車輛-人員荷載條件對隧道人員疏散時間的影響

陳詩明，張玉春，杜 晟，曹應龍，王 飛

(1.西南交通大學 地球與環(huán)境科學學院，四川 成都 611756；2.安徽省交通規(guī)劃設(shè)計研究總院股份有限公司，安徽 合肥 230000)

車輛-人員荷載條件對隧道人員疏散時間的影響

陳詩明1，張玉春1，杜 晟1，曹應龍1，王 飛2

(1.西南交通大學 地球與環(huán)境科學學院，四川 成都 611756；2.安徽省交通規(guī)劃設(shè)計研究總院股份有限公司，安徽 合肥 230000)

隧道人員疏散時間是合理設(shè)計疏散通道和火災風險評估的依據(jù)。為此，系統(tǒng)分析了車輛、人員等因素對人員疏散時間的影響，并利用人員疏散仿真模擬軟件，建立了隧道橫通道人員疏散模型，開展了不同人員荷載密度、車輛位置對人員疏散時間的影響研究，分析了發(fā)生疏散通道人員堵塞時的人員荷載條件，研究了車輛停車位置對人員疏散通行能力的影響。研究結(jié)果表明：低人員荷載密度條件下，人員疏散時間計算主要以人員運動時間為主，而高人員荷載密度下，人員疏散時間計算主要取決于人員堵塞時間；隧道內(nèi)車輛的停車間距對人員疏散時間影響較小，但隧道疏散出口處的車輛停車位置將影響人員疏散的通行能力，合理的禁停標志線有助于減少疏散通道車輛?？课恢脤θ藛T疏散時間的影響。

公路隧道；車輛；人員荷載密度；人員疏散；數(shù)值模擬

由于隧道為狹長空間，發(fā)生火災時隧道人員通常很難快速到達隧道出入口，疏散通道的作用就是保證人員在緊急情況下能夠快速、安全地逃離事故地點，轉(zhuǎn)入相對安全的區(qū)域。因此，設(shè)置疏散通道時，應能夠保證人員在火災達到危險狀態(tài)之前，全部疏散到安全區(qū)域，這也是國際上提倡的建筑物性能化防火設(shè)計方法的基本思想[1]，基于該思想，國內(nèi)外許多學者利用經(jīng)驗公式和仿真軟件對山嶺公路隧道和水下公路隧道火災時的人員疏散逃生時間進行了分析。如張玉春等通過現(xiàn)場實驗獲取了不同寬度和照度條件下橫通道人員的通行能力，為經(jīng)驗公式基本參數(shù)提供了理論依據(jù)；褚冠全等[3]采用數(shù)值模擬分析了不同疏散準備時間下，通道寬度變化對疏散時間的影響，并發(fā)現(xiàn)疏散準備時間服從正態(tài)分布時，總的疏散時間也服從正態(tài)分布并向右平移一個值；NILSSON等研究了首批疏散人員的行為與隧道內(nèi)感知設(shè)備對人員疏散過程的影響；范磊等[5]定義了“人員安全疏散的臨界時間”和“人員安全疏散的臨界距離”，并得出了特長隧道進出口段和中間段的人行橫通道的平均間距。

現(xiàn)有的人員逃生時間的計算分析，主要基于人員疏散過程的察覺時間、確認時間和疏散逃生時間來計算[6-8]，但該過程很少關(guān)注車輛對人員疏散時間的影響。公路隧道人員疏散是車輛、人員、隧道等多場環(huán)境相互耦合影響的過程，車輛的停車間距、停車位置將影響人員疏散時間。筆者通過分析人員、車輛和疏散通道對人員疏散時間的相互影響關(guān)系，基于仿真模擬軟件，開展了公路隧道車輛-人員耦合作用下的人員疏散時間研究，為合理計算人員疏散時間和設(shè)計疏散通道提供了依據(jù)。

1 人員疏散時間計算公式

疏散通道的設(shè)置，應能夠確保人員在火災達到危險狀態(tài)之前，全部疏散到安全區(qū)域。隧道火災時的人員逃生行為，將經(jīng)歷察覺、確認事件信息、下車、主隧道逃生、疏散通道逃生等過程，確認信息可能是下車之前或之后，為了便于分析，筆者將人員逃生行為分為3個階段：察覺、確認火災信息階段(包括下車)，主隧道逃生階段，疏散通道逃生階段。即傳統(tǒng)的人員必需安全疏散時間Tr包括察覺、確認火災信息時間Ts，主隧道逃生時間Tt和疏散通道人員通行時間Tc，如式(1)所示[10]。

Tr=Ts+Tt+Tc

(1)

其中，察覺、確認火災時間Ts與隧道火災報警系統(tǒng)和人員特性有關(guān)，現(xiàn)階段Ts通常設(shè)置為60～180 s[11]。人員在主隧道內(nèi)的逃生時間Tt與疏散距離和疏散速度v有關(guān)，計算公式如式(2)所示。

(2)

式中：L為逃生通道間距；v為主隧道內(nèi)的人員逃生速度。

但上述過程沒有考慮到受人員荷載、車輛停靠隧道疏散出口時造成的人員堵塞時間。當隧道內(nèi)人員荷載密度較高、疏散通道通行能力較小及受車輛停靠影響時，人員在疏散通道口將發(fā)生堵塞。這時，人員在疏散通道口的疏散堵塞時間tr與人員離疏散通道的間距L、疏散通道的通行能力p、人員荷載密度n、人員在主隧道的疏散速度v、車輛是否?？縳等因素有關(guān)，可用式(3)計算。

tr=f(L,v,n,p,x)

(3)

因此，合理確定各因素對人員疏散的影響至關(guān)重要，筆者將通過數(shù)值模擬對人員疏散影響因素進行定性定量分析，人員疏散堵塞示意圖如圖1所示，車輛存在情況下人員堵塞示意圖如圖2所示。

圖1 人員疏散堵塞示意圖

圖2 車輛對人員疏散的影響示意圖

2 疏散仿真模型建立及場景

2.1 隧道仿真模型

以某特長公路隧道為模型，借助人員疏散模擬軟件Pathfinder對該公路隧道火災情況下人員疏散進行三維實體模擬，該隧道全長7.9 km，雙洞六車道，單線隧道寬13.5 m，隧道內(nèi)每隔450 m設(shè)置人行橫通道，每隔750 m設(shè)置一處車行橫通道，模型選取長度為920 m的隧道進行疏散模擬分析，隧道橫斷面示意圖和疏散數(shù)值模型分別如圖3和圖4所示。

圖3 隧道橫斷面示意圖

圖4 隧道疏散數(shù)值模型

2.2 工況設(shè)定

(1)人員參數(shù)。隧道內(nèi)疏散人員行走速度一般為1.0～1.5 m/s，筆者取1.0 m/s；人員荷載密度應考慮隧道內(nèi)車型的構(gòu)成、不同車型的載人數(shù)量、車道數(shù)和停車間距等因素，疏散人員荷載密度可根據(jù)式(4)計算[13]：

(4)

式中：d為隧道單位面積的人員荷載密度；ηi為第i類車型的構(gòu)成比例；pi為第i類車型的滿載人數(shù)；φi為第i類車型的人員載客系數(shù)，筆者取1；Li為第i類車型的車型長度；k為車道數(shù)；L為隧道總車道寬度；m為停車間距。相關(guān)參數(shù)取值如表1所示。

表1 相關(guān)參數(shù)值

(2)車輛設(shè)置。針對車輛存在情況，設(shè)置了隧道內(nèi)有無車輛的兩種場景，在有車情況下，車間距分別為1.0 m、1.5 m、2.0 m、3.0 m、5.0 m，停車間距場景示意圖如圖5所示；針對車輛位置情況，考慮了車輛位于距出口不同縱向距離與橫向距離兩種場景：①當車輛中心位于原點時，車輛上邊緣與出口距離分別為1.0 m，1.5 m，3.0 m，共3種工況；②當車輛上邊緣距通道入口平面1.0 m時，中心縱截面在橫坐標上移動，車輛左邊緣位于X=-4，-3，-2，-1，0，1，2，共7種工況，場景示意圖如圖6所示。

圖5 隧道內(nèi)停車間距場景示意圖

圖6 車輛處于不同位置場景示意圖

3 仿真疏散模擬結(jié)果

3.1 停車間距、密度對疏散時間的影響

圖7 人員疏散時間曲線

圖8 堵塞發(fā)生時間曲線

不同人員荷載密度、停車間距下的隧道人員疏散時間曲線如圖7所示，可知在低人員荷載條件下，即人員荷載密度小于0.10 p/m2時，停車間距對人員疏散時間并無影響；在高人員荷載條件下，停車間距越小，疏散時間增加，但增長幅度有限。原因在于：停車間距越小，人員荷載越高，人員在隧道內(nèi)的單位有效疏散通道面積越少，受此影響，人員疏散時間增加，但增長幅度不大，表明停車間距對人員疏散時間影響總體不大。同時，隨著人員荷載密度的增加，疏散時間從基本不變到線性增加；總體上隨著人員荷載變大，堵塞發(fā)生得越早，但是，其與車輛停車間距之間關(guān)系在不同人員荷載密度下效果不一樣，堵塞發(fā)生時間曲線如圖8所示，可知在較低荷載密度下，間距越小，堵塞發(fā)生越早；而在較高荷載密度時，情況相反。

圖9所示為隧道不同人員荷載條件下的人員疏散模擬過程，結(jié)合圖9出口處較大人流量動畫分析原因，在低荷載密度條件下，由于隧道內(nèi)人員數(shù)量較少，人員疏散時間主要受人員疏散距離決定，車輛存在無明顯影響，即人員荷載密度為0.05～0.10 p/m2時人員疏散時間基本不變；但人員荷載密度大于0.10 p/m2后，隨著人員荷載密度增加，疏散通道口發(fā)生堵塞，此時人員疏散時間與疏散通道間距無關(guān)，而是由人員荷載密度和通道口寬度決定。就堵塞發(fā)生時間而言，當處于較低荷載時，車輛越多，出口處可疏散面積越小，人員發(fā)生堵塞越早；當處于較高荷載時，車輛越多反而減緩高人員荷載密度對出口的負擔，通過改變?nèi)藛T疏散路徑，增加了通過出口前的疏散準備時間，延遲了堵塞發(fā)生時間。

圖9 隧道不同人員荷載條件下的人員疏散模擬過程

基于上述研究表明：①在隧道疏散通道設(shè)計過程中，偏遠山區(qū)隧道人員荷載密度較低時，人員疏散時間主要受疏散距離的影響，其橫通道設(shè)計可減少相應寬度，并縮短疏散通道間距；②在城市等人員荷載密度高的隧道，人員疏散時間與疏散通道口的通行能力有關(guān)，可通過增加橫通道寬度，減少疏散時間，同時，根據(jù)堵塞發(fā)生時間制定相應合理的疏散應急預案。

圖10 車輛距出口不同橫向距離與疏散時間曲線

3.2 車輛位置對人員疏散時間的影響

(1)橫向間距的影響。車輛距疏散通道不同橫向距離時的人員疏散時間如圖10所示。當?shù)腿藛T荷載條件時，由于隧道內(nèi)人員較少，車輛?？课恢貌挥绊懭藛T疏散時間。但當達到一定人員荷載密度條件后，隨著車輛?？繖M通道口距離的增加，人員疏散逃生時間逐漸減小并保持不變，表明車輛越靠近橫向疏散口停放，將增加人員的疏散時間。

圖11所示為隧道不同橫向停車間距的人員疏散模擬過程。由圖11可知,當車輛停靠疏散通道口距離1.0 m時，受車輛對人員通行的限制，人員必須穿越車輛進入橫通道，由于停車位置太近，車輛兩邊只能限一股人流進入，即橫通道內(nèi)只有兩股人流通過；而隨著車輛停靠疏散口距離的增加，車輛對人員進入的橫通道的限制減少，當距離為2.0 m時，橫通道內(nèi)可達到3股人流，與無車輛?？繒r基本一致，對人員疏散影響較小。

圖11 隧道不同橫向停車間距的人員疏散模擬過程

圖12 車輛左邊緣到出口中線距離與疏散時間曲線

圖13 隧道不同縱向停車位置的人員疏散模擬過程

(2)縱向間距的影響。距疏散口橫向1.0 m時不同縱向停車距離的人員疏散時間曲線如圖12所示。由圖12可知，當車輛剛好擋住疏散出口時，人員疏散時間最長，隨著車輛遠離疏散出口方向，人員疏散時間快速下降，而車輛返回移動時，疏散時間下降，但降低幅度較小。結(jié)合圖13所示的模擬過程，可知當車輛剛好停靠遮擋疏散出口時，車頭一側(cè)人員疏散面積大，人員大量聚集，人員行走速度降低，進而降低了疏散通道口的通行能力。

因此，在隧道疏散出口合理位置設(shè)置禁止停車線，尤其是橫向停車間距不好控制的條件下，在疏散通道口設(shè)置縱向方向疏散出口寬度距離的禁止停車線，并保證3股人流的通行間距，將有助于減少車輛?？课恢脤θ藛T疏散通道的影響。

4 結(jié)論

筆者通過理論分析和人員疏散仿真研究，開展了不同人員荷載密度、車輛位置對人員疏散時間的影響研究，得出以下結(jié)論：①隧道的人員荷載密度決定人員堵塞條件和時間，低人員荷載密度條件下，人員疏散時間主要取決于人員運動時間；而高人員荷載密度下，人員疏散時間主要取決于人員堵塞時間。②從總體上來說，隧道停車間距對人員疏散時間的影響較小。停車間距越小，疏散時間增加，但增長幅度有限；同時，在高荷載人員密度條件下，隧道停車間距越小，人員疏散路徑變化多，堵塞發(fā)生時間延遲，這對人員疏散方案制定有理論指導意義。③隧道疏散出口處的車輛停車位置對人員疏散通行時間有影響。車輛距出口距離低于2 m時，出口通過率嚴重下降，所以，在進行人員疏散交通管控時，應在行人疏散通道口設(shè)置停車限制，保證出口通行能力不受影響，即保持3股人流的通行間距。

[1] 中華人民共和國公安部. GB 50045-95高層民用建筑設(shè)計防火規(guī)范[S].北京:中國計劃出版社,2014:1-59.

[2] ALMEDIA N, SOUSA V, DIAZ L A, et al. A framework for combining risk management and performance based building approaches[J]. Building Research and Information， 2010,38(2):157-174.

[3] 褚冠全,孫金華,王青松,等.疏散準備時間及出口寬度對人員疏散影響的模擬[J].科學通報,2006,51(6):738-744.

[4] NILSSON D, JOHANSSON M, FRANTZICH H. Evacuation experiment in a road tunnel: a study of human behaviour and technical installations[J]. Fire Safety Journal, 2009,44(4):458-468

[5] 范磊.公路隧道火災對人行橫通道間距設(shè)置的影響研究[D].成都：西南交通大學,2007.

[6] 莊磊,黎昌海,陸守香.我國建筑防火性能化設(shè)計的研究和應用現(xiàn)狀[J].中國安全科學學報,2007,17(3):119-125.

[7] 徐永,廖少明,李偉平.錢江隧道火災疏散可靠性分析[J].公路交通科技，2015,32(2):37-64.

[8] 李偉平,吳德興,楊健.西華嶺隧道火災疏散救援通道參數(shù)研究[J].現(xiàn)代隧道技術(shù),2008(2):22-27.

[9] GLASA J, VALASEK L, HALADA L, et al. Impact of turned cars in tunnel on modelling people evacuation in fire condition[C]∥2013 8th EUROSIM Congress on Modelling and Simulation. Cardiff : IEEE,2013:84-89.

[10] 汪文兵.公路隧道火災人員逃生及安全疏散設(shè)施研究[D].西安：長安大學,2014.

[11] 安永林，彭立敏，楊高尚.特長公路隧道內(nèi)的橫通道間距和車行間距研究[J].災害學，2007,22(2)：128-132.

[12] 霍然.性能化建筑防火分析與設(shè)計[M].合肥：安徽科學技術(shù)出版社，2003:45-68.

[13] 向月.公路隧道疏散橫通道人員通過能力研究[D].成都：西南交通大學,2014.

CHEN Shiming:Postgraduate;School of Environmental Sciences,Southwest Jiaotong University,Chengdu 611756,China.

Effect of Vehicle-Personnel Load Condition on Personnel Evacuation Time in Tunnel

CHENShiming,ZHANGYuchun,DUSheng,CAOYinglong,WANGFei

Road tunnel evacuation time is the basis of rationally designing evacuation channel and fire risk assessment. According to systematically analysis of the influence of vehicles, people etc. on personnel evacuation time, by adopting evacuation simulation software to formulate a tunnel pedestrian channel model, the influence of different personnel density and vehicle location on the evacuation time was studied. The load condition of the personnel when the evacuation channel was blocked was analyzed. The study is carried out to research the influence under different occupant load density and vehicle location. The results show that on the condition of low occupant load densities, people movement time accounts for the main part of evacuation time, while in high density, evacuation time mainly depends on the personnel blocking time; the vehicle parking space in tunnel has little effect on it, but vehicle parking nearby the exit will affect the evacuation capacity of pedestrian channel, so normal parking signs will effectively reduce the effect that vehicle parking position causes on people evacuation time of in tunnel.

highway tunnel; vehicles; occupant load density; evacuation; numerical simulation.

2095-3852(2016)06-0662-05

A

2016-07-09.

張玉春(1980-)，男，四川什邡人，西南交通大學地球科學與環(huán)境工程學院副教授.

國家自然科學基金項目(51578464).

X932

10.3963/j.issn.2095-3852.2016.06.005

收稿日期：陳詩明(1991-)，男，湖北荊州人，西南交通大學地球科學與環(huán)境工程碩士研究生.