單洞雙線鐵路隧道火災人員疏散安全性分析*

徐志勝，孔 杰，游溫嬌，陳 濤

(中南大學 防災科學與安全技術研究所，湖南 長沙410075)

0 引言

隨著國內鐵路隧道建設向著高海拔、超深地下空間發展，單洞雙線隧道以工程造價低、占用地下空間小的優勢，在城際地下空間、水下空間、山嶺中獲得了一定的建設規模。但由于隧道救援通道及安全空間容易受到隧道內輪廓空間的影響，2條線路通常不設置隔墻，隧道內若發生火災將直接對相鄰線路列車造成威脅，人員無法通過聯絡橫通道快速疏散，增加了火災條件下的疏散難度。學者們對高速鐵路隧道人員疏散開展了計算機仿真模擬研究[1-3]，針對隧道內人員疏散輔助設施也有相關學者進行探討，主要集中在疏散指示標志類的輔助設施、橫通道、中間救援站、服務隧道以及平導、豎井等輔助坑道的研究[4-5]。此外，疏散人員行走參數研究也是近年來主要研究趨勢之一[6-8]，尤其對復雜火災條件下人員行走速率、疏散口數量、疏散口選擇等隨機性較強的參數量化研究[9-11]。

相較普通鐵路隧道，高速鐵路特長水下盾構隧道火災危險性更大。目前國內的單洞雙線隧道通常采用沿洞內軌道向外疏散的方式[12]，該方法受限于隧道長度，人員疏散時間長；另有一些隧道設置了救援專用通道，但通道口受到規劃和施工方法限制，設置較少。獅子洋海底隧道是我國鐵路隧道中首個采用縱向疏散的隧道，利用隧道下部空間，設計成人員疏散區，較好地將人員與火源分離。但這種疏散方式將縱向疏散通道設置在隧道中心線上，人員疏散時可能存在折返現象，此外，疏散通道間距設置需要兼顧人員疏散效率和建設成本，縱向疏散設施數量、乘客人數是否會對火災人員疏散安全性產生影響，都需要進一步開展研究。本文以獅子洋單洞雙線隧道為研究對象，利用火災動力學模擬軟件FDS，研究高速列車在隧道內發生火災后煙氣的蔓延情況，得到不同疏散模式下人員可用安全疏散時間。根據隧道單洞雙線結構特點和豎向疏散的逃生模式，分別探討不同疏散模式對人員疏散安全的影響，利用Pathfinder軟件模擬隧道列車火災時人員逃生的安全性，選擇最佳的人員疏散模式。

1 理論基礎與軟件介紹

1.1 人員疏散安全判據

隧道發生火災后，人員能否安全疏散主要取決于2個特征時間：一是火災發展到對人員構成危險所需的時間，即可用安全疏散時間ASET；二是人員疏散到安全區域的時間，即必需安全疏散時間RSET[13]。如果ASET>RSET，可認為人員疏散是安全的。RSET通常由火災報警時間、疏散預動時間和疏散行動時間組成，而ASET的數值受火場參數影響很大。火災發生后，某區域溫度達到60℃所用的時間，定義為該區域的高溫特征時間；火災發生后人員所處環境2 m高處CO濃度值達到500 ppm的時間，定義為煙氣毒性特征時間；火場內區域2 m高處的能見度低于10 m的時間，定義為該區域的能見度特征時間。當隧道內某個位置達到上述3個條件之一，便認為該處己經達到了火災的危險狀態，此時可用安全疏散時間ASET取三者中最小值[14]。

1.2 模型設置

本文使用火災動力學模擬軟件FDS計算火災中的煙氣和熱傳遞過程，研究列車火災和隧道內煙氣蔓延規律，并以此獲得人員可用安全疏散時間。隧道模型長度為400 m，火源模擬庚烷的燃燒形式。國內外有關的列車實體火災實驗及相關的火災熱釋放速率主要處在7.5～20 MW之間，考慮隧道列車火災最不利情況，本文選擇火災模擬的熱釋放速率為20 MW。火災增長方式遵循“t2”，火災增長速度選擇快速火(火災增長因子a=0.046 89)，經過對火災模型網格敏感性測試，最后確定網格尺寸為0.25 m×0.25 m×0.25 m。

使用Pathfinder軟件模擬人員的疏散情況。計算模型中列車車廂地板距疏散平臺高度為1.0 m，疏散門寬度1.1 m，根據Noren和Winer對地鐵車輛人員在不同臺階高度情況下人員下車速度的測試，車廂地板距疏散平臺高度為1.0 m時，人員下車速度在0.5～0.73人/s之間。因此，疏散門通過率設置為0.6人/s。疏散平臺寬度1.6 m，凈高2.0 m。隧道中線位置疏散口間距為60 m和80 m，疏散樓梯寬度0.8 m，樓梯通行率1.3人/s。搭載人員分男、女、老、幼，比例分別為45%，38%，7%，10%，行走速度分別1.2，1.0，0.78，0.8 m/s。另外，不同類型人員的身高和肩寬等參數需要區別設置。

2 疏散模式分析

隧道內列車在運行過程中發生火災，根據火災發生的時間、列車運行在隧道的位置以及列車動力等情況，著火列車可以選擇繼續行駛至隧道外進行滅火和疏散，也可以選擇在隧道內臨時停車，人員通過隧道內逃生系統進行疏散[15]。

2.1 駛離隧道疏散模式

隧道空間狹小、封閉，火災高溫和煙氣容易積聚，因此，列車在隧道內發生火災時，應盡可能將事故列車駛出隧道[16]。疏散過程中，著火車廂人員首先疏散至相鄰車廂，列車可沿路線繼續運行出隧道，或者選擇掉頭由隧道入口行駛至隧道外。

2.2 臨時停車疏散模式

列車在隧道內發生火災，動力不足以支撐列車駛出隧道，列車將隨機停泊在隧道內。車輛停穩后，乘客應迅速逃離車廂，沿疏散平臺疏散至列車兩端，翻越軌道后沿救援平臺尋找位于隧道中線位置的最近的疏散口，根據人員疏散過程中是否選擇折返，給出了2種疏散方式，包括正常疏散路徑和折返路徑，如圖1所示。

圖1 列車臨時停靠人員疏散路徑Fig.1 Evacuation routes of temporary stop for trains

3 可用安全疏散時間分析

火災發生在列車的不同部位會對人員疏散方式產生較大影響，針對列車頭部車廂火災和中部車廂火災2種火災場景進行討論。疏散人員經過疏散平臺，越過列車車軌，通過疏散樓梯進入軌道下方的逃生通道即認定為到達隧道內的安全區域。

3.1 頭部車廂火災

如列車頭部發生火災，車頭內所有人員立即疏散至相鄰車廂，待列車停穩后，人員下車并向車尾方向疏散。行至車尾后，越過鐵軌抵達隧道的中線位置的疏散樓梯口，通過疏散樓梯進入軌道平面下方的逃生通道，逃生通道空間內相對行車道保持正壓，防止上層通道內火災煙氣蔓延至逃生通道，使得逃生通道作為1個人員逃生的安全區域。此時隧道內排煙風機開啟，將高溫煙氣控制在火源一端，人員在縱向通風保護下疏散。本文建立隧道列車火災模型，計算得到隧道內2 m高處溫度、能見度和CO濃度分布隨時間的變化情況。

圖2為列車車頭發生火災時，隧道內疏散平臺和疏散通道上方2 m 高處的溫度和能見度的變化情況。從圖2(a)和(b)中可以看出，在縱向通風作用下，火源上游一側，1 800 s內疏散平臺和疏散通道上方2 m處的溫度均小于60℃，未對疏散人員造成威脅。從圖2(c)和(d)中可知，在縱向通風的作用下，火源一側的疏散平臺和疏散通道上方2 m高處的能見度始終保持在30 m，人員在疏散過程中視野清晰，安全性高。列車車頭發生火災，在隧道內臨時停車，火災煙氣在縱向通風的控制下，人員可用安全疏散時間超過1 800 s。

圖2 頭部車廂火災危險性分析Fig.2 Fire risk analysis of head carriage

3.2 中部車廂火災

列車中部車廂發生火災時，火災車廂人員迅速疏散至相鄰車廂，列車停穩后，火源兩側人員分別向車頭和車尾方向疏散。由于火源兩側都有逃生人群，添加縱向通風將對火源一側的人員安全造成威脅。故不開啟排煙風機，令煙氣自由蔓延和沉降。據此建立火災動力學模型，計算可用安全疏散時間。無縱向通風作用時，自火災發生至穩定時刻(1 800 s)，隧道內除火源車廂位置外，其他區域溫度和CO濃度值一直處于安全狀態，火災發展到1 800 s時，隧道內距離火源位置200 m處出現能見度低于10 m的情況，說明列車中部車廂發生火災，隧道內無縱向通風情況下，距離火源200 m范圍內可用安全疏散時間小于1 800 s。

圖3為列車中部車廂發生火災時，隧道內疏散平臺和疏散通道上方2 m高處的溫度和能見度的變化情況。圖3(a)和(b)所示火源位置兩側的疏散平臺和疏散通道上方2 m高處溫度均小于60℃，未對人員安全造成威脅。從圖3(c)和(d)中可知，疏散平臺上方2 m高處，距離火源160 m范圍內，1 800 s內能見度均大于10 m；疏散通道上方2 m高處在1 800 s內均大于10 m。說明列車中部車廂發生火災，在隧道內臨時停車，無縱向通風排煙作用時，距離火源位置160 m內，人員疏散可用安全疏散時間為1 800 s，超過160 m的位置，人員疏散的可用安全時間小于1 800 s。

圖3 中部車廂火災危險性分析Fig.3 Fire risk analysis of central carriage

4 必需安全疏散時間分析

4.1 工況設置

列車在隧道內行駛時發生火災，在動力沒有缺失的情況下，建議采取繼續行駛出隧道進行滅火和救援，根據列車搭載人數不同，建立工況見表1。著火列車失去動力或者火勢過大，必須立即停車進行人員疏散，根據列車發生火災車廂位置、人員疏散是否折返選擇最近的疏散口、列車搭載人數以及疏散口間距不同，設置工況如表2所示。

表1 著火列車駛出隧道人員疏散工況Table 1 Personnel evacuation conditions when fire train leave the tunnel

表2 著火列車停在隧道內人員疏散工況Table 2 Personnel evacuation conditions when fire train stops in the tunnel

4.2 Pathfinder仿真計算結果及分析

4.2.1 著火列車駛出隧道疏散

著火列車駛出隧道疏散過程可分為2個階段：第1階段為起火車廂乘客由列車兩端通道疏散到相鄰車廂；第2階段為列車駛出隧道后，人員從列車疏散至安全區域。D1和D2工況分別為CRH6列車額定人數557人和超員人數1 116人。當搭載人數為557人時，人員全部疏散至相鄰2節車廂需要31.7 s，全部從車廂內疏散到安全區域需要130.4 s；當搭載人數為1 116人時，人員全部疏散到相鄰車廂用時123.6 s，全部從車廂內疏散到安全區域需要336.9 s。疏散模擬結果如圖4所示。

4.2.2 列車頭部車廂火災人員疏散

設C1與C2工況疏散總人數為557人，疏散口間距分別是80 m和60 m，所有人員在逃生過程中不得穿越起火車廂進行疏散，乘客行走至列車兩端可根據疏散指示選擇折返尋找最近疏散口。圖5為疏散口間距對人員疏散的影響，C1工況人員全部疏散完畢用時992.8 s，C2工況用時726.4 s，疏散過程時間減少266.4 s。

圖4 著火列車駛出隧道人員疏散Fig.4 Evacuation graph of fire train leaving the tunnel

圖5 疏散口間距對人員疏散的影響Fig.5 Influence of space for safety exits on personnel evacuation

4.2.3 列車中部車廂火災人員疏散

設A1工況為疏散過程無人員折返，A2工況下有折返。人員疏散情況如圖6所示。A1工況下，0 s時火災發生在中間車廂，列車滿載557人，233 s內人員全部疏散離車廂，并通過疏散平臺向疏散口移動。711 s時人員全部經過隧道中線疏散口，經疏散樓梯抵達安全區域。A2工況下，列車停穩后，乘客由列車車廂到達疏散平臺，沿疏散平臺行至列車兩端后，根據疏散指示，選擇繞過列車尋找最近疏散口進行逃生。人員在225.9 s時離開列車，此時有4個可用疏散口，497.3 s時人員全部通過中線位置疏散口抵達安全區域。疏散人數為1 116人時，755.0 s時人員全部經過疏散口抵達安全區域。

不同疏散模式下人員疏散所用時間，根據公式REST=火災報警時間+疏散預動時間+疏散行動時間計算得各工況下安全疏散時間。通過對比分析，可得單洞雙線鐵路隧道發生火災時人員疏散的安全性，如表3和圖7所示。

圖6 著火列車緊急制動停在隧道內人員疏散模型Fig.6 Evacuation graph of fire train emergency braking in the tunnel

工況編號工況D1工況D2工況A1工況A2工況A3工況C1工況C2工況C3ASET9009001 8001 8001 8001 8001 8001 800RSET281.4487.98316178751 112.8846.41 691.8安全性安全安全安全安全安全安全安全安全

圖7 人員疏散安全性分析Fig.7 Graph of evacuation safety

5 結論

1)分析不同列車運行模式和人員疏散模式，發現最不利火災場景為列車中部車廂發生火災，且列車失去動力，在隧道內臨時停車，此種情況下，為保證下游人員疏散安全，停止運行隧道內縱向通風設備。當疏散口間距為80 m時，能夠保證1 116旅客的安全疏散。

2)對比分析了人員疏散過程中折返選擇最近疏散口和無折返疏散情況，發現相同疏散距離和疏散人數同

為557人的情況下，人員在疏散過程中折返選擇最近疏散口，全部疏散完畢用時節省214 s。因此，隧道內沿逃生平臺，應設置明顯的疏散口位置指示標識。

3)通過對比分析疏散口間距為80 m和60 m 2種情況下的人員疏散，557名旅客完成疏散用時相差266.4 s。適當縮小疏散口間距，可有效提高疏散效率。著火列車未失去動力的情況下，建議列車駛出隧道進行滅火救援和應急疏散。