双洞单线高铁隧道列车中部火灾人员最优疏散模式研究*

刘松涛　卫文彬　欧宸

（1.中国建筑科学研究院建筑防火研究所　北京100013；　2.住房和城乡建设部防灾研究中心　北京100013；3.中国矿业大学（北京）资源与安全工程学院　北京100083）

双洞单线高铁隧道列车中部火灾人员最优疏散模式研究*

刘松涛1，2卫文彬3欧宸1

（1.中国建筑科学研究院建筑防火研究所北京100013；2.住房和城乡建设部防灾研究中心北京100013；3.中国矿业大学（北京）资源与安全工程学院北京100083）

分析了双洞单线隧道疏散设计概况，针对隧道疏散最不利的列车中部火灾场景，建立了人员疏散路径选择网络模型。基于合理的假设，确定了双洞单线隧道列车中部火灾的5种疏散路径，并运用图解法求解出了最优疏散时间与列车位置关系的数学方程式，确定了最优疏散路径选择模式。通过pathfinder数值模拟对比分析可知，最优疏散路径选择模式的理论模型与模拟结果高度吻合，可以准确计算出人员安全疏散所需时间 ，对改善隧道疏散设计，减少人员伤亡具有重要意义。

高铁隧道 列车 横通道 疏散模式 pathfinder数值模拟

0　引言

随着我国高铁建设的快速推进，高铁隧道在高铁线路中所占的比重越来越大，不断增加的隧道数量及长度势必导致隧道列车火灾风险增大，由于隧道空间相对封闭、断面较小，隧道火灾往往具有热、烟危害严重，人员逃生条件差，消防救援难度大等特点，如何确保隧道火灾条件下人员的安全疏散，国内外众多学者对此进行了大量研究。但是对于铁路隧道人员疏散的研究基本上是从宏观方面把握，给出整体的设计方案，针对性较弱。本文将针对长及特长双洞单线隧道最不利于人员安全疏散的列车中部火灾情况下的人员安全疏散进行研究，通过建立的疏散模型对人员疏散模式进行优化研究，以期得到此最不利工况的最优疏散模式，从而达到减少人员伤亡，降低经济损失的目的。

1　隧道及高铁列车概况

1.1双洞单线隧道概况

根据参考文献［1］～文献［3］中有关双洞单线隧道疏散设计的要求，可将其概括总结为如下几点：①长及特长隧道应设置横通道，应利用横通道等设施设置紧急出口。②横通道间距不应大于500 m，净宽不应小于2.3 m。③隧道内应设置贯通的单侧救援通道，地面应保持平整，宽度不宜小于1.5 m。

1.2CRH2A型列车概况

以CRH2A-2011型列车编组为例，各个车厢配置如下表1所示。

表1　CRH2A-2011型列车车厢配置

列车在隧道中的不同停靠位置对人员疏散路径的选择具有重要影响，因此，笔者在本文中只针对列车停靠于双洞单线隧道两横通道之间这一情况展开具体分析。

2　人员疏散路径选择

根据双洞单线隧道的设计概况，在不考虑火灾发生的前体下，人员对疏散路径的选择可以看作是一个随机概率事件，可能的路径选择方式便可以用以下网络模型表示。

图1　人员疏散路径选择网络模型

因此，人员从车厢疏散到横通道的路径组合种类可用以下公式计算：

其中 ，S为人员所有疏散路径组合种类的总数；Cn为第n节车厢内的人数，n为车厢的编号，n=1，2，3…，8。

在实际的隧道疏散中 ，由于受到列车停靠位置、火灾位置、隧道通风模式、人的从众心理等的影响，人员疏散路径的选择便会限定在一定的范围内。

为了便于对隧道人员疏散模式的分析，本文进行如下假设：

（1）列车发生火灾的车厢只有一节，即火灾不会在车厢之间蔓延，分析过程中不考虑烟气能见度等对人员疏散的影响。

（2）当隧道风机启动时，上风侧的人员处于安全区域，但仍需疏散至上风侧横通道内。

（3）不考虑人员之间的行为动作，对疏散路径的分析从人员走出车厢开始，假设各车厢人员在车厢内的行动时间均相同 ，记作 Tstart。

（4）不考虑人员交叉疏散，同一节车厢的人员所选择的疏散路径相同。

基于上述假设，可以对人员的疏散路径选择进行简化，隧道人员对于疏散路径的选择便可根据着火车厢的不同分为列车头部火灾人员疏散，列车尾部火灾人员疏散及列车中部火灾人员疏散3种情况。

当火灾位于列车端部（头部或尾部）时，由于隧道通风模式的确定性，从而使人员的疏散路径相对简单，隧道内人员全部向上风侧疏散。因此，本文对这两种情况不再做进一步分析。

当火灾位于列车中部车厢（第4节或5节车厢）时，无论采取何种通风方式都必然导致至少有4节车厢的人员位于下风侧。根据上述假设，隧道中所有人员的疏散路径选择种类可缩减为5种，如下表2所示。

表2　列车中部火灾人员疏散路径

3　最优疏散路径求解

在对下风侧车厢人员进行疏散时，各车厢人员疏散至下风侧横通道或起火车厢上风侧所需的疏散时间可以用如下公式进行计算：

式中，TAn为第n节车厢人员疏散至下风侧横通道所需时间，s；TBn为第n节车厢人员疏散至起火车厢上风侧所需时间，s；Tstart为人员从车厢疏散至救援通道所需时间 ，保守取65 s［4］；l为列车车厢长度，取25 m；Δv为人员疏散速度，m/s；s为第一节车厢距离下风侧横通道的距离，0 m≤s≤300 m。

根据Fruin［5-6］疏散模型 ，人员在隧道救援通道内的疏散速度与人员密度可以用如下线性关系式表示：

式中 ，ρ为人员密度，0.2人/m2≤ρ≤4.0人/m2；其他符号同上。

因此，上述5种不同疏散路径各自所需的疏散时间可以用下式表示：

TN=max｛（TAn，TBn）｝ （N=1，2，3，4，5）（4）式中，TN为第N种疏散路径所需的疏散时间，s；其他符号同上。

由此可得到隧道人员最优疏散路径所需的疏散时间为：

式中，T为隧道人员最优疏散路径所需疏散时间，s；其他符号同上。

根据隧道结构设计资料及列车各车厢人员分布情况，可以分别求出各个疏散路径所需时间的方程表达式，如下表3所示。

表3　各疏散路径所需时间方程式汇总

运用图解法对上述数学模型中的方程组进行求解，如图2所示。

根据上图，隧道内人员最优疏散路径所需的疏散时间可以用以下方程式表示：

图2　不同起火位置的最优疏散路径

由此可知，双洞单线隧道列车中部（第4或5节车厢）火灾时，人员的最优疏散路径与第一节车厢距离下风侧横通道的距离有关，当0 m≤s≤19 m时，人员的最优疏散路径为路径I；当19 m≤s≤106 m时，人员的最优疏散路径为路径IV；当106 m≤s≤300 m时，人员的最优疏散路径为路径V。

4　数值模拟验证分析

论文采用pathfinder对上述理论分析结果进行数值模拟验证。根据SFPE《消防安全手册》，人员的构成及平面行走速度设定为：35%成年男性，速度1.2 m/s；30%成年女性，速度1.0 m/s；20%老人，速度0.9 m/s；15%儿童，速度0.8 m/s。

因此，根据列车停靠位置的不同设置隧道人员疏散场景，如下表4所示。

通过对场景A～场景F进行人员疏散数值模拟，对各个场景中疏散路径I～V的人员安全疏散时间分布进行绘图，如图3所示。

图3　各场景不同疏散路径安全疏散时间分布

（1）场景A～场景F的最优疏散路径依次为：路径III，路径III，路径IV，路径IV，路径V，路径V。

（2）疏散路径I～IV的安全疏散时间随着列车距离下风侧横通道的距离的增大而逐渐增大；疏散路径V的安全疏散时间为常数，与列车停靠位置没有直接关系，但列车与下风侧横通道的距离越远，疏散路径V越接近最优路径。

（3）对于所有的疏散场景 ，均存在 TI＞TII＞TIII，此结果主要是由于人员拥挤等因素造成的。

（4）TIV在各个场景中与 TIII和 TV都比较接近 ，但当列车距离下风侧的距离较小（场景A）或较大（场景E、F）时，它们之间相差也较大。

对各个场景的最优疏散路径和最优疏散时间进行统计汇总，同时根据理论得出最优疏散路径所需的疏散时间的方程式对各个场景的最优疏散路径及最优疏散时间进行求解，然后将模拟结果与理论计算结果进行对比分析，如下表5所示。

表5　数值模拟与理论计算结果对比分析

场景A中，考虑s=10 m，对应验证理论模型中的第一段方程式 ，即0 m≤s≤19 m，此时理论模型中的最优疏散路径为路径III，最优疏散时间为 T= 151 s。从表中可知数值模拟结果中路径III为最优疏散路径，最优疏散时间为132 s，与理论计算结果的相对误差为12.6%，相差不大，从而验证了理论模型。

场景B、C、D中，考虑 s=50 m、s=80 m及 s= 100 m 3种情况，对应于理论模型中的第二、三段方程式，即19 m≤s≤106 m，此时理论模型中的最优疏散路径均为路径IV，最优疏散时间分别为：165 s、181 s及203 s。从表中可以看出，当 s=50 m时，数值模拟结果的最优疏散路径为路径III，最优疏散时间为167 s，相对误差仅为1.2%，最优疏散时间与理论计算结果极为接近，但是最优路径与理论模型不同。从图3最优疏散路径图中可以看出 ，当s=50 m时，路径III与路径IV的疏散时间十分接近；路径IV的数值模拟结果为174 s，与路径III的模拟结果以及理论计算结果都十分接近 ，因此，在模拟结果中出现这种情况是合理的。当 s=80 m及 s=100 m时，数值模拟的结果中的最优疏散路径均为路径IV，最优时间分别为177 s和172 s，相对误差分别为2.2%和15.6%，与理论计算结果十分接近，进一步加强了对理论模型的验证。

场景E、F中，考虑s=150 m及 s=200 m这两种情况，对应验证理论模型中的第四段方程式，即106 m≤s≤300 m，此时理论模型中的最优疏散路径为路径V，最优疏散时间为 T=207 s。从表中可知数值模拟结果中对应的最优疏散路径也均为路径V，且最优疏散时间也是207 s，相对误差为0.0%，与理论计算结果相同，充分验证了理论模型的准确性。

5　结论

（1）分析了双洞单线隧道疏散设计概况，建立了随机概率事件下人员疏散路径选择网络模型，并给出了人员疏散路径组合种类的计算公式。

（2）建立了不同疏散路径人员安全疏散所需时间的计算公式，确定了隧道人员最优疏散路径的求解模型，并运用图解法得出了最优路径的选择模式以及最优疏散时间与列车停靠位置的数学方程式。

（3）通过设置6组不同列车位置的隧道人员疏散场景，对最优疏散路径选择模式的理论模型进行人员疏散数值模拟验证，结果表明，理论模型与模拟结果十分吻合，充分验证了疏散模拟的准确性与可行性。

［1］铁道第三勘察设计院集团有限公司.铁路工程设计防火规范（TB 10063—2007）［S］.北京：中国铁道出版社，2007.

［2］铁道第二勘察设计院.铁路隧道设计规范（TB 10003—2005）［S］.北京：中国铁道出版社，2005.

［3］铁道第三勘察设计院集团有限公司.铁路隧道防灾救援疏散工程设计规范（TB 10020—2012）［S］.北京：中国铁道出版社，2012.

［4］李修柏.高速铁路长大隧道列车火灾安全疏散研究［D］.上海：中南大学，2013.

［5］李思成 ，王伟，赵耀华，等.几个典型隧道火灾问题研究进展［J］.建筑科学，2014，30（10）：94-105.

［6］Fruin J J.Pedestrian planning and design［M］.New York：Metropolitan Association of Urban Designer and Environmental Planners，1971.

Research on the Optimal Evacuation Mode for The Middle Train Compartment Fire of Single-track High-speed Railway Tunnels

LIU Songtao1，2WEIWenbin3OU Chen1
（1.Institute of Building Fire Research，China Academy of Building Research Beijing 100013）

Evacuation design profiles of single-track high-speed railway tunnels are analyzed，and the path selection network modelof evacuation is established under the mostserious condition ofmiddle train compartment fire.Based on several reasonable assumptions，five paths are confirmed for the middle train compartmentfire of single-track high-speed railway tunnels；by using the graphicalmethod，mathematical equations of the relationship between the optimal evacuation time and the train position is calculated，and the optimal evacuation model is determined.The results of pathfinder numerical simulation analysis are highly consistentwith the theoreticalmodel，and the safe evacuation time can be calculated exactly，which will help to improve the evacuation design and reduce casualties and property losses.

high-speed railway tunnel train transverse passage way evacuation mode pathfinder numerical simulation

中国建筑科学研究院自筹资金课题（20140111330730049）。

刘松涛 ，男 ，1978年生，博士，高级工程师，主要从事安全工程、火灾及消防工程等领域的研究。

（2015-09-15）