客运专线V形坡特长隧道火灾疏散救援时间研究

王玉锁，吴　　浩，冯高飞，李正辉，李俊杰（西南交通大学，四川 成都　　610031）

客运专线V形坡特长隧道火灾疏散救援时间研究

王玉锁，吴浩，冯高飞，李正辉，李俊杰
（西南交通大学，四川 成都610031）

以某V形坡特长隧道为研究对象，对洞内竖井及平导横通道处所设计的避难所2种停车位置5种工况进行了疏散模拟分析，得出单洞双线隧道内不同停车位置紧急救援的必需安全疏散时间。同时结合V形坡紧急救援通风措施，对竖井区段进行了三维火灾数值模拟，比较自然通风和风速1.0 m/s纵向通风条件下火灾烟气流动和一人高处温度的分布特征，得出竖井区段的可用安全疏散时间。通过与必需安全疏散时间的比较，提出在隧道中部临近竖井处应增设一处避难所。

客运专线；特长隧道；V形坡；火灾；疏散救援

当列车在隧道内发生火灾且不能及时运行至洞外时，不仅疏散救援工作非常困难，而且后果严重。如1972年日本北陆隧道发生旅客列车因为电器设备漏电造成火灾，导致700多人伤亡的惨剧［1］；1991年京广线衡广复线大瑶山隧道因旅客吸烟导致火灾造成20人受伤12人死亡［2］；2001年11月，奥地利萨尔茨堡州基茨施坦霍恩山，一列正在隧道内行驶的列车发生火灾，造成155人死亡18人受伤［3］；2009年7月兰新线乌鞘岭隧道机车故障引发火灾造成中断行车约4 h，所幸无人员伤亡［4］。

随着我国高铁的快速发展，特长隧道越来越多，我国《高速铁路设计规范（试行）》（TB 10621—2009）［5］规定隧道内应设贯通的救援通道和安全空间，并应根据隧道的长度选择设置紧急救援站、避难所和紧急出口等疏散救援系统。

由于特长山岭交通隧道大都采用人字坡，所以以往特长隧道的通风防灾救援研究都是针对人字坡或单坡情况下的通风及救援措施。而当隧道下穿江河时，长大隧道需要设置V形坡，与人字坡在空气及烟气流动规律上有所不同。因此，应对V形坡特长铁路隧道的防灾救援特点及措施进行研究。

隧道防灾救援贯彻“以防为主，防消结合”的原则，针对隧道内灾害的特点，当列车在隧道内发生火灾时，凡能继续运行时，均应遵循“先将列车拉出洞外再进行列车解体及火灾事故处理”的基本原则；当列车失去动力不能运行或因隧道太长无法及时拉出洞外时，考虑在洞内实施快速疏散和消防救援。

根据以上原则，在特长铁路隧道中，列车被迫在隧道内停车时，必须在隧道内组织人员通过隧道两侧的救援通道和预留的紧急出口尽快疏散，同时为保证隧道内疏散安全，应进行辅助的救援疏散通风及救援照明。

从发生火灾到火灾对人员安全构成危险的时间称为可用安全疏散时间（ASET），从起火时刻到人员疏散到安全区域的时间称为必需安全疏散时间（RSET），在通风救援疏散设计中建筑物内的人员ASET必须大于RSET。本文以某客运专线V形坡特长隧道为研究对象，通过对ASET与 RSET的对比，对火灾时疏散与防灾救援措施的有效性和安全性进行分析研究。

1　工程概况

某客运专线隧道为单洞双线隧道，全长10 100 m，隧道内纵坡分别为 -25‰/2 702 m，-3‰/2 010 m，10‰/1 342 m，25‰/2 550 m，-3‰/1 494 m，除出口为顺坡外，隧道内纵坡呈V字形。考虑在隧道内随机行车救援疏散的不利条件，设计中利用隧道中部竖井横通道段和出口平导横通道段作为紧急避难所，如图1所示。

图1　紧急救援避难所设计

竖井底施工横通道长度168 m，其内净空7.3 m（宽）×6.5 m（高），竖井高度为56.18 m，竖井底横通道与正洞连接处设置1道1.5 m（宽）×2.0 m（高）防护门。出口平导长度1 995 m，其内净空5 m（宽）× 6 m（高），平导与正洞连接处设置1道1.5 m（宽）× 2.0 m（高）防护门，平导出口设置救援通道。

2　必需安全疏散时间（RSET）的确定

按照安全工程中的通用算法，必须安全疏散时间由火灾报警探测时间、人员响应时间和人员疏散时间构成［6］，其表达式为

式中：Talarm为火灾报警探测时间，即火灾开始到人员察觉火灾之间的时间；Tresp为人员响应时间，即在火灾发生后人员识别险情到安全疏散需要的时间；Tmove为人员疏散时间，即从人员开始撤离至到达安全区域所需的时间，可由现场实测或仿真模拟计算得到。

考虑火灾发展60 s后火源附近温度和烟气浓度已很高，取 Talarm为 60 s；根据英国《建筑火灾安全工程》（Fire Safety Engineering in Buildings）的统计数据和经验推荐的各种用途建筑物内采用不同火灾报警系统时人员响应时间，列车内人员很密集且有相应的报警系统，人员响应时间 ＜1 min，所以取 Tresp为1 min。一般情况下认为疏散时间等于疏散距离比疏散速度。只考虑了疏散距离、疏散速度和防护门的宽度对人流的影响，并且基于一定的假定，只能够大致算出疏散时间。

本次采用了人员疏散模拟软件EXODUS对各种工况进行疏散模拟，考虑到疏散距离、疏散速度、疏散人员之间的相互影响、各种疏散设施对疏散时间的影响以及各种疏散设施的相互影响。

2.1人员疏散时间Tmove的确定

洞内人员疏散时间的模拟，设定列车停在竖井避难所和平导横通道避难所入口处，列车中部停在横通道入口处。在竖井处进行救援疏散时，考虑不利情况，火源点位于火车头部或尾部，停车后火源点位置距离竖井中间横通道90 m。在列车停车后启动紧急救援通风设施，逃生人员应依据火源位置与风向进行疏散，逃至紧急避难所。

2.1.1疏散模拟参数设置

1）列车及车厢参数设定。设定列车为16辆编组，疏散时每节车厢单侧开启2道门，每节车厢长25.5 m，宽3.32 m。

2）人员参数设定。考虑最不利情况，动车组一等座和二等座车厢定员荷载数分别为68人和100人，动车组最多超载20%，故设定列车内人员共1 580人，由乘客和工作人员组成。人员设定为：年龄5～17岁占10%，年龄18～30岁占42%，年龄31～50岁占41%，年龄 51～80岁占 7%，其中男性占 55%，女性占45%［7］。

由于隧道内的空间有限，人行通道较窄，以及需要尽量远离火源疏散，所以人在逃生过程中不可避免地会在不平的地面或铁轨上行走。根据《建筑设计防火规范》（GB 50016—2014）规定，人在不平地面或台阶上的疏散速度大约是在平地上疏散速度的86%，因此速度折减系数取0.86［8］。故设定火灾隧道内人员疏散速度：成年男性为1.0 m/s，成年女性为0.8 m/s，儿童为0.67 m/s，老年人为0.6 m/s。

3）疏散通道条件设置。隧道双侧设置全长贯通的救援通道，宽度为1.5 m、净空高度为2.2 m，救援通道走行面高于轨面30 cm。进行人员疏散模拟时按列车所在隧道两边可分别并行3人进行计算。

2.1.2疏散模拟工况的确定

当列车在隧道内着火后，无法继续运行至洞外或救援站时为随机停车。本次人员疏散模拟主要分析停车位置对疏散到紧急避难所时间的影响，列车停车位置的不同会导致不同的疏散路径。

1）列车停在位置A（竖井横通道）；

2）列车停在位置B（平导横通道）。

该隧道为单洞双线铁路隧道，整个隧道断面净宽12.6 m，当列车停靠在横通道对侧轨道时，列车车门距横通道口6.3 m。横通道入口处防护门距隧道正洞与横通道相交处5 m。由于高铁采用无砟轨道，轨道板及周围的路面较平整，且与救援通道的路面只有0.8 m的高差，救援通道上拥挤的人员如果有部分行至轨道附近再进行疏散，将使疏散条件得到较大改善。疏散模拟工况见表1，各工况疏散分布见图2。

表1　疏散模拟工况

图2　各工况疏散分布

2.1.3疏散模拟结果及分析

运用人员疏散模拟软件EXODUS对上述工况进行疏散模拟，结果见表2。

表2　疏散模拟结果

由表2可知，在各种工况下列车上人员在列车停车后立即开始向避难所疏散，在进入横通道防护门前，人员被认为处于危险之中，进入横通道后即进入避难所区域，人员被认为处于安全状态。工况A-1，A-2，B-1，B-2，B-3分别在第489.6，487.8，491.4，497.4，2 609.4 s人员全部疏散完毕。由工况 A-1，A-2可以看出增加疏散通道宽度对人员疏散速度影响不大，反之疏散通道宽度的增大会在一定程度上增加人员的疏散距离，增加疏散时间。在疏散过程中人员在横通道入口处聚集，这是由于横通道入口宽度限制了旅客进入横通道的速度，人员疏散时间有一部分是在救援通道上排队等待，所以只有同时增大横通道宽度和疏散通道宽度才能减少人员疏散时间。

2.2必需安全疏散时间（RSET）计算结果

根据所得到的Tmove，代入式（1），可得必需安全疏散时间RSET，结果见表3。

表3　必需安全疏散时间（RSET）

3　可用安全疏散时间（ASET）的确定

平导横通道避难所位于隧道出口处，隧道运营通风和救援通风使烟气沿隧道出口方向蔓延，救援疏散时间充足，人员可以通过平导横通道疏散至洞外。而竖井横通道避难所位于隧道中部，救援疏散难度较大，所以利用基于CFD的Fluent软件对竖井的火灾烟气蔓延过程进行模拟，再现火灾发展的整个过程，分析火灾烟气的分布、流动特征。考虑不利情况，火源点位于火车中部，停车后火源点位置距离竖井中间横通道90 m处。

3.1边界条件和参数设定

为了运用Fluent模拟计算时方便准确，现对计算模型作如下设定：

1）本次模拟使用Rosseland热辐射模型，设定空气介质的吸收系数为0.1，散射系数为0.01［9］。关于双线铁路隧道内列车火灾热释放率的确定较为困难，本文取美国国家消防协会设定的20 MW［10］，运用热量源项来模拟火灾的燃烧和放热。

2）横通道内风管两端均设为速度口，根据预设轴流风机的型号，设定两端风速为23.58 m/s，方向与风管断面方向垂直。

3）本文中假设氧气充分燃烧生成CO2，将列车火源设置为质量源项和热量源项，其值分别为6.17× 10-3kg/（m3·s）和59 260 W/m3［11］。隧道内温度为25℃（298 K）。

3.2计算结果及分析

温度场的分布与隧道的通风排烟方式有关，设定的火灾由位于左线的列车引起，在右线一人高（1.5 m）处设置测线BB'，并对该测线上距火源点不同位置的温度进行监测，见图3。

图3　隧道内温度监测点分布（单位：m）

考虑到影响逃生救援的因素主要是烟气浓度和洞内温度，在通风条件下坑道中烟气的容许浓度取1.0%［12］，人体在短时间内的耐受温度取60℃［13］。

为了分析纵向通风对隧道内烟气扩散的影响，设置了自然通风和风速1.0 m/s纵向通风两种工况，综合比较距火源点不同距离处温度和烟气浓度控制的可用安全疏散时间，见图4、图5。

对比图4、图5可以看出，在同一工况，相同距离时人体受温度威胁的时间要短于浓度威胁的时间，因此，可用安全疏散时间应通过温度控制。

由图4得知，火灾发生后在距火源点71.5 m一人高处达到人体耐受温度所需时间（ASET）为780 s，而此后则由于采用了应急通风措施，火势将不会再继续向前方蔓延，故可取ASET=780 s。

图4　温度控制的可用安全疏散时间

图5　烟气浓度控制的可用安全疏散时间

4　可用安全疏散时间（ASET）与必需安全疏散时间（RSET）的比较

火源点周围的列车人员通过位置 B（平导横通道）进入避难所，距离火源点较远处的人员通过位置A（竖井横通道）进入避难所，位置A距离火源点153 m。由表2可知，工况A-1时RSET=609.6 s；工况A-2时RSET=607.8 s。由图4可见，在距火源点71.5 m处时ASET=780 s，远小于距火源点153 m处时ASET值。由此可知，在153 m处RSET＜ASET，人员有充足的时间疏散到安全区域，则可以判断人员疏散是安全的。

如果火源点位于列车中部，由于竖井位于隧道中部，距离平导避难所或出口最短距离约为3.37 km，救援疏散难度较大，所以部分列车人员必须穿过火源区域才能到达竖井横通道避难所。假定有一半列车人员位于火源点另一侧，通过模拟分析得到，人员全部疏散到安全区域需要414 s，这部分人员会短时间暴露在温度超过60℃的环境下，这对疏散人员的安全和行动能力都是极不利的，所以建议在隧道洞身段与竖井横通道相隔一定距离增设一处与竖井连接的横通道或避难所。

5　结论

1）通过对5种工况的人员疏散分布，乘客通过平导横通道疏散至洞外（工况B-3）所需时间最长，约为2 730 s；当列车停在竖井位置时，人员必须安全疏散时间约为600 s。

2）隧道内列车着火时，隧道横断面一人高处，达到人体耐受温度（60℃）时间小于达到容许烟雾浓度时间，故应以人体耐受温度为人员可用安全疏散时间（ASET）的控制标准。

3）当列车停在竖井位置且着火点位于列车端部时，人员必需安全疏散时间（RSET）约为600 s，而距火源点71.5 m一人高处达到人体耐受温度（60℃）所需时间（ASET）约为780 s，故RSET＜ASET，满足安全疏散要求；但如果着火点位于列车中部，只设置2条与竖井连接的横通道，由于人员需要穿过着火点，造成疏散难度增加，故建议在所设计横通道两侧一定距离增设一处避难所。

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（责任审编葛全红）

Evacuation and Rescue Duration in case of Fire Disaster for Super long Tunnel with V-shaped Slope on Passenger Dedicated Railway

WANG Yusuo，WU Hao，FENG Gaofei，LI Zhenghui，LI Junjie
（Southwest Jiaotong University，Chengdu Sichuan 610031，China）

T aking the super long railway tunnel with V-shaped slope as an example，the simulations of passengers evacuation and rescue were made for two kinds of shelter parking location which are shaft passage shelter and parallel heading passage shelter under five different conditions，and the required safe evacuation time（RSET）for emergency evacuation and rescue of different parking location in double-track railway tunnel was concluded.Combining with the V-shaped slope emergency rescue ventilation measures，three dimensional numerical simulation of fire hazard was made for shaft section，the distribution characteristics of the fire smoke movements and temperature in one person's height under the natural ventilation condition and the 1.0 m/s longitudinal ventilation condition were compared，and the available safe evacuation time（ASET）in shaft section was determined.By comparing with the RSET，another shelter near shaft should be built in the middle of the tunnel.

Passenger dedicated railway；Super long tunnel；V-shaped slope；Fire disaster；Evacuation and rescue

王玉锁（1974— ），男，副教授，博士。

U458

A

10.3969/j.issn.1003-1995.2016.07.12

1003-1995（2016）07-0045-05

2015-10-20；

2016-04-30