沈陽地鐵特殊站點突發(fā)事件對疏散的影響因素研究

秦華禮 武韜

(東北大學(xué) 沈陽 110819)

0 引言

地鐵站內(nèi)空間有限，大客流疏散過程中時有發(fā)生的突發(fā)事件常常會影響地鐵站客流的疏散，很有可能導(dǎo)致嚴重的后果。

MA P等[1]修改了HELBING D等[2]的經(jīng)典社會力模型，并將該模型用于模擬行人在充滿煙霧的大廳進行疏散，研究了不同行人人數(shù)時疏散時間與視野半徑的關(guān)系。張培紅等[3]根據(jù)大型公共建筑物建筑結(jié)構(gòu)、人員分布情況及火災(zāi)發(fā)展特點，對建筑物進行空間模塊化,建立相應(yīng)的人員疏散行為數(shù)學(xué)模型，并對大型公共建筑物火災(zāi)時的人員疏散行為進行計算機仿真及實例研究。何理等[4]利用調(diào)查問卷和統(tǒng)計分析方法,對南方某城市地鐵兩個車站的乘客在突發(fā)事件下的疏散安全行為進行調(diào)查和統(tǒng)計分析。李丹辰等[5]使用buildingEXODUS軟件研究車站站廳、站臺、設(shè)備區(qū)、?？苛熊嚨榷鄠€區(qū)域火災(zāi)場景下乘客疏散所需的時間，分別研究地鐵車站內(nèi)閘機及柵欄門、自動扶梯、應(yīng)急出口等設(shè)施的運行狀態(tài)對疏散結(jié)果的影響。潘科等[6]通過調(diào)查統(tǒng)計人群的數(shù)量、年齡、性別等參數(shù),應(yīng)用Pathfinder軟件建立地鐵換乘車站人員疏散模型,對該站在不同情況下發(fā)生緊急事件的人群疏散進行研究，并找到疏散過程中不利于人群疏散的“關(guān)卡”。

綜上，目前的研究多為針對單個小場景以及典型地鐵車站的模擬分析，而對地鐵車站的實地調(diào)研和實際參數(shù)較少。對于換乘形式采用廳—廳換乘的T形特殊車站的疏散研究，應(yīng)考慮到同用站廳情況下的人員載荷和典型地鐵車站的不同之處。同時，已有的模擬研究僅考慮了近期或過去的車站運行狀況，而地鐵實際運營周期長達幾十年。因此，本文以廳—廳換乘的T形特殊車站為研究對象，通過調(diào)研地鐵線路設(shè)計文件，研究整個運營壽命周期內(nèi)的最大載荷狀況，研究各種突發(fā)情況對地鐵疏散的影響及地鐵人員疏散規(guī)律，對特殊站點運營壽命全周期的安全疏散工作提供依據(jù)。

1 模型構(gòu)建

1.1 仿真軟件

選擇的疏散模擬軟件Pathfinder是一套由美國Thunderhead Engineering公司研發(fā)的簡單、直觀、易用的新型智能人員緊急疏散逃生評估系統(tǒng)。利用計算機圖形仿真和游戲角色領(lǐng)域技術(shù)，對多個群體中的每個個體運動都進行圖形化的虛擬演練，也可以根據(jù)需要設(shè)置不同人員的屬性(行走速度、身高、肩寬等)。Pathfinder軟件采用的模型中，人員智能化程度高，并且在Steering模式下人與人之間會保持合理的距離，與實際情況較為符合。

1.2 參數(shù)設(shè)置

1.2.1 車站模型

選擇研究的車站為九號線和十號線的換乘車站。同步設(shè)計，同期施工，十號線在下，九號線在上，兩站形成T型換乘，均為14 m島式站臺車站，設(shè)置有九號線和十號線的聯(lián)絡(luò)線。十號線車站為3層站，車站總長為175.10 m；九號線車站為2層站，車站總長為215.45 m；地下一層為兩線共用的站廳層，中部為兩線車站共用的公共區(qū)，九號線車站公共區(qū)中部與十號線車站公共區(qū)大里程端相接，呈T形布置，公共區(qū)由欄桿及進出站閘機分隔成付費區(qū)和非付費區(qū)。

十號線地下三層為站臺層，站臺計算長度為118 m；九號線地下二層為站臺層，站臺計算長度為118 m，寬為14 m。十號線與九號線各設(shè)兩組連通站臺和站廳的樓扶梯，每組樓扶梯包括一部1 m寬上行扶梯、一部1 m寬下行扶梯、一部2.2 m寬樓梯。另外，十號線結(jié)合垂直電梯設(shè)置一部上行扶梯，在疏散過程中不采用垂直電梯，并且自動扶梯將停運，用于人員疏散。九、十號線共用站廳一共包括6個出入口。根據(jù)功能劃分，十號線車站包含1、2、3號出入口通道，其中1、2號通道寬度均為6 m， 3號通道寬度為5 m；九號線車站包含4、5、6號出入口通道，其中4號通道寬度為6 m，5、6號通道寬度均為5 m。在疏散過程中，站臺層人員通過閘機口和員工通道后，利用樓梯和扶梯向站廳外疏散，站廳層共有 8個閘機口，通往地面共有 6個疏散出口。

地鐵線路列車均選用鋼輪鋼軌、粘著牽引的B型車。車體長度為19 m(帶司機室車長度為19.5 m)，車體寬度為2.8 m(最大處)，客車每側(cè)設(shè)4對對開車門，車門開度為1.3 m，門檻以上高度為1.8 m。整個壽命周期內(nèi)列車編組為6輛車，列車載客能力如表1所示，建立的物理仿真模型如圖1所示。

表1 列車載客能力 人

圖1 某地鐵站結(jié)構(gòu)輪廓

1.2.2 人員參數(shù)

Pathfinder可以設(shè)置不同的人員參數(shù)，主要的人員參數(shù)有行人速度、肩寬、所占比例等。為了研究超員載荷情況，根據(jù)人員年齡將乘客分為青年、中年和老人小孩，具體參數(shù)如表2所示。

表2 地鐵乘客參數(shù)

根據(jù)十號線初、近、遠期高峰小時客流量表與系統(tǒng)運輸能力設(shè)計表，遠期(2040年)早高峰上行方向站臺進站客流最大，如表3、表4所示。車站超高峰系數(shù)按照 1.35 計算。為了更好地反映實際情況，進行疏散的總?cè)藬?shù)中需增加20名列車工作人員。

表3 十號線遠期早高峰小時客流 人/h

表4 九號線遠期早高峰小時客流 人/h

(1)十號線斷面客流：24 938×1.35÷30=1 123(人)<1 440+20=1 460(人/列)，故列車疏散計算人數(shù)Q1=1 460人，站臺上候車乘客人數(shù)Q2=(7 069+2 427)×1.35÷30=428(人)，故疏散總?cè)藬?shù)Q=Q1+Q2=1 460+428=1 888(人)。

(2)九號線斷面客流：20 258×1.35÷30=912(人)<1 440+20=1 460(人/列)，故列車疏散計算人數(shù)Q1=1 460人，站臺上候車乘客人數(shù)Q2=(5 222+1 584)×1.35÷30=307(人)，故疏散總?cè)藬?shù)Q=Q1+Q2=1 460+307=1 767(人)。

1.2.3 疏散參數(shù)

必需安全疏散時間(RSET)是受困人員從火災(zāi)發(fā)生至疏散到安全地點所用的時間，通常包括3個部分[7]：

tRSET=talarm+tpre+tmove

(1)

式中，tRSET為必需安全疏散時間；talarm為報警系統(tǒng)探測到災(zāi)情并發(fā)出報警的時間；tpre為人員從接收到報警通知到準備疏散的反應(yīng)時間；tmove為從開始疏散到離開危險區(qū)域的疏散時間。

為確保人員安全疏散，就必須使可用安全疏散時間(ASET)比必需安全疏散時間長，即

tASET>tRSET

(2)

根據(jù)《地鐵設(shè)計規(guī)范》(GB 50157—2013)[8]第28.2.11條，車站站臺公共區(qū)的樓梯、自動扶梯、出入口通道，應(yīng)滿足當發(fā)生火災(zāi)時 6 min內(nèi)將遠期或客流控制期超過高峰小時一列進站列車所載的乘客及站臺上的候車人員全部撤離站臺到達安全區(qū)的要求。

2 模擬工況

2.1 超員載荷場景

為了防止產(chǎn)生人員密度過大的安全隱患，地鐵站列車不會同時到站。模擬計算采用的十號線站臺極端人員載荷擬取1 888人，其中列車內(nèi)乘客1 460人，站臺區(qū)域待車乘客428人；九號線站臺極端人員載荷擬取1 767人，其中列車內(nèi)乘客1 460人，站臺區(qū)域待車乘客307人。車站站廳層認為是安全區(qū)域，但是為了更符合實際情況，額外設(shè)置公共站廳人數(shù)為200人。在此疏散設(shè)定下，整個站內(nèi)共有3 855人進行疏散，最后一位人員疏散至站廳層和車站區(qū)域外部的用時分別為329.0、357.3 s。

各個疏散出口的人流量變化如圖2所示。由圖可知，在10.5 s之前，所有出口的人流速率均在上升，站廳層乘客陸續(xù)疏散至車站外；在10.5 s之后，1、6號出口人流速率持續(xù)增加，在約15 s時開始波動，在此時間段內(nèi)出口疏散的人群為站臺層乘客；同時，在10.5 s之后，2、3、4、5號出口人流速率短暫降低，在約23 s時開始增加，此時來自站臺的乘客已經(jīng)陸續(xù)從扶梯和樓梯疏散至站廳層。

圖2 各個疏散出口的人流量變化

在疏散過程中，1、4號出入口的人流速率均達到了5人/s，這是由于選擇從九、十號線站臺右側(cè)疏散到站廳層的乘客距離1、4號出入口距離相當。2號出入口人流速率在60 s時降低為0，在142 s時開始上升并波動，最大為0.8人/s，在273 s時降低為0；但是在2號出入口對面的3號出入口，最高人流速率達到了5人/s，這是由于乘客從十號線左側(cè)疏散至站廳層后選擇3號出入口距離更短、障礙更少，只有在疏散高峰期3號出入口的閘機達到通過能力上限后，才有部分乘客選擇更遠但人員分布更少的2號出入口進行疏散。

5號出入口到九號線左側(cè)扶梯、樓梯口距離較遠，更多的乘客選擇站廳對面的4號出入口；96 s時5號出入口人流速率增加，這是因為一部分從十號線站臺右側(cè)疏散的乘客通過公共站廳疏散至4號出入口閘機；113 s時4號出入口閘機已經(jīng)產(chǎn)生擁堵現(xiàn)象，更多乘客選擇更遠但擁堵更少的5號出入口，5號出入口人流速率增加至2.78人/s；隨著人員逐漸離開站臺層，各個疏散出入口的人流量逐漸減少。

243 s時十號線站臺層人員已經(jīng)全部上升至站廳層，307 s時最后一位人員走上九號線站臺層通向站廳層的樓梯，上升至九號線的乘客幾乎全部選擇更近的4、6號出入口。357.3 s時全部人員離開車站，疏散結(jié)束。

研究地鐵站的疏散過程發(fā)現(xiàn)站臺層樓梯口是影響疏散的主要環(huán)節(jié)，此外，站廳層的閘機位置也對疏散產(chǎn)生了一些影響。40.6 s時十號線人員分布情況如圖3、圖4所示?？梢钥闯?，乘客從列車疏散至站臺層后尋找就近的樓梯，并在出口位置形成人員密度大、流速低的擁堵。疏散開始后，站臺層樓梯出口處的人員密度達到了3人/m2的最大值。由于車廂內(nèi)的人員不斷進入站臺層，而且樓梯、扶梯的通行能力不能及時把人員輸送到站廳層，導(dǎo)致人員在樓梯口處不斷聚集并產(chǎn)生擁堵，很容易產(chǎn)生因為人員密度過大造成的擁擠、踩踏、推搡等復(fù)雜的突發(fā)情況，導(dǎo)致在疏散過程中形成車站空間內(nèi)暫時或長期不能通過的區(qū)域。

圖3 40.6 s時十號線人員分布

圖4 40.6 s時十號線人員密度分布

2.2 超員載荷下車站突發(fā)情況場景

2.2.1 站臺層樓梯口擁堵

研究疏散過程的人員分布情況可知，在場景空間有限的情況下，人員會在疏散出入口附近形成扇形放射狀聚集區(qū)。地鐵車站站臺寬度僅為13.7 m，限制了人員的行動，故在圖4中樓梯出入口形成的扇形人員聚集區(qū)中心位置設(shè)置不可通過區(qū)域來模擬疏散過程中可能發(fā)生的突發(fā)情況。不可通過區(qū)域的面積大小對應(yīng)發(fā)生各種突發(fā)情況時候停滯的人員數(shù)量。在Pathfinder軟件中，1 m2容納的人數(shù)約為3人，設(shè)置不同大小的不可通過區(qū)域來表示不同等級的突發(fā)情況。由于Pathfinder軟件的Steering模式考慮了人員路徑規(guī)劃和防碰撞因素,所以將人員擁堵形成的不可通過區(qū)域簡化為正方形區(qū)域進行研究。

根據(jù)以上設(shè)定進行模擬，模擬結(jié)果如表5所示。由表可知，隨著突發(fā)時間影響區(qū)域的增加，所需要的安全疏散時間不斷增加，且6人(2 m2)以下的擁堵區(qū)域?qū)κ枭r間的影響不大。當影響區(qū)域達到3 m2，即約9人停滯時，對疏散時間的影響很大。當列車達到極限載荷狀態(tài)及90%極限載荷，九號線站臺層人數(shù)為307人，十號線站臺層人數(shù)為428人，發(fā)生各種規(guī)模突發(fā)情況的疏散時間均不能滿足規(guī)范要求。當列車人數(shù)為極限載荷的80%(1 168人)時，發(fā)生6人以下小規(guī)模突發(fā)情況的安全疏散時間<300 s，滿足規(guī)范要求。當列車人數(shù)為極限載荷的70%(1 022人)時，發(fā)生大規(guī)模突發(fā)情況的安全疏散時間為282.8 s，滿足規(guī)范要求。因此，在列車乘客人數(shù)達到極限載荷的80%時，需要工作人員采取限流、導(dǎo)流措施。一方面控制進入車站人員，另一方面引導(dǎo)列車上的人員，避免發(fā)生各種影響疏散的突發(fā)事件。

表5 樓梯口突發(fā)情況模擬統(tǒng)計

2.2.2 站廳層閘機出口擁堵

人員從站臺層通往站廳層后，需要穿過閘機才可以疏散至地鐵站外。由于該車站閘機寬度為0.55 m，在全開情況下只能供1人通過。站臺層疏散至站廳層的人員因為閘機的通過能力不足而在閘機附近產(chǎn)生低速人群出現(xiàn)擁堵，閘機出入口附近人員速度如圖5所示?？梢钥闯?，隨著人員靠近閘機出入口，速度逐漸降低。

圖5 閘機口處人員速度分布

為了研究站廳層閘機出口突發(fā)情況造成的擁堵對整個疏散的影響，在發(fā)生擁堵情況的閘機口處設(shè)置為不可通過。每個閘機寬度為0.55 m，并且將閘機口的特殊通道設(shè)置為關(guān)閉狀態(tài)，模擬結(jié)果如表6所示。由表可知，隨著可通過閘機口的減少，所需要的安全疏散時間不斷增加。當列車達到極限載荷狀態(tài)及90%極限載荷，九號線站臺層人數(shù)為307人，十號線站臺層人數(shù)為428人，發(fā)生各種規(guī)模的突發(fā)情況的疏散時間均不能滿足規(guī)范要求。當列車人數(shù)為極限載荷的80%(1 168人)時，發(fā)生3個以下閘機口突發(fā)情況的安全疏散時間<300 s，滿足規(guī)范要求。當列車人數(shù)為極限載荷的70%(1 022人)時發(fā)生3個以下閘機口突發(fā)情況的安全疏散時間<300 s，滿足規(guī)范要求。由于通向車站外的閘機擁堵，疏散出車站的時間大大增加，因此在列車乘客人數(shù)達到極限載荷的90%時，需要站廳工作人員采取導(dǎo)流措施，并打開特殊通道作為疏散使用，防止從站臺層上升至站廳層的大量人員在閘機口擁堵產(chǎn)生安全隱患，影響安全疏散過程。

表6 閘機口突發(fā)情況模擬統(tǒng)計

疏散中的停滯時間總和可以反映疏散過程的效率，最大停滯時間是指每個人員在疏散中經(jīng)歷突發(fā)情況時的各段停滯、擁堵時間的最大值，可以反映不同突發(fā)情況對整個疏散過程的效率影響。閘機在不同的擁堵情況下列車70%～100%極限載荷的最大停滯時間分布如圖6～圖8所示?？梢钥闯?，隨著列車載荷的不斷減少，疏散中的最大停滯時間的峰值也在減少。其中，1個閘機出現(xiàn)擁堵時的最大停滯時間達到135.03 s；2個閘機出現(xiàn)擁堵時的最大停滯時間達到141.60 s；3個閘機出現(xiàn)擁堵時的最大停滯時間達到150.15 s，以上情況均發(fā)生在列車100%極限載荷狀態(tài)下。

圖6 1個閘機擁堵時列車不同載荷下的最大停滯時間分布

圖7 2個閘機擁堵時列車不同載荷下的最大停滯時間分布

圖8 3個閘機擁堵時列車不同載荷下的最大停滯時間分布

為了研究閘機擁堵對整個疏散過程的影響大小，對模擬結(jié)果進行處理，計算各個工況下的最大停滯時間在整個疏散過程停滯時間中的占比，結(jié)果如表7所示?？梢钥闯?，在同樣的突發(fā)情況擁堵下，最大停滯時間占比最大值處在100%極限載荷和90%極限載荷，達到79%。說明列車載荷越大，疏散至站廳層的人員在閘機口擁堵處發(fā)生的停滯對疏散的影響越關(guān)鍵。由此得出，列車載荷是疏散過程中影響安全疏散時間的重要因素。

表7 最大停滯時間占比

疏散過程中的人員總停滯時間最大值結(jié)果如表8所示?？梢钥闯?，同樣的載荷下總停滯時間最大值隨閘機的擁堵數(shù)量增加而變長，最長甚至超過了GB 50157—2013規(guī)定的6 min疏散時間。說明在已無法控制列車人員數(shù)量的情況下，應(yīng)該避免在閘機口位置產(chǎn)生擁堵。閘機口處的擁堵最多可以增加99.6 s的停滯時間，對整個疏散過程影響較大。

表8 總停滯時間最大值 s

3 結(jié)論

(1)通過對根據(jù)地鐵設(shè)計文件確定的單列極限超員載荷列車乘客進行模擬疏散，發(fā)現(xiàn)影響站臺層乘客疏散的主要空間因素是站臺層樓梯口的位置和數(shù)量。對各個疏散出口的人流量變化特征進行分析，發(fā)現(xiàn)閘機口是影響上升至站廳層的人員向車站外疏散的關(guān)鍵因素。每個閘機位置出現(xiàn)3個擁堵的情況下，整個疏散時間最多會比正常情況增加33.8%。

(2)站臺層樓梯口和站廳層閘機口產(chǎn)生擁堵均會影響安全疏散時間。當列車載荷在80%及以上時，樓梯口產(chǎn)生的突發(fā)性擁堵會使安全疏散時間超過300 s；控制列車極限載荷80%以下，沒有9人以上停滯的突發(fā)情況發(fā)生時可以滿足規(guī)范疏散時間要求。當列車載荷在90%及以上時，站廳層閘機口產(chǎn)生的突發(fā)性擁堵會使安全疏散時間超過300 s。列車載荷越大，最大停滯時間占總停滯時間的比例越大，最高達到了79%。閘機口附近的突發(fā)擁堵最多會增加99.6 s的停滯時間，大大影響了疏散過程。

(3)由于站臺層上升至站廳層的人員在閘機口附近產(chǎn)生大量停滯現(xiàn)象，在不能及時控制列車人員的情況下，車站工作人員應(yīng)做好引導(dǎo)引流措施，及時疏散站廳層人員離開車站，避免出現(xiàn)擁堵情況。

綜上，在列車載荷達到極限載荷的80%、車站站臺層達到極限載荷時應(yīng)開展應(yīng)急措施，對人員進行引導(dǎo)，避免樓梯口和閘機口出現(xiàn)擁堵等突發(fā)情況影響正常的客流出入站和應(yīng)急疏散。應(yīng)急疏散過程中，當人員疏散至站廳層后，需要進一步采取開啟特殊通道等措施緩解閘機口的通行壓力。