于 麗， 代仲宇， 趙 勇， 王明年， 李 琦

(1. 西南交通大學(xué) 土木工程學(xué)院， 四川 成都 610031； 2. 中國(guó)建筑股份有限公司， 北京 100029；3. 中國(guó)鐵路經(jīng)濟(jì)規(guī)劃研究院， 北京 100038)

近年來，隨著我國(guó)鐵路建設(shè)的發(fā)展，出現(xiàn)了一大批長(zhǎng)度在20 km以上的長(zhǎng)大隧道及隧道群，鐵路隧道的防災(zāi)疏散工程受到了國(guó)內(nèi)外學(xué)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(zāi)后，人員能夠安全疏散的有效方式。目前，國(guó)內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)一般規(guī)定長(zhǎng)度20 km及以上的隧道或隧道群應(yīng)設(shè)置緊急救援站[1]?；馂?zāi)列車在?？烤o急救援站后能否實(shí)現(xiàn)人員安全疏散是防災(zāi)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。目前，歐洲、美國(guó)及我國(guó)地鐵標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定[2-3]在隧道中發(fā)生緊急事故的人員疏散時(shí)間應(yīng)控制在6 min之內(nèi)，而我國(guó)鐵路隧道緊急救援站的建設(shè)剛剛起步，在設(shè)計(jì)過程中并沒有相關(guān)的理論計(jì)算方法。國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)人員疏散的研究主要采用人群疏散模型和計(jì)算機(jī)仿真模擬結(jié)合的方法，Helbing[4]提出了基于行人自身驅(qū)動(dòng)力，考慮恐懼心理狀態(tài)的社會(huì)力模型，Lovas[5]提出了分析人流運(yùn)動(dòng)特征的排隊(duì)網(wǎng)絡(luò)模型，石勃偉[6]提出了模擬人員整體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的水力模型，Heibing等[7]提出了能夠?qū)r(shí)間、空間離散控制的元胞自動(dòng)機(jī)模型，Okazaki[8]提出了基于磁場(chǎng)的描述人與人之間相互作用的磁場(chǎng)力模型。計(jì)算機(jī)仿真模擬也是基于上述疏散模型或是根據(jù)真實(shí)火災(zāi)數(shù)據(jù)進(jìn)行概率分析后，建立火災(zāi)場(chǎng)景進(jìn)行模擬。針對(duì)鐵路隧道緊急救援站的特點(diǎn)，基于水力模型，建立人員疏散時(shí)間的理論計(jì)算方法，可以檢驗(yàn)緊急救援站配置參數(shù)的合理性，以便更好的指導(dǎo)設(shè)計(jì)，為規(guī)范修訂提供參考。

1 人員疏散時(shí)間計(jì)算方法

1.1 GB 50016—2014《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》[9]計(jì)算方法

GB 50016—2014《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》中規(guī)定了體育館、電影院、劇場(chǎng)等有大量人員聚集的公共場(chǎng)所的火災(zāi)時(shí)，每100個(gè)人員疏散時(shí)需要的最小出口寬度計(jì)算式為

( 1 )

得到百人指標(biāo)后，可以計(jì)算某場(chǎng)所疏散所需的出口寬度和數(shù)量，計(jì)算式為

( 2 )

式( 1 )、式( 2 )主要適用于多方向上有多個(gè)出口的建筑結(jié)構(gòu)內(nèi)，可以根據(jù)需要疏散完畢的時(shí)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(shè)計(jì)規(guī)范》[3]計(jì)算方法

地鐵站臺(tái)層的事故疏散時(shí)間計(jì)算式為

( 3 )

式中：Q1為列車乘客數(shù)；Q2為站臺(tái)上候車乘客和站臺(tái)上工作人員；A1為自動(dòng)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(dòng)扶梯臺(tái)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(tái)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(shí)間，或根據(jù)規(guī)定的時(shí)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(jì)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(dá)式為

taction=ttravel+tqueue

( 4 )

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

步行時(shí)間計(jì)算式為

( 5 )

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

出口通過時(shí)間計(jì)算式為

( 6 )

式中：tqueue為出口通過時(shí)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(jì)算方法，針對(duì)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(zāi)時(shí)，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(shí)間需要增加人員全部疏散至列車外部的時(shí)間，即下車的時(shí)間。

由于隧道狹長(zhǎng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，人員疏散時(shí)，在緊急救援站處主要沿單側(cè)的緊急救援站站臺(tái)進(jìn)行疏散，疏散隊(duì)伍狹長(zhǎng)有序分布，假設(shè)在鐵路隧道中，人員疏散的出口通過時(shí)間，即擁堵等待時(shí)間為0，得到鐵路隧道內(nèi)的人員疏散時(shí)間計(jì)算式為

to=t1+t2

( 7 )

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

下車時(shí)間計(jì)算式為

( 8 )

式中：Q2為火災(zāi)車廂僅有一端的門供疏散時(shí)，每個(gè)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(xué)的Noren等對(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)試結(jié)果，見表1[10]。

表1 人員在不同站臺(tái)高度情況下的下車速度

步行時(shí)間計(jì)算式為

( 9 )

式中：L為距離出口最遠(yuǎn)的距離，m；V為人員步行速度，m/min。

確定人員的行進(jìn)速度對(duì)于分析疏散時(shí)間格外重要，行進(jìn)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(xiàn)[12]的研究，人員密度和行進(jìn)速度間的關(guān)系曲線見圖1，數(shù)學(xué)表達(dá)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(duì)于水平通道K=84.0，對(duì)于樓梯臺(tái)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(jì)算時(shí)，假定所計(jì)算疏散人員均站在列車外隧道內(nèi)站臺(tái)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(tái)或通道的面積，m2。

2 人員疏散時(shí)間計(jì)算公式的推導(dǎo)

2.1 公式推導(dǎo)

(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(zhǎng)度，m；B1為緊急救援站站臺(tái)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(chǔ)備，針對(duì)式(12)提出疏散時(shí)間的安全修正系數(shù)。針對(duì)25型列車進(jìn)行計(jì)算，其每節(jié)車廂定員人數(shù)為128人，車廂長(zhǎng)度為26 m，緊急救援站站臺(tái)寬度為2.3 m，高度為0.3 m，在此基礎(chǔ)上，通過對(duì)不同結(jié)構(gòu)參數(shù)條件下的緊急救援站人員疏散進(jìn)行數(shù)值模擬，得到理論公式計(jì)算結(jié)果與數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果對(duì)比曲線，見圖2、圖3。

通過兩曲線的對(duì)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(huì)有明顯的滯留現(xiàn)象出現(xiàn)。

3 人員疏散模型試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 緊急救援站人員疏散試驗(yàn)設(shè)計(jì)

按照規(guī)范中對(duì)橫通道寬度，站臺(tái)寬度的要求[1]，模擬三節(jié)車廂，車廂長(zhǎng)度為26 m，人員分別由車廂站臺(tái)側(cè)車門疏散至站臺(tái)。試驗(yàn)?zāi)M工況見表2。

表2 試驗(yàn)工況

1、2號(hào)車廂內(nèi)人員由車廂前后兩門疏散，3號(hào)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(yàn)結(jié)果

(1) 人員疏散時(shí)間

緊急救援站人員疏散試驗(yàn)主要測(cè)試在不同出口寬度條件下人員疏散的必需安全疏散時(shí)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(chǎng)見圖6，測(cè)試結(jié)果見表3。

表3 人員疏散模型試驗(yàn)結(jié)果

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

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

(2) 人員疏散速度

由試驗(yàn)測(cè)得的疏散時(shí)間，可以計(jì)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(dāng)隧道出口寬度為2 m時(shí)，人員平均疏散速度大約為71.2 人/(min·m)。當(dāng)隧道出口寬度為3 m時(shí)，人員平均疏散速度大約為87 人/(min·m)。

3.3 驗(yàn)證

由于試驗(yàn)中受測(cè)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(yàn)所測(cè)得的疏散時(shí)間及速度需進(jìn)行折減。根據(jù)文獻(xiàn)[13]規(guī)定，隧道中火災(zāi)煙氣對(duì)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(shè)計(jì)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(shí)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(jì)算結(jié)果和模型試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比，見表5。

表5 人員疏散時(shí)間結(jié)果對(duì)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(shí)間的理論計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果較吻合，表明鐵路隧道緊急救援站的人員疏散時(shí)間計(jì)算公式合理。

4 結(jié)論

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

(2) 針對(duì)著火列車?？吭诰o急救援站的情況，建立疏散時(shí)間與車廂內(nèi)人數(shù)、人員速度、橫通道間距、站臺(tái)寬度、列車長(zhǎng)度的關(guān)系，得到緊急救援站人員疏散時(shí)間計(jì)算公式。