地鐵火災(zāi)應(yīng)急疏散路線(xiàn)規(guī)劃與對(duì)策*

王起全，王帷先

(中國(guó)勞動(dòng)關(guān)系學(xué)院 安全工程系，北京 100048)

0　引言

地鐵作為人口密集公共場(chǎng)合，空間環(huán)境又相對(duì)密閉，其中存在的安全隱患風(fēng)險(xiǎn)與乘客數(shù)量增加有一定的關(guān)系。更甚者，由于使用頻率高，設(shè)備設(shè)施損耗加速，更增加了危險(xiǎn)隱患的觸發(fā)概率。災(zāi)害產(chǎn)生后，地鐵空間的疏散問(wèn)題，更是需從多方面考察分析，多角度控制風(fēng)險(xiǎn)，多維度模擬和應(yīng)急。

國(guó)外地鐵發(fā)展較早，經(jīng)歷災(zāi)難相對(duì)較多，可以說(shuō)整個(gè)地鐵的運(yùn)行，是在一次次災(zāi)難應(yīng)急經(jīng)驗(yàn)的總結(jié)中逐步完善起來(lái)的。在現(xiàn)有應(yīng)急疏散相關(guān)研究中，既有注重被疏散對(duì)象的性格差異，在確定疏散行為特征和規(guī)律基礎(chǔ)上，合理規(guī)劃路線(xiàn)[1]；也有模擬火災(zāi)場(chǎng)景下的區(qū)域劃分，進(jìn)而研究不同區(qū)域火災(zāi)毒氣的擴(kuò)散速度，確定疏散時(shí)間和路線(xiàn)[2]，韓國(guó)學(xué)者曾對(duì)消防疏散建模，用火災(zāi)擴(kuò)散速度確定疏散時(shí)間[3]。國(guó)內(nèi)學(xué)者傾向于建立疏散力學(xué)方程，推導(dǎo)人群移動(dòng)速度，確定逃生方式[4-6]；也有利用關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)在Mapinfo平臺(tái)模擬優(yōu)化全局路線(xiàn)的實(shí)驗(yàn)[7]。隨著科技發(fā)展，對(duì)地鐵疏散的研究更注重與計(jì)算機(jī)軟件的結(jié)合，不管是通過(guò)自己編寫(xiě)算法[8-10]，還是開(kāi)發(fā)應(yīng)用軟件[11-13]，都是利用計(jì)算機(jī)精確高效的特性，從不同的關(guān)注點(diǎn)去計(jì)算優(yōu)化路徑，分析緊急情況下的疏散條件。

對(duì)于地鐵應(yīng)急，起初多以災(zāi)害影響方面的研究為起始，之后逐漸出現(xiàn)專(zhuān)門(mén)針對(duì)疏散進(jìn)行計(jì)算研究的方向。如：王愛(ài)莎、彭偉采用模擬疏散演習(xí)的方式對(duì)教學(xué)樓某個(gè)教室內(nèi)人員疏散情況進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，并結(jié)合FDS + Evac 軟件對(duì)該疏散場(chǎng)景進(jìn)行了數(shù)值模擬[14]；吳德瑄借助元胞自動(dòng)機(jī)模擬，構(gòu)建行人流疏散的動(dòng)態(tài)模型，觀察對(duì)比行人的疏散心理[15]；陳文輝通過(guò)圖像、信息等手段對(duì)地鐵火災(zāi)進(jìn)行監(jiān)測(cè)后，開(kāi)展理論模擬研究[16]。本文針對(duì)地鐵災(zāi)害發(fā)生到疏散完成整個(gè)事件過(guò)程，綜合利用PyroSim的火災(zāi)模擬優(yōu)勢(shì)和Pathfinder的疏散模擬優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)分類(lèi)、分階段模擬，在對(duì)某地鐵安全現(xiàn)狀考察基礎(chǔ)上，對(duì)其火災(zāi)疏散進(jìn)行評(píng)價(jià)并提出建議。

1　模擬情景構(gòu)建

世界各國(guó)的地鐵災(zāi)害多種多樣，大致分為自然災(zāi)害、人為災(zāi)害、機(jī)械故障災(zāi)害。經(jīng)過(guò)歸納統(tǒng)計(jì)，44%案例是故障災(zāi)害，而災(zāi)害的最終表現(xiàn)形式又以火災(zāi)類(lèi)型最為常見(jiàn)。在對(duì)地鐵2號(hào)線(xiàn)西直門(mén)站進(jìn)行考察后，可以發(fā)現(xiàn)在較為嚴(yán)格的安檢措施下，排除縱火、爆炸及吸煙的原因后，機(jī)箱設(shè)備的故障火災(zāi)最有可能發(fā)生，而發(fā)生部位又常常存在于站臺(tái)兩端的集成控制線(xiàn)路部位。因此，設(shè)定模擬事件為線(xiàn)路設(shè)備火災(zāi)。

據(jù)考察，站臺(tái)內(nèi)以消防栓為主要滅火設(shè)施，無(wú)噴淋裝置。站內(nèi)除了部分電纜線(xiàn)路、扶手木材及列車(chē)外，易燃物較少，對(duì)比公共場(chǎng)所的實(shí)驗(yàn)結(jié)論[17]，無(wú)噴淋公共場(chǎng)所的火源最大熱釋放速率能達(dá)到8 MW，設(shè)置此參數(shù)既是與實(shí)驗(yàn)設(shè)置場(chǎng)景較吻合，又能以同類(lèi)型場(chǎng)所的最大閾值來(lái)考驗(yàn)地鐵火災(zāi)燃燒承受能力。使用的火災(zāi)模型為可較清楚描述火災(zāi)發(fā)展的t2模型，且確定火災(zāi)為緩慢增長(zhǎng)型，其系數(shù)為0.002 9 kW/t2。模型如下：

Q=α·t2

(1)

式中：Q為火源的熱釋放速率，kW；α為大火增長(zhǎng)系數(shù)，kW/t2；t為火災(zāi)發(fā)展時(shí)間，s。

利用已知數(shù)據(jù)代入計(jì)算，可以確定火災(zāi)模型到達(dá)穩(wěn)定燃燒時(shí)間為1 660s。使用以上參數(shù)，運(yùn)用PyroSim軟件計(jì)算整個(gè)火災(zāi)情景及規(guī)模。

2　研究對(duì)象調(diào)研

2.1　現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境

作為北京地下交通中較為繁忙的車(chē)站，西直門(mén)站連接著2號(hào)、13號(hào)和4號(hào)線(xiàn)，周邊毗鄰火車(chē)站、商圈、居民區(qū)和辦公樓，乘客類(lèi)型復(fù)雜，流通量大。而地鐵內(nèi)部，2號(hào)和4號(hào)線(xiàn)存在較多鐵皮圍護(hù)的機(jī)電設(shè)備，類(lèi)似于控制客流的分流引流護(hù)欄，影響整個(gè)地鐵的疏散能力和效果。

地鐵內(nèi)疏散的隱患點(diǎn)主要存在于樓梯入口、通道入口、拐角處以及站廳進(jìn)出閘口等，而部分通道內(nèi)的樓梯、緩坡等處也存在隱患。這些疏散瓶頸需要引起關(guān)注，樓梯的入口和拐角處的疏散人群易聚集，降低疏散速度，同時(shí)伴隨急迫情緒，易造成擁擠，導(dǎo)致人群摔落或者踩踏事故的發(fā)生；而站廳進(jìn)出閘口主要是對(duì)人群進(jìn)行分流，以降低行進(jìn)速度來(lái)保證乘客的有序進(jìn)出，但在火災(zāi)情況下，又會(huì)成為乘客疏散逃生的障礙，應(yīng)及時(shí)撤出；最后，通道內(nèi)的入口、拐角、緩坡處也是疏散人群擠壓、滯留、磕絆踩踏等現(xiàn)象的易發(fā)部位。具體情況如圖1所示。

圖1　站臺(tái)、通道布局Fig.1　Station and passageway layout

2.2　出口特點(diǎn)

在對(duì)各通道出口調(diào)查中，不同出口設(shè)計(jì)各有特點(diǎn)，如圖2所示。A口的側(cè)道開(kāi)口小，對(duì)疏散效果并無(wú)提高作用，雖然其連接13號(hào)線(xiàn)，換乘能力大，有足夠空間承載人群，但通道出口需要經(jīng)過(guò)的臺(tái)階級(jí)數(shù)多且陡；B口路程較A口長(zhǎng)，出口無(wú)臺(tái)階，有分流；C，D口較為對(duì)稱(chēng)，存在一定高度臺(tái)階，C口路程長(zhǎng)，D口較短；B，C口靠近消防救援中心。

圖2　各通道特點(diǎn)Fig.2　Characteristics of each passageway

2.3　模型建立

通過(guò)對(duì)西直門(mén)站中2號(hào)線(xiàn)的建筑環(huán)境進(jìn)行分析，經(jīng)過(guò)多次現(xiàn)場(chǎng)考察測(cè)量，獲得較為詳細(xì)的環(huán)境布局和相應(yīng)尺寸數(shù)據(jù)資料，建立網(wǎng)格模型，如圖3所示。

圖3　地鐵站模型Fig.3　Subway station model

其中站臺(tái)有效長(zhǎng)度為115.6 m，寬度12.4 m；兩側(cè)站廳近乎對(duì)稱(chēng)分布，面積大小分別為280 m2和400 m2；各通道長(zhǎng)度和布局有一定差異。在收集數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，使用軟件建模，經(jīng)過(guò)軟件的網(wǎng)格化設(shè)置，將各部位進(jìn)行合理的正交修正。

所建模型尺寸比例為1∶1，將非正交通道修補(bǔ)到其他通道內(nèi)，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行合理修正。對(duì)障礙物等進(jìn)行合理并符合實(shí)際的布置，對(duì)部分無(wú)可能到達(dá)或不能進(jìn)入的通道進(jìn)行障礙物遮擋，避免火勢(shì)不合理的蔓延和人群不合理走位。

3　人員疏散考察

根據(jù)官方微博公布數(shù)據(jù)，日換乘量第1的西直門(mén)站，換乘客流達(dá)到48.56萬(wàn)，日進(jìn)、出站量11.92萬(wàn)，可見(jiàn)高峰期的客流量將對(duì)疏散效果做出考驗(yàn)。

3.1　乘客參數(shù)

乘客參數(shù)的獲取，主要使用人工觀察方法。主要觀察站臺(tái)上的乘客流量、通道內(nèi)客流量、乘客組成比例、各類(lèi)樓梯和坡道的速度等數(shù)值。調(diào)查時(shí)間選取在3月份的某幾個(gè)上班高峰期(7:30-9:30 )，調(diào)研數(shù)據(jù)如表1所示。

表1　乘客相關(guān)數(shù)據(jù)測(cè)量

調(diào)研可知，乘客性別比例較穩(wěn)定，與社會(huì)性別比例基本一致，上班高峰期多以青年為主，中年次之，上班時(shí)間要求高，步行速度相應(yīng)快些。高峰時(shí)間段的乘客總量在6 000人左右波動(dòng)，考慮到建立模型總面積約為1 880 m2，單位面積人數(shù)限制在3人后，可確定模擬人數(shù)在4 500人，屬于有效乘客總量。并定義模擬乘客為成年人，統(tǒng)一步行速度0.95～1.55 m/s，上樓梯速度約為0.75 m/s，下樓梯速度約為0.67 m/s。

3.2　疏散時(shí)間

通過(guò)前期準(zhǔn)備的調(diào)研數(shù)據(jù)，參考疏散公式進(jìn)行計(jì)算，可提前算出疏散時(shí)間，確定各個(gè)路線(xiàn)、出口的理論疏散時(shí)間，為后期模擬提供參考。主要疏散公式有國(guó)內(nèi)和日本2種。

3.2.1中國(guó)使用疏散用時(shí)計(jì)算方法

(2)

式中:T表示站臺(tái)疏散時(shí)間，min；Q1表示列車(chē)內(nèi)人數(shù)，人；Q2表示站臺(tái)人數(shù)，人；A1表示自動(dòng)扶梯通行能力，人/(min·m)；A2表示人行樓梯通行能力，人/(min·m)；N表示自動(dòng)扶梯數(shù)量，臺(tái)；B表示人行樓梯寬度，m。

確定列車(chē)和站廳人數(shù)2 500人，A1自動(dòng)扶梯通行能力考慮最大值9 600人/min，A2人行樓梯通行能力使用單向疏散人數(shù)5 000人/min，N自動(dòng)扶梯為0臺(tái)，B人行樓梯寬度為總寬度12 m。

則疏散時(shí)間計(jì)算如下：

疏散至站廳后，由于南北樓梯、兩側(cè)站廳結(jié)構(gòu)相似，所以人流均分，疏散人流同樣按4個(gè)出口進(jìn)行等分。只取最長(zhǎng)距離的D出口計(jì)算疏散時(shí)間。

到達(dá)出口總疏散時(shí)間為：tt=T+t=6 (min)。

由此可知，國(guó)內(nèi)站臺(tái)疏散公式計(jì)算結(jié)果符合我國(guó)《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50157-2013)中第28.2.12條的乘客從站臺(tái)疏散至站廳公共安全區(qū)域小于6 min的疏散時(shí)間要求，且額外有1.7 min以上的時(shí)間供乘客向出口、地面逃生。

3.2.2日本地鐵人員疏散計(jì)算方法

(3)

(4)

tt=∑t+Tmax

(5)

式(3)為步行時(shí)間，L為平地路程，m；v為平地速度，m/s。式(4)為滯留時(shí)間，Q為疏散人數(shù)，人；N為人群流出系數(shù)，人/(m·s)；B為樓梯、通道有效寬度，m；N·B為出口的流出速度，人/s。式(5)為總疏散時(shí)間，其中滯留時(shí)間取所有滯留時(shí)間最大值。

可確定數(shù)據(jù)如下：樓梯上行，人行速度0.22 m/s，人員流量0.62人/(m·s)；門(mén)道的人行速度 0.39 m/s，人員流量1.10人/(m·s)；走廊人行速度1.40 m/s，人員流量0.76人/(m·s)。

在站臺(tái)人數(shù)2 500人，各站廳人數(shù)1 000人的模擬情況下，其疏散時(shí)間計(jì)算結(jié)果如表2所示。

表2　站內(nèi)出口疏散時(shí)間匯總

由表2可知，疏散到站廳安全區(qū)域內(nèi)的時(shí)間同樣符合標(biāo)準(zhǔn)要求，而不同疏散途徑中，站廳通往D口到達(dá)地面過(guò)程中，樓梯較高，限制了疏散效率，拉長(zhǎng)了整體疏散時(shí)間，使得平均疏散時(shí)間在7.45 min左右，從而在疏散過(guò)程中，應(yīng)注意D口路線(xiàn)的監(jiān)控，以免煙氣侵害疏散隊(duì)尾人群。

4　情景模擬

模擬分2部分進(jìn)行。首先，采用專(zhuān)業(yè)的火災(zāi)大渦場(chǎng)模擬程序PyroSim，對(duì)火災(zāi)煙氣蔓延過(guò)程進(jìn)行模擬分析；然后，采用疏散精度更高的Pathfinder對(duì)疏散進(jìn)行模擬。本文在技術(shù)可行情況下，對(duì)2種方式進(jìn)行分別分析。

4.1　火災(zāi)模擬

根據(jù)情景描述，設(shè)置火源在站臺(tái)首尾端B側(cè)(見(jiàn)圖2)，由1 m3信號(hào)機(jī)箱發(fā)生故障引發(fā)火災(zāi)。模型中，隧道開(kāi)設(shè)風(fēng)孔，模擬活塞通風(fēng)與自然通風(fēng)，風(fēng)機(jī)常開(kāi)。火源在4 min有明顯的燃燒放熱現(xiàn)象，溫度升至80℃左右，并開(kāi)始向周邊輻射熱量；燃燒至6 min后，中心溫度可達(dá)到220℃，處于快速燃燒階段。

隨后地鐵北部站廳的樓梯口開(kāi)始升溫至40℃以上，此時(shí)溫度環(huán)境并不適合人員停留，同時(shí)高溫向站臺(tái)南部擴(kuò)散，如圖4所示。

圖4　6 min溫度分布Fig.4　Distribution of temperature in 6 min

大火從6～9 min時(shí)，其煙霧濃度迅速提升，能見(jiàn)度下降到1 m以下，如圖5所示。此時(shí)，北部疏散通道需要關(guān)閉，避免人員踩踏、窒息。而根據(jù)模擬情況，火災(zāi)真正造成災(zāi)難的時(shí)間在10 min之后。

圖5　6 min能見(jiàn)度Fig.5　Visibility in 6 min

4.2　疏散模擬

根據(jù)火災(zāi)模擬結(jié)果，設(shè)置北側(cè)樓梯口4 min關(guān)閉，即北側(cè)樓梯的乘客在4 min時(shí)因溫度、濃度過(guò)高向南側(cè)轉(zhuǎn)移，如圖6所示。人數(shù)隨機(jī)分布為站臺(tái)層2 500人，北、南站廳1 000人，進(jìn)行疏散模擬。

圖6　4 min疏散狀況Fig.6　Evacuation conditions in 4 min

圖7　疏散擁擠部位Fig.7　Crowded evacuation area

乘客對(duì)火情發(fā)生有30 s的反應(yīng)時(shí)間，之后開(kāi)始疏散。3 min時(shí)，乘客在兩端樓梯口過(guò)度聚集，如圖7所示，站廳乘客會(huì)自動(dòng)選擇疏散路線(xiàn)和出口。4 min時(shí)，北側(cè)樓梯關(guān)閉，人員開(kāi)始向南側(cè)(左)撤離。6 min時(shí)，乘客分布在出口附近。最后1個(gè)乘客到達(dá)出口，總用時(shí)7.1 min 。與規(guī)范中要求6 min內(nèi)疏散完畢存在時(shí)差，但是與本站的火災(zāi)燃燒情況相比，7 min的疏散時(shí)間還不會(huì)造成人員傷害。

4.3　模擬結(jié)果對(duì)比

2種模擬分別從2個(gè)方面切入，結(jié)合分析，能較好地從時(shí)間、危害等因素上完成火災(zāi)與疏散的耦合。在疏散4 min時(shí)，樓梯口溫度上升40℃，為安全起見(jiàn)，乘客向南側(cè)C，D出口轉(zhuǎn)移。6 min時(shí)，北側(cè)無(wú)論溫度還是能見(jiàn)度都處于不利條件，南側(cè)受到一定程度影響，但乘客基本疏散完畢，驗(yàn)證該地鐵站在此模擬情景下能確保4 500人的安全疏散。

同時(shí)軟件模擬結(jié)果顯示：疏散中，站臺(tái)樓梯使用量在5 min左右減少到足夠低水平，在7 min后，4個(gè)出口疏散完畢。與理論計(jì)算結(jié)果相近，數(shù)據(jù)吻合，誤差在30 s上下，由此進(jìn)一步驗(yàn)證了模型的合理性。

5　消防對(duì)策

火災(zāi)發(fā)生后，如有救援介入，可將整個(gè)火災(zāi)及時(shí)控制，減少損失。調(diào)研發(fā)現(xiàn)，地鐵東南角800 m處，有消防隊(duì)駐扎，救援展開(kāi)時(shí)間可控制在2 min左右，故給出如下救援方案。

5.1　方案設(shè)定

1)方案1：北站廳樓梯在2 min后關(guān)閉，剩余乘客向南疏散，關(guān)閉的北站廳作為消防救援通道進(jìn)行部署。

2)方案2：北站廳只提供較大換乘能力的A口疏散乘客，而B(niǎo)口在2 min后關(guān)閉，轉(zhuǎn)而開(kāi)辟救援通道，同時(shí)北側(cè)樓梯相應(yīng)開(kāi)辟1條救援通道，方便實(shí)施消防搶攻。

3)方案3：乘客從所有通道撤離，等撤離完畢后進(jìn)行消防入駐，控制火情。

5.2　結(jié)果對(duì)比

對(duì)以上3種方案的模擬結(jié)果進(jìn)行比較，如表3所示。從時(shí)間上看，方案1所需時(shí)間太長(zhǎng)，環(huán)境有害物累積對(duì)乘客不利；方案3時(shí)間合適，但火情并未能得到有效控制。故方案2更為合理有效。

表3　消防救援方案對(duì)比

利用方案2確定疏散路徑，即北側(cè)火災(zāi)利用B口進(jìn)行救援通道開(kāi)辟，其他3個(gè)出口仍然有序撤離。既可保證撤離，又可控制火情。若南側(cè)發(fā)生火災(zāi)，則應(yīng)利用路程長(zhǎng)但離消防中心較近的C口開(kāi)辟救援通道，乘客從其他3個(gè)出口有序撤離。

6　結(jié)論

1)地鐵站內(nèi)火災(zāi)發(fā)生后，其發(fā)展階段包括燃燒放熱和煙霧擴(kuò)散。在人群密集、煙氣危害、能見(jiàn)度低的情況下，為及時(shí)有效完成人員疏散，應(yīng)預(yù)先進(jìn)行科學(xué)合理規(guī)劃。

2)根據(jù)實(shí)例分析計(jì)算結(jié)果，PyroSim對(duì)實(shí)例的火災(zāi)燃燒放熱溫度、熱量輻射及煙霧濃度變化時(shí)間過(guò)程進(jìn)行模擬，為進(jìn)一步合理規(guī)劃人員疏散提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

3)以乘客不受到火災(zāi)傷害為目標(biāo)，應(yīng)用Pathfinder模擬，提前介入引導(dǎo)乘客撤離的時(shí)間點(diǎn)和疏散方向，并辨識(shí)火災(zāi)事故的疏散瓶頸，提出安全措施和消防對(duì)策，可為地鐵人員有序撤離、地鐵火災(zāi)有效救援提供參考。

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