火災下城市軌道交通車站乘客疏散特點分析*

李瑜芬 徐瑞華

(同濟大學交通運輸工程學院,201804,上海∥碩士研究生)

隨著城市發展進程的加快,城市軌道交通憑借其效率高、運量大、準時性和對城市環境污染小等優點,使它的建設和運營正逐步向網絡化的方向發展。城市軌道交通已經成為大都市的交通命脈。同時,由于城市軌道交通系統具有空間狹小、人員密集、結構復雜、疏散至室外的距離長,以及燈光、通風設備作用有限等特征,一旦發生火災,極易產生群死群傷的重大后果。國際上由于軌道交通發生火災而引起大量人員傷亡的例子很多。因此,為了能在緊急情況下及時疏散乘客,保證乘客的生命安全,提高軌道交通系統的緊急防護能力,完善應急救援機制以及研究人員安全疏散的影響因素并提供相關的應對措施就顯得十分重要。

1 城市軌道交通車站人員安全疏散的基本條件

發生火災后城市軌道交通車站人員的安全疏散,是指在火災的發展未達到危害人員生命安全的狀態之前,將車站內的所有人員安全地疏散到安全區域的行動。

目前,我國城市軌道交通車站的規劃設計和運營管理主要是根據相關規范(如GB 50157—2003《地鐵設計規范》(以下簡稱《規范》)等)和相關經驗。《規范》第19.2.19條規定：“出入口樓梯和疏散通道的寬度,應保證在遠期高峰小時客流量時發生火災的情況下,6 min內將列車乘客和站臺候車的乘客以及工作人員疏散完畢”。

一般,在計算疏散時間時,是假設發生火災后人員立即投入到疏散行動中的理想化狀態。而實際上,緊急情況下城市軌道交通車站人員是否能夠安全疏散,由以下四項時間決定[2]：

圖1描述了火災的發展及人員疏散過程中的各個時間段的關系。由圖1可知,軌道交通車站人員能否安全疏散取決于所需安全疏散時間(Required Safety Egress Time)TRSE與可用安全疏散時間(Available Safety Egress Time)TASE的相對大小。火災風險的工程評估中一般認為,當建筑物的時,則認為建筑物中人員能夠安全疏散。

圖1 火災及人員疏散各時間段的關系

2 安全疏散時間的影響因素分析

2.1 可用的安全疏散時間

火災的發展一般經歷初期、發展期和衰減期三個發展階段。當火災由初期轉變為全面燃燒的瞬間稱為轟燃,即標志著火災進入發展期。該時間段則為可用的安全疏散時間。若在可用的安全時間內人員無法疏散到安全區,則就會有生命的危險。可用的安全疏散時間主要受火災產生的毒氣、高溫及減光性等的影響。

根據研究表明[3],發生火災后如果能滿足以下三個條件,則可以認為能夠保證人員的安全疏散：

1)2 m以上空間內的煙氣平均溫度不大于180℃

2)2 m以下空間內的煙氣平均溫度不超過100℃

3)2 m以下空間內的煙氣層中CO的體積分數不超過0.25%

顯然,只要火災發展到超越上述任一條件所規定的限度時,人員所處的環境將是危險的,從而可確定發生火災后人員的可用安全疏散時間。然而,火源點的不同、火源規模大小的不同,將會導致熱釋放速率的快慢。針對國內外地鐵站臺內的燃燒研究結果表明,可燃物多為纖維類物質。火源強度則可根據國內外大量地鐵火災的實際火源強度給定,一般取13.6 MW。通過對具體站臺及站廳的火災、煙氣的發生和發展進行模擬分析,最終可確定達到以上邊界條件時的可用安全時間tASE。

當tASE＜6 min(《規范》規定的安全疏散時間)時,采用作為可用安全疏散時間;當時,采用6 min作為可用安全疏散時間。

2.2 人員感知火災到開始疏散的時間間隔

在突發火災情況下,人員聽到報警信號后的第一反應不會是立即投入疏散行動,這就引發了從人員感知到開始疏散的時間間隔的存在。根據所需安全疏散時間,可將人員開始疏散前的時間簡化為報警時間和人員感知時間兩大部分。

2.2.1 報警時間

報警時間td的確定與報警系統的完善程度和火源位置等有關。可靠性高的報警系統可以在相對短的時間內發現緊急情況,離緊急事件越近的報警裝置感應到緊急事件就越及時;反之,報警所需的時間就相對較長。

2.2.2 人員感知時間

由于平時地鐵車站存在報警裝置不明原因的誤報現象,因而在火災報警之后存在工作人員進行現場確認的階段。當火災情況得到確認之后,車站工作人員通常會采取先期的撲救工作,在撲救無效或短暫時間內無法控制火災的情況下才會通知乘客進行疏散。根據圖1,該部分的時間歸為Tb。

乘客得知發生緊急情況后,首先會出現恐慌的心理。恐慌常常會導致人員失去理智或手足無措,一時間無法做出疏散行動的決策。此外,人員還會存在僥幸心理,意識到緊急事件的發生或許并不一定會使人員的生命受到威脅,故在心理上否認自己已經處于危險的環境,從而推后了疏散的開始時間。可將該部分的時間歸為Tc。

由此可以得出,當td越長,Tb就越長,則人員所需安全疏散時間中的 Tc和 Ts的可用時間就越短。

2.3 乘客疏散行動時間

《規范》第8.3.10條中給出的車站站臺層事故疏散時間的計算公式為：

式中：

N——自動扶梯臺數,臺;

B——人行樓梯總寬度,m;

1——人員的反應時間,min;

(N-1)——計算中應考慮1臺自動扶梯損壞不能運行的幾率,臺;

0.9 ——(N-1)臺自動扶梯和人行樓梯通行能力按9折折減。

根據式(1)可知,車站在緊急狀態下的疏散時間主要受到車站總人數、疏散通道寬度(包括樓梯、自動扶梯)的影響;式(1)沒有充分考慮車站的空間布局、人員行走速度和走行距離等因素對疏散時間的影響。

3 乘客疏散過程的仿真分析

現以島式地鐵車站為例,假設車站站臺層與站廳層之間有4組垂直通道(每組由1臺寬為1.05 m的自動扶梯和1座3.05 m的人行樓梯組成);當站臺起火時,正好有1列8節編組的列車(以每節車定員280人計算)停靠在站臺,而站臺上也隨機分布有400人(包括候車人員和工作人員)。

初始狀態下,車站站臺上的人員數為2 640人,平均密度為1.6人/m2,每個樓梯口各設有1個疏散指示標志(共4個)。以設定的地鐵車站場景進行疏散仿真。疏散仿真人員的初始分布狀況如圖2所示。

通過疏散仿真,可直觀地對人群的整個疏散過程和疏散人群分布狀況進行動態觀察。通過動態觀察發現,下述因素對疏散產生直接的影響。

1)客流分布密度的影響。緊急情況下,人員往往會選擇遠離火源的出口進行疏散,再加之從眾心理等影響,導致個別區域客流密度過大。以乘客集中于1號樓梯口疏散為例,當該區域人員密度增大1倍(由1.6人/m2增加到3.2人/m2)時,人員的疏散狀況如圖3所示,該狀態下人員的疏散效率下降26%左右;當人員密度增大兩倍時(此時人員密度為4.8人/m2),人員的疏散效率下降51%;而當人員密度增大3倍時(此時人員密度達6.4人/m2),該區域的人員完全疏散的時間大于《規范》規定的6 min,可以認為在該狀態下人員無法安全疏散,則疏散效率趨于0。

圖2 疏散仿真人員的初始分布狀況示意圖

圖3 1號樓梯口人員密度增大1倍的疏散示意圖

以1作為初始狀態下的疏散效率值,根據上述疏散仿真結論,人員密度對疏散效率的影響趨勢如圖4所示。

2)車站應急疏散引導的影響。由于城市軌道交通車站空間結構的獨特特點,地下車站空間內一般無自然采光,火災時正常電源被切斷,加上煙氣的干擾,人們的視覺范圍會大大縮減。疏散引導設施的不完善,會導致人員在疏散過程中迷失方向。故疏散標志的合理設置,可使人員在疏散過程中有路可尋,可提高人員安全疏散的效率。圖5為在通道 上添加1個引導標志后的人員疏散狀況。

圖4 人員密度對疏散效率的影響趨勢

圖5 添加1個引導標志后的人員疏散狀況示意圖

在該仿真方案中,通道上添加1個引導標志后,人員的疏散效率提高4.2%;添加2個引導標志后,人員的疏散效率提高15%;添加3個引導標志后,人員的疏散效率提高36%;添加4個引導標志后,人員的疏散效率提高47%。

根據上述疏散仿真結論,在通道上添加的引導標志數對疏散效率的影響趨勢如圖6所示。

圖6 添加的引導標志對疏散效率的影響趨勢

4 火災情況下車站緊急疏散相關措施研究

通過上述分析可知,在火災情況下可用的安全疏散時間主要受火災本身的性質影響,而必需的安全疏散時間很大程度上受到人員的心理、建筑物布局、人員密度、疏散引導等多種因素的影響。為了使車站內更多的人以最快的速度疏散到安全地帶,車站需采取一定的措施,盡量延長可用的安全疏散時間,減小必需的安全疏散時間,以保證車站人員的安全。

4.1 延長可用的安全疏散時間

在火災發生的初始時刻控制火勢的蔓延極其重要,如采取了積極措施延長可用的安全疏散時間,則能為人員疏散爭取到寶貴時間。

一般情況下,城市軌道交通車站都配有消防設施。車站必須定期對其進行檢查,以確保消防設施的完好性和有效性。一旦發生火災,利用消防設施實施早期滅火、改變火災的發展進程,同時迅速切斷起火點附近的電源,防止火勢蔓延及擴大,以延緩危險到來的時間,減小人員的傷亡。同時,在火災中,通常會產生大量的煙氣,而煙氣是威脅人員安全的主要因素。因而,及時地開啟防排煙系統可以幫助控制煙氣和毒氣等氣體的流動和進一步擴散,延長煙霧、氣體層界面下降的時間,以此保證人員在疏散過程中不受傷害。

4.2 縮短必需的安全疏散時間

4.2.1 縮短報警及人員感知危險的時間

1)城市軌道交通車站可以通過平時火災疏散的演練、經驗數據的收集等,結合自身車站的特點進行最合理的火災探測器靈敏度設置,同時保證報警的可靠性和及時性,為車站人員的安全疏散爭取到最充足的時間。

2)在確認車站發生火災的情況下,一旦發現火勢擴大難以控制,應立即撥打火警電話,并及時安排好人員和物品的疏散工作。在這期間,首先可以通過聲光誘導系統將火災的發展情況及時、實時地告知乘客,并派遣工作人員趕赴現場,以加強宣傳,安撫人員的恐慌心理,避免人員的盲目從眾行為給疏散帶來不利的影響。以此來降低疏散前的準備時間,為疏散行動創造良好的環境和秩序。

4.2.2 加快人員開始疏散的時間

1)攔截進站客流,盡快疏導車站外可能滯留或集中到達的大客流,避免車站出入口被堵塞,以影響車站內部乘客的安全疏散。

2)在引導乘客進行疏散前,排除一切可能的障礙,及時打開專用通道及消防疏散門,閘機設置為自由釋放狀態,同時采取關停自動扶梯等措施;并保證疏散通道的暢通性,降低人員疏散的運動時間。

3)在確定安全疏散路徑之前,先指引乘客暫時到安全的區域避難。在進一步明確火災的發展勢態之后,合理安排疏散路徑,避開火勢產生的煙氣等蔓延的方向,引導乘客從不同的可用出口疏散,分散過于集中的客流,以避免人群過度密集造成的人員行走速度的降低和踩踏事故等的發生。

4)合理設置車站疏散引導標志,為疏散中的人員提供醒目明了的疏散指示。發生火災時,在現場工作人員進行疏散指揮的同時,可以結合事故廣播系統進行引導,提高乘客識別疏散標志的能力,使得人員在緊急狀態下有路可尋,使煙氣對人員視覺及疏散速度等的影響減小到最低程度,以達到安全疏散的最佳效果。

5 結語

在火災情況下,影響城市軌道交通車站人員安全疏散的因素有很多。本文在前人研究的基礎上,分析了各階段影響車站人員疏散的因素;結合人員疏散仿真技術,評價人員疏散行動中各因素對疏散效率的影響程度,同時針對這些因素提出了有利于疏散的相關措施。

在今后的研究中,將進一步量化疏散過程中的各影響因素的重要程度,開發更適用于城市軌道交通人員疏散的仿真軟件;并結合城市軌道交通應急預案,驗證應急措施的有效性及可行性,為城市軌道交通車站提高應急能力提供一定的基礎。

[1]劉文婷.城市軌道交通車站乘客緊急疏散能力研究[D].上海：同濟大學交通運輸系,2008.

[2]庾志章.影響安全疏散若干因素的思考[J].廣西民族大學學報(自然科學版),2007(8)：77.

[3]張莉.基于地鐵火災仿真的人員疏散研究[D].上海：同濟大學交通運輸系,2008.

[4]周立新,陳銳,張莉.地鐵火災乘客疏散的仿真分析[J].城市軌道交通研究,2009(6)：30.

[5]徐高.地鐵車站人員疏散的計算機仿真研究[J].現代隧道技術,2003,40(2)：32.