科技保障地鐵運營安全

寧丙文

《南京地鐵一號線運營風險控制關鍵技術研究》項目對地鐵火災風險控制、人員安全疏散等方面進行了深入研究,探索了地鐵運營風險與控制的基本原理和規律,研發了擁有自主知識產權的成套測試設備、形成了相應的國家標準和行業規范、探索了可推廣的方法和關鍵技術,并在國內20個城市約90條地鐵線路的設計、施工和運營中得到應用。

為了減少與控制地鐵運營期間的安全事故,降低運營期間的風險水平,中國在地鐵運營安全方面進行了大量探索,其中中國安全生產科學研究院地鐵工程研究團隊與南京市地下鐵道工程建設指揮部等單位共同開展了《南京地鐵一號線運營風險控制關鍵技術研究》,在地鐵運營風險控制的相關方法、原理和關鍵技術方面取得了突破性進展。

為了對該研究項目的研究背景、創新之處、應用價值與前景等方面有一個更加深入的了解,本刊記者采訪了該項目的主要完成人、中國安全生產科學研究院鐘茂華博士。

地鐵安全形勢嚴峻

在國外地鐵運營過程中,各種類型的事故都發生過。如2003年2月,韓國大邱地鐵發生特大火災事故,造成198人死亡。此外,城市地鐵網絡化運營格局的形成必將帶來超大規模客流的沖擊。如2008年北京奧運會閉幕式散場之后,地鐵奧運支線70分鐘內運送的乘客就達3.2萬人。地鐵運營安全的風險因素在增加,安全形勢日益嚴峻。突發大客流和火災事故是世界各國地鐵安全運營所面臨的重大挑戰。

盡管我國已將地鐵工程等交通運輸安全與應急保障列為《國家中長期科學和技術發展規劃綱要(2006-2020)》的重點領域及優先主題。但是,我國在地鐵運營安全風險控制方面,缺乏系統性研究,也未形成完整的地鐵重大風險綜合監管和控制體系。

火災風險控制的研究

地鐵運營風險控制關鍵技術研究的特點是大部分以現場實驗、檢查和測試為基礎,研究團隊的每一個人都要進現場開展工作。只有做實驗才能很好地驗證地鐵系統的實際效果,計算機模擬只是一個輔助的手段。做完大量的實驗之后,研究團隊心里就有底了。鐘茂華博士在談到研究特點時如是說。

如果在地鐵車站和隧道里著火怎么辦?人員能不能及時地逃出來?這就要看各種設備系統的可靠性了。所以要在不同的位置,對通風排煙等各種設備系統進行效果檢驗。該項目的研究團隊先后對地鐵中不同火災場景下的煙氣擴散與控制進行數值模擬、模型實驗和全尺寸實體實驗,分析火災后可能存在的安全問題,并提出相應的對策和措施。他們已在不同類型的地鐵車站里進行了大量的全尺寸火災實驗研究,在站廳層、站臺層、隧道、出入口通道等位置布滿各種測量設備。通過測試觀察多長時間消防系統能夠啟動,且與其他系統是否實現聯動,并記錄各項數據。此外,檢驗6分鐘之內人員能否疏散到安全的地方,對煙流的控制是否達到了相應的要求等,也是實驗所要考慮的因素。在取得現場數據后,他們再驗證和完善火災煙氣蔓延與控制的計算模擬方法。此外,利用火災數值模擬和實驗的方法,該研究團隊提出了區間隧道通風系統和車站隧道通風系統的排煙送風優化設計方案。

地鐵典型材料的火災燃燒特性也是他們的研究內容之一。他們選擇地鐵內典型的可燃物材料,進行釋熱速率、發煙量、毒性等燃燒特性的實驗。經過測試研究,他們發現電纜火災的穩定燃燒段與液體池火災類似,熱釋放速率與有效平鋪面積有關,電纜燃燒所產生的一氧化碳和二氧化碳的量遠大于木材火災。這樣,他們就可以獲得地鐵火災模擬所需要輸入的基本數據。

總的來說,研究團隊針對地鐵火災煙氣蔓延與控制研究的框架是,對地鐵典型材料進行實驗測試,實現對其火災燃燒特征量的測量;通過全尺寸現場火災實驗,觀測實驗現象和規律;輸入實驗數據,通過煙氣運動模型、氣流組織模型、區域及場模型對煙流和控制規律進行計算模擬分析。這樣,就可以得出地鐵車站及隧道火災煙氣蔓延與通風排煙控制的規律。

人員安全疏散的研究

2008年3月4日上午8點30分左右,北京東單地鐵站發生踩踏事故,至少造成11名乘客受傷。

如何保證地鐵人員安全疏散和大客流疏運,該研究團隊通過地鐵乘客安全行為問卷調查、地鐵人員疏散策略與計算模型、地鐵疏散和大客流疏運過程的計算模擬這3種方法,研究了地鐵車站的人員疏散策略、人員安全疏散時間、人員疏散和大客流疏運過程的數值模擬技術,對地鐵車站的應急疏散及疏運過程進行仿真,最終分析了人員安全疏散時間、人員疏散個體特征和群體特征、大客流疏運過程的擁擠踩踏高風險點,為地鐵風險管理和客流安全分析研究提供第一手數據支撐。他們在調查中發現了一些問題,如50%左右的乘客不了解報警裝置的具體位置,站務人員對地鐵可能發生的事故類型及應急處置也了解得不全面。

該研究團隊在基礎實驗數據的采集和計算模型研究方面做了大量的工作。比如,發生了突發事件,乘客的反應時間(預動作時間)是多少?乘客至樓扶梯的時間是多少?乘客通過樓扶梯的時間是多少?乘客在樓扶梯上滯留的時間是多少?此外,還要分析通道非均勻性偏差時間。這是因為通道在疏散時容易產生人員不均勻聚集,從而導致疏散時間的增加。這樣,將所有的時間相加,就可以推算出人員撤離站臺所需的總時間。

在前期準備工作完成后,該研究團隊就開始對車站人員的疏散和大客流疏運過程進行數值模擬,分析人員是否能夠在規定時間內進行安全疏散,現有的通道設備及出口設置是否達到大客流安全疏運的要求,并提出相應的對策與措施。

創新之處

該研究團隊開展的《南京地鐵一號線運營風險控制關鍵技術研究》的成果都是多年持續性深入研究摸索出來的,在一定程度上彌補我國在這一方面的空白。該研究項目有以下幾個創新點。

一是提出了城市軌道交通安全現狀評價指標體系和評判標準;

二是對地鐵內典型材料的火災燃燒特性進行了實驗研究,并提出了適用于地鐵火災數值模擬相關的技術、方法和計算模型;

三是對不同火災場景下的火災增長、煙氣擴散、煙氣控制進行了數值模擬,研究了煙氣蔓延與通風排煙控制規律,提出了氣流組織形式、排煙系統運行模式、火災時屏蔽門開關方式、樓扶梯開口臨界向下空氣流速等結論,并給出了區間隧道通風系統和車站隧道通風系統的排煙送風優化設計方案;

四是提出了人員撤離站臺時間序列的理論計算方法,同時提出了地鐵人員安全疏散準則、人員疏散時間指標和人員疏散策略;

五是國內率先采用基于個體的人員行為動力學方法對地鐵車站的大客流疏運過程進行模擬仿真研究,提出了重要風險點和應對突發大客流的控制措施。

總之,該研究團隊所開展的地鐵運營風險控制關鍵技術研究項目取得的研究成果,較大程度的推動了我國在地鐵運營風險控制方面的研究和實踐水平。

應用前景

該項目形成了一整套適用于地鐵運營風險控制相關的技術、方法體系和計算模型,可廣泛應用于國內外地鐵運營風險管理、安全現狀評價、地鐵火災通風排煙及新型系統設計、地鐵人員疏散通道設計和安全疏散分析、地鐵大客流疏運安全與動力學模擬、地鐵應急預案編制等。

該項目的研究成果除具有良好社會效益外,還可產生巨大的經濟效益。該研究項目關于地鐵運營危險有害因素、各系統安全、事故風險水平、典型事故災害后果的綜合評估及提出的風險控制措施,特別是對于與人身安全密切相關的重大風險源,如火災風險、人員疏散風險、大客流疏運的控制措施,及地鐵應急預案的編制,應用于地鐵運營安全管理中,可以有效應對各種突發事故,降低事故影響,減少人身傷亡和財產損失,降低了地鐵運營成本。目前,該研究成果已在北京、廣州、深圳、成都等20個城市的約90條地鐵線路的設計、施工和運營中得到應用。

該項目的相關理論和研究成果將對城市軌道交通的安全運營和事故預防提供參考和依據,并會有效地降低地鐵運營單位的運營成本,改善地鐵運營的安全水平。

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