基于Pathfinder的地铁区间火灾人员疏散仿真研究

张昊++董四辉

摘 要：为了有效解决地铁发生区间隧道火灾时人员逃生距离较长且危险性较大的问题，对于设有联络通道的隧道，可研究人员在区间隧道发生火灾时利用其逃生的安全性。该文以某市地铁一号线南关岭-华北路站为研究对象，进行了经验公式与Pathfinder软件模拟结果的对比，验证了软件模拟的精确性。并基于Pathfinder软件，分析了列车在联络通道附近发生火灾时的人员疏散，结果表明：采用常规的联络通道尺寸，当列车距离联络通道长度大于150 m时，可用安全疏散时间小于所需安全疏散时间，人员不能安全逃生，但通过增加联络通道宽度到10～12 m或增加联络通道个数可减少人员所需安全疏散时间，从而实现安全逃生。希望研究结果能为地铁运营部门安全管理提供参考。

关键词：地铁 联络通道 安全疏散 隧道火灾

中图分类号：U23 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2017）01（a）-0019-06

Study on Personnel Evacuation of Fire in Subway Tunnel Based on Pathfinder

Zhang Hao Dong Sihui

（School of Civil and Safety Engineering， Dalian Jiaotong University， Dalian Liaoning， 116028， China）

Abstract：In order to effectively solve the personnel escaped distance is longer and dangerous when the subway tunnel fire. If a cross-passage exists， it may be useful to research the safety of passengers to escape. Taking the subway tunnel between Nanguanling station and Huabeilu Station as the research object， the accuracy of software simulation is verified when contrast the empirical formula and Pathfinder software simulation results. Personnel evacuation when the train is near the middle of the tunnel was studied based on the soft Pathfinder. The results show that adopting conventional cross-passage cant assure the passengers safety evacuation. The available safety egress time less than required safety egress time when the distance of train near cross-passage distance is greater than 150 meters. The required safety egress time was decreased by increasing the cross-passage width to 10～12 meters or quantity. So the passengers can escape safely. The results can provide a reference for the subway operation enterprise to prepare personnel safety management.

Key Words：Subway； Cross-passage； Safety evacuation； Tunnel fire

地鐵火灾分为站台火灾、站厅火灾、区间隧道火灾。地铁系统与外界的联系主要为出口和入口，在发生火灾时人员逃生区域受限制，特别是在高峰期人员密集时，相比于其他两种火灾，地铁区间隧道火灾具有更大的危害性。区间隧道火灾的特点是热且烟危害严重；人员逃生条件差；消防救援难度大[1]。

列车在地铁区间隧道内发生火灾时，《地铁设计规范》（GB 50157-2013）规定的疏散原则是乘务人员尽量将列车驶出隧道并进入前方车站，此时的通风模式应为站台火灾模式；当列车不能驶入前方车站而停靠在区间隧道内，此时通风模式为区间隧道火灾模式。目前对于区间隧道火灾模式，通常方案是，区间隧道两端的风机同时启动，靠近火灾一端站台排烟，另一端送新风，使人员迎着新风安全逃生[2]。规范未针对联络通道做具体规定，但联络通道可对区间隧道火灾消防起到重要作用。鉴于此，国内外学者对设有联络通道的地铁隧道进行了相关研究。当前的研究方法主要有计算机数值模拟、实测实验研究、模型试验研究[3]。由于实测实验研究的成本费用高，模型试验研究不精确，使计算机数值模拟方法的优势逐渐显现并应用。广州大学的郑志敏、赵相相等研究了列车中部着火且停靠在隧道中部时的通风模式，通过模拟发现，采用着火隧道两端送风，利用区间隧道间联络通道向另一条未着火隧道排烟的通风模式可以使人员安全逃生[4]。西安建筑科技大学的李岳进行了地铁区间隧道火灾小尺寸模型实验设计和数值模拟，对两种结果进行了对比，验证了FDS模拟结果的准确性，得出了保证人员安全逃生时联络通道内的临界风速[5]。长安大学的要忠茹进行了双层岛式地铁车站及其区间的模拟，通过不同风速条件下的温度场和烟气浓度分布状况，得出了位于地铁隧道区间不同位置的人员安全疏散的时间和可逃生区域[6]。李元舟、霍然等通过对隧道火灾的模拟，分析了不同工况下烟气的扩散状况，得出了烟气在不同区段对隧道结构和人员造成的影响[7]。杨林分析了地铁火灾应急疏散程序，并提出提高疏散效率的对策，为人员安全疏散提供了几点建议[8]。马世平通过对天津地铁的模拟仿真得出了合理联络通道宽度和防烟楼梯间的净宽度，该研究可为地铁安全管理提供参考数据[9]。

该文以某市地铁1号线南关岭-华北路站为研究对象，基于Pathfinder软件合理设置联络通道宽度及联络通道间的距离，实现人员在发生火灾时的安全疏散，增加人员可逃生时间，为车站制定人员疏散方案提供理论依据。

1 数值模拟模型

1.1 某市地铁1号线概况

地铁1号线连通了城区南北，经过了华北路、山东路、西安路等交通干道，成为了市区的主要运客通道，极大地缓解了市民下班早晚高峰期的交通量，给市民出行带来极大的便利。

1.2 隧道物理模型

根据地铁1号线的车站间距，最远距离为南关岭-华北路1 800 m，根据目前的《GB50157-2013》地铁设计规范的28.2.4要求：“两条单线区间隧道应设联络通道，相邻两个联络通道的之间的距离不应大于600 m，联络通道内应设并列反向开启的甲级防火门，门扇的开启不得侵入限界[2]。”综合分析，该文取南关岭-华北路站1 800 m长的隧道作为研究对象，联络通道在两个站台中间，尺寸为。

1.3 列车物理模型

列车编组：车型选择确定为B型车，列车均采用采用6辆编组，车辆组成为三动三拖。

车辆主要结构尺寸：

车门：采用电动塞拉门，客室每侧边门4對；客室边门开度（宽/高）：1 300 mm/1 860 mm。

超员载客量（站立8人/m2）；有司机室车262人/辆（含坐席36人数）；无司机室车290人/辆（含坐席46人数）。

1.4 人员统计数量模型

以某市全国普查人口数量为基数，在考虑上下班高峰期人员分布的前提下进行预测，对于该疏散模拟可得人员特征分布比例为：

老年：65岁及以上，人数比重为15%，运动速度为0.8 m/s。

少年：7～14岁，人数比重为8%，运动速度为0.9 m/s

中间年龄段女性：人数比重为35%，运动速度为1.2 m/s。

中间年龄段男性：人数比重为42%，运动速度为1.3 m/s。

额定载客量：超员载客量：

2 人员安全疏散分析

2.1 人员安全疏散判断准则

建筑物发生火灾后，人员能否安全疏散取决于两个特征时间：一是可用安全疏散时间（Available Safety Egress Time，ASET）；二是必需的安全疏散时间（Required Safety Egress Time，RSET），如图1所示，如果人员能在火灾到达危险状态之前全部疏散到安全区域，则人员疏散是安全的，二者差值越大则安全度越高，反之则不安全[10]。

2.2 人员安全疏散时间

人员疏散所需的总时间计算公式[11-12]：

（1）

式中td为探测时间，即从火灾发生到探测到火灾的时间；ta为报警时间；td为人员识别时间，即从听到或看到火灾信号到人员意识到必须采取措施的时间；to为疏散预动时间；ti为人员反应时间，即从人员开始对火灾信号作出反应到疏散行动开始的时间；tk为人员从车上下到路面所需的时间；tmove为疏散行动时间，即疏散行动从开始到结束所需的时间，包括人员移动时间和在出口排队等候的时间。

3 隧道火灾模拟工况与结果分析

该次分析针对地铁隧道的人员荷载及分布特色，研究当列车停靠在联络通道附近时的人员疏散，如图2所示，因为在此种工况下，不管采取何种通风方式，人员向联络通道或者火源下游逃生总有一部分人群会淹没在烟气中，不利于人员安全疏散。

采用Togawa经验公式与Pathfinder疏散仿真软件两种计算方法。分两个疏散过程进行模拟，过程一人员由地铁车厢疏散到隧道内，过程二人员由隧道内向联络通道疏散。

3.1 经验公式计算人员疏散时间

经验公式计算方法：采用Togawa简化的经验公式计算疏散行动时间[13-14]

（2）

表示功能区内待疏散的总人数（人）；Weff表示疏散出口的有效总宽度（m）；C表示疏散出口的疏散能力（人/（m·s））；V表示疏散时人员的平均速度（m/s），由表1确定；L表示门距疏散队列之末的距离（m）。

人员由列车疏散到隧道内的时间：

s

人员从隧道疏散到联络通道的过程，火源下游3节车厢内人员在烟气中，取下游3节车厢内的人员为研究对象，总人数（人），联络通道宽度 m

列车中心距离联络通道60 m。

s

列车中心距离联络通道150 m。

s

列车中心距离联络通道250 m。

s

列车中心距离联络通道350 m。

s

列车中心距离联络通道450 m。

s

3.2 Pathfinder疏散软件计算人员疏散时间

人员由列车疏散到隧道内的时间如图3所示，模拟结果为125.0 s内全部人员由地铁车辆内逃生到隧道区域外。

人员从隧道疏散到联络通道的过程：得出的人员疏散时间如表2所示。

通过Pathfinder软件的模拟与经验公式的对比结果，如图4，结果较为吻合，误差都在5%以内，Pathfinder软件可较理想地模拟人员疏散过程，存在的误差是由于经验公式的计算趋于理想，用一个通用的速度代替各类人员的速度，在实际过程中各类人员的步行速度及各种环境心理因素较复杂，计算机模拟可以考虑不同人群所占的比例，设置不同人群的步行速度等，相对来说计算机模拟的结果更为精确。

根据广州地铁设计研究院的古晋对地铁火灾疏散救援问题的研究，得出了地铁区间隧道发生火灾时人员可利用的安全疏散时间为610 s[15]。探测报警时间与疏散预动时间一般较短，且会随人员个体差异及其面对火灾时反应情况的不同而不同，该文参考已有研究并给定探测报警时间为30 s，疏散预动时间为30 s。

故人员疏散所需的总时间：

当列车与联络通道距离大于150 m时，人员疏散时间大于610 s。不符合人员安全疏散的条件。由以上计算可知，当列车与联络通道与距离大于150 m时，人员逃生的时间也受到限制。因此采取合理的措施保证人员的安全疏散就显得十分必要。可采取加大联络通道的宽度、设置多个联络通道，改变排烟方式等方法保证人员安全疏散。

下面从这两个方面提出改进措施，以满足人员安全疏散的要求。

4 联络通道的合理设置

4.1 增加联络通道的宽度

选取疏散时间最长，即列车中心距联络通道的距离为450 m时的情况为研究对象。

t25≤ s

即人员从隧道内疏散到联络通道的时间需要小于425 s。

通过模拟得出联络通道宽度与疏散时间的关系如表3所示。

由模拟结果可知，当联络通道宽度在10 m以上时，人员可安全地进行疏散。随着隧道内疏散通道宽度的增加，人员疏散时间逐渐减小，联络通道宽度每增加1 m人员疏散时间增加大约1 s左右。

4.2 增加联络通道的个数

该文取1 800 m长的隧道作为研究对象，设置两个联络通道，联络通道的间距为600 m，如图5所示。由于有两个联络通道，假设火源发生在两个联络通道的中间位置，则需要考虑整列车厢的人员疏散，按超载计算人员数量。

得出的人员疏散时间如图6所示

通過模拟结果可知人员在375.5 s内完成疏散，小于425 s，人员可以安全疏散。

5 人员疏散方案

由于在该文中取1.8 km隧道作为研究对象，认为列车中心距离联络通道450 m以内为列车位于联络通道附近。地铁列车发生火灾时，当列车位于联络通道附近时，开启“着火隧道前方车站送新风后方车站排烟，未着火隧道两端送风”的通风方案。

5.1 人员疏散方案一

根据模拟计算结果，分析认为在地铁列车发生火灾时，当列车与联络通道距离小于150 m时，可用安全疏散时间大于所需安全疏散时间，常规的联络通道宽度符合人员安全疏散的条件，人员可通过联络通道进行安全疏散。

当列车与联络通道距离大于150 m时，可用安全疏散时间小于所需安全疏散时间，常规的联络通道宽度根据模拟结果不再符合人员安全疏散的条件。可采取增大联络通道宽度的方法，当站台间距在1.8 km以内，联络通道的宽度在10 m以上时可满足人员疏散的条件。

根据模拟结果和联络通道的实际应用，当站台间距在1.8 km左右时，建议联络通道的宽度在10～12 m。当列车发生火灾且靠近联络通道时，人员可通过联络通道安全疏散。

5.2 人员疏散方案二

当两个站台之间设有一个联络通道时，在最不利工况下疏散人群，两个站台之间的距离较长，所以人员疏散时间也较长，该文采用在隧道中设置两个联络通道的方案。

根据模拟计算结果，设置两个联络通道的方案，相比于增大联络通道的宽度的方案，人员疏散时间大大减小，即所需安全疏散时间减小。

根据模拟结果和联络通道的实际应用，当站台间距在1.8 km左右，建议在隧道内设置两个联络通道，联络通道的距离为600 m以为。当列车发生火灾且靠近联络通道时，人员可通过两个联络通道进行安全疏散。

6 结论

该文以某市地铁1号线某区间段为研究对象，研究该隧道联络通道的设置对人员疏散时间的影响。以火灾发生在列车的不同部位以及列车停靠在隧道的不同部位为背景，分析了人员逃生最不利工况，即列车靠近联络通道时的人员疏散，基于Pathfinder软件模拟了此种工况时的人员疏散，并与传统的经验公式计算做了对比分析。

（1）通过6组数据的对比，发现Togawa经验公式计算结果与Pathfinder软件模拟结果相差都在5%以内，Pathfinder软件可直观、可靠地分析出人员疏散最佳时间，较理想地模拟人员疏散过程。

（2）南关岭-华北路站地铁列车发生火灾时，车辆采用三动三拖，当列车与联络通道距离大于等于150 m时，可用安全疏散时间小于所需安全疏散时间，常规的联络通道宽度不符合人员安全疏散的条件。随着隧道内疏散通道宽度的增加，人员疏散时间逐渐减小，当站台间距在1 800 m以内，联络通道的宽度在10 m以上时可满足人员疏散的条件。

（3）南关岭-华北路站隧道发生火灾时，如果火灾发生在列车中部，列车靠近联络通道，开启“着火隧道前方车站送新风后方车站排烟，未着火隧道两端送风”的通风方案，设置两个联络通道，联络通道的距离为600 m以内，人员向联络通道内疏散，可以保证列车在隧道内发生火灾时人员的安全疏散。

（4）该文在模拟过程中对物理模型进行了一定的简化，且在地铁实际运营过程中，存在较多的不确定性，故模拟结果可能会与实际存在一定的偏差，得出的结论仅为地铁运营部门安全管理提供参考。

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