雙洞單線高鐵隧道列車中部火災(zāi)人員最優(yōu)疏散模式研究*

劉松濤　衛(wèi)文彬　歐宸

（1.中國建筑科學(xué)研究院建筑防火研究所　北京100013；　2.住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部防災(zāi)研究中心　北京100013；3.中國礦業(yè)大學(xué)（北京）資源與安全工程學(xué)院　北京100083）

雙洞單線高鐵隧道列車中部火災(zāi)人員最優(yōu)疏散模式研究*

劉松濤1，2衛(wèi)文彬3歐宸1

（1.中國建筑科學(xué)研究院建筑防火研究所北京100013；2.住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部防災(zāi)研究中心北京100013；3.中國礦業(yè)大學(xué)（北京）資源與安全工程學(xué)院北京100083）

分析了雙洞單線隧道疏散設(shè)計概況，針對隧道疏散最不利的列車中部火災(zāi)場景，建立了人員疏散路徑選擇網(wǎng)絡(luò)模型?；诤侠淼募僭O(shè)，確定了雙洞單線隧道列車中部火災(zāi)的5種疏散路徑，并運用圖解法求解出了最優(yōu)疏散時間與列車位置關(guān)系的數(shù)學(xué)方程式，確定了最優(yōu)疏散路徑選擇模式。通過pathfinder數(shù)值模擬對比分析可知，最優(yōu)疏散路徑選擇模式的理論模型與模擬結(jié)果高度吻合，可以準(zhǔn)確計算出人員安全疏散所需時間 ，對改善隧道疏散設(shè)計，減少人員傷亡具有重要意義。

高鐵隧道 列車 橫通道 疏散模式 pathfinder數(shù)值模擬

0　引言

隨著我國高鐵建設(shè)的快速推進(jìn)，高鐵隧道在高鐵線路中所占的比重越來越大，不斷增加的隧道數(shù)量及長度勢必導(dǎo)致隧道列車火災(zāi)風(fēng)險增大，由于隧道空間相對封閉、斷面較小，隧道火災(zāi)往往具有熱、煙危害嚴(yán)重，人員逃生條件差，消防救援難度大等特點，如何確保隧道火災(zāi)條件下人員的安全疏散，國內(nèi)外眾多學(xué)者對此進(jìn)行了大量研究。但是對于鐵路隧道人員疏散的研究基本上是從宏觀方面把握，給出整體的設(shè)計方案，針對性較弱。本文將針對長及特長雙洞單線隧道最不利于人員安全疏散的列車中部火災(zāi)情況下的人員安全疏散進(jìn)行研究，通過建立的疏散模型對人員疏散模式進(jìn)行優(yōu)化研究，以期得到此最不利工況的最優(yōu)疏散模式，從而達(dá)到減少人員傷亡，降低經(jīng)濟(jì)損失的目的。

1　隧道及高鐵列車概況

1.1雙洞單線隧道概況

根據(jù)參考文獻(xiàn)［1］～文獻(xiàn)［3］中有關(guān)雙洞單線隧道疏散設(shè)計的要求，可將其概括總結(jié)為如下幾點：①長及特長隧道應(yīng)設(shè)置橫通道，應(yīng)利用橫通道等設(shè)施設(shè)置緊急出口。②橫通道間距不應(yīng)大于500 m，凈寬不應(yīng)小于2.3 m。③隧道內(nèi)應(yīng)設(shè)置貫通的單側(cè)救援通道，地面應(yīng)保持平整，寬度不宜小于1.5 m。

1.2CRH2A型列車概況

以CRH2A-2011型列車編組為例，各個車廂配置如下表1所示。

表1　CRH2A-2011型列車車廂配置

列車在隧道中的不同?？课恢脤θ藛T疏散路徑的選擇具有重要影響，因此，筆者在本文中只針對列車停靠于雙洞單線隧道兩橫通道之間這一情況展開具體分析。

2　人員疏散路徑選擇

根據(jù)雙洞單線隧道的設(shè)計概況，在不考慮火災(zāi)發(fā)生的前體下，人員對疏散路徑的選擇可以看作是一個隨機(jī)概率事件，可能的路徑選擇方式便可以用以下網(wǎng)絡(luò)模型表示。

圖1　人員疏散路徑選擇網(wǎng)絡(luò)模型

因此，人員從車廂疏散到橫通道的路徑組合種類可用以下公式計算：

其中 ，S為人員所有疏散路徑組合種類的總數(shù)；Cn為第n節(jié)車廂內(nèi)的人數(shù)，n為車廂的編號，n=1，2，3…，8。

在實際的隧道疏散中 ，由于受到列車?？课恢谩⒒馂?zāi)位置、隧道通風(fēng)模式、人的從眾心理等的影響，人員疏散路徑的選擇便會限定在一定的范圍內(nèi)。

為了便于對隧道人員疏散模式的分析，本文進(jìn)行如下假設(shè)：

（1）列車發(fā)生火災(zāi)的車廂只有一節(jié)，即火災(zāi)不會在車廂之間蔓延，分析過程中不考慮煙氣能見度等對人員疏散的影響。

（2）當(dāng)隧道風(fēng)機(jī)啟動時，上風(fēng)側(cè)的人員處于安全區(qū)域，但仍需疏散至上風(fēng)側(cè)橫通道內(nèi)。

（3）不考慮人員之間的行為動作，對疏散路徑的分析從人員走出車廂開始，假設(shè)各車廂人員在車廂內(nèi)的行動時間均相同 ，記作 Tstart。

（4）不考慮人員交叉疏散，同一節(jié)車廂的人員所選擇的疏散路徑相同。

基于上述假設(shè)，可以對人員的疏散路徑選擇進(jìn)行簡化，隧道人員對于疏散路徑的選擇便可根據(jù)著火車廂的不同分為列車頭部火災(zāi)人員疏散，列車尾部火災(zāi)人員疏散及列車中部火災(zāi)人員疏散3種情況。

當(dāng)火災(zāi)位于列車端部（頭部或尾部）時，由于隧道通風(fēng)模式的確定性，從而使人員的疏散路徑相對簡單，隧道內(nèi)人員全部向上風(fēng)側(cè)疏散。因此，本文對這兩種情況不再做進(jìn)一步分析。

當(dāng)火災(zāi)位于列車中部車廂（第4節(jié)或5節(jié)車廂）時，無論采取何種通風(fēng)方式都必然導(dǎo)致至少有4節(jié)車廂的人員位于下風(fēng)側(cè)。根據(jù)上述假設(shè)，隧道中所有人員的疏散路徑選擇種類可縮減為5種，如下表2所示。

表2　列車中部火災(zāi)人員疏散路徑

3　最優(yōu)疏散路徑求解

在對下風(fēng)側(cè)車廂人員進(jìn)行疏散時，各車廂人員疏散至下風(fēng)側(cè)橫通道或起火車廂上風(fēng)側(cè)所需的疏散時間可以用如下公式進(jìn)行計算：

式中，TAn為第n節(jié)車廂人員疏散至下風(fēng)側(cè)橫通道所需時間，s；TBn為第n節(jié)車廂人員疏散至起火車廂上風(fēng)側(cè)所需時間，s；Tstart為人員從車廂疏散至救援通道所需時間 ，保守取65 s［4］；l為列車車廂長度，取25 m；Δv為人員疏散速度，m/s；s為第一節(jié)車廂距離下風(fēng)側(cè)橫通道的距離，0 m≤s≤300 m。

根據(jù)Fruin［5-6］疏散模型 ，人員在隧道救援通道內(nèi)的疏散速度與人員密度可以用如下線性關(guān)系式表示：

式中 ，ρ為人員密度，0.2人/m2≤ρ≤4.0人/m2；其他符號同上。

因此，上述5種不同疏散路徑各自所需的疏散時間可以用下式表示：

TN=max｛（TAn，TBn）｝ （N=1，2，3，4，5）（4）式中，TN為第N種疏散路徑所需的疏散時間，s；其他符號同上。

由此可得到隧道人員最優(yōu)疏散路徑所需的疏散時間為：

式中，T為隧道人員最優(yōu)疏散路徑所需疏散時間，s；其他符號同上。

根據(jù)隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計資料及列車各車廂人員分布情況，可以分別求出各個疏散路徑所需時間的方程表達(dá)式，如下表3所示。

表3　各疏散路徑所需時間方程式匯總

運用圖解法對上述數(shù)學(xué)模型中的方程組進(jìn)行求解，如圖2所示。

根據(jù)上圖，隧道內(nèi)人員最優(yōu)疏散路徑所需的疏散時間可以用以下方程式表示：

圖2　不同起火位置的最優(yōu)疏散路徑

由此可知，雙洞單線隧道列車中部（第4或5節(jié)車廂）火災(zāi)時，人員的最優(yōu)疏散路徑與第一節(jié)車廂距離下風(fēng)側(cè)橫通道的距離有關(guān)，當(dāng)0 m≤s≤19 m時，人員的最優(yōu)疏散路徑為路徑I；當(dāng)19 m≤s≤106 m時，人員的最優(yōu)疏散路徑為路徑IV；當(dāng)106 m≤s≤300 m時，人員的最優(yōu)疏散路徑為路徑V。

4　數(shù)值模擬驗證分析

論文采用pathfinder對上述理論分析結(jié)果進(jìn)行數(shù)值模擬驗證。根據(jù)SFPE《消防安全手冊》，人員的構(gòu)成及平面行走速度設(shè)定為：35%成年男性，速度1.2 m/s；30%成年女性，速度1.0 m/s；20%老人，速度0.9 m/s；15%兒童，速度0.8 m/s。

因此，根據(jù)列車?？课恢玫牟煌O(shè)置隧道人員疏散場景，如下表4所示。

通過對場景A～場景F進(jìn)行人員疏散數(shù)值模擬，對各個場景中疏散路徑I～V的人員安全疏散時間分布進(jìn)行繪圖，如圖3所示。

圖3　各場景不同疏散路徑安全疏散時間分布

（1）場景A～場景F的最優(yōu)疏散路徑依次為：路徑III，路徑III，路徑IV，路徑IV，路徑V，路徑V。

（2）疏散路徑I～I(xiàn)V的安全疏散時間隨著列車距離下風(fēng)側(cè)橫通道的距離的增大而逐漸增大；疏散路徑V的安全疏散時間為常數(shù)，與列車?？课恢脹]有直接關(guān)系，但列車與下風(fēng)側(cè)橫通道的距離越遠(yuǎn)，疏散路徑V越接近最優(yōu)路徑。

（3）對于所有的疏散場景 ，均存在 TI＞TII＞TIII，此結(jié)果主要是由于人員擁擠等因素造成的。

（4）TIV在各個場景中與 TIII和 TV都比較接近 ，但當(dāng)列車距離下風(fēng)側(cè)的距離較?。▓鼍癆）或較大（場景E、F）時，它們之間相差也較大。

對各個場景的最優(yōu)疏散路徑和最優(yōu)疏散時間進(jìn)行統(tǒng)計匯總，同時根據(jù)理論得出最優(yōu)疏散路徑所需的疏散時間的方程式對各個場景的最優(yōu)疏散路徑及最優(yōu)疏散時間進(jìn)行求解，然后將模擬結(jié)果與理論計算結(jié)果進(jìn)行對比分析，如下表5所示。

表5　數(shù)值模擬與理論計算結(jié)果對比分析

場景A中，考慮s=10 m，對應(yīng)驗證理論模型中的第一段方程式 ，即0 m≤s≤19 m，此時理論模型中的最優(yōu)疏散路徑為路徑III，最優(yōu)疏散時間為 T= 151 s。從表中可知數(shù)值模擬結(jié)果中路徑III為最優(yōu)疏散路徑，最優(yōu)疏散時間為132 s，與理論計算結(jié)果的相對誤差為12.6%，相差不大，從而驗證了理論模型。

場景B、C、D中，考慮 s=50 m、s=80 m及 s= 100 m 3種情況，對應(yīng)于理論模型中的第二、三段方程式，即19 m≤s≤106 m，此時理論模型中的最優(yōu)疏散路徑均為路徑IV，最優(yōu)疏散時間分別為：165 s、181 s及203 s。從表中可以看出，當(dāng) s=50 m時，數(shù)值模擬結(jié)果的最優(yōu)疏散路徑為路徑III，最優(yōu)疏散時間為167 s，相對誤差僅為1.2%，最優(yōu)疏散時間與理論計算結(jié)果極為接近，但是最優(yōu)路徑與理論模型不同。從圖3最優(yōu)疏散路徑圖中可以看出 ，當(dāng)s=50 m時，路徑III與路徑IV的疏散時間十分接近；路徑IV的數(shù)值模擬結(jié)果為174 s，與路徑III的模擬結(jié)果以及理論計算結(jié)果都十分接近 ，因此，在模擬結(jié)果中出現(xiàn)這種情況是合理的。當(dāng) s=80 m及 s=100 m時，數(shù)值模擬的結(jié)果中的最優(yōu)疏散路徑均為路徑IV，最優(yōu)時間分別為177 s和172 s，相對誤差分別為2.2%和15.6%，與理論計算結(jié)果十分接近，進(jìn)一步加強了對理論模型的驗證。

場景E、F中，考慮s=150 m及 s=200 m這兩種情況，對應(yīng)驗證理論模型中的第四段方程式，即106 m≤s≤300 m，此時理論模型中的最優(yōu)疏散路徑為路徑V，最優(yōu)疏散時間為 T=207 s。從表中可知數(shù)值模擬結(jié)果中對應(yīng)的最優(yōu)疏散路徑也均為路徑V，且最優(yōu)疏散時間也是207 s，相對誤差為0.0%，與理論計算結(jié)果相同，充分驗證了理論模型的準(zhǔn)確性。

5　結(jié)論

（1）分析了雙洞單線隧道疏散設(shè)計概況，建立了隨機(jī)概率事件下人員疏散路徑選擇網(wǎng)絡(luò)模型，并給出了人員疏散路徑組合種類的計算公式。

（2）建立了不同疏散路徑人員安全疏散所需時間的計算公式，確定了隧道人員最優(yōu)疏散路徑的求解模型，并運用圖解法得出了最優(yōu)路徑的選擇模式以及最優(yōu)疏散時間與列車?？课恢玫臄?shù)學(xué)方程式。

（3）通過設(shè)置6組不同列車位置的隧道人員疏散場景，對最優(yōu)疏散路徑選擇模式的理論模型進(jìn)行人員疏散數(shù)值模擬驗證，結(jié)果表明，理論模型與模擬結(jié)果十分吻合，充分驗證了疏散模擬的準(zhǔn)確性與可行性。

［1］鐵道第三勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司.鐵路工程設(shè)計防火規(guī)范（TB 10063—2007）［S］.北京：中國鐵道出版社，2007.

［2］鐵道第二勘察設(shè)計院.鐵路隧道設(shè)計規(guī)范（TB 10003—2005）［S］.北京：中國鐵道出版社，2005.

［3］鐵道第三勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司.鐵路隧道防災(zāi)救援疏散工程設(shè)計規(guī)范（TB 10020—2012）［S］.北京：中國鐵道出版社，2012.

［4］李修柏.高速鐵路長大隧道列車火災(zāi)安全疏散研究［D］.上海：中南大學(xué)，2013.

［5］李思成 ，王偉，趙耀華，等.幾個典型隧道火災(zāi)問題研究進(jìn)展［J］.建筑科學(xué)，2014，30（10）：94-105.

［6］Fruin J J.Pedestrian planning and design［M］.New York：Metropolitan Association of Urban Designer and Environmental Planners，1971.

Research on the Optimal Evacuation Mode for The Middle Train Compartment Fire of Single-track High-speed Railway Tunnels

LIU Songtao1，2WEIWenbin3OU Chen1
（1.Institute of Building Fire Research，China Academy of Building Research Beijing 100013）

Evacuation design profiles of single-track high-speed railway tunnels are analyzed，and the path selection network modelof evacuation is established under the mostserious condition ofmiddle train compartment fire.Based on several reasonable assumptions，five paths are confirmed for the middle train compartmentfire of single-track high-speed railway tunnels；by using the graphicalmethod，mathematical equations of the relationship between the optimal evacuation time and the train position is calculated，and the optimal evacuation model is determined.The results of pathfinder numerical simulation analysis are highly consistentwith the theoreticalmodel，and the safe evacuation time can be calculated exactly，which will help to improve the evacuation design and reduce casualties and property losses.

high-speed railway tunnel train transverse passage way evacuation mode pathfinder numerical simulation

中國建筑科學(xué)研究院自籌資金課題（20140111330730049）。

劉松濤 ，男 ，1978年生，博士，高級工程師，主要從事安全工程、火災(zāi)及消防工程等領(lǐng)域的研究。

（2015-09-15）