铁路隧道紧急救援站人员疏散时间理论计算方法

于 丽， 代仲宇， 赵 勇， 王明年， 李 琦

(1. 西南交通大学 土木工程学院， 四川 成都 610031； 2. 中国建筑股份有限公司， 北京 100029；3. 中国铁路经济规划研究院， 北京 100038)

近年来，随着我国铁路建设的发展，出现了一大批长度在20 km以上的长大隧道及隧道群，铁路隧道的防灾疏散工程受到了国内外学者和铁路管理部门的重视。

修建紧急救援站是保证列车在隧道内发生火灾后，人员能够安全疏散的有效方式。目前，国内外标准一般规定长度20 km及以上的隧道或隧道群应设置紧急救援站[1]。火灾列车在停靠紧急救援站后能否实现人员安全疏散是防灾系统设计的关键。目前，欧洲、美国及我国地铁标准规定[2-3]在隧道中发生紧急事故的人员疏散时间应控制在6 min之内，而我国铁路隧道紧急救援站的建设刚刚起步，在设计过程中并没有相关的理论计算方法。国内外学者针对人员疏散的研究主要采用人群疏散模型和计算机仿真模拟结合的方法，Helbing[4]提出了基于行人自身驱动力，考虑恐惧心理状态的社会力模型，Lovas[5]提出了分析人流运动特征的排队网络模型，石勃伟[6]提出了模拟人员整体运动状态的水力模型，Heibing等[7]提出了能够将时间、空间离散控制的元胞自动机模型，Okazaki[8]提出了基于磁场的描述人与人之间相互作用的磁场力模型。计算机仿真模拟也是基于上述疏散模型或是根据真实火灾数据进行概率分析后，建立火灾场景进行模拟。针对铁路隧道紧急救援站的特点，基于水力模型，建立人员疏散时间的理论计算方法，可以检验紧急救援站配置参数的合理性，以便更好的指导设计，为规范修订提供参考。

1 人员疏散时间计算方法

1.1 GB 50016—2014《建筑设计防火规范》[9]计算方法

GB 50016—2014《建筑设计防火规范》中规定了体育馆、电影院、剧场等有大量人员聚集的公共场所的火灾时，每100个人员疏散时需要的最小出口宽度计算式为

( 1 )

得到百人指标后，可以计算某场所疏散所需的出口宽度和数量，计算式为

( 2 )

式( 1 )、式( 2 )主要适用于多方向上有多个出口的建筑结构内，可以根据需要疏散完毕的时间反推出满足疏散要求的出口宽度和数量。

1.2 GB 50157—2013《地铁设计规范》[3]计算方法

地铁站台层的事故疏散时间计算式为

( 3 )

式中：Q1为列车乘客数；Q2为站台上候车乘客和站台上工作人员；A1为自动扶梯通过能力，人/(min·m)；A2为人行楼梯通过能力，人/(min·m)；N为自动扶梯台数；B为人行楼梯总宽度，m。

式( 3 )主要用于地铁车站具有较宽站台及多处楼梯及电梯的情况，通过人员的数量及具体通道宽度和数量可以得到人员疏散的时间，或根据规定的时间反算出车站可以满足人员疏散的通道宽度及数量。

1.3 水力模型计算方法

水力模型疏散模型是将人群按照整体考虑成管道中的水，较符合铁路隧道中人员整体单向疏散，其表达式为

taction=ttravel+tqueue

( 4 )

式中：taction为疏散时间；ttravel为步行时间，按从最远一点经折线距离至出口所需的时间；tqueue为出口通过时间，人员通过某一限制出口所需要的时间，即出口排队时间。

步行时间计算式为

( 5 )

式中：ttravel为步行时间，min；l为步行最大距离，m；v为步行速度，m/min。

出口通过时间计算式为

( 6 )

式中：tqueue为出口通过时间，min；p为人员密度，人/m2；A为建筑面积，m2；N为出口有效流出系数，人/(min·m)；B为出口有效宽度，m。

根据上述水力模型计算方法，针对铁路隧道内人员的紧急疏散特征，给予一定的修改。铁路隧道发生火灾时，人员的疏散首先要从列车内疏散到车外，因此，铁路隧道人员疏散的时间需要增加人员全部疏散至列车外部的时间，即下车的时间。

由于隧道狭长的结构特点，人员疏散时，在紧急救援站处主要沿单侧的紧急救援站站台进行疏散，疏散队伍狭长有序分布，假设在铁路隧道中，人员疏散的出口通过时间，即拥堵等待时间为0，得到铁路隧道内的人员疏散时间计算式为

to=t1+t2

( 7 )

式中：t1为下车时间，定员数量最多的车厢内人员全部疏散至车外的时间；t2为步行时间，距离出口最远一点至出口所需的时间。

下车时间计算式为

( 8 )

式中：Q2为火灾车厢仅有一端的门供疏散时，每个车门需下车的人员数量，人；V1为人员下车速度，人/s。

瑞典隆德大学的Noren等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结果，见表1[10]。

表1 人员在不同站台高度情况下的下车速度

步行时间计算式为

( 9 )

式中：L为距离出口最远的距离，m；V为人员步行速度，m/min。

确定人员的行进速度对于分析疏散时间格外重要，行进速度与人群的密度、性别、年龄、身体状况、所处环境、路径等诸多因素有关[11]。根据文献[12]的研究，人员密度和行进速度间的关系曲线见图1，数学表达式为

V=K(1-0.266D)

(10)

式中：D为人员密度(不小于0.5)，人/m2；K为系数，对于水平通道K=84.0，对于楼梯台阶K=51.8(G/R)1/2，G与R分别为踏步的宽度和高度。

人员的密度计算时，假定所计算疏散人员均站在列车外隧道内站台或通道上，则人员密度为

(11)

式中：Q为需疏散的人员数量，人；A为需疏散人员所占站台或通道的面积，m2。

2 人员疏散时间计算公式的推导

2.1 公式推导

(12)

式中：Q1为定员数量最多车厢内的人员数量，人；V1为人员下车速度，人/s；LS为紧急救援站横通道间距，m；LC为一节车厢的长度，m；B1为紧急救援站站台宽度，m；K为系数，取K=84.0。

2.2 修正系数确定

考虑一定的安全储备，针对式(12)提出疏散时间的安全修正系数。针对25型列车进行计算，其每节车厢定员人数为128人，车厢长度为26 m，紧急救援站站台宽度为2.3 m，高度为0.3 m，在此基础上，通过对不同结构参数条件下的紧急救援站人员疏散进行数值模拟，得到理论公式计算结果与数值模拟计算结果对比曲线，见图2、图3。

通过两曲线的对比，两者的结果比值大约在1.0～1.3范围内，因此，可将式(12)变形为

(13)

式中：η为安全修正系数，η=1.0～1.3。

式(13)的适用前提条件为出口的宽度满足人员顺畅疏散，不会有明显的滞留现象出现。

3 人员疏散模型试验验证

3.1 紧急救援站人员疏散试验设计

按照规范中对横通道宽度，站台宽度的要求[1]，模拟三节车厢，车厢长度为26 m，人员分别由车厢站台侧车门疏散至站台。试验模拟工况见表2。

表2 试验工况

1、2号车厢内人员由车厢前后两门疏散，3号车厢内人员由车厢前门疏散，见图4、图5。

3.2 紧急救援站人员疏散试验结果

(1) 人员疏散时间

紧急救援站人员疏散试验主要测试在不同出口宽度条件下人员疏散的必需安全疏散时间、出口处拥堵程度、疏散速度以及出口处的人员通过率，疏散现场见图6，测试结果见表3。

表3 人员疏散模型试验结果

工况出口宽度/m站台宽度/m横通道间距/m受测人数必需安全疏散时间/s出口拥堵时间/sB122.56038813475B232.56038810914

由表3可知，当隧道出口宽度为2 m时，人员全部疏散至安全地点需要134 s，在出口处拥堵时间为75 s。当隧道出口宽度为3 m时，疏散时间为109 s，拥堵时间为14 s。

(2) 人员疏散速度

由试验测得的疏散时间，可以计算得到不同隧道出口宽度条件下，人员疏散通过隧道出口的平均疏散速度，结果见表4。

表4 紧急救援站人员疏散速度结果

由表4可知，随着隧道出口宽度的增加，人员通过出口的速度明显提高。当隧道出口宽度为2 m时，人员平均疏散速度大约为71.2 人/(min·m)。当隧道出口宽度为3 m时，人员平均疏散速度大约为87 人/(min·m)。

3.3 验证

由于试验中受测人员均为年轻人，且男性占到88%，疏散环境光线好，地面平整，因此，试验所测得的疏散时间及速度需进行折减。根据文献[13]规定，隧道中火灾烟气对人员疏散的影响可以用消光系数来表示，若取消光系数取临界值0.4，则人员疏散速度大约折减4%。根据GB 50016—2014《建筑设计防火规范》[9]规定，人在凹凸地面上行走的速度比在平地上行走的速度大约下降14%。实际疏散的人员中，只有45%的成年男性，成年女性的比例为38%，疏散速度为男性的80%，其余为老人和小孩，比例为17%，速度为成年男性的60%，疏散速度下降11%。则人员疏散的速度大约折减33%，得到理论计算结果和模型试验结果的对比，见表5。

表5 人员疏散时间结果对比

由表5可知，在出口宽度基本满足人员顺畅疏散的条件下，人员疏散时间的理论计算结果与试验结果较吻合，表明铁路隧道紧急救援站的人员疏散时间计算公式合理。

4 结论

(1) 基于水力模型疏散时间计算方法，得到紧急救援站人员疏散时间的组成为人员下车时间和步行时间之和。

(2) 针对着火列车停靠在紧急救援站的情况，建立疏散时间与车厢内人数、人员速度、横通道间距、站台宽度、列车长度的关系，得到紧急救援站人员疏散时间计算公式。