程

圖12 車輛左邊緣到出口中線距離與疏散時(shí)間曲線

圖13 隧道不同縱向停車位置的人員疏散模擬過(guò)程

(2)縱向間距的影響。距疏散口橫向1.0 m時(shí)不同縱向停車距離的人員疏散時(shí)間曲線如圖12所示。由圖12可知，當(dāng)車輛剛好擋住疏散出口時(shí)，人員疏散時(shí)間最長(zhǎng)，隨著車輛遠(yuǎn)離疏散出口方向，人員疏散時(shí)間快速下降，而車輛返回移動(dòng)時(shí)，疏散時(shí)間下降，但降低幅度較小。結(jié)合圖13所示的模擬過(guò)程，可知當(dāng)車輛剛好停靠遮擋疏散出口時(shí)，車頭一側(cè)人員疏散面積大，人員大量聚集，人員行走速度降低，進(jìn)而降低了疏散通道口的通行能力。

因此，在隧道疏散出口合理位置設(shè)置禁止停車線，尤其是橫向停車間距不好控制的條件下，在疏散通道口設(shè)置縱向方向疏散出口寬度距離的禁止停車線，并保證3股人流的通行間距，將有助于減少車輛停靠位置對(duì)人員疏散通道的影響。

4 結(jié)論

筆者通過(guò)理論分析和人員疏散仿真研究，開(kāi)展了不同人員荷載密度、車輛位置對(duì)人員疏散時(shí)間的影響研究，得出以下結(jié)論：①隧道的人員荷載密度決定人員堵塞條件和時(shí)間，低人員荷載密度條件下，人員疏散時(shí)間主要取決于人員運(yùn)動(dòng)時(shí)間；而高人員荷載密度下，人員疏散時(shí)間主要取決于人員堵塞時(shí)間。②從總體上來(lái)說(shuō)，隧道停車間距對(duì)人員疏散時(shí)間的影響較小。停車間距越小，疏散時(shí)間增加，但增長(zhǎng)幅度有限；同時(shí)，在高荷載人員密度條件下，隧道停車間距越小，人員疏散路徑變化多，堵塞發(fā)生時(shí)間延遲，這對(duì)人員疏散方案制定有理論指導(dǎo)意義。③隧道疏散出口處的車輛停車位置對(duì)人員疏散通行時(shí)間有影響。車輛距出口距離低于2 m時(shí)，出口通過(guò)率嚴(yán)重下降，所以，在進(jìn)行人員疏散交通管控時(shí)，應(yīng)在行人疏散通道口設(shè)置停車限制，保證出口通行能力不受影響，即保持3股人流的通行間距。

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CHEN Shiming:Postgraduate;School of Environmental Sciences,Southwest Jiaotong University,Chengdu 611756,China.

Effect of Vehicle-Personnel Load Condition on Personnel Evacuation Time in Tunnel

CHENShiming,ZHANGYuchun,DUSheng,CAOYinglong,WANGFei

Road tunnel evacuation time is the basis of rationally designing evacuation channel and fire risk assessment. According to systematically analysis of the influence of vehicles, people etc. on personnel evacuation time, by adopting evacuation simulation software to formulate a tunnel pedestrian channel model, the influence of different personnel density and vehicle location on the evacuation time was studied. The load condition of the personnel when the evacuation channel was blocked was analyzed. The study is carried out to research the influence under different occupant load density and vehicle location. The results show that on the condition of low occupant load densities, people movement time accounts for the main part of evacuation time, while in high density, evacuation time mainly depends on the personnel blocking time; the vehicle parking space in tunnel has little effect on it, but vehicle parking nearby the exit will affect the evacuation capacity of pedestrian channel, so normal parking signs will effectively reduce the effect that vehicle parking position causes on people evacuation time of in tunnel.

highway tunnel; vehicles; occupant load density; evacuation; numerical simulation.

2095-3852(2016)06-0662-05

A

2016-07-09.

張玉春(1980-)，男，四川什邡人，西南交通大學(xué)地球科學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院副教授.

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51578464).

X932

10.3963/j.issn.2095-3852.2016.06.005

收稿日期：陳詩(shī)明(1991-)，男，湖北荊州人，西南交通大學(xué)地球科學(xué)與環(huán)境工程碩士研究生.