綜合管廊兼顧疏散能力分析及輻射范圍研究*

左偉芹，蔣雯吉，劉彥偉，江 嘯，郭佳奇，高保彬

(1.河南理工大學 安全科學與工程學院，河南 焦作 454000；2.江蘇方洋物流有限公司，江蘇 連云港 222000)

0 引言

近年國內化工園區事故時有發生，給企業經濟發展與公共安全帶來嚴重影響。化工園區安全疏散一直都是焦點問題，若化工園區設綜合管廊作為地下疏散通道，使地面與地下疏散同時進行，可有效緩解地面疏散壓力,減少事故損失。如能夠合理利用綜合管廊的自身工程特點，則可為園區災時提供應急避難場所與安全疏散通道。

在人員疏散方面，王起全等[1]利用Pathfinder軟件模擬北京西直門地鐵站高峰期最短逃生路徑，并結合模擬流量圖提出優化方案；席健等[2]利用Pathfinder軟件分別求解正常條件、火災煙氣條件下疏散以及火災煙氣條件下避險3種疏散情況，研究火災煙氣對整體疏散時間影響；文獻[3-5]考慮化工園區毒氣擴散條件下路徑規劃，并結合疏散路徑優化影響因子，構建應急疏散優化數學模型；趙一丁[6]通過人員疏散模擬，研究煙氣影響條件下建筑內部人員疏散情況，分析疏散擁堵原因；Charles等[7]分析Pathfinder軟件適用的疏散情況種類；王志剛[8]開發火災人員疏散計算機模型FEgress，用于計算火災發生至人員疏散結束所需時間；成琳娜[9]基于Pathfinder軟件，對比不同人員結構對疏散時間影響，并提出綜合因子的概念；吳桂慶[10]基于Pathfinder軟件模擬，提出安全疏散應急優化方案。

目前，針對綜合管廊兼顧疏散方面研究較少。因此，本文提出兼顧應急疏散功能綜合管廊，并利用Pathfinder軟件進行疏散模擬，得到不同斷面、不同寬度管廊疏散通道及各疏散口通過能力，分析人員單車與步行方式下疏散速度；以疏散入口為圓心，規定疏散時間內最大疏散距離為半徑，繪制管廊覆蓋范圍包絡圓；以事故發生地點為圓心，波及范圍為半徑，繪制事故波及范圍，兩者交集即綜合管廊疏散輻射范圍。研究結果可為化工園區安全疏散方案的制定提供新思路。

1 綜合管廊疏散能力模擬

1.1 模型建立

采用Sketch Up建模軟件構建綜合管廊應急疏散模型，并導入Pathfinder疏散仿真軟件，完成疏散工況、疏散人數等相關設置，模擬得到疏散時間、流量及通過率等數據[11-13]。Pathfinder軟件中疏散模型三維視圖如圖1所示。

圖1 Pathfinder軟件中疏散模型三維視圖

1.2 應急疏散仿真參數設置

根據工況及標準設定人員特征參數，因管廊內部路線單一，模擬結論僅提取人員進入管廊最大流量與管廊內部最大流量，總人數設定參照管廊最大容量并取整，總人數設置100人，男性50人，女性50人。

1)行走速度設定

疏散模擬中，疏散路徑主要包括艙內水平路徑和垂直路徑。結合相關調研結果與模擬工況特點，設定不同疏散路徑不同人員類別行走速度，見表1。

表1 人員行走速度

2)人員體征數據設定

根據《中國成年人人體尺寸》(GB/T 10000—1988)及調研結果，設定人員肩寬及胸厚分布區間，見表2。

表2 人員肩寬及胸厚分布區間

1.3 流量及通過率模擬結果

結合現場管廊實際斷面寬度和管段長度，綜合管廊疏散通道寬度分別設為1.2，1.6，2.0 m 3種類型，管段長度統一設置為50 m，分別在通道入口與出口處安裝流量監控器，計算流量與通過率。管廊通道流量模擬如圖2所示，人員進入管廊時，入口樓梯、樓梯與管廊轉接處通過率模擬如圖3所示。

圖2 管廊通道流量模擬

圖3 入口樓梯、樓梯與管廊轉接處通過率模擬

管廊通道流量對比如圖4所示。由圖4可知，當管廊通道寬度為1.2 m時，所有人員通過管廊用時107 s，單向通過率最大值1.62人/s；當管廊通道寬度為1.6 m時，所有人員通過管廊用時86 s，單向通過率最大值2.45人/s；當管廊通道寬度為2.0 m時，所有人員通過管廊用時79 s，單向通過率最大值2.9人/s。

圖4 管廊通道流量對比

疏散過程中，各應急疏散口最易發生擁堵，通過在入口樓梯處、樓梯與管廊轉接處安裝流量監測器，分析綜合管廊寬度對通過率影響。綜合管廊寬度2.0，1.6，1.2 m下，入口樓梯、樓梯與管廊轉接處通過率如圖5～7所示。由圖5～7可知，管廊疏散通道寬度2.0，1.6，1.2 m對應入口樓梯最大通過率分別為1.82，1.74，1.71人/s；樓梯與管廊轉接處最大通過率分別為1.9，1.71，1.68人/s。

圖5 入口樓梯、樓梯與管廊轉接處通過率(1.2 m)

圖6 入口樓梯、樓梯與管廊轉接處通過率(1.6 m)

圖7 入口樓梯、樓梯與管廊轉接處通過率(2.0 m)

當管廊通道寬度為2.0 m時，入口樓梯最大通過率小于樓梯與管廊轉接處通過率；當管廊通道寬度為1.6，1.2 m時，入口樓梯通過率均大于樓梯與管廊轉接處通過率，并且管廊通道寬度1.6 m與1.2 m通過率差值較小，原因是當樓梯存在拐角，管廊通道寬度越小，進入管廊越困難，拐角處越容易發生堵塞，影響后面疏散人員，使入口樓梯通過率大于拐角處，通過率差值較小。

模擬結果為綜合管廊兼顧疏散能力最大化提供理論依據，可通過不同管廊通道寬度，提前設定流量上限。由于管廊內部流量難以控制，通過控制進入管廊人員流量，使其不超過最大通過率，即當管廊疏散通道寬度為2.0，1.6，1.2 m時，對應通過率不能超過2.9，2.45，1.62人/s，入口樓梯通過率不得超過1.82，1.74，1.71人/s；當超過通過率最大值時，通過人工疏導或引流等方式進行預防。Hughes[14]指出人群密度超過4人/m2時，極易發生危險事故；廖燦[15]研究密集行人流擁擠踩踏事故機理發現，安全預警值即通過率與管廊通道寬度比值應小于等于3。3種管廊通道均小于預警值，因此，本文擬將通過率最大值作為人流量上限。實際應用中一般通過計算人群密度設定安全預警值。

2 綜合管廊疏散輻射范圍界定

每隔1.6 km設置1個入口，當事故發生時，人員可通過步行、單車等形式抵達綜合管廊進行疏散。為計算綜合管廊疏散輻射范圍，為計算綜合管廊疏散輻射范圍，研究各類化工事故災害波及范圍，并析人員在單車和步行條件下疏散速度，并以各疏散入口為圓心，以規定疏散時間內最大疏散距離為半徑，繪制綜合管廊覆蓋范圍；以事故發生地點為圓心，波及范圍為半徑，繪制事故波及范圍，兩者交集即綜合管廊疏散輻射范圍。一方面可使綜合管廊兼顧疏散功能最大化，另一方面可使距離管廊入口較遠人員選擇地面或者其他方式進行疏散。

2.1 化工園區事故波及范圍計算

管廊周邊往往分布石化園區、精品鋼園區、節能環保科技園等，根據企業涉及主要危險品種類，將事故災害分為火災、爆炸、泄漏3類。

1)火災波及范圍

化工園區易燃液體輸送管道破裂，導致液體泄漏引發池火災，采用池火災輻射熱危險性分析(經驗公式)進行計算，池火災總熱輻射通量Q如式(1)所示[16]：

(1)

式中：Q為池火災輻射總熱量，kW/m2；η為效率因子，η= 0.3；Hc為液體燃燒熱，kJ/kg；m′為燃料燃燒速率，kg/(m2·s)；D為液池直徑，m。

由于液池半徑遠小于液池燃燒熱輻射傷害半徑，將液池燃燒產生的圓柱形火焰視為一個點，通過點模型計算目標熱輻射通量。目標物體熱輻射通量公式如式(2)所示：

(2)

式中：q為目標物體受到的火焰熱輻射強度，kW/m2；R為池火災燃燒傷害-破壞半徑，m。

根據熱輻射傷害-破壞準則，計算池火災燃燒傷害-破壞半徑，如式(3)所示：

(3)

2)爆炸波及范圍計算

化工園區因高壓罐體泄漏導致燃爆事故，爆炸波及范圍采用蒸汽云爆炸TNT模型和BLEVE爆炸事故數學模型計算。

①蒸氣云爆炸TNT模型

TNT模型設想把氣云爆炸破壞作用轉化成TNT爆炸破壞作用[17]。TNT當量法關鍵模型如式(4)～(6)所示：

(4)

(5)

pi=3.9/z1.85+0.5/z

(6)

式中：WTNT為炸藥質量，kg；ηe為蒸氣云當量系數(統計平均值為0.04，占統計60%)；ΔHf為可燃氣體燃燒熱，J/kg；Wf為蒸氣云中可燃氣體質量，kg；QTNT為TNT爆炸熱，J/kg(4 230～4 836 kJ/kg，一般取平均4 500 kJ/kg)；z為R處爆炸特征長度；pi為R處爆炸超壓峰值。

結合式(4)～(6)，利用傷害-破壞準則估算傷害-破壞半徑。

其中死亡半徑R1如式(7)所示:

(7)

重傷半徑R2由式(8)與式(9)聯立求解：

ΔPs=0.137Z-3+0.119Z-2+0.269Z-1-0.019

(8)

(9)

ΔPs=44 000/P0

(10)

輕傷半徑R3由式(12)～(13)聯立求解：

ΔPs=0.137Z-3+0.119Z-2+0.269Z-1-0.019

(11)

(12)

ΔPs=17 000/P0

(13)

式中：E為蒸汽云爆炸能量，E=1.8ηeWfQf，J；P0為大氣壓力，Pa，一般P0取值10 100 Pa；Qf為燃燒熱，kJ/kg；Z為中間因子。

②BLEVE爆炸事故數學模型簡介

沸騰液體擴展蒸氣爆炸BLEVE指液體急劇沸騰產生大量蒸汽過熱引發爆炸式沸騰現象[18-19]，其火球特征可根據蒸氣爆炸模型估算。火球半徑計算公式如式(14)所示:

(14)

式中：R4為火球半徑，m；W為火球中消耗可燃物質量，kg。

對單罐儲存，W取罐容量50%;雙罐儲存，W取罐容量70%;多罐儲存，W取罐容量的90%。

3)泄漏波及范圍計算

泄漏事故發生后需采取疏散措施，泄漏事故波及范圍數據源于ERG2016。

4)火災與爆炸疏散半徑

根據式(1)～(14)得到部分企業火災爆炸疏散半徑，見表3。

表3 部分企業火災爆炸疏散半徑

2.2 綜合管廊應急疏散功能輻射范圍

考慮步行、單車2種方式進行疏散。正常步行速度75 m/min，跑步速度150 m/min，緊急疏散速度介于正常步行與跑步速度之間，設定緊急疏散步行速度100 m/min，單車疏散速度500 m/min。參考《建筑設計防火規范》(GB 50016—2014)，多層及高層樓宇疏散時間為5～7 min，以7 min作為疏散時間，由疏散時間與通行速度計算管廊疏散半徑，得到管廊疏散范圍見表4。

表4 管廊疏散范圍

2.3 輻射范圍界定

采用包絡圓法對各類災害影響下綜合管廊疏散范圍進行界定，如圖8所示。以綜合管廊單車疏散與2號企業乙烯BLEVE爆炸為例，分別以A7疏散入口、2號企業為圓心繪制包絡圓，交集處企業及人員通過綜合管廊進行疏散。管廊受長度、寬度及人員進入意愿等影響，現階段只能作為輔助疏散路徑，輻射范圍內人員就近選擇管廊入口，入口應位于事故影響范圍內；當離開管廊時，可選擇事故波及范圍外的A5或A6出口，離開緊急疏散時，根據事故波及范圍進行統一指揮調度。

圖8 包絡線示意

3 結論

1)當存在二次爆炸風險、危險物質泄漏或地面疏散能力有限等特定情況時，綜合管廊可作為1種輔助疏散途徑。

2)綜合管廊疏散通道寬度為2.0，1.6，1.2 m時，管廊通道通過率不能超過2.9，2.45，1.62人/s，入口樓梯通過率不能超過1.82，1.74，1.71人/s；在管廊內部與入口樓梯處安裝流量監控器，監控單位時間內人流量，預防擁堵和踩踏事故發生；當超過流量上限時可通過人工疏導或引流等人為方式控制。

3)通過查表計算火災、爆炸、泄漏3類災害事故波及范圍及疏散范圍半徑，分析2種交通疏散方式下綜合管廊覆蓋范圍，為類似事故預防與應急方案制定提供理論依據。