单洞双线铁路隧道火灾人员疏散安全性分析*

徐志胜，孔 杰，游温娇，陈 涛

(中南大学 防灾科学与安全技术研究所，湖南 长沙410075)

0 引言

随着国内铁路隧道建设向着高海拔、超深地下空间发展，单洞双线隧道以工程造价低、占用地下空间小的优势，在城际地下空间、水下空间、山岭中获得了一定的建设规模。但由于隧道救援通道及安全空间容易受到隧道内轮廓空间的影响，2条线路通常不设置隔墙，隧道内若发生火灾将直接对相邻线路列车造成威胁，人员无法通过联络横通道快速疏散，增加了火灾条件下的疏散难度。学者们对高速铁路隧道人员疏散开展了计算机仿真模拟研究[1-3]，针对隧道内人员疏散辅助设施也有相关学者进行探讨，主要集中在疏散指示标志类的辅助设施、横通道、中间救援站、服务隧道以及平导、竖井等辅助坑道的研究[4-5]。此外，疏散人员行走参数研究也是近年来主要研究趋势之一[6-8]，尤其对复杂火灾条件下人员行走速率、疏散口数量、疏散口选择等随机性较强的参数量化研究[9-11]。

相较普通铁路隧道，高速铁路特长水下盾构隧道火灾危险性更大。目前国内的单洞双线隧道通常采用沿洞内轨道向外疏散的方式[12]，该方法受限于隧道长度，人员疏散时间长；另有一些隧道设置了救援专用通道，但通道口受到规划和施工方法限制，设置较少。狮子洋海底隧道是我国铁路隧道中首个采用纵向疏散的隧道，利用隧道下部空间，设计成人员疏散区，较好地将人员与火源分离。但这种疏散方式将纵向疏散通道设置在隧道中心线上，人员疏散时可能存在折返现象，此外，疏散通道间距设置需要兼顾人员疏散效率和建设成本，纵向疏散设施数量、乘客人数是否会对火灾人员疏散安全性产生影响，都需要进一步开展研究。本文以狮子洋单洞双线隧道为研究对象，利用火灾动力学模拟软件FDS，研究高速列车在隧道内发生火灾后烟气的蔓延情况，得到不同疏散模式下人员可用安全疏散时间。根据隧道单洞双线结构特点和竖向疏散的逃生模式，分别探讨不同疏散模式对人员疏散安全的影响，利用Pathfinder软件模拟隧道列车火灾时人员逃生的安全性，选择最佳的人员疏散模式。

1 理论基础与软件介绍

1.1 人员疏散安全判据

隧道发生火灾后，人员能否安全疏散主要取决于2个特征时间：一是火灾发展到对人员构成危险所需的时间，即可用安全疏散时间ASET；二是人员疏散到安全区域的时间，即必需安全疏散时间RSET[13]。如果ASET>RSET，可认为人员疏散是安全的。RSET通常由火灾报警时间、疏散预动时间和疏散行动时间组成，而ASET的数值受火场参数影响很大。火灾发生后，某区域温度达到60℃所用的时间，定义为该区域的高温特征时间；火灾发生后人员所处环境2 m高处CO浓度值达到500 ppm的时间，定义为烟气毒性特征时间；火场内区域2 m高处的能见度低于10 m的时间，定义为该区域的能见度特征时间。当隧道内某个位置达到上述3个条件之一，便认为该处己经达到了火灾的危险状态，此时可用安全疏散时间ASET取三者中最小值[14]。

1.2 模型设置

本文使用火灾动力学模拟软件FDS计算火灾中的烟气和热传递过程，研究列车火灾和隧道内烟气蔓延规律，并以此获得人员可用安全疏散时间。隧道模型长度为400 m，火源模拟庚烷的燃烧形式。国内外有关的列车实体火灾实验及相关的火灾热释放速率主要处在7.5～20 MW之间，考虑隧道列车火灾最不利情况，本文选择火灾模拟的热释放速率为20 MW。火灾增长方式遵循“t2”，火灾增长速度选择快速火(火灾增长因子a=0.046 89)，经过对火灾模型网格敏感性测试，最后确定网格尺寸为0.25 m×0.25 m×0.25 m。

使用Pathfinder软件模拟人员的疏散情况。计算模型中列车车厢地板距疏散平台高度为1.0 m，疏散门宽度1.1 m，根据Noren和Winer对地铁车辆人员在不同台阶高度情况下人员下车速度的测试，车厢地板距疏散平台高度为1.0 m时，人员下车速度在0.5～0.73人/s之间。因此，疏散门通过率设置为0.6人/s。疏散平台宽度1.6 m，净高2.0 m。隧道中线位置疏散口间距为60 m和80 m，疏散楼梯宽度0.8 m，楼梯通行率1.3人/s。搭载人员分男、女、老、幼，比例分别为45%，38%，7%，10%，行走速度分别1.2，1.0，0.78，0.8 m/s。另外，不同类型人员的身高和肩宽等参数需要区别设置。

2 疏散模式分析

隧道内列车在运行过程中发生火灾，根据火灾发生的时间、列车运行在隧道的位置以及列车动力等情况，着火列车可以选择继续行驶至隧道外进行灭火和疏散，也可以选择在隧道内临时停车，人员通过隧道内逃生系统进行疏散[15]。

2.1 驶离隧道疏散模式

隧道空间狭小、封闭，火灾高温和烟气容易积聚，因此，列车在隧道内发生火灾时，应尽可能将事故列车驶出隧道[16]。疏散过程中，着火车厢人员首先疏散至相邻车厢，列车可沿路线继续运行出隧道，或者选择掉头由隧道入口行驶至隧道外。

2.2 临时停车疏散模式

列车在隧道内发生火灾，动力不足以支撑列车驶出隧道，列车将随机停泊在隧道内。车辆停稳后，乘客应迅速逃离车厢，沿疏散平台疏散至列车两端，翻越轨道后沿救援平台寻找位于隧道中线位置的最近的疏散口，根据人员疏散过程中是否选择折返，给出了2种疏散方式，包括正常疏散路径和折返路径，如图1所示。

图1 列车临时停靠人员疏散路径Fig.1 Evacuation routes of temporary stop for trains

3 可用安全疏散时间分析

火灾发生在列车的不同部位会对人员疏散方式产生较大影响，针对列车头部车厢火灾和中部车厢火灾2种火灾场景进行讨论。疏散人员经过疏散平台，越过列车车轨，通过疏散楼梯进入轨道下方的逃生通道即认定为到达隧道内的安全区域。

3.1 头部车厢火灾

如列车头部发生火灾，车头内所有人员立即疏散至相邻车厢，待列车停稳后，人员下车并向车尾方向疏散。行至车尾后，越过铁轨抵达隧道的中线位置的疏散楼梯口，通过疏散楼梯进入轨道平面下方的逃生通道，逃生通道空间内相对行车道保持正压，防止上层通道内火灾烟气蔓延至逃生通道，使得逃生通道作为1个人员逃生的安全区域。此时隧道内排烟风机开启，将高温烟气控制在火源一端，人员在纵向通风保护下疏散。本文建立隧道列车火灾模型，计算得到隧道内2 m高处温度、能见度和CO浓度分布随时间的变化情况。

图2为列车车头发生火灾时，隧道内疏散平台和疏散通道上方2 m 高处的温度和能见度的变化情况。从图2(a)和(b)中可以看出，在纵向通风作用下，火源上游一侧，1 800 s内疏散平台和疏散通道上方2 m处的温度均小于60℃，未对疏散人员造成威胁。从图2(c)和(d)中可知，在纵向通风的作用下，火源一侧的疏散平台和疏散通道上方2 m高处的能见度始终保持在30 m，人员在疏散过程中视野清晰，安全性高。列车车头发生火灾，在隧道内临时停车，火灾烟气在纵向通风的控制下，人员可用安全疏散时间超过1 800 s。

图2 头部车厢火灾危险性分析Fig.2 Fire risk analysis of head carriage

3.2 中部车厢火灾

列车中部车厢发生火灾时，火灾车厢人员迅速疏散至相邻车厢，列车停稳后，火源两侧人员分别向车头和车尾方向疏散。由于火源两侧都有逃生人群，添加纵向通风将对火源一侧的人员安全造成威胁。故不开启排烟风机，令烟气自由蔓延和沉降。据此建立火灾动力学模型，计算可用安全疏散时间。无纵向通风作用时，自火灾发生至稳定时刻(1 800 s)，隧道内除火源车厢位置外，其他区域温度和CO浓度值一直处于安全状态，火灾发展到1 800 s时，隧道内距离火源位置200 m处出现能见度低于10 m的情况，说明列车中部车厢发生火灾，隧道内无纵向通风情况下，距离火源200 m范围内可用安全疏散时间小于1 800 s。

图3为列车中部车厢发生火灾时，隧道内疏散平台和疏散通道上方2 m高处的温度和能见度的变化情况。图3(a)和(b)所示火源位置两侧的疏散平台和疏散通道上方2 m高处温度均小于60℃，未对人员安全造成威胁。从图3(c)和(d)中可知，疏散平台上方2 m高处，距离火源160 m范围内，1 800 s内能见度均大于10 m；疏散通道上方2 m高处在1 800 s内均大于10 m。说明列车中部车厢发生火灾，在隧道内临时停车，无纵向通风排烟作用时，距离火源位置160 m内，人员疏散可用安全疏散时间为1 800 s，超过160 m的位置，人员疏散的可用安全时间小于1 800 s。

图3 中部车厢火灾危险性分析Fig.3 Fire risk analysis of central carriage

4 必需安全疏散时间分析

4.1 工况设置

列车在隧道内行驶时发生火灾，在动力没有缺失的情况下，建议采取继续行驶出隧道进行灭火和救援，根据列车搭载人数不同，建立工况见表1。着火列车失去动力或者火势过大，必须立即停车进行人员疏散，根据列车发生火灾车厢位置、人员疏散是否折返选择最近的疏散口、列车搭载人数以及疏散口间距不同，设置工况如表2所示。

表1 着火列车驶出隧道人员疏散工况Table 1 Personnel evacuation conditions when fire train leave the tunnel

表2 着火列车停在隧道内人员疏散工况Table 2 Personnel evacuation conditions when fire train stops in the tunnel

4.2 Pathfinder仿真计算结果及分析

4.2.1 着火列车驶出隧道疏散

着火列车驶出隧道疏散过程可分为2个阶段：第1阶段为起火车厢乘客由列车两端通道疏散到相邻车厢；第2阶段为列车驶出隧道后，人员从列车疏散至安全区域。D1和D2工况分别为CRH6列车额定人数557人和超员人数1 116人。当搭载人数为557人时，人员全部疏散至相邻2节车厢需要31.7 s，全部从车厢内疏散到安全区域需要130.4 s；当搭载人数为1 116人时，人员全部疏散到相邻车厢用时123.6 s，全部从车厢内疏散到安全区域需要336.9 s。疏散模拟结果如图4所示。

4.2.2 列车头部车厢火灾人员疏散

设C1与C2工况疏散总人数为557人，疏散口间距分别是80 m和60 m，所有人员在逃生过程中不得穿越起火车厢进行疏散，乘客行走至列车两端可根据疏散指示选择折返寻找最近疏散口。图5为疏散口间距对人员疏散的影响，C1工况人员全部疏散完毕用时992.8 s，C2工况用时726.4 s，疏散过程时间减少266.4 s。

图4 着火列车驶出隧道人员疏散Fig.4 Evacuation graph of fire train leaving the tunnel

图5 疏散口间距对人员疏散的影响Fig.5 Influence of space for safety exits on personnel evacuation

4.2.3 列车中部车厢火灾人员疏散

设A1工况为疏散过程无人员折返，A2工况下有折返。人员疏散情况如图6所示。A1工况下，0 s时火灾发生在中间车厢，列车满载557人，233 s内人员全部疏散离车厢，并通过疏散平台向疏散口移动。711 s时人员全部经过隧道中线疏散口，经疏散楼梯抵达安全区域。A2工况下，列车停稳后，乘客由列车车厢到达疏散平台，沿疏散平台行至列车两端后，根据疏散指示，选择绕过列车寻找最近疏散口进行逃生。人员在225.9 s时离开列车，此时有4个可用疏散口，497.3 s时人员全部通过中线位置疏散口抵达安全区域。疏散人数为1 116人时，755.0 s时人员全部经过疏散口抵达安全区域。

不同疏散模式下人员疏散所用时间，根据公式REST=火灾报警时间+疏散预动时间+疏散行动时间计算得各工况下安全疏散时间。通过对比分析，可得单洞双线铁路隧道发生火灾时人员疏散的安全性，如表3和图7所示。

图6 着火列车紧急制动停在隧道内人员疏散模型Fig.6 Evacuation graph of fire train emergency braking in the tunnel

工况编号工况D1工况D2工况A1工况A2工况A3工况C1工况C2工况C3ASET9009001 8001 8001 8001 8001 8001 800RSET281.4487.98316178751 112.8846.41 691.8安全性安全安全安全安全安全安全安全安全

图7 人员疏散安全性分析Fig.7 Graph of evacuation safety

5 结论

1)分析不同列车运行模式和人员疏散模式，发现最不利火灾场景为列车中部车厢发生火灾，且列车失去动力，在隧道内临时停车，此种情况下，为保证下游人员疏散安全，停止运行隧道内纵向通风设备。当疏散口间距为80 m时，能够保证1 116旅客的安全疏散。

2)对比分析了人员疏散过程中折返选择最近疏散口和无折返疏散情况，发现相同疏散距离和疏散人数同

为557人的情况下，人员在疏散过程中折返选择最近疏散口，全部疏散完毕用时节省214 s。因此，隧道内沿逃生平台，应设置明显的疏散口位置指示标识。

3)通过对比分析疏散口间距为80 m和60 m 2种情况下的人员疏散，557名旅客完成疏散用时相差266.4 s。适当缩小疏散口间距，可有效提高疏散效率。着火列车未失去动力的情况下，建议列车驶出隧道进行灭火救援和应急疏散。