電纜隧道人員疏散仿真分析研究

中國(guó)電力工程顧問(wèn)集團(tuán)中南電力設(shè)計(jì)院有限公司 吳高波 但京民 肖明杰 李 健 吳慶華

中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)先進(jìn)技術(shù)研究院 戴玉飛

引言

隨著我國(guó)現(xiàn)代化建設(shè)迅速推進(jìn)電力在工業(yè)中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，電力傳輸安全問(wèn)題也引起人們高度重視。國(guó)內(nèi)長(zhǎng)距離輸電主要靠電纜隧道，而電纜隧道火災(zāi)頻繁發(fā)生由于電纜隧道環(huán)境惡劣、火災(zāi)撲救困難、易復(fù)燃、撲救時(shí)間長(zhǎng)、損失大。目前，國(guó)內(nèi)電纜隧道火災(zāi)研究工作開(kāi)展較少。

本文采用Pathfinder 軟件對(duì)電纜隧道人員疏散進(jìn)行了數(shù)值模擬，研究了防火分區(qū)長(zhǎng)度設(shè)置、人員數(shù)量、火源位置、防火門(mén)寬度對(duì)人員疏散的影響，為電纜隧道防火設(shè)計(jì)及人員疏散提供一定依據(jù)。

研究結(jié)果表明：防火分區(qū)長(zhǎng)度越長(zhǎng)、越不利于電纜隧道運(yùn)維人員疏散；在最不利情況下，起火位置越靠近端部、越不利于人員疏散；人員數(shù)量越多、越不利于人群疏散；在滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求前提下應(yīng)盡量增加防火門(mén)寬度。

1 人員安全疏散分析方法

人員能否安全疏散取決于兩個(gè)特征時(shí)間：可用安全疏散時(shí)間（Available Safety Egress Time，ASET）與必需安全疏散時(shí)間（Required Safety Egress Time，RSET），火災(zāi)人員安全判據(jù)如圖1所示。

圖1 火災(zāi)人員安全判據(jù)示意圖

可用安全疏散時(shí)間主要由災(zāi)害演化過(guò)程決定，可通過(guò)火災(zāi)仿真分析結(jié)合人員耐受極限判據(jù)綜合分析得到。必需安全疏散時(shí)間RSET 是指從起火時(shí)刻起到人員疏散到安全區(qū)域的時(shí)間。緊急情況下的RSET 包括火災(zāi)探測(cè)時(shí)間（Talarm）、預(yù)動(dòng)作時(shí)間(Tpre)和人員疏散運(yùn)動(dòng)時(shí)間(Tmove)，預(yù)動(dòng)作時(shí)間又包括認(rèn)識(shí)時(shí)間(Treg)和反應(yīng)時(shí)間(Tresp)兩部分，即RSET=talarm+tresp+αtmove，α 為安全系數(shù)，工程上通常取為1.5。其中，人員疏散運(yùn)動(dòng)時(shí)間可通過(guò)人員疏散仿真獲得。

人員耐受極限標(biāo)準(zhǔn)參照美國(guó)消防協(xié)會(huì)NFPA 標(biāo)準(zhǔn)、日本工程部《關(guān)于安全疏散和結(jié)構(gòu)耐火性能的“性能化”評(píng)估方法》和澳大利亞《消防工程指南》，設(shè)計(jì)選取人員耐受極限標(biāo)準(zhǔn)如下：能見(jiàn)度方面。安全高度以下能見(jiàn)度小于10m；對(duì)流熱方面。安全高度以下氣體溫度達(dá)到60℃；有害燃燒產(chǎn)物方面。安全高度以下的氣體中CO 濃度達(dá)到1400ppm[1]。

2 電纜隧道仿真模型及疏散模型構(gòu)建

2.1 疏散仿真分析方法選取

用于人員疏散數(shù)值仿真的軟件工具很多，常用的有EXODUS、Pathfinder、AnyLogic、STEPS、Simulex、EVACNET 等。本文對(duì)開(kāi)展實(shí)際使用的軟件Pathfinder 進(jìn)行介紹。Pathfinder 是由美國(guó)TE 公司開(kāi)發(fā)的以人物為基礎(chǔ)的模擬軟件。通過(guò)定義每人員的參數(shù)（人員數(shù)量，行走速度，以及距離的距離）來(lái)實(shí)現(xiàn)模擬過(guò)程中的各自的逃生路徑和時(shí)間模擬，配合實(shí)際層面的建設(shè)模式。Pathfinder 在本文中以Agent-based 為基礎(chǔ)，建立連續(xù)的物理空間和模型，模型中人物以實(shí)際工程維護(hù)人員能力相匹配，人與人、人與隧道管廊墻壁之間設(shè)置完整的處理機(jī)制，還原實(shí)際情景較為真實(shí)。

Pathfinder 通過(guò)導(dǎo)入電力管廊的FDS 模型，建立包括SFPE 模式和STE 模式的人員運(yùn)動(dòng)模式。SFPE 模式以流量為基礎(chǔ)，人員仿真時(shí)會(huì)自動(dòng)移向就近的安全出口。人員間不存在相互擁擠推搡，但列隊(duì)將是以SFPE 假設(shè)為前提。該模式的工程指南是以人類(lèi)行為為基礎(chǔ)，利用隧道內(nèi)人員密度確定人員移動(dòng)速度。

STE 模式則側(cè)重于路徑規(guī)劃和引導(dǎo)體系，擁堵處理結(jié)合工程委會(huì)人員的運(yùn)動(dòng)。如果工程維護(hù)人員間的距離和最近點(diǎn)的路徑超過(guò)特定閥值，可規(guī)劃新的套型規(guī)劃路徑，以適應(yīng)形勢(shì)變化。軟件利用獨(dú)有的圖形建模、仿真以及人員模型技術(shù)，對(duì)工程維護(hù)人員群體中的個(gè)體運(yùn)動(dòng)都進(jìn)行可視化的模擬演練，可準(zhǔn)確規(guī)劃個(gè)體臨災(zāi)時(shí)最佳疏散路徑和逃生時(shí)間[2]。

Pathfinder 在此項(xiàng)目研究中有以下優(yōu)點(diǎn)：根據(jù)電纜隧道多參量進(jìn)行建模組合；災(zāi)難場(chǎng)景的可視化動(dòng)畫(huà)展示，便于過(guò)程理解和場(chǎng)景還原；軟件建模工作井和電纜隧道展示人員逃生路線(xiàn)；確定個(gè)體和區(qū)域在災(zāi)難發(fā)生時(shí)逃生路徑和逃生時(shí)間。

2.2 電纜隧道仿真模型

本文選取圓形截面隧道為直徑3.0m、長(zhǎng)度為200m、電纜回路數(shù)6回路，以此構(gòu)建典型電纜隧道模型，此外構(gòu)建長(zhǎng)度400m、600m 電纜隧道模型，利用FDS 構(gòu)建電纜隧道1:1仿真模型，如圖2所示。仿真模型主要包括電纜隧道主體（內(nèi)含電力電纜、電纜橋架、電纜槽盒等）及連通工作井。本文選取的工作井底下共兩層結(jié)構(gòu)，其中負(fù)二層距離地面約14.4m，負(fù)一層據(jù)地面約5.3m，地面處出入口尺寸為1.0m（長(zhǎng)）×1.0m（寬），經(jīng)適當(dāng)簡(jiǎn)化構(gòu)建工作井仿真模型。

圖2 電纜隧道仿真模型

2.3 電纜隧道疏散模型構(gòu)建

基于火災(zāi)仿真模型（Pyrosim）構(gòu)建人員疏散平面模型，并添加樓梯、爬梯、門(mén)、出口等，具體如圖3所示，在本研究中由于隧道坡度小于千分之五，忽略坡度的影響。

圖3 電纜隧道模型和人員疏散平面模

2.4 疏散仿真參數(shù)設(shè)置

經(jīng)過(guò)文獻(xiàn)調(diào)研，結(jié)合SFPE《消防安全手冊(cè)》，針對(duì)于電纜隧道疏散場(chǎng)景，通常情況下進(jìn)入電纜隧道內(nèi)的人員均為專(zhuān)業(yè)技術(shù)人員，考慮為青壯年男性，因此設(shè)置疏散人員模型肩寬0.45±0.05m，緊急情況下步速1.5±0.2m/s，肩寬和步速仿真時(shí)通過(guò)計(jì)算機(jī)隨機(jī)選取，概率均服從正態(tài)分布，人數(shù)為2、4或6人。

3 疏散仿真工況設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)共9組疏散仿真工況，如表1所示。

表1 人員疏散仿真工況

工況設(shè)計(jì)考慮圓形隧道（直徑3m）內(nèi)發(fā)生火災(zāi)后人員疏散，疏散人數(shù)分別為2、4、6人，隧道防火分區(qū)長(zhǎng)度200m、400m、600m，疏散出口間間距為200m、400m、600m，起火位置為隧道中部、端部，豎向疏散通道為爬梯形式，隧道內(nèi)無(wú)其它防火門(mén)（墻）及防火門(mén)寬度為600mm、800mm、1000m 情況下9組仿真工況，考慮最不利情況，人員疏散初始位置為隧道中部并向同一側(cè)疏散。隧道內(nèi)設(shè)計(jì)火災(zāi)探測(cè)器類(lèi)型為感煙火災(zāi)探測(cè)器，且每次仿真時(shí)都默認(rèn)隧道內(nèi)無(wú)煙霧，以保證探測(cè)器響應(yīng)時(shí)間基本一致。

4 疏散仿真結(jié)果

疏散模擬中將人的疏散速度設(shè)為一定范圍內(nèi)的隨機(jī)量，故在本報(bào)告中對(duì)每種工況下仿真參數(shù)進(jìn)行三次隨機(jī)模擬，在三次仿真結(jié)束后取平均值得出最終疏散時(shí)間。因篇幅關(guān)系在本報(bào)告每種工況選取一次的模擬結(jié)果進(jìn)行展示[3]。

在本研究中，為確定火災(zāi)探測(cè)時(shí)間，設(shè)置了相同條件下的電纜通道進(jìn)行模擬，以10m 間隔布設(shè)火災(zāi)探測(cè)器，得出探測(cè)器的響應(yīng)時(shí)間為18s。下面以工況1為例，闡述該工況下必須逃生時(shí)間計(jì)算方法，工況2至工況9計(jì)算方法相同，下文不再贅述。

工況1考慮圓形隧道（直徑3m）內(nèi)發(fā)生火災(zāi)后人員疏散，疏散人數(shù)2人，隧道防火分區(qū)長(zhǎng)度200m、疏散出口間間距為200m，起火位置為隧道中部，豎向疏散通道為爬梯形式，隧道內(nèi)無(wú)其它防火門(mén)（墻），考慮最不利情況，人員疏散初始位置為隧道中部并向同一側(cè)疏散。

通過(guò)三組模擬數(shù)據(jù)計(jì)算，第一個(gè)疏散人員平均在68.83s 左右從隧道中部疏散至工作井，平均在90.5s 左右疏散至地面，考慮3段爬梯共14.4m 高，參考文獻(xiàn)《城市綜合管廊電纜艙室火災(zāi)特性及人員疏散研究》成人男性爬上3m 爬梯所用時(shí)間為7s，則通過(guò)14.4m 爬梯所用時(shí)間為33.6s，因此第一個(gè)疏散人員平均疏散運(yùn)動(dòng)時(shí)間為124.1s（Pathfinder 無(wú)法模擬人員通過(guò)爬梯的過(guò)程）；第二個(gè)疏散人員平均在75s 左右疏散至工作井，平均在100s 左右疏散至地面，加上爬梯時(shí)間，則第二個(gè)疏散人員平均疏散運(yùn)動(dòng)時(shí)間為133.6s。綜上所述，所有人員完成疏散的運(yùn)動(dòng)時(shí)間為133.6s。

疏散工況1中，由于人員疏散運(yùn)動(dòng)時(shí)間為133.6s，火災(zāi)探測(cè)時(shí)間為18s（以10m 間隔布設(shè)火災(zāi)探測(cè)器時(shí)的探測(cè)時(shí)間），人員響應(yīng)時(shí)間設(shè)為5s，安全系數(shù)取為1.5，則疏散工況1必需安全疏散時(shí)間RSE T=talarm+tresp+αtmove=223.4s。

特別地，若只考慮水平疏散，由于第二個(gè)疏散人員平均在75s 左右疏散至工作井，則水平段疏散工況1必需安全疏散時(shí)間RSET=talarm+tresp+αt move=135.5s。

匯總疏散工況1至疏散工況9的數(shù)據(jù)結(jié)果得到如下疏散工況數(shù)據(jù)，見(jiàn)表2。

表2 疏散工況數(shù)據(jù)（單位：s）

5 結(jié)論與建議

綜合對(duì)比疏散工況數(shù)據(jù)，可初步得出以下結(jié)論及建議：

對(duì)比工況1、2、3不難得出，隨著防火分區(qū)長(zhǎng)度增加，必需安全疏散時(shí)間RSET 也隨之增加，因此防火分區(qū)長(zhǎng)度越長(zhǎng)、越不利于電纜隧道運(yùn)維人員疏散。

對(duì)比工況1、4、5可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)疏散人員從2人分別增加到4人、6人，必需安全疏散時(shí)間RSET 也從223.1s、249.1s、266.1s，因此人員數(shù)量越多，越不利于人群疏散。

對(duì)比工況1、6發(fā)現(xiàn)，起火位置在中部和端部時(shí)，必需安全疏散時(shí)間RSET 分別為223.4s 和325.1s，因此在最不利情況下，起火位置越靠近端部越不利于人員疏散。

對(duì)比工況7、8、9可以看出，隨著防火門(mén)寬度從600mm 增加至800mm、1000mm，必需安全疏散時(shí)間RSET 在相應(yīng)減少，因此在滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求前提下應(yīng)盡量增加防火門(mén)寬度。

電纜隧道發(fā)生火災(zāi)人員疏散時(shí)，應(yīng)遵循背火、逆風(fēng)、就近疏散。