足尺隧道5MW火災下大巴車疏散時間試驗研究

安文娟,方 磊，謝耀華，李遠哲

(1. 重慶交通大學 土木工程學院，重慶 400074； 2. 招商局重慶交通科研設計院有限公司，重慶 400067； 3. 中鐵隧道勘測設計院有限公司，天津 300123)

0 引 言

截止2020年底，我國已建成公路隧道21 316處，全長約21 999 km[1]。隨著隧道工程建設技術的發展，長大隧道越來越多，曲線隧道、螺旋隧道等復雜隧道也逐漸出現[2]。由于公路隧道為半封閉結構，隧道內一旦發生火災，則容易形成濃煙和高溫，極不利于人員疏散逃生。據我國2000—2016年間161起公路隧道火災事故數據顯示，16.3%的公路隧道火災事故涉及人員傷亡[3]，火災事故已成為造成公路隧道人員傷亡的主要事故類型之一。

疏散行為分析是疏散策略制定的前提，也是保障乘客安全的重要舉措。國內外學者針對公路隧道火災事件下的人員疏散進行了大量數值仿真研究[4-6]，以探索不同特征隧道、不同火災工況下的人員安全疏散所需時間，但受安全與成本限制，物理試驗尤其是足尺隧道內的物理試驗研究相對較少。M.SEIKE等[7-9]在一個全尺寸試驗隧道中，采用發煙機器釋放刺激性和無激刺性兩種煙霧，在濃煙隧道內進行了正常行走和緊急疏散兩種狀態下的疏散試驗，獲取了不同性別和不同年齡人員的疏散速度，并對疏散速度與減光系數的關系進行了試驗。M.KINATEDER等[10]采用VR實驗，研究了社會因素、信息因素及經驗因素對隧道緊急事故下行人疏散出口選擇、行動軌跡、棄車時間等行為的影響。D.NILSSON等[11]在戈塔隧道內采用虛擬火災場景，對受試者的停車時間、棄車時間、到達出口時間進行了觀測，并將這些時間與警報響起時間進行了對比，同時對受試者在試驗前和試驗后分別進行了問卷調查和訪談，對問卷與疏散行為的一致性進行了研究；ZHANG Yuxin等[12]采用現場實驗、問卷調查和訪談等方法進行了高海拔隧道火災事件下，長途陡峭疏散通道內的疏散行為研究，討論了響應時間、路線選擇、移動速度和對技術設施的反應，以及性別、年齡、情緒狀態等因素對行為的影響。既有研究一般為單人或多人的車外疏散試驗，未涉及車內疏散過程。而大巴車由于載客人數較多，且車內通道狹窄，車內疏散往往需要消耗較長的時間，從而成為人員疏散的瓶頸。同時，在公路隧道的正常運營期內，無法避免大巴車的通行。因此，為了提升公路隧道運營的安全性，研究隧道突發火災環境中的大巴車車內人員疏散行為十分必要。

筆者在1∶1足尺試驗隧道內，采用5 MW真實火源和一輛51座大巴車，考慮不同載客率與不同疏散出口的影響，開展隧道火災場景下的大巴車車內人員疏散行為研究，研究結果可為公路隧道內的應急救援策略制定提供參考。

1 試驗方案設計

1.1 試驗隧道

圖1為1∶1全尺寸試驗隧道，隧道主體長約150 m、內寬14.55 m、凈高7.1 m，有3個車道，為鋼筋混凝土結構。距隧道洞口30 m起每間隔45 m設置一個疏散出口，共設置3個，出口寬1.5 m。

圖1 試驗隧道Fig. 1 Experiment tunnel

1.2 試驗車輛

試驗所用大巴車為廈門金龍牌大巴車，51座(含司機和副駕駛各1座)，車輛尺寸為11 480 mm(長)×2 490 mm(寬)×3 540 mm(高)，車門寬0.8 m，僅有1個車門。

1.3 試驗參加者

由于大巴車通常為公司班車或公共運輸車輛，車內乘客或為公司職員，或普通居民。試驗募集了當地公交公司職員、普通公司職員以及本地居民3類人員進行試驗，總人數為48人，其中男性41人、女性7人。參加試驗者年齡分布為：25歲及以下2人，25～30(含)歲24人，30～35(含)歲12人，35～40(含)歲7人，40～50(含)歲2人，50歲以上1人，年齡集中在25～30歲段，屬于標準軸為φ=26的正態分布。試驗參加者身體狀況良好，均無火災經驗，不了解火災逃生相關知識。

圖2 試驗參加者年齡分布狀況Fig. 2 Age distribution of participants

1.4 試驗場景設置

1.4.1 火源

試驗采用150 cm×150 cm×10 cm(長×寬×高)油盆火，火災規模約5 MW，相當于一輛小汽車在燃燒。

1.4.2 障礙物

假設隧道內發生火災時交通為阻滯狀況，即3個車道均有車輛在通行。在各車道上按一定的間距布置木箱，模擬最不利交通擁堵狀態下隧道內停止的車輛，如圖3所示。

圖3 試驗障礙物布置Fig. 3 Layout of test obstacles

1.4.3 火源與試驗車位置

油盆與試驗車輛均置于中間車道，油盆位于3#疏散出口與試驗車之間。其中，油盆距離試驗車出口約10 m；試驗車出口距離1#疏散出口67.5 m、距離2#疏散出口22.5 m、距離3#疏散出口22 m，如圖4。

圖4 火災疏散試驗布設Fig. 4 Layout of fire evacuation experiment

1.5 試驗工況設計

考慮不同的大巴車載客率，及指定不同的疏散路徑，試驗共設計4個試驗工況，見表1。對于工況A、B與C，3種工況下的參與者均被指定從1#出口疏散，即疏散出口條件相同，但參與者的人數不同。工況A和工況D，2種工況下的疏散人數相同，但疏散出口數不同

表1 試驗工況設計表Table 1 Design of test condition

2 試驗過程及結果

2.1 試驗過程

整個試驗先由現場負責人員進行疏散講解，然后組織參加者上大巴車，開始在油盆內注油，接著點火，試驗正式開始。為體現隧道內火災煙霧對疏散的影響，要求試驗參加者在點火60 s后才開始疏散。試驗參加者全部從疏散出口逃出后，疏散出口關閉，試驗結束。點火150 s后隧道內的場景如圖5。為提高試驗參與者的行動積極性，使盡可能快速地完成疏散，從而使試驗行為更符合現實火災事件下的實際行為，試驗對前15名完成疏散的參與者給予物質獎勵。

圖5 5 MW油盆火點火后150 s現場照片Fig. 5 Site photo after ignition of 5 MW oil basin fire for 150 s

2.2 試驗結果

在疏散試驗過程中，由于部分試驗參與者從未見過真實火災，在油盆火引燃時出現恐慌情緒，疏散前即解開了安全帶，隨時準備開始逃生。因此，疏散行動前的反應時間在本次試驗中難以真實體現，車內疏散時間未考慮反應時間，其記錄起點以試驗規定的疏散開始時間為準。試驗記錄了4種工況下車內疏散時間與車外疏散時間的試驗結果，如表2。根據每個參與者的疏散時間與疏散距離，計算不同試驗工況下每個參與者的車外疏散速度分布如圖8。

表2 疏散時間試驗結果Table 2 Evacuation time test results

圖6 疏散速度分布Fig. 6 Evacuation speed distribution

從表2及圖8的試驗結果可知：

1)當大巴車滿載時，車內疏散需用時間為1.1 s/人；當大巴車載客率為2/3時，車內疏散需用時間為1.0 s/人；當大巴車載客率為1/2時，車內疏散需用時間為0.9 s/人。車內疏散試驗結果表明，當車內人數越多，人均所需的車內疏散時間則越長，兩者之間呈線性遞增關系。

2)不同試驗工況下，參與者的車外平均疏散速度均超過3 m/s，遠大于人的一般正常行走速度1.2 m/s。

對同一疏散口、不同人數的疏散情況，工況C僅有24名參與者，其車外平均疏散速度為3.4 m/s；工況B與工況A分別有32名和48名參與者，2種工況下的車外平均疏散速度相等，均為3.2 m/s，小于工況C速度。可見，在一定范圍內，人數對車外疏散速度有影響，這與人數越少則疏散出口處的擁擠延誤越小有關。

對相同人數、不同疏散口的工況A和工況D，結果顯示工況D的車外平均疏散速度為3.5 m/s，大于工況A的3.2 m/s。盡管工況A僅有1個出口，而工況D有3個出口，但由于在工況D的試驗過程中，48人中有47人選擇了2#出口，對于參與者實際使用的出口數，工況D與工況A基本一致。可見，可用疏散出口數實際未對試驗結果產生影響。值得注意的是，工況A中試驗參與者選擇的1#疏散出口與大巴車出口的距離為67.5 m，工況D中試驗參與者選擇的2#疏散出口與大巴車出口距離為22.5 m，表明疏散距離是影響參與者車外疏散速度的因素之一，且疏散距離越短車外平均疏散速度越高。

3)疏散過程中，由于大巴車內通道狹窄，試驗參與者在車內的疏散速度較慢，車內疏散時間大于車外疏散時間，且人數越多，兩者的差距越大。下車后，參與者開始加速逃向疏散出口，此階段參與者的疏散行為表現出明顯的跟隨特征，大多數參與者選擇跟隨“第一個行動”的參與者進行疏散，僅有極少數人選擇不同的疏散路徑。在工況D中，有3個疏散出口可用，僅有1人選擇穿越油盆火，從3#疏散出口逃生；另外47人均選擇從遠離油盆火最近的2#疏散出口逃生，盡管2#出口出現排隊，但參與者寧愿等待，也不愿意另作選擇。可見，出口與事件點的距離，是影響參與者出口選擇行為的重要因素之一。

3 對比分析

疏散過程一般分為火災探測、人員反應、車內至車外、車外 至疏散出口、疏散出口至洞外等階段。相應的隧道內人員疏散時間一般包括：火災探測時間、人員反應時間、車內疏散時間、隧道內疏散時間、隧道疏散門疏散時間。可采用仿真模擬法、物理試驗法、經驗公式法等方法對人員所需疏散時間進行計算分析。筆者將大巴車內人員疏散時間的試驗結果與經驗公式法計算結果進行對比，以驗證試驗的可行性和結果可靠性。

3.1 經驗公式法計算疏散時間

日本Togawa公式、美國SFPE手冊經驗公式等是常用疏散時間計算公式。SFPE手冊中的經驗公式是用于計算建筑物內的安全疏散時間[13]。基于此公式，對隧道內疏散時間做相應改進，改進后的公式如下[6]：

TREST=Ta+Tb+Ti+To

(1)

式中：Ta為火災探測時間；Tb為人員反應時間；Ti為車內疏散時間，即人員從車內到車外所花的時間；To為隧道內疏散時間，即人員下車后到達隧道出口(疏散門)并逃出的時間。

大巴車內通道短、人員密度大，車內疏散時間主要考慮車門通過時間。火災后，被困人員從通道逃生，全體人員通過通道口(車門)的時間Ti如式(2)[14]：

(2)

式中，P為通行通道總人數；N為通道口數量；W為通道口寬度，m；a為通道邊界寬度，一般取0.15 m；R為人流平均通過速度，與人員密度相關，m/s，如式(3)：

R=K(1-0.266Dr)

(3)

式中：K為與疏散通道有關的常數，隧道內取1.4，大巴車內取2.6；Dr為人員密度，0.54

隧道內疏散時間包括下車后到達疏散出口時間及通過疏散出口時間，前者與車輛到達疏散出口距離相關，后者疏散出口的通過能力相關。隧道內疏散時間To如式(4)：

(4)

式中：L為大巴車車門距離隧道逃生出口的距離，m；v為隧道內平均疏散速度，m/s。

試驗大巴車長11.48 m、寬2.49 m、車門寬0.8 m，滿載48人時，Dr=2.77 人/m2；載客32人時，Dr=1.85 人/m2；載客24人時，Dr=1.39 人/m2。人員在隧道內的正常行走速度一般為1.2 m/s，但在緊急情況下平均行走速度會加快，此時隧道內疏散速度R=2.0 m/s[7-9]。隧道出口通過時間采用調整系數計算。

不考慮火災探測時間和人員反應時間，根據公式(2)、式(3)可計算出不同工況下的大巴車車內疏散時間Ti及車外疏散時間To如表3，表中T=Ti+To。

表3 疏散時間經驗公式法計算結果Table 3 Calculation results of evacuation time by empirical formula method

由表3可知：疏散時間的經驗公式計算結果規律與試驗結果基本一致，即疏散人數越多，車內所需疏散時間越長；隧道內疏散出口越多，疏散速度越快。采用經驗公式計算時，車內疏散時間與疏散人數兩者之間呈非線性相關。

3.2 試驗與計算結果對比

大巴車人員車內疏散時間與車外疏散的試驗結果與計算結果對比如表4。

表4 計算時間與試驗時間對比Table 4 Comparison between calculation time and test time

由表4可知：

1)無論是車內疏散時間還是車外疏散時間，4種工況下，經驗公式的計算值均大于試驗結果，且疏散人數越多，兩者之間差距越大。經驗公式中，疏散人數是影響計算結果的重要參數，疏散人數越多，經驗公式中的人流平均通過速度越低。實際人流通過速度不僅與疏散人數有關，與疏散人員的行為也有關。當疏散人員數量規模較小而未引起擁擠，或當疏散人員數量規模較大，但人員之間達成一致、有序疏散而未發生擁擠時，則人流平均通過速度不會因疏散人數增加而下降。經驗公式計算疏散時間時，考慮了疏散出口擁擠造成的延誤，因此出口通過時間較大。但在疏散試驗中，車內疏散過程與車外疏散過程均未引發擁擠，故實際試驗時間較公式計算時間大幅減少。

2)對于車外疏散時間，在經驗公式中，疏散出口數和疏散距離是影響計算結果的重要參數，出口數越多、距離越短則計算結果越小。工況D有3個出口，經驗公式計算時，出口數取3平均疏散距離為56.5 m；實際試驗時，48個人中有47個人選擇了2#出口，即試驗實際使用的出口只有1個，疏散距離為22.5 m。可見，在工況D中，與實際試驗相比，雖然經驗公式中的出口數更多，但疏散距離更大，也因此導致車外疏散時間的最終計算結果仍大于試驗結果。

3)對于車外疏散時間，在經驗公式中，疏散速度是影響計算結果的另一個重要因素。采用經驗公式計算疏散時間時，車外人員疏散速度取一般值2 m/s，但試驗中由于出口較近、火源規模較小、能見度好，且疏散人數較少、人員之間的相互干擾較小，實際試驗平均疏散速度為3.1～3.5 m/s，大于經驗公式中的疏散速度取值。因此，車外疏散時間的計算結果大于試驗結果。

根據試驗結果，對經驗公式中的平均疏散速度、出口個數等參數取值進行修正，修正后的計算結果與試驗結果基本一致，見表5。可見，在采用修正的經驗公式計算車內外疏散時間時，應結合實際情況，合理考慮疏散人員數量規模對通道內人流平均通過速度的影響，并充分考慮不同火災規模下隧道內的能見度及其對人員疏散速度的影響，從而合理設定相應參數的取值。

表5 修正計算結果與試驗結果對比Table 5 Comparison between modified calculation results and test results

4 結 論

在1∶1全尺寸試驗隧道內，采用150 cm×150 cm×10 cm(長×寬×高)油盆火，考慮3種大巴車載客率及2種疏散路徑，開展了4種工況下的人員疏散試驗。試驗采集了疏散參與者的車內疏散時間與車外疏散時間，并將兩者的試驗結果與與經驗公式的計算結果進行對比分析，結果表明：

1)當大巴車滿載時，車內疏散時間遠大于車外疏散時間，且疏散人數越多，兩者差距越大。可見，隧道突發事件下，車內疏散是大巴車人員疏散過程的瓶頸點之一。可見，有必要加強對大巴車駕乘人員的事故逃生教育培訓，以提高突發事件下大巴車車內人員疏散的有序性。

2)當試驗中指定3個疏散出口時，48人中有47人選擇從火源反向最近的出口疏散，導致出口處出現排隊現象，延長了疏散時間。可見，隧道內突發事件下，有必要采取措施加強疏散出口的指引和疏散路徑的誘導，以提高疏散效率。

3)疏散人數、疏散速度和疏散出口數是影響經驗公式計算結果的重要參數，參數的取值與實際情況密切相關。在采用經驗公式計算疏散時間時，應結合實際情況，充分考慮疏散人數規模對通道人流平均通過速度的影響，火災規模對疏散速度的影響，以及實際使用出口數與可用出口數之間的差別，從而合理設定參數值。