電纜隧道人員疏散仿真分析研究

中國電力工程顧問集團中南電力設計院有限公司 吳高波 但京民 肖明杰 李 健 吳慶華

中國科學技術大學先進技術研究院 戴玉飛

引言

隨著我國現代化建設迅速推進電力在工業中的應用越來越廣泛，電力傳輸安全問題也引起人們高度重視。國內長距離輸電主要靠電纜隧道，而電纜隧道火災頻繁發生由于電纜隧道環境惡劣、火災撲救困難、易復燃、撲救時間長、損失大。目前，國內電纜隧道火災研究工作開展較少。

本文采用Pathfinder 軟件對電纜隧道人員疏散進行了數值模擬，研究了防火分區長度設置、人員數量、火源位置、防火門寬度對人員疏散的影響，為電纜隧道防火設計及人員疏散提供一定依據。

研究結果表明：防火分區長度越長、越不利于電纜隧道運維人員疏散；在最不利情況下，起火位置越靠近端部、越不利于人員疏散；人員數量越多、越不利于人群疏散；在滿足設計要求前提下應盡量增加防火門寬度。

1 人員安全疏散分析方法

人員能否安全疏散取決于兩個特征時間：可用安全疏散時間（Available Safety Egress Time，ASET）與必需安全疏散時間（Required Safety Egress Time，RSET），火災人員安全判據如圖1所示。

圖1 火災人員安全判據示意圖

可用安全疏散時間主要由災害演化過程決定，可通過火災仿真分析結合人員耐受極限判據綜合分析得到。必需安全疏散時間RSET 是指從起火時刻起到人員疏散到安全區域的時間。緊急情況下的RSET 包括火災探測時間（Talarm）、預動作時間(Tpre)和人員疏散運動時間(Tmove)，預動作時間又包括認識時間(Treg)和反應時間(Tresp)兩部分，即RSET=talarm+tresp+αtmove，α 為安全系數，工程上通常取為1.5。其中，人員疏散運動時間可通過人員疏散仿真獲得。

人員耐受極限標準參照美國消防協會NFPA 標準、日本工程部《關于安全疏散和結構耐火性能的“性能化”評估方法》和澳大利亞《消防工程指南》，設計選取人員耐受極限標準如下：能見度方面。安全高度以下能見度小于10m；對流熱方面。安全高度以下氣體溫度達到60℃；有害燃燒產物方面。安全高度以下的氣體中CO 濃度達到1400ppm[1]。

2 電纜隧道仿真模型及疏散模型構建

2.1 疏散仿真分析方法選取

用于人員疏散數值仿真的軟件工具很多，常用的有EXODUS、Pathfinder、AnyLogic、STEPS、Simulex、EVACNET 等。本文對開展實際使用的軟件Pathfinder 進行介紹。Pathfinder 是由美國TE 公司開發的以人物為基礎的模擬軟件。通過定義每人員的參數（人員數量，行走速度，以及距離的距離）來實現模擬過程中的各自的逃生路徑和時間模擬，配合實際層面的建設模式。Pathfinder 在本文中以Agent-based 為基礎，建立連續的物理空間和模型，模型中人物以實際工程維護人員能力相匹配，人與人、人與隧道管廊墻壁之間設置完整的處理機制，還原實際情景較為真實。

Pathfinder 通過導入電力管廊的FDS 模型，建立包括SFPE 模式和STE 模式的人員運動模式。SFPE 模式以流量為基礎，人員仿真時會自動移向就近的安全出口。人員間不存在相互擁擠推搡，但列隊將是以SFPE 假設為前提。該模式的工程指南是以人類行為為基礎，利用隧道內人員密度確定人員移動速度。

STE 模式則側重于路徑規劃和引導體系，擁堵處理結合工程委會人員的運動。如果工程維護人員間的距離和最近點的路徑超過特定閥值，可規劃新的套型規劃路徑，以適應形勢變化。軟件利用獨有的圖形建模、仿真以及人員模型技術，對工程維護人員群體中的個體運動都進行可視化的模擬演練，可準確規劃個體臨災時最佳疏散路徑和逃生時間[2]。

Pathfinder 在此項目研究中有以下優點：根據電纜隧道多參量進行建模組合；災難場景的可視化動畫展示，便于過程理解和場景還原；軟件建模工作井和電纜隧道展示人員逃生路線；確定個體和區域在災難發生時逃生路徑和逃生時間。

2.2 電纜隧道仿真模型

本文選取圓形截面隧道為直徑3.0m、長度為200m、電纜回路數6回路，以此構建典型電纜隧道模型，此外構建長度400m、600m 電纜隧道模型，利用FDS 構建電纜隧道1:1仿真模型，如圖2所示。仿真模型主要包括電纜隧道主體（內含電力電纜、電纜橋架、電纜槽盒等）及連通工作井。本文選取的工作井底下共兩層結構，其中負二層距離地面約14.4m，負一層據地面約5.3m，地面處出入口尺寸為1.0m（長）×1.0m（寬），經適當簡化構建工作井仿真模型。

圖2 電纜隧道仿真模型

2.3 電纜隧道疏散模型構建

基于火災仿真模型（Pyrosim）構建人員疏散平面模型，并添加樓梯、爬梯、門、出口等，具體如圖3所示，在本研究中由于隧道坡度小于千分之五，忽略坡度的影響。

圖3 電纜隧道模型和人員疏散平面模

2.4 疏散仿真參數設置

經過文獻調研，結合SFPE《消防安全手冊》，針對于電纜隧道疏散場景，通常情況下進入電纜隧道內的人員均為專業技術人員，考慮為青壯年男性，因此設置疏散人員模型肩寬0.45±0.05m，緊急情況下步速1.5±0.2m/s，肩寬和步速仿真時通過計算機隨機選取，概率均服從正態分布，人數為2、4或6人。

3 疏散仿真工況設計

設計共9組疏散仿真工況，如表1所示。

表1 人員疏散仿真工況

工況設計考慮圓形隧道（直徑3m）內發生火災后人員疏散，疏散人數分別為2、4、6人，隧道防火分區長度200m、400m、600m，疏散出口間間距為200m、400m、600m，起火位置為隧道中部、端部，豎向疏散通道為爬梯形式，隧道內無其它防火門（墻）及防火門寬度為600mm、800mm、1000m 情況下9組仿真工況，考慮最不利情況，人員疏散初始位置為隧道中部并向同一側疏散。隧道內設計火災探測器類型為感煙火災探測器，且每次仿真時都默認隧道內無煙霧，以保證探測器響應時間基本一致。

4 疏散仿真結果

疏散模擬中將人的疏散速度設為一定范圍內的隨機量，故在本報告中對每種工況下仿真參數進行三次隨機模擬，在三次仿真結束后取平均值得出最終疏散時間。因篇幅關系在本報告每種工況選取一次的模擬結果進行展示[3]。

在本研究中，為確定火災探測時間，設置了相同條件下的電纜通道進行模擬，以10m 間隔布設火災探測器，得出探測器的響應時間為18s。下面以工況1為例，闡述該工況下必須逃生時間計算方法，工況2至工況9計算方法相同，下文不再贅述。

工況1考慮圓形隧道（直徑3m）內發生火災后人員疏散，疏散人數2人，隧道防火分區長度200m、疏散出口間間距為200m，起火位置為隧道中部，豎向疏散通道為爬梯形式，隧道內無其它防火門（墻），考慮最不利情況，人員疏散初始位置為隧道中部并向同一側疏散。

通過三組模擬數據計算，第一個疏散人員平均在68.83s 左右從隧道中部疏散至工作井，平均在90.5s 左右疏散至地面，考慮3段爬梯共14.4m 高，參考文獻《城市綜合管廊電纜艙室火災特性及人員疏散研究》成人男性爬上3m 爬梯所用時間為7s，則通過14.4m 爬梯所用時間為33.6s，因此第一個疏散人員平均疏散運動時間為124.1s（Pathfinder 無法模擬人員通過爬梯的過程）；第二個疏散人員平均在75s 左右疏散至工作井，平均在100s 左右疏散至地面，加上爬梯時間，則第二個疏散人員平均疏散運動時間為133.6s。綜上所述，所有人員完成疏散的運動時間為133.6s。

疏散工況1中，由于人員疏散運動時間為133.6s，火災探測時間為18s（以10m 間隔布設火災探測器時的探測時間），人員響應時間設為5s，安全系數取為1.5，則疏散工況1必需安全疏散時間RSE T=talarm+tresp+αtmove=223.4s。

特別地，若只考慮水平疏散，由于第二個疏散人員平均在75s 左右疏散至工作井，則水平段疏散工況1必需安全疏散時間RSET=talarm+tresp+αt move=135.5s。

匯總疏散工況1至疏散工況9的數據結果得到如下疏散工況數據，見表2。

表2 疏散工況數據（單位：s）

5 結論與建議

綜合對比疏散工況數據，可初步得出以下結論及建議：

對比工況1、2、3不難得出，隨著防火分區長度增加，必需安全疏散時間RSET 也隨之增加，因此防火分區長度越長、越不利于電纜隧道運維人員疏散。

對比工況1、4、5可以發現，當疏散人員從2人分別增加到4人、6人，必需安全疏散時間RSET 也從223.1s、249.1s、266.1s，因此人員數量越多，越不利于人群疏散。

對比工況1、6發現，起火位置在中部和端部時，必需安全疏散時間RSET 分別為223.4s 和325.1s，因此在最不利情況下，起火位置越靠近端部越不利于人員疏散。

對比工況7、8、9可以看出，隨著防火門寬度從600mm 增加至800mm、1000mm，必需安全疏散時間RSET 在相應減少，因此在滿足設計要求前提下應盡量增加防火門寬度。

電纜隧道發生火災人員疏散時，應遵循背火、逆風、就近疏散。