客運專線V形坡特長隧道火災疏散救援時間研究

王玉鎖，吳　　浩，馮高飛，李正輝，李俊杰（西南交通大學，四川 成都　　610031）

客運專線V形坡特長隧道火災疏散救援時間研究

王玉鎖，吳浩，馮高飛，李正輝，李俊杰
（西南交通大學，四川 成都610031）

以某V形坡特長隧道為研究對象，對洞內豎井及平導橫通道處所設計的避難所2種停車位置5種工況進行了疏散模擬分析，得出單洞雙線隧道內不同停車位置緊急救援的必需安全疏散時間。同時結合V形坡緊急救援通風措施，對豎井區段進行了三維火災數值模擬，比較自然通風和風速1.0 m/s縱向通風條件下火災煙氣流動和一人高處溫度的分布特征，得出豎井區段的可用安全疏散時間。通過與必需安全疏散時間的比較，提出在隧道中部臨近豎井處應增設一處避難所。

客運專線；特長隧道；V形坡；火災；疏散救援

當列車在隧道內發生火災且不能及時運行至洞外時，不僅疏散救援工作非常困難，而且后果嚴重。如1972年日本北陸隧道發生旅客列車因為電器設備漏電造成火災，導致700多人傷亡的慘?。?］；1991年京廣線衡廣復線大瑤山隧道因旅客吸煙導致火災造成20人受傷12人死亡［2］；2001年11月，奧地利薩爾茨堡州基茨施坦霍恩山，一列正在隧道內行駛的列車發生火災，造成155人死亡18人受傷［3］；2009年7月蘭新線烏鞘嶺隧道機車故障引發火災造成中斷行車約4 h，所幸無人員傷亡［4］。

隨著我國高鐵的快速發展，特長隧道越來越多，我國《高速鐵路設計規范（試行）》（TB 10621—2009）［5］規定隧道內應設貫通的救援通道和安全空間，并應根據隧道的長度選擇設置緊急救援站、避難所和緊急出口等疏散救援系統。

由于特長山嶺交通隧道大都采用人字坡，所以以往特長隧道的通風防災救援研究都是針對人字坡或單坡情況下的通風及救援措施。而當隧道下穿江河時，長大隧道需要設置V形坡，與人字坡在空氣及煙氣流動規律上有所不同。因此，應對V形坡特長鐵路隧道的防災救援特點及措施進行研究。

隧道防災救援貫徹“以防為主，防消結合”的原則，針對隧道內災害的特點，當列車在隧道內發生火災時，凡能繼續運行時，均應遵循“先將列車拉出洞外再進行列車解體及火災事故處理”的基本原則；當列車失去動力不能運行或因隧道太長無法及時拉出洞外時，考慮在洞內實施快速疏散和消防救援。

根據以上原則，在特長鐵路隧道中，列車被迫在隧道內停車時，必須在隧道內組織人員通過隧道兩側的救援通道和預留的緊急出口盡快疏散，同時為保證隧道內疏散安全，應進行輔助的救援疏散通風及救援照明。

從發生火災到火災對人員安全構成危險的時間稱為可用安全疏散時間（ASET），從起火時刻到人員疏散到安全區域的時間稱為必需安全疏散時間（RSET），在通風救援疏散設計中建筑物內的人員ASET必須大于RSET。本文以某客運專線V形坡特長隧道為研究對象，通過對ASET與 RSET的對比，對火災時疏散與防災救援措施的有效性和安全性進行分析研究。

1　工程概況

某客運專線隧道為單洞雙線隧道，全長10 100 m，隧道內縱坡分別為 -25‰/2 702 m，-3‰/2 010 m，10‰/1 342 m，25‰/2 550 m，-3‰/1 494 m，除出口為順坡外，隧道內縱坡呈V字形?？紤]在隧道內隨機行車救援疏散的不利條件，設計中利用隧道中部豎井橫通道段和出口平導橫通道段作為緊急避難所，如圖1所示。

圖1　緊急救援避難所設計

豎井底施工橫通道長度168 m，其內凈空7.3 m（寬）×6.5 m（高），豎井高度為56.18 m，豎井底橫通道與正洞連接處設置1道1.5 m（寬）×2.0 m（高）防護門。出口平導長度1 995 m，其內凈空5 m（寬）× 6 m（高），平導與正洞連接處設置1道1.5 m（寬）× 2.0 m（高）防護門，平導出口設置救援通道。

2　必需安全疏散時間（RSET）的確定

按照安全工程中的通用算法，必須安全疏散時間由火災報警探測時間、人員響應時間和人員疏散時間構成［6］，其表達式為

式中：Talarm為火災報警探測時間，即火災開始到人員察覺火災之間的時間；Tresp為人員響應時間，即在火災發生后人員識別險情到安全疏散需要的時間；Tmove為人員疏散時間，即從人員開始撤離至到達安全區域所需的時間，可由現場實測或仿真模擬計算得到。

考慮火災發展60 s后火源附近溫度和煙氣濃度已很高，取 Talarm為 60 s；根據英國《建筑火災安全工程》（Fire Safety Engineering in Buildings）的統計數據和經驗推薦的各種用途建筑物內采用不同火災報警系統時人員響應時間，列車內人員很密集且有相應的報警系統，人員響應時間 ＜1 min，所以取 Tresp為1 min。一般情況下認為疏散時間等于疏散距離比疏散速度。只考慮了疏散距離、疏散速度和防護門的寬度對人流的影響，并且基于一定的假定，只能夠大致算出疏散時間。

本次采用了人員疏散模擬軟件EXODUS對各種工況進行疏散模擬，考慮到疏散距離、疏散速度、疏散人員之間的相互影響、各種疏散設施對疏散時間的影響以及各種疏散設施的相互影響。

2.1人員疏散時間Tmove的確定

洞內人員疏散時間的模擬，設定列車停在豎井避難所和平導橫通道避難所入口處，列車中部停在橫通道入口處。在豎井處進行救援疏散時，考慮不利情況，火源點位于火車頭部或尾部，停車后火源點位置距離豎井中間橫通道90 m。在列車停車后啟動緊急救援通風設施，逃生人員應依據火源位置與風向進行疏散，逃至緊急避難所。

2.1.1疏散模擬參數設置

1）列車及車廂參數設定。設定列車為16輛編組，疏散時每節車廂單側開啟2道門，每節車廂長25.5 m，寬3.32 m。

2）人員參數設定。考慮最不利情況，動車組一等座和二等座車廂定員荷載數分別為68人和100人，動車組最多超載20%，故設定列車內人員共1 580人，由乘客和工作人員組成。人員設定為：年齡5～17歲占10%，年齡18～30歲占42%，年齡31～50歲占41%，年齡 51～80歲占 7%，其中男性占 55%，女性占45%［7］。

由于隧道內的空間有限，人行通道較窄，以及需要盡量遠離火源疏散，所以人在逃生過程中不可避免地會在不平的地面或鐵軌上行走。根據《建筑設計防火規范》（GB 50016—2014）規定，人在不平地面或臺階上的疏散速度大約是在平地上疏散速度的86%，因此速度折減系數取0.86［8］。故設定火災隧道內人員疏散速度：成年男性為1.0 m/s，成年女性為0.8 m/s，兒童為0.67 m/s，老年人為0.6 m/s。

3）疏散通道條件設置。隧道雙側設置全長貫通的救援通道，寬度為1.5 m、凈空高度為2.2 m，救援通道走行面高于軌面30 cm。進行人員疏散模擬時按列車所在隧道兩邊可分別并行3人進行計算。

2.1.2疏散模擬工況的確定

當列車在隧道內著火后，無法繼續運行至洞外或救援站時為隨機停車。本次人員疏散模擬主要分析停車位置對疏散到緊急避難所時間的影響，列車停車位置的不同會導致不同的疏散路徑。

1）列車停在位置A（豎井橫通道）；

2）列車停在位置B（平導橫通道）。

該隧道為單洞雙線鐵路隧道，整個隧道斷面凈寬12.6 m，當列車停靠在橫通道對側軌道時，列車車門距橫通道口6.3 m。橫通道入口處防護門距隧道正洞與橫通道相交處5 m。由于高鐵采用無砟軌道，軌道板及周圍的路面較平整，且與救援通道的路面只有0.8 m的高差，救援通道上擁擠的人員如果有部分行至軌道附近再進行疏散，將使疏散條件得到較大改善。疏散模擬工況見表1，各工況疏散分布見圖2。

表1　疏散模擬工況

圖2　各工況疏散分布

2.1.3疏散模擬結果及分析

運用人員疏散模擬軟件EXODUS對上述工況進行疏散模擬，結果見表2。

表2　疏散模擬結果

由表2可知，在各種工況下列車上人員在列車停車后立即開始向避難所疏散，在進入橫通道防護門前，人員被認為處于危險之中，進入橫通道后即進入避難所區域，人員被認為處于安全狀態。工況A-1，A-2，B-1，B-2，B-3分別在第489.6，487.8，491.4，497.4，2 609.4 s人員全部疏散完畢。由工況 A-1，A-2可以看出增加疏散通道寬度對人員疏散速度影響不大，反之疏散通道寬度的增大會在一定程度上增加人員的疏散距離，增加疏散時間。在疏散過程中人員在橫通道入口處聚集，這是由于橫通道入口寬度限制了旅客進入橫通道的速度，人員疏散時間有一部分是在救援通道上排隊等待，所以只有同時增大橫通道寬度和疏散通道寬度才能減少人員疏散時間。

2.2必需安全疏散時間（RSET）計算結果

根據所得到的Tmove，代入式（1），可得必需安全疏散時間RSET，結果見表3。

表3　必需安全疏散時間（RSET）

3　可用安全疏散時間（ASET）的確定

平導橫通道避難所位于隧道出口處，隧道運營通風和救援通風使煙氣沿隧道出口方向蔓延，救援疏散時間充足，人員可以通過平導橫通道疏散至洞外。而豎井橫通道避難所位于隧道中部，救援疏散難度較大，所以利用基于CFD的Fluent軟件對豎井的火災煙氣蔓延過程進行模擬，再現火災發展的整個過程，分析火災煙氣的分布、流動特征?？紤]不利情況，火源點位于火車中部，停車后火源點位置距離豎井中間橫通道90 m處。

3.1邊界條件和參數設定

為了運用Fluent模擬計算時方便準確，現對計算模型作如下設定：

1）本次模擬使用Rosseland熱輻射模型，設定空氣介質的吸收系數為0.1，散射系數為0.01［9］。關于雙線鐵路隧道內列車火災熱釋放率的確定較為困難，本文取美國國家消防協會設定的20 MW［10］，運用熱量源項來模擬火災的燃燒和放熱。

2）橫通道內風管兩端均設為速度口，根據預設軸流風機的型號，設定兩端風速為23.58 m/s，方向與風管斷面方向垂直。

3）本文中假設氧氣充分燃燒生成CO2，將列車火源設置為質量源項和熱量源項，其值分別為6.17× 10-3kg/（m3·s）和59 260 W/m3［11］。隧道內溫度為25℃（298 K）。

3.2計算結果及分析

溫度場的分布與隧道的通風排煙方式有關，設定的火災由位于左線的列車引起，在右線一人高（1.5 m）處設置測線BB'，并對該測線上距火源點不同位置的溫度進行監測，見圖3。

圖3　隧道內溫度監測點分布（單位：m）

考慮到影響逃生救援的因素主要是煙氣濃度和洞內溫度，在通風條件下坑道中煙氣的容許濃度取1.0%［12］，人體在短時間內的耐受溫度取60℃［13］。

為了分析縱向通風對隧道內煙氣擴散的影響，設置了自然通風和風速1.0 m/s縱向通風兩種工況，綜合比較距火源點不同距離處溫度和煙氣濃度控制的可用安全疏散時間，見圖4、圖5。

對比圖4、圖5可以看出，在同一工況，相同距離時人體受溫度威脅的時間要短于濃度威脅的時間，因此，可用安全疏散時間應通過溫度控制。

由圖4得知，火災發生后在距火源點71.5 m一人高處達到人體耐受溫度所需時間（ASET）為780 s，而此后則由于采用了應急通風措施，火勢將不會再繼續向前方蔓延，故可取ASET=780 s。

圖4　溫度控制的可用安全疏散時間

圖5　煙氣濃度控制的可用安全疏散時間

4　可用安全疏散時間（ASET）與必需安全疏散時間（RSET）的比較

火源點周圍的列車人員通過位置 B（平導橫通道）進入避難所，距離火源點較遠處的人員通過位置A（豎井橫通道）進入避難所，位置A距離火源點153 m。由表2可知，工況A-1時RSET=609.6 s；工況A-2時RSET=607.8 s。由圖4可見，在距火源點71.5 m處時ASET=780 s，遠小于距火源點153 m處時ASET值。由此可知，在153 m處RSET＜ASET，人員有充足的時間疏散到安全區域，則可以判斷人員疏散是安全的。

如果火源點位于列車中部，由于豎井位于隧道中部，距離平導避難所或出口最短距離約為3.37 km，救援疏散難度較大，所以部分列車人員必須穿過火源區域才能到達豎井橫通道避難所。假定有一半列車人員位于火源點另一側，通過模擬分析得到，人員全部疏散到安全區域需要414 s，這部分人員會短時間暴露在溫度超過60℃的環境下，這對疏散人員的安全和行動能力都是極不利的，所以建議在隧道洞身段與豎井橫通道相隔一定距離增設一處與豎井連接的橫通道或避難所。

5　結論

1）通過對5種工況的人員疏散分布，乘客通過平導橫通道疏散至洞外（工況B-3）所需時間最長，約為2 730 s；當列車停在豎井位置時，人員必須安全疏散時間約為600 s。

2）隧道內列車著火時，隧道橫斷面一人高處，達到人體耐受溫度（60℃）時間小于達到容許煙霧濃度時間，故應以人體耐受溫度為人員可用安全疏散時間（ASET）的控制標準。

3）當列車停在豎井位置且著火點位于列車端部時，人員必需安全疏散時間（RSET）約為600 s，而距火源點71.5 m一人高處達到人體耐受溫度（60℃）所需時間（ASET）約為780 s，故RSET＜ASET，滿足安全疏散要求；但如果著火點位于列車中部，只設置2條與豎井連接的橫通道，由于人員需要穿過著火點，造成疏散難度增加，故建議在所設計橫通道兩側一定距離增設一處避難所。

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（責任審編葛全紅）

Evacuation and Rescue Duration in case of Fire Disaster for Super long Tunnel with V-shaped Slope on Passenger Dedicated Railway

WANG Yusuo，WU Hao，FENG Gaofei，LI Zhenghui，LI Junjie
（Southwest Jiaotong University，Chengdu Sichuan 610031，China）

T aking the super long railway tunnel with V-shaped slope as an example，the simulations of passengers evacuation and rescue were made for two kinds of shelter parking location which are shaft passage shelter and parallel heading passage shelter under five different conditions，and the required safe evacuation time（RSET）for emergency evacuation and rescue of different parking location in double-track railway tunnel was concluded.Combining with the V-shaped slope emergency rescue ventilation measures，three dimensional numerical simulation of fire hazard was made for shaft section，the distribution characteristics of the fire smoke movements and temperature in one person's height under the natural ventilation condition and the 1.0 m/s longitudinal ventilation condition were compared，and the available safe evacuation time（ASET）in shaft section was determined.By comparing with the RSET，another shelter near shaft should be built in the middle of the tunnel.

Passenger dedicated railway；Super long tunnel；V-shaped slope；Fire disaster；Evacuation and rescue

王玉鎖（1974— ），男，副教授，博士。

U458

A

10.3969/j.issn.1003-1995.2016.07.12

1003-1995（2016）07-0045-05

2015-10-20；

2016-04-30