地鐵隧道橫向疏散門設計參數(shù)研究

付維綱，姜學鵬，王木群

(1.中鐵第四勘察設計院集團有限公司城市軌道與地下工程設計研究院，湖北武漢 430063;2.中南大學土木工程學院，湖南長沙 410075;3.湖南省交通規(guī)劃勘察設計院隧道處，湖南長沙 410008)

武漢三陽路隧道為我國第一條公路與地鐵合建水下盾構(gòu)隧道，盾構(gòu)段全長2600m，其盾構(gòu)橫斷面布置如圖1所示。地鐵行車方向左側(cè)富?？臻g設計作為公共疏散通道，作為上層公路隧道和下層地鐵隧道人員逃生空間。當?shù)罔F隧道列車發(fā)生火災且列車動力喪失時，人員需打開列車側(cè)門向縱向逃生平臺上疏散，然后經(jīng)橫向疏散門進入到非火災區(qū)間(疏散通道)內(nèi)避難。顯然，人員到達安全區(qū)域的時間取決于疏散門的間距和寬度，間距越小、寬度越大則人員疏散至安全區(qū)域的時間越短，因而疏散門的間距和寬度是關(guān)鍵的參數(shù)。

《地鐵設計規(guī)范》［1］中規(guī)定:橫向平行設置的兩條單線區(qū)間隧道，當區(qū)間內(nèi)需連續(xù)設置兩處以上(含兩處)聯(lián)絡通道時，相鄰兩個聯(lián)絡通道之間的距離不應大于600m。本地鐵隧道疏散門初步設計間距100m，共設置25個疏散門，疏散門的尺寸0.9m(寬)×2.2m(高)，逃生平臺寬度為 0.7m。由于本隧道疏散方式與規(guī)范中的聯(lián)絡通道疏散方式不同，相關(guān)規(guī)范對設計的指導意義有限，需對其設計參數(shù)的合理性進行驗證。本研究通過疏散軟件對多個疏散門間距和尺寸進行模擬計算，對比分析不同疏散門間距和尺寸對人員疏散行動時間的影響，給出疏散門設計的推薦值，并獲得推薦疏散門設計下人員安全疏散所需時間。

圖1 武漢三陽路盾構(gòu)隧道斷面圖(單位:mm)

1 疏散參數(shù)及疏散工況

1.1 疏散人數(shù)

本地鐵列車采用4動2拖A型車6輛編組，編組型式:Tc－MP－M*M－MP－Tc，其中Tc為帶司機室的拖車、MP為帶受電弓的動車、M為不帶受電弓的動車，各組車廂型式如表1所示。每輛車的最大載客量正常狀況下為310人/節(jié)，全列車載客量1860人。

表1 地鐵A型車廂尺寸

1.2 分析方法

人員疏散的全過程包括探測、報警、識別、反應、疏散行動等幾個過程，所需要的時間包括探測時間、報警時間、識別時間、反應時間和疏散行動時間等［2］。列車內(nèi)部人員疏散所需要的總時間可以分成以下的各個時間段:

式中:td為探測時間，從火災發(fā)生到探測出火災的時間，s;ta為報警時間，從探測出火災到通知人員發(fā)生火災的時間，s;to為人員識別時間，從聽到或看到火災信號到人員意識到必須采取措施的時間，s;ti人員反應時間，從人員開始對火災信號做出反應，進行如查看火情、收拾行李物品、召集家人等疏散前的準備，直至疏散行動開始的時間，s;te為疏散行動時間，即疏散行動從開始到結(jié)束所需的時間，包括人員移動時間和在出口的排隊等候時間，s。

1)探測與報警時間(td+ta)。

對于車廂內(nèi)設置有線性光束感煙探測系統(tǒng)，設定火災探測時間td=60s。

地鐵車廂內(nèi)的人員密集，工作人員能夠及時確認火災發(fā)生、發(fā)展的情況，并發(fā)出報警，因此設定旅客列車火災報警時間ta=30s。

2)人員識別與反應時間(to+ti)。

本項目地鐵列車有廣播系統(tǒng)，人員處于清醒狀態(tài)，易于確認火災報警并找到疏散方向，設定識別時間to=60s。

與識別階段類似，人員反應階段時間長短也與空間的環(huán)境狀況有密切關(guān)系，從數(shù)秒到數(shù)分鐘不等。地鐵列車有條件通過嚴格有效的管理，能及時組織人員進行疏散，設定反應時間ti=30s。

3)人員疏散行動時間(te)。

人員疏散行動時間則通過疏散行動時間采用Pathfinder2009.2軟件模擬確定，疏散模型選用Steering模式，步行速度設為 0.7 ～1.2m/s，路徑選擇為 Hierarchical。

1.3 疏散場景設定

本隧道中人員逆風向到通風側(cè)上游，并繼續(xù)通過橫向疏散門向疏散通道逃生，以相鄰的疏散通道作為準安全區(qū)。人員疏散選取最不利情況，將火源位置設定在最不利于逃生的第三節(jié)車廂尾處附近。若將列車前段火災時起火位置設為第三節(jié)車廂尾處，列車后段火災時起火位置設為第四節(jié)車廂頭處，則兩種情形下的人員疏散組織及路徑具有對稱性。假設列車位于通風區(qū)段中段第三節(jié)車廂尾處、且火源位于兩橫向疏散口之間，為逃生避難最大可信的位置。地鐵隧道人員疏散場景設置如表2所示。

表2 地鐵隧道人員疏散場景

2 人員疏散行動時間模擬結(jié)果與分析

2.1 疏散門寬度對疏散結(jié)果影響

場景SA、SB、SC的疏散行動時間如表3所示。

從表3可以看出，疏散門的寬度由0.9m增加到1.2m和1.5m時，疏散行動時間僅減小10s和13s，即疏散門寬度并未顯著影響人群疏散行動時間。這是因為:從“車廂→縱向疏散平臺→疏散門→疏散通道(安全區(qū)域)”整個疏散路線來看，縱向疏散平臺的寬度僅為0.7m?？紤]人員在行走時為保持身體的平衡而擺動兩側(cè)的手臂，因而人員在疏散平臺上疏散時，要與側(cè)壁保持一定的距離，而不是緊貼著側(cè)壁或扶手行走。因此，可認為在縱向疏散或疏散出口的邊界存在一個邊界層，這一部分寬度不能被人員疏散利用，故在進行逃生計算時應扣除邊界層的寬度，疏散通道或出口凈寬度減去邊界層寬度后的寬度稱為有效疏散寬度［3］，各類通道應扣除邊界層寬度如表4所示［4］。因縱向疏散外側(cè)壁不設置欄桿，故其邊界層厚度為0.15m，則疏散平臺有效疏散寬度為0.55m。人群在縱向疏散上行走時，僅為一縱列，從而導致不論疏散門寬度大小，人群通過疏散門時同一時刻僅有一人通過，故其縱向疏散是整個疏散線路上的瓶頸。因此，增大疏散門寬度雖減少了邊界效應的影響，使疏散門的有效寬度由0.6m(門寬0.9m 時)增加到0.9m(門寬1.2 m 時)、1.2m(門寬 1.5m 時)，但縱向疏散這個疏散“瓶頸”的存在使得疏散行動時間并未隨疏散門寬度的增加而明顯減小。

表3 疏散場景SA、SB、SC的疏散行動時間te比較

圖2 SA～SE疏散場景示意圖

圖3 SF疏散場景示意圖

表4 各類通道邊界層的寬度值

由于疏散門的寬度越大，則其縫隙與漏風量以及制作成本越大，從通風可靠性和經(jīng)濟性來看，疏散門的寬度取0.9m是合理的。

2.2 疏散門間距對疏散結(jié)果影響

場景SA、SD、SE的疏散行動時間見表5。

表5 疏散場景SA、SD、SE的疏散行動時間te比較

從表5可以看出:隨著疏散門間距的縮短，人群所需疏散行動時間也會減少。這是由于疏散間距減小了，使人群在縱向疏散平臺上的行走距離縮短，從而減少了疏散行動時間。但并不是間距越小、疏散門越多越好，要與疏散人數(shù)匹配才能達到最好的效果，不至于能力閑置。且間距越小，門的布置數(shù)量越多，其施工成本越高，同時疏散門的漏風量也越大，故從安全和成本綜合考慮，推薦取疏散門的間距為100m、門寬為0.9m，其與初步設計值相同。

3 通風有效時人員安全疏散所需時間

考慮最不利情況，模擬時設定為火災發(fā)生在列車第3節(jié)車廂的后部，且此時兩端通風有效。設每100m設一疏散門，門寬0.9m。模擬時，設定人群采用2個疏散門疏散。疏散場景SF示意如圖4所示，疏散過程如圖5所示，各疏散路徑上的人員數(shù)量如圖6所示。

圖4 疏散場景SF示意圖

圖5 疏散場景SF各時刻人員疏散狀態(tài)

圖6 各疏散路徑上的人員數(shù)量變化

經(jīng)模擬計算，該場景下人群疏散行動時間te為1333s。人群通過車廂側(cè)門的平均通行速率為0.38人/s，人群通過疏散門的平均通行速率為1.28人/s。且已知火災探測時間td=60s，報警時間ta=30s，人員識別時間to=60s，人員反應時間ti=30s，則列車火災人員安全逃生所需時間(RSET)為:RSET=td+ta+(to+ti)+te=1513s。

4 結(jié)論

地鐵隧道橫向疏散門的寬度、間距對列車火災人員安全逃生所需時間有著顯著的影響。通過模擬計算得到疏散口間距為100m、寬度為0.9m為推薦設計，驗證了初步設計的合理性。

假定火災發(fā)生在列車中部(第3節(jié)車廂后部)，起火點位于兩疏散門中間。通風排煙方向與車行方向相同。則4～6節(jié)車廂單側(cè)門全開，1～3節(jié)車廂乘客進入4～6節(jié)車廂進行疏散，經(jīng)縱向疏散平臺進入疏散通道所需的安全疏散時間為1513s。

［1］GB 50157－2003，地鐵設計規(guī)范［S］.

［2］楊 玲，張靖巖，肖澤南.建筑消防安全與性能化設計［M］.北京:化學工業(yè)出版社，2010.

［3］Pauls J. Movement of people［Z］. SFPE Handbook of Fire Protection Engineering.NFPA Quincy MA，USA 1988.

［4］Nelson H. E. ，MacLennan H. A. Emergency movement［Z］.SFPE Handbook of fire protection engineering. NFPA Quincy MA，USA 1988.