地鐵消防疏散問題思考與研究

郭桃明，曹宇齊

（1. 深圳鐵路投資建設(shè)集團(tuán)有限公司，廣東深圳 518026；2. 深圳地鐵運(yùn)營(yíng)集團(tuán)有限公司，廣東深圳 518026）

地鐵系統(tǒng)以其高效、準(zhǔn)時(shí)成為大城市的主要公共交通形式，但因其人員密集，地鐵消防一直是各方關(guān)注的重點(diǎn)?！兜罔F設(shè)計(jì)防火標(biāo)準(zhǔn)》（GB 51298-2018）于2018年5月14日頒布，于2018年12月1日正式實(shí)施。該標(biāo)準(zhǔn)總結(jié)部分地區(qū)的地鐵工程消防設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，標(biāo)準(zhǔn)的正式發(fā)布給地鐵消防設(shè)計(jì)、審查、審批和驗(yàn)收提供了依據(jù)。同時(shí)新規(guī)范帶來新問題，同樣值得同行關(guān)注和思考。特別是《地鐵設(shè)計(jì)防火標(biāo)準(zhǔn)》關(guān)于地鐵車站防火分區(qū)面積不超過5 000 m2、地鐵站臺(tái)至站廳安全疏散時(shí)間為4 min等方面的原則和深圳地方地鐵標(biāo)準(zhǔn)多線換乘廳防火分區(qū)面積不超過15 000 m2、安全疏散通道順直、疏散面積和疏散速度等原則存在較大的差異。文章對(duì)此問題進(jìn)行了研究。

1 國(guó)外地鐵火災(zāi)統(tǒng)計(jì)分析

1.1 起火分析

1987年11月18日，英國(guó)倫敦地鐵君王十字車站，發(fā)生了一起31人死亡、大量人員受傷的重大火災(zāi)。這是世界地鐵史上繼1903年法國(guó)巴黎地鐵發(fā)生死亡84 人大火之后，又一起罕見的災(zāi)難性事故，引起了各國(guó)消防、地鐵管理等部門的關(guān)注。1995年10月28日傍晚，在阿塞拜疆首府巴庫(kù)的地鐵內(nèi)發(fā)生了一場(chǎng)火災(zāi)，造成至少289人死亡，265人受傷。這次事故是阿塞拜疆迄今乃至蘇聯(lián)時(shí)期以來損失最為慘重的一次地鐵火災(zāi)。2003 年2月18日上午，由于一名中年男子縱火，造成韓國(guó)大邱市地鐵1號(hào)線的中央路車站2列滿載乘客的地鐵列車被燒毀，共造成198人死亡，146人受傷，289 人失蹤。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，國(guó)外地鐵曾多次發(fā)生火災(zāi)事故，損失慘重。

通過對(duì)1903年至2004年近百年地鐵火災(zāi)事故的統(tǒng)計(jì)，從起火原因分析，縱火、爆炸5起，占比11%；吸煙煙頭4起，占比9%；電氣線路和設(shè)備故障12起，占比26%；操作故障6起，占比13%；其他4起，占比9%。根據(jù)數(shù)據(jù)表明電氣火災(zāi)、縱火、吸煙和操作故障等是造成火災(zāi)的主要原因，如圖1所示。因此對(duì)此方面進(jìn)行預(yù)防治理是防止火災(zāi)發(fā)生的重點(diǎn)。

圖1 起火原因占比圖

從起火部位分析，列車起火21起，占比46%；站廳、站臺(tái)起火6起，占比13%；隧道起火3起，占比6%；其他不確定的事故16起，占比35%。從起火比例來看，站廳、站臺(tái)起火僅為1成左右，而列車起火占比5成左右，如圖2所示。從起火部位分析起火原因，主要是因?yàn)榱熊嚧蠖嗖捎每扇夹圆牧?，而站廳、站臺(tái)存有可燃物較少。隧道火災(zāi)是由于違章施工和電線電纜火災(zāi)引起。列車火災(zāi)占比較大主要原因?yàn)榱熊噧?nèi)部裝飾、座椅材料大多是可燃性材料，目前國(guó)內(nèi)地鐵車輛已均采用不燃和阻燃材料，基本消除列車起火擴(kuò)大可能性。其他不確定的事故主要是因?yàn)橄噜徤虡I(yè)火災(zāi)引起，有的上面是商場(chǎng)營(yíng)業(yè)廳，有的連接商業(yè)街，有的站廳內(nèi)包含部分商業(yè)服務(wù)項(xiàng)目等。這些地方可燃物多，而且餐廳還有燃?xì)?、明火，增加了火?zāi)危險(xiǎn)性，一旦著火會(huì)影響到整個(gè)地鐵站的安全。目前深圳地鐵站廳商鋪均為密閉艙式，且面積為100 m2，其他商業(yè)與地鐵車站均設(shè)有防火分隔，防止了此類火災(zāi)事故發(fā)生。

圖2 起火部位占比圖

1.2 致死原因分析

從致死直接原因看，因窒息致死占比49.8%；燒灼致死占比29.8%；中毒致死占比3.4%；摔傷致死占比1%；爆炸致死占比0.4%；砸傷致死占比0.2%；其他原因致死占比15.4%，而窒息致死與燒灼致死占比超8成，如圖3所示。研究表明，煙霧主要成分是游離碳、干餾物粒子、高沸點(diǎn)物質(zhì)的凝縮液滴等，同時(shí)火災(zāi)會(huì)產(chǎn)生大量的氰化物、二氧化碳、一氧化碳等有毒有害氣體?；馂?zāi)中，一般認(rèn)為最有毒的氣體是一氧化碳。同時(shí)，燃燒中產(chǎn)生的熱空氣被人吸入，會(huì)嚴(yán)重灼傷呼吸系統(tǒng)軟組織，造成人員窒息死亡。并且由于燃燒氧氣被消耗，所以火災(zāi)中環(huán)境呈低氧狀態(tài)，導(dǎo)致缺氧，引起窒息。還有一種原因是火焰或熱氣流損傷大面積皮膚，引起各種并發(fā)癥而致人死亡。

圖3 火災(zāi)致死原因占比圖

2 消防設(shè)計(jì)原則及策略

消防要求根據(jù)不同類型的建筑功能，采用有針對(duì)性的消防策略。因此深圳地鐵以《地鐵地下車站防火分區(qū)、煙氣控制與人員疏散系統(tǒng)設(shè)計(jì)導(dǎo)則》為指導(dǎo)，其總體思想為：①車站內(nèi)部采用不燃和阻燃材料，避免車站發(fā)生火災(zāi)的可能，同時(shí)商業(yè)空間采用封閉艙室，避免商業(yè)發(fā)生火災(zāi)影響車站公共區(qū)；②增加站廳公共區(qū)面積，保證乘客之間的距離，提高人員疏散速度；③疏散通道內(nèi)部平順、無障礙物，改善疏散條件；④加強(qiáng)車站的防排煙設(shè)計(jì)，通過增加排煙設(shè)施提高排煙速度，通過在較小防煙分區(qū)面積增加儲(chǔ)煙空間等措施，降低煙氣擴(kuò)散的速度，減少乘客因火災(zāi)的煙氣而受到傷害。

深圳地鐵網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃中，多線換乘的樞紐節(jié)點(diǎn)多，多線換乘樞紐客流量大。早期車站因受面積限制，導(dǎo)致客流交織嚴(yán)重，在車站內(nèi)部正常情況下客流也存在行動(dòng)緩慢的情況。同時(shí)為方便組織客流在車站內(nèi)部設(shè)置了大量導(dǎo)流欄桿，更加影響消防疏散。目前深圳地鐵采用《地鐵地下車站防火分區(qū)、煙氣控制與人員疏散系統(tǒng)設(shè)計(jì)導(dǎo)則》后，通過增加防火分區(qū)面積提高消防疏散速度，解決存在的消防隱患。

3 站廳面積和消防疏散

3.1 防火分區(qū)面積規(guī)定

對(duì)于地下車站站臺(tái)公共區(qū)消防面積限值，各方存在爭(zhēng)議，但都以《地鐵設(shè)計(jì)防火標(biāo)準(zhǔn)》中的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)建設(shè)。《地鐵設(shè)計(jì)防火標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定站廳公共區(qū)面積不宜大于5 000 m2。為滿足此規(guī)定，換乘站公共區(qū)需設(shè)置多處防火卷簾門和防火門，從而造成車站日常使用困難、消防疏散障礙、環(huán)境空間品質(zhì)下降等問題。深圳地鐵標(biāo)準(zhǔn)《地鐵地下車站防火分區(qū)、煙氣控制與人員疏散系統(tǒng)設(shè)計(jì)導(dǎo)則》規(guī)定，多線換乘共用一個(gè)站廳公共區(qū)時(shí)，兩線共用站廳公共區(qū)的面積不應(yīng)大于10 000 m2。三線共用站廳公共區(qū)的面積不應(yīng)大于15 000 m2，當(dāng)面積大于15 000 m2時(shí)應(yīng)設(shè)自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)。目前深圳地鐵福田站綜合交通樞紐、車公廟樞紐均按此標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行，項(xiàng)目建成以來運(yùn)轉(zhuǎn)良好，作為增加的新標(biāo)準(zhǔn)，解決了曾經(jīng)困擾的問題，為后期地鐵建設(shè)提供了新遵循。

3.2 站廳面積及疏散速度

3.2.1 站廳面積計(jì)算

人員疏散特點(diǎn)非常復(fù)雜，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了大量的觀測(cè)、分析和研究。其中Predtechenskii和Milinskii通過對(duì)不同類型建筑物內(nèi)外人流速度和人員密度的大量觀測(cè)和統(tǒng)計(jì)分析，研究認(rèn)為常流態(tài)最佳密度值為0.92 人/m2。根據(jù)統(tǒng)計(jì)分析水平通道、樓梯上人員流動(dòng)速度和人員密度的關(guān)系，以及流動(dòng)通道出口的流動(dòng)能力，得出人流密度和疏散關(guān)系，如表1所示。

表1 人流密度和疏散關(guān)系

《固定導(dǎo)軌運(yùn)輸和有軌客運(yùn)系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)》（NFPA130-2014）的附錄C.1規(guī)定，站廳疏散人數(shù)應(yīng)為進(jìn)站乘客和各線雙方向下車乘客之和，進(jìn)站乘客最高可采用高峰小時(shí)15 min進(jìn)站客流作為乘車客流荷載。根據(jù)實(shí)際統(tǒng)計(jì)情況，一般進(jìn)站客流停留在站廳的時(shí)間小于6 min。

站廳面積計(jì)算公式：

式（1）中，S為站廳最小面積；ρ為人員疏散最小人流密度；P為站廳人員總荷載。

站廳人員總荷載計(jì)算公式：

式（2）中，P1為高峰小時(shí)6 min進(jìn)站客流；P2為高峰小時(shí)6 min出站客流；P3為高峰小時(shí)6 min站廳換乘客流。

以紅樹灣站為例，高峰小時(shí)進(jìn)站客流約為45 900人，故每6 min為 45 900×（6 / 60）= 4 590人；高峰小時(shí)出站客流約為44 330人，故每6 min為44 330×（6 / 60）= 4 433人；站廳高峰小時(shí)換乘客流約為1 770人，故每6 min為1 770×（6 / 60）= 177人。考慮高峰系數(shù)1.25，站廳總?cè)藛T荷載為1.25×（4 590 + 4 433 + 177） =11 500人。根據(jù)人員疏散最小0.92人/ m2人流密度極限值，紅樹灣站站廳面積至少應(yīng)大于11 500人×0.92人/ m2=10 580 m2，根據(jù)設(shè)計(jì)計(jì)算數(shù)值與現(xiàn)場(chǎng)比較，基本符合情況。

3.2.2 疏散速度計(jì)算

地鐵是人員密集的場(chǎng)所，火災(zāi)情況下很容易引起人員驚慌失措，可能互相擁擠而跌倒、相互踩踏，引發(fā)群集傷害事故，需要將群集流動(dòng)理論應(yīng)用于火災(zāi)疏散。

日本、英國(guó)、加拿大和美國(guó)在群集行為規(guī)律方面做了大量研究，單個(gè)人在自由空間里行進(jìn)，步速為1～2 m/s左右。在人數(shù)眾多，即群集的情況下，由于受場(chǎng)所的限制，群集的步速取決于人群的密度。人員疏散可定量表示為3個(gè)基本特征，分別為密度ρ、速度V和流量f。這3個(gè)基本特征值與通道寬度w的關(guān)系可表述為：

Predtechenskii和Milinskii給出了水平方向上人員行走速度與人流面積投影密度之間的經(jīng)驗(yàn)公式，以及緊急狀態(tài)下的經(jīng)驗(yàn)公式，根據(jù)公式繪制出曲線，如圖4所示。根據(jù)上述的經(jīng)驗(yàn)公式可知增加站廳的面積可以提高疏散速度，在保證站廳任一點(diǎn)距疏散口距離小于50 m的情況下，可減少人員疏散時(shí)間；在相同的時(shí)間情況下可增加疏散距離。

圖4 緊急疏散人群密度和疏散速度曲線

4 站臺(tái)至站廳消防疏散

《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定事故疏散撤離站臺(tái)時(shí)間為6 min，扶梯考慮1部檢修的折減，下行扶梯可以轉(zhuǎn)換為上行疏散梯。而《地鐵設(shè)計(jì)防火標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定事故疏散撤離站臺(tái)時(shí)間為4 min，且僅可以采用上行扶梯疏散，并考慮1部扶梯檢修的折減。兩者相差2 min，扶梯折減也存在差異。對(duì)比發(fā)現(xiàn)《地鐵設(shè)計(jì)防火標(biāo)準(zhǔn)》疏散時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)是參照《固定導(dǎo)軌運(yùn)輸和有軌客運(yùn)系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)》（NFPA130-2014），同時(shí)火災(zāi)工況下逆向運(yùn)轉(zhuǎn)的自動(dòng)扶梯不能參與疏散。

以深圳地鐵標(biāo)準(zhǔn)站為例，如圖5所示，車站中部設(shè)T型樓梯，兩側(cè)設(shè)八字雙扶梯，以《地鐵設(shè)計(jì)防火標(biāo)準(zhǔn)》計(jì)算，下行扶梯不參與計(jì)算，每端僅有1部上行扶梯，再考慮折減1部上行扶梯，即出現(xiàn)一端2部扶梯都不能用作疏散，疏散設(shè)施僅剩中部T型樓梯和另一端的1部上行扶梯，將出現(xiàn)站臺(tái)距離疏散點(diǎn)距離不滿足的情況。

圖5 深圳地鐵標(biāo)準(zhǔn)站公共區(qū)布置圖

為解決此問題，《固定導(dǎo)軌運(yùn)輸和有軌客運(yùn)系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)》（NFPA130-2014）英文版規(guī)范5.3.5.6、5.3.5.7、5.3.5.8 3項(xiàng)條款分別對(duì)自動(dòng)扶梯疏散進(jìn)行了詳細(xì)規(guī)定。5.3.5.6條款規(guī)定自動(dòng)扶梯參與疏散時(shí)應(yīng)折減1部且應(yīng)折減疏散能力最大的1部扶梯。5.3.5.7條款第一款規(guī)定疏散扶梯應(yīng)采用不燃材料，第二款規(guī)定和疏散方向相同的扶梯應(yīng)當(dāng)繼續(xù)運(yùn)行。第三、四款規(guī)定和疏散方向相反的自動(dòng)扶梯可就地、遠(yuǎn)程停止運(yùn)行的可用作疏散，并對(duì)扶梯提出了相關(guān)警示要求。5.3.5.8條款指出有或沒有中間平臺(tái)的自動(dòng)扶梯，不論垂直上升與否，均可作為疏散設(shè)施。

5 結(jié)論及建議

（1）通過對(duì)100多年國(guó)外地鐵火災(zāi)總結(jié)，起火主要原因是站廳、站臺(tái)存有可燃物，列車采用可燃材料；消防設(shè)施不完善，如自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)、自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)、防排煙設(shè)施、應(yīng)急疏散照明等設(shè)施嚴(yán)重不足，致使火災(zāi)發(fā)生時(shí)不能起到早期報(bào)警、早期滅火、及時(shí)引導(dǎo)疏散的作用；消防安全管理制度不到位，如攜帶危險(xiǎn)品上車、亂丟煙頭引發(fā)火災(zāi)；電氣設(shè)備線路老化及操作故障；沒有真正建立起消防救援體系，火災(zāi)發(fā)生后不能及時(shí)有效地展開救援等，因此需要注意避免。

（2）防火分區(qū)面積應(yīng)與建筑功能匹配。防火分區(qū)限定面積不是目的，而是讓乘客可更快從防火分區(qū)中疏散出去。地鐵站廳公共區(qū)均為開敞空間，不存在站廳公共區(qū)分割情況，消防工況下人員的逃生路徑明確。若站臺(tái)層發(fā)生火災(zāi)，站廳即視為安全區(qū)域，應(yīng)在此提供足夠多空間容納進(jìn)站乘客和逃生乘客，避免人員集中發(fā)生踩踏事故。若站廳層發(fā)生火災(zāi)，每點(diǎn)位置與消防疏散口的距離應(yīng)滿足逃生要求。

（3）不應(yīng)限制站廳防火分區(qū)面積。結(jié)合地鐵站廳公共區(qū)特點(diǎn)，應(yīng)消除制約站廳防火分區(qū)面積的各種因素，縮小每點(diǎn)位置到消防疏散口距離，以確保消防逃生的時(shí)間要求。若采用較小防火分區(qū)，因消防工況下逃生路徑和日常行走路徑差異較大，可能造成群集傷害事故或逃生失敗。

（4）地鐵車站進(jìn)出站客流量受乘客需求決定。假設(shè)以高峰客流作為計(jì)算值，故流量為定值，出入口通道投入使用后，也為定值。顯而易見，疏散速度和密度成反比。故較大的站廳面積將出現(xiàn)較小的乘客密度，從而提高疏散速度，縮短疏散時(shí)間。

（5）根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，與疏散方向相反的扶梯可臨時(shí)用作疏散。標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了扶梯僅能在停止運(yùn)行工況下用作疏散設(shè)施，即可作為樓梯形式參與疏散。這一點(diǎn)與地鐵設(shè)計(jì)領(lǐng)域常用標(biāo)準(zhǔn)吻合，也與實(shí)際的工況吻合。

6 結(jié)語

地鐵因人員密集，消防問題引起了各單位的高度關(guān)注。文章結(jié)合深圳地鐵消防實(shí)踐和相關(guān)消防研究標(biāo)準(zhǔn)，認(rèn)為地鐵車站應(yīng)根據(jù)之前地鐵火災(zāi)發(fā)生的原因和火災(zāi)致傷致死案例進(jìn)行消防設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)中務(wù)必多采用不燃和阻燃材料，采取措施避免發(fā)生火災(zāi)。為降低火災(zāi)致傷致死情況，首先應(yīng)控制防煙分區(qū)面積，限制火災(zāi)影響范圍，對(duì)地鐵商業(yè)采用密閉艙式，避免商業(yè)可燃物火災(zāi)影響地鐵車站；增加公共區(qū)面積，提高乘客疏散速度；保證疏散通道相對(duì)順直，并保證運(yùn)營(yíng)期間的順暢。通過對(duì)地鐵消防疏散問題的思考研究，筆者認(rèn)為單純考慮著火后如何疏散，已不能滿足新時(shí)代的消防要求，應(yīng)該從著火源頭、疏散過程等方面著手解決消防安全問題。