火灾下城市轨道交通车站乘客疏散特点分析*

李瑜芬 徐瑞华

(同济大学交通运输工程学院,201804,上海∥硕士研究生)

随着城市发展进程的加快,城市轨道交通凭借其效率高、运量大、准时性和对城市环境污染小等优点,使它的建设和运营正逐步向网络化的方向发展。城市轨道交通已经成为大都市的交通命脉。同时,由于城市轨道交通系统具有空间狭小、人员密集、结构复杂、疏散至室外的距离长,以及灯光、通风设备作用有限等特征,一旦发生火灾,极易产生群死群伤的重大后果。国际上由于轨道交通发生火灾而引起大量人员伤亡的例子很多。因此,为了能在紧急情况下及时疏散乘客,保证乘客的生命安全,提高轨道交通系统的紧急防护能力,完善应急救援机制以及研究人员安全疏散的影响因素并提供相关的应对措施就显得十分重要。

1 城市轨道交通车站人员安全疏散的基本条件

发生火灾后城市轨道交通车站人员的安全疏散,是指在火灾的发展未达到危害人员生命安全的状态之前,将车站内的所有人员安全地疏散到安全区域的行动。

目前,我国城市轨道交通车站的规划设计和运营管理主要是根据相关规范(如GB 50157—2003《地铁设计规范》(以下简称《规范》)等)和相关经验。《规范》第19.2.19条规定：“出入口楼梯和疏散通道的宽度,应保证在远期高峰小时客流量时发生火灾的情况下,6 min内将列车乘客和站台候车的乘客以及工作人员疏散完毕”。

一般,在计算疏散时间时,是假设发生火灾后人员立即投入到疏散行动中的理想化状态。而实际上,紧急情况下城市轨道交通车站人员是否能够安全疏散,由以下四项时间决定[2]：

图1描述了火灾的发展及人员疏散过程中的各个时间段的关系。由图1可知,轨道交通车站人员能否安全疏散取决于所需安全疏散时间(Required Safety Egress Time)TRSE与可用安全疏散时间(Available Safety Egress Time)TASE的相对大小。火灾风险的工程评估中一般认为,当建筑物的时,则认为建筑物中人员能够安全疏散。

图1 火灾及人员疏散各时间段的关系

2 安全疏散时间的影响因素分析

2.1 可用的安全疏散时间

火灾的发展一般经历初期、发展期和衰减期三个发展阶段。当火灾由初期转变为全面燃烧的瞬间称为轰燃,即标志着火灾进入发展期。该时间段则为可用的安全疏散时间。若在可用的安全时间内人员无法疏散到安全区,则就会有生命的危险。可用的安全疏散时间主要受火灾产生的毒气、高温及减光性等的影响。

根据研究表明[3],发生火灾后如果能满足以下三个条件,则可以认为能够保证人员的安全疏散：

1)2 m以上空间内的烟气平均温度不大于180℃

2)2 m以下空间内的烟气平均温度不超过100℃

3)2 m以下空间内的烟气层中CO的体积分数不超过0.25%

显然,只要火灾发展到超越上述任一条件所规定的限度时,人员所处的环境将是危险的,从而可确定发生火灾后人员的可用安全疏散时间。然而,火源点的不同、火源规模大小的不同,将会导致热释放速率的快慢。针对国内外地铁站台内的燃烧研究结果表明,可燃物多为纤维类物质。火源强度则可根据国内外大量地铁火灾的实际火源强度给定,一般取13.6 MW。通过对具体站台及站厅的火灾、烟气的发生和发展进行模拟分析,最终可确定达到以上边界条件时的可用安全时间tASE。

当tASE＜6 min(《规范》规定的安全疏散时间)时,采用作为可用安全疏散时间;当时,采用6 min作为可用安全疏散时间。

2.2 人员感知火灾到开始疏散的时间间隔

在突发火灾情况下,人员听到报警信号后的第一反应不会是立即投入疏散行动,这就引发了从人员感知到开始疏散的时间间隔的存在。根据所需安全疏散时间,可将人员开始疏散前的时间简化为报警时间和人员感知时间两大部分。

2.2.1 报警时间

报警时间td的确定与报警系统的完善程度和火源位置等有关。可靠性高的报警系统可以在相对短的时间内发现紧急情况,离紧急事件越近的报警装置感应到紧急事件就越及时;反之,报警所需的时间就相对较长。

2.2.2 人员感知时间

由于平时地铁车站存在报警装置不明原因的误报现象,因而在火灾报警之后存在工作人员进行现场确认的阶段。当火灾情况得到确认之后,车站工作人员通常会采取先期的扑救工作,在扑救无效或短暂时间内无法控制火灾的情况下才会通知乘客进行疏散。根据图1,该部分的时间归为Tb。

乘客得知发生紧急情况后,首先会出现恐慌的心理。恐慌常常会导致人员失去理智或手足无措,一时间无法做出疏散行动的决策。此外,人员还会存在侥幸心理,意识到紧急事件的发生或许并不一定会使人员的生命受到威胁,故在心理上否认自己已经处于危险的环境,从而推后了疏散的开始时间。可将该部分的时间归为Tc。

由此可以得出,当td越长,Tb就越长,则人员所需安全疏散时间中的 Tc和 Ts的可用时间就越短。

2.3 乘客疏散行动时间

《规范》第8.3.10条中给出的车站站台层事故疏散时间的计算公式为：

式中：

N——自动扶梯台数,台;

B——人行楼梯总宽度,m;

1——人员的反应时间,min;

(N-1)——计算中应考虑1台自动扶梯损坏不能运行的几率,台;

0.9 ——(N-1)台自动扶梯和人行楼梯通行能力按9折折减。

根据式(1)可知,车站在紧急状态下的疏散时间主要受到车站总人数、疏散通道宽度(包括楼梯、自动扶梯)的影响;式(1)没有充分考虑车站的空间布局、人员行走速度和走行距离等因素对疏散时间的影响。

3 乘客疏散过程的仿真分析

现以岛式地铁车站为例,假设车站站台层与站厅层之间有4组垂直通道(每组由1台宽为1.05 m的自动扶梯和1座3.05 m的人行楼梯组成);当站台起火时,正好有1列8节编组的列车(以每节车定员280人计算)停靠在站台,而站台上也随机分布有400人(包括候车人员和工作人员)。

初始状态下,车站站台上的人员数为2 640人,平均密度为1.6人/m2,每个楼梯口各设有1个疏散指示标志(共4个)。以设定的地铁车站场景进行疏散仿真。疏散仿真人员的初始分布状况如图2所示。

通过疏散仿真,可直观地对人群的整个疏散过程和疏散人群分布状况进行动态观察。通过动态观察发现,下述因素对疏散产生直接的影响。

1)客流分布密度的影响。紧急情况下,人员往往会选择远离火源的出口进行疏散,再加之从众心理等影响,导致个别区域客流密度过大。以乘客集中于1号楼梯口疏散为例,当该区域人员密度增大1倍(由1.6人/m2增加到3.2人/m2)时,人员的疏散状况如图3所示,该状态下人员的疏散效率下降26%左右;当人员密度增大两倍时(此时人员密度为4.8人/m2),人员的疏散效率下降51%;而当人员密度增大3倍时(此时人员密度达6.4人/m2),该区域的人员完全疏散的时间大于《规范》规定的6 min,可以认为在该状态下人员无法安全疏散,则疏散效率趋于0。

图2 疏散仿真人员的初始分布状况示意图

图3 1号楼梯口人员密度增大1倍的疏散示意图

以1作为初始状态下的疏散效率值,根据上述疏散仿真结论,人员密度对疏散效率的影响趋势如图4所示。

2)车站应急疏散引导的影响。由于城市轨道交通车站空间结构的独特特点,地下车站空间内一般无自然采光,火灾时正常电源被切断,加上烟气的干扰,人们的视觉范围会大大缩减。疏散引导设施的不完善,会导致人员在疏散过程中迷失方向。故疏散标志的合理设置,可使人员在疏散过程中有路可寻,可提高人员安全疏散的效率。图5为在通道 上添加1个引导标志后的人员疏散状况。

图4 人员密度对疏散效率的影响趋势

图5 添加1个引导标志后的人员疏散状况示意图

在该仿真方案中,通道上添加1个引导标志后,人员的疏散效率提高4.2%;添加2个引导标志后,人员的疏散效率提高15%;添加3个引导标志后,人员的疏散效率提高36%;添加4个引导标志后,人员的疏散效率提高47%。

根据上述疏散仿真结论,在通道上添加的引导标志数对疏散效率的影响趋势如图6所示。

图6 添加的引导标志对疏散效率的影响趋势

4 火灾情况下车站紧急疏散相关措施研究

通过上述分析可知,在火灾情况下可用的安全疏散时间主要受火灾本身的性质影响,而必需的安全疏散时间很大程度上受到人员的心理、建筑物布局、人员密度、疏散引导等多种因素的影响。为了使车站内更多的人以最快的速度疏散到安全地带,车站需采取一定的措施,尽量延长可用的安全疏散时间,减小必需的安全疏散时间,以保证车站人员的安全。

4.1 延长可用的安全疏散时间

在火灾发生的初始时刻控制火势的蔓延极其重要,如采取了积极措施延长可用的安全疏散时间,则能为人员疏散争取到宝贵时间。

一般情况下,城市轨道交通车站都配有消防设施。车站必须定期对其进行检查,以确保消防设施的完好性和有效性。一旦发生火灾,利用消防设施实施早期灭火、改变火灾的发展进程,同时迅速切断起火点附近的电源,防止火势蔓延及扩大,以延缓危险到来的时间,减小人员的伤亡。同时,在火灾中,通常会产生大量的烟气,而烟气是威胁人员安全的主要因素。因而,及时地开启防排烟系统可以帮助控制烟气和毒气等气体的流动和进一步扩散,延长烟雾、气体层界面下降的时间,以此保证人员在疏散过程中不受伤害。

4.2 缩短必需的安全疏散时间

4.2.1 缩短报警及人员感知危险的时间

1)城市轨道交通车站可以通过平时火灾疏散的演练、经验数据的收集等,结合自身车站的特点进行最合理的火灾探测器灵敏度设置,同时保证报警的可靠性和及时性,为车站人员的安全疏散争取到最充足的时间。

2)在确认车站发生火灾的情况下,一旦发现火势扩大难以控制,应立即拨打火警电话,并及时安排好人员和物品的疏散工作。在这期间,首先可以通过声光诱导系统将火灾的发展情况及时、实时地告知乘客,并派遣工作人员赶赴现场,以加强宣传,安抚人员的恐慌心理,避免人员的盲目从众行为给疏散带来不利的影响。以此来降低疏散前的准备时间,为疏散行动创造良好的环境和秩序。

4.2.2 加快人员开始疏散的时间

1)拦截进站客流,尽快疏导车站外可能滞留或集中到达的大客流,避免车站出入口被堵塞,以影响车站内部乘客的安全疏散。

2)在引导乘客进行疏散前,排除一切可能的障碍,及时打开专用通道及消防疏散门,闸机设置为自由释放状态,同时采取关停自动扶梯等措施;并保证疏散通道的畅通性,降低人员疏散的运动时间。

3)在确定安全疏散路径之前,先指引乘客暂时到安全的区域避难。在进一步明确火灾的发展势态之后,合理安排疏散路径,避开火势产生的烟气等蔓延的方向,引导乘客从不同的可用出口疏散,分散过于集中的客流,以避免人群过度密集造成的人员行走速度的降低和踩踏事故等的发生。

4)合理设置车站疏散引导标志,为疏散中的人员提供醒目明了的疏散指示。发生火灾时,在现场工作人员进行疏散指挥的同时,可以结合事故广播系统进行引导,提高乘客识别疏散标志的能力,使得人员在紧急状态下有路可寻,使烟气对人员视觉及疏散速度等的影响减小到最低程度,以达到安全疏散的最佳效果。

5 结语

在火灾情况下,影响城市轨道交通车站人员安全疏散的因素有很多。本文在前人研究的基础上,分析了各阶段影响车站人员疏散的因素;结合人员疏散仿真技术,评价人员疏散行动中各因素对疏散效率的影响程度,同时针对这些因素提出了有利于疏散的相关措施。

在今后的研究中,将进一步量化疏散过程中的各影响因素的重要程度,开发更适用于城市轨道交通人员疏散的仿真软件;并结合城市轨道交通应急预案,验证应急措施的有效性及可行性,为城市轨道交通车站提高应急能力提供一定的基础。

[1]刘文婷.城市轨道交通车站乘客紧急疏散能力研究[D].上海：同济大学交通运输系,2008.

[2]庾志章.影响安全疏散若干因素的思考[J].广西民族大学学报(自然科学版),2007(8)：77.

[3]张莉.基于地铁火灾仿真的人员疏散研究[D].上海：同济大学交通运输系,2008.

[4]周立新,陈锐,张莉.地铁火灾乘客疏散的仿真分析[J].城市轨道交通研究,2009(6)：30.

[5]徐高.地铁车站人员疏散的计算机仿真研究[J].现代隧道技术,2003,40(2)：32.