城際列車在隧道內(nèi)發(fā)生火災(zāi)時的人員安全疏散模擬分析

楊尚軍

(懷化市消防救援支隊，湖南 懷化 418000)

0 引言

隨著城際鐵路系統(tǒng)的建設(shè)推進以及隧道技術(shù)的不斷發(fā)展，城際鐵路中的隧道占比越來越高。而城際鐵路交通隧道一般具有客流量大、內(nèi)部環(huán)境復(fù)雜等特點，一旦隧道內(nèi)發(fā)生火災(zāi)，無論對于人和隧道都會造成巨大的危害[1]。隧道火災(zāi)具有空間狹長、煙氣熱量難以排除等特點，出口與隧道的疏散通道的數(shù)量較少且難以布置[2]。同時，單洞雙線隧道的兩條鐵軌間并無間隔，一側(cè)的火災(zāi)會直接對鄰線列車造成嚴(yán)重威脅。因此，為提高單洞雙線隧道內(nèi)火災(zāi)人員疏散效率，有必要對其疏散樓梯寬度、間距等參數(shù)的影響規(guī)律進行研究。

國內(nèi)外學(xué)者針對鐵路隧道內(nèi)的人員疏散進行了大量研究,其中研究較多的包括隧道內(nèi)疏散輔助設(shè)施、疏散人員的行走參數(shù)，尤其是特殊火災(zāi)情景下的疏散樓梯布置、路徑選擇等[3-7]。Capote等人針對高速列車內(nèi)火災(zāi)情景下的人員疏散進行研究，為列車工作人員的操作提供理論依據(jù)[8]。Shiwakoti等人以列車站臺為研究對象，獲取站臺上的人員疏散規(guī)律為突發(fā)事件發(fā)生時人員疏散提供合理的安全策略[9]。Ronchi建立隧道火災(zāi)多種情景下的人員疏散模型，并進行疏散能力的預(yù)測研究[10]。李洪通過數(shù)值模擬進行特長隧道火災(zāi)下的煙氣擴散規(guī)律研究，相應(yīng)地提出人員疏散建議[11]。謝寶超等人基于CRH1型列車火災(zāi)背景，研究客運專線面對突發(fā)火災(zāi)時的疏散能力，并針對疏散通道的合理性進行驗證評估[12]。林瑞熾等人則研究了不同火災(zāi)情景、不同列車內(nèi)部設(shè)施布置對人員疏散規(guī)律的影響，并分析不同火災(zāi)情景下的最佳疏散路徑[5,13]。鄧敏等人針對某水下盾構(gòu)隧道開展人員疏散的模擬研究，并驗證了隧道疏散通道的疏散能力[14]。

由于單洞雙線隧道火災(zāi)危險性更高，人員疏散更為困難，人員疏散不合理將會造成更嚴(yán)重的后果[2]。因此，本文以某采用縱向疏散的鐵路隧道為例，選擇高速列車停留在隧道內(nèi)進行疏散的人員疏散模式，研究沿縱向布置的疏散樓梯寬度以及疏散樓梯間距對隧道內(nèi)疏散的影響，其結(jié)果可為隧道內(nèi)的列車火災(zāi)應(yīng)急預(yù)案制定、人員疏散、救援等提供理論依據(jù)。

1 疏散模型設(shè)計

1.1 模型建立

本文所建立的模型為單洞雙線城際鐵路隧道，人員疏散模式假設(shè)為：列車緊急制動在隧道內(nèi)后疏散，其中列車總長201 m，隧道的模擬長度為600 m。此類隧道在隧道兩側(cè)各設(shè)置一處救援通道，救援通道平面與軌道面平行，圖1給出了其中一側(cè)的救援通道的位置示意。緊急疏散廊道一般設(shè)置在隧道底部，根據(jù)《鐵路工程設(shè)計防火規(guī)范》(TB 10063—2007)規(guī)定，高速鐵路隧道的救援通道寬度不小于1.5 m，其他隧道不小于0.8 m，凈高不小于2.2 m，本文設(shè)置救援通道寬度為1.5 m。在該隧道模型中，兩條軌道中線處沿縱向每隔一定的距離設(shè)置縱向樓梯連接軌道面和疏散廊道，其中樓梯寬度和樓梯口間距為主要研究的兩個疏散參數(shù)。人員的疏散步驟為：乘客下車至救援通道；通過救援通道行至事故車輛的兩側(cè)；跨過鐵軌行至隧道中線處；沿疏散樓梯進入底部疏散廊道；進入工作井再出地面。

圖1 疏散環(huán)境及疏散路徑示意圖

1.2 疏散參數(shù)設(shè)置

根據(jù)常見的CRH6型動車組，對隧道內(nèi)行駛列車承載人數(shù)、人員類型以及行走速度等參數(shù)進行設(shè)置。其中模擬動車組由8節(jié)車廂組成，額定載客量557人(固定坐席)，滿載客量1 502人。根據(jù)文獻[9]，參照國內(nèi)外通用的一般公共場所的人員類型組成，其中成年男士和成年女士各占40%，而老人和孩子的比例各為10%。疏散中人員的行走速度則參考《中國消防工程手冊》[15]中關(guān)于人員疏散行走速率的研究進行設(shè)置，具體見表1。

表1 人員疏散速度和形體特征

1.3 工況設(shè)計

本文模擬火災(zāi)位置為中部車廂，人員荷載為滿載情況，著火位置設(shè)置在縱向樓梯旁邊。為研究縱向樓梯寬度對人員疏散的影響，設(shè)置工況A1～A4，如表2所示；為研究縱向樓梯口間距對人員疏散的影響，設(shè)置工況B1～B4，如表3所示。

表2 縱向樓梯寬度模擬工況

表3 縱向樓梯口間距模擬工況

2 結(jié)果分析

2.1 不同縱向疏散樓梯寬度影響分析

圖2給出了不同縱向疏散樓梯寬度條件下疏散總?cè)藬?shù)隨時間的變化規(guī)律。可以看出，在疏散開始的前300 s內(nèi)，各個工況條件下，疏散總?cè)藬?shù)差別并不大，A4工況下疏散稍快一點，說明在疏散開始的一段時間內(nèi)，疏散樓梯寬度對疏散速度的影響并不明顯。而300 s后不同寬度的疏散樓梯在同等時間內(nèi)的疏散人數(shù)變化規(guī)律開始呈現(xiàn)明顯的不同，在同等時間內(nèi)疏散樓梯的寬度越寬，疏散通過的人數(shù)越多，但是并不呈線性增加。當(dāng)疏散樓梯寬度從0.8 m增加到1.2 m，疏散人數(shù)在相同的疏散時間內(nèi)有顯著增長，而從1.2 m增加到1.5 m時，人數(shù)雖然也有小幅增加，但差別不大。就疏散人數(shù)的疏散速率可以看出，在300 s到800 s這一段時間內(nèi)，A1和A2工況中疏散總?cè)藬?shù)勻速增加，而A3和A4的增長速率在600 s時有小幅下降，這與大規(guī)模的人員已經(jīng)通過縱向樓梯口有關(guān)。因此，疏散樓梯寬度并非越寬越好，存在一個最優(yōu)值，平衡疏散效率與建設(shè)成本，與疏散人數(shù)、縱向樓梯口布置等直接相關(guān)，本文中疏散樓梯寬度的最優(yōu)值為1.2 m。

圖2 不同疏散樓梯寬度對人員疏散的影響

表4給出了不同工況下的疏散時間匯總，可以看出各個工況下疏散人員下車所需時間差別在10 s以內(nèi)，而疏散的總時間差別可達200 s以上，表明縱向樓梯寬度增加對人員下車時間沒有影響，但是對人員的總體疏散時間影響較大。隨著疏散樓梯寬度的增加，疏散總時間由A1工況下的1 014.5 s不斷減少至A4工況下的784 s，這種影響在疏散人數(shù)較多時更為明顯。除了增加縱向樓梯的寬度外，列車乘務(wù)人員在適當(dāng)位置進行引導(dǎo)疏散，也可一定程度上避免擁堵的發(fā)生，以盡量減少人員疏散時間。

表4 不同疏散樓梯寬度疏散時間匯總表

2.2 縱向樓梯口不同間距的影響分析

圖3給出了工況B1～B4條件下，不同疏散樓梯間距的疏散樓梯與著火列車的位置示意圖。著火列車處于疏散樓梯的中間，疏散樓梯3和疏散樓梯4之間距離是工況設(shè)置距離的兩倍。

圖3 不同間距時縱向樓梯位置示意圖

列車人員疏散時間如表5所示，各個樓梯口通過的總?cè)藬?shù)如表6所示。可以看出，間距從70 m不斷增大時，決定隧道內(nèi)總疏散時間的是位于2號樓梯口和5號樓梯口的乘客，即最后的疏散人員是由2號或者5號縱向疏散樓梯進行疏散的。但是，不同工況下樓梯口間的距離不同，隨著間距的不斷增加，2號與5號之間的距離逐漸增大并且遠離列車，導(dǎo)致選擇2號和5號樓梯口的乘客，即進行疏散的人員行走時間增加，故總的疏散時間增加。根據(jù)表5可知，縱向疏散樓梯口間距的大小，對人員總的下車時間影響不大，最大變化保持在10 s以內(nèi)，隨著縱向樓梯口間距的增大，人員疏散所需總時間先減小后增大。這是因為當(dāng)間距由60 m增加到70 m時，疏散口3和4越接近兩側(cè)車頭(見圖3)，從而人員到達3號和4號樓梯口的行走時間更短，同時選擇3號和4號疏散口進行疏散的人員在增加。如表6所示，利用相對較遠的2號和5號縱向樓梯進行疏散的乘客數(shù)量在減少，所以整體疏散時間減少；當(dāng)疏散樓梯間距由70 m逐漸增大時，樓梯口3和4越接近兩側(cè)車頭，從而人員到達3號和4號樓梯口的行走時間更短，同時選擇3號和4號樓梯口進行疏散的人員持續(xù)增加。

表5 不同疏散樓梯間距疏散時間匯總表

表6 不同間距條件下各個疏散樓梯口的通過總?cè)藬?shù)匯總表

綜上所述，縱向疏散樓梯口間距對列車人員下車時間影響不大，而隨著間距的改變，各個樓梯口通過人員的數(shù)量在改變，間距變大時距離車頭近的樓梯口通過人員數(shù)量增加，相應(yīng)遠離車頭的樓梯口的通過人員數(shù)量減少。本文中隨著縱向疏散樓梯間距的不斷增大，人員疏散所需總時間先減小后增大，疏散樓梯間距為70 m時，人員疏散時間最短。

3 結(jié)論

采用Pathfinder軟件，針對高速列車火災(zāi)停留在隧道內(nèi)疏散情景，以疏散樓梯寬度以及間距為參數(shù)，建立數(shù)值模擬模型研究隧道內(nèi)的人員安全疏散規(guī)律，結(jié)論如下：(1)疏散樓梯寬度的增加可使人員總疏散時間減少，而疏散效率并不是隨疏散樓梯寬度增加持續(xù)增加，存在一個最優(yōu)值平衡疏散效率與建設(shè)成本，與疏散人數(shù)、縱向樓梯布置等直接相關(guān)，本文中疏散樓梯寬度的最優(yōu)值為1.2 m。(2)疏散樓梯口間距的增加會導(dǎo)致近列車頭的疏散樓梯口的堵塞時間增加，工作人員應(yīng)注意在這些樓梯口進行正確疏導(dǎo)以避免堵塞，樓梯口間距對人員下車總時間有輕微的影響。(3)隨著縱向疏散樓梯口間距的增大，人員疏散所需總時間先減小后增大，如果疏散樓梯口間距大于60 m，則間距為70 m時，人員疏散時間最短。