沈阳地铁特殊站点突发事件对疏散的影响因素研究

秦华礼 武韬

(东北大学 沈阳 110819)

0 引言

地铁站内空间有限，大客流疏散过程中时有发生的突发事件常常会影响地铁站客流的疏散，很有可能导致严重的后果。

MA P等[1]修改了HELBING D等[2]的经典社会力模型，并将该模型用于模拟行人在充满烟雾的大厅进行疏散，研究了不同行人人数时疏散时间与视野半径的关系。张培红等[3]根据大型公共建筑物建筑结构、人员分布情况及火灾发展特点，对建筑物进行空间模块化,建立相应的人员疏散行为数学模型，并对大型公共建筑物火灾时的人员疏散行为进行计算机仿真及实例研究。何理等[4]利用调查问卷和统计分析方法,对南方某城市地铁两个车站的乘客在突发事件下的疏散安全行为进行调查和统计分析。李丹辰等[5]使用buildingEXODUS软件研究车站站厅、站台、设备区、停靠列车等多个区域火灾场景下乘客疏散所需的时间，分别研究地铁车站内闸机及栅栏门、自动扶梯、应急出口等设施的运行状态对疏散结果的影响。潘科等[6]通过调查统计人群的数量、年龄、性别等参数,应用Pathfinder软件建立地铁换乘车站人员疏散模型,对该站在不同情况下发生紧急事件的人群疏散进行研究，并找到疏散过程中不利于人群疏散的“关卡”。

综上，目前的研究多为针对单个小场景以及典型地铁车站的模拟分析，而对地铁车站的实地调研和实际参数较少。对于换乘形式采用厅—厅换乘的T形特殊车站的疏散研究，应考虑到同用站厅情况下的人员载荷和典型地铁车站的不同之处。同时，已有的模拟研究仅考虑了近期或过去的车站运行状况，而地铁实际运营周期长达几十年。因此，本文以厅—厅换乘的T形特殊车站为研究对象，通过调研地铁线路设计文件，研究整个运营寿命周期内的最大载荷状况，研究各种突发情况对地铁疏散的影响及地铁人员疏散规律，对特殊站点运营寿命全周期的安全疏散工作提供依据。

1 模型构建

1.1 仿真软件

选择的疏散模拟软件Pathfinder是一套由美国Thunderhead Engineering公司研发的简单、直观、易用的新型智能人员紧急疏散逃生评估系统。利用计算机图形仿真和游戏角色领域技术，对多个群体中的每个个体运动都进行图形化的虚拟演练，也可以根据需要设置不同人员的属性(行走速度、身高、肩宽等)。Pathfinder软件采用的模型中，人员智能化程度高，并且在Steering模式下人与人之间会保持合理的距离，与实际情况较为符合。

1.2 参数设置

1.2.1 车站模型

选择研究的车站为九号线和十号线的换乘车站。同步设计，同期施工，十号线在下，九号线在上，两站形成T型换乘，均为14 m岛式站台车站，设置有九号线和十号线的联络线。十号线车站为3层站，车站总长为175.10 m；九号线车站为2层站，车站总长为215.45 m；地下一层为两线共用的站厅层，中部为两线车站共用的公共区，九号线车站公共区中部与十号线车站公共区大里程端相接，呈T形布置，公共区由栏杆及进出站闸机分隔成付费区和非付费区。

十号线地下三层为站台层，站台计算长度为118 m；九号线地下二层为站台层，站台计算长度为118 m，宽为14 m。十号线与九号线各设两组连通站台和站厅的楼扶梯，每组楼扶梯包括一部1 m宽上行扶梯、一部1 m宽下行扶梯、一部2.2 m宽楼梯。另外，十号线结合垂直电梯设置一部上行扶梯，在疏散过程中不采用垂直电梯，并且自动扶梯将停运，用于人员疏散。九、十号线共用站厅一共包括6个出入口。根据功能划分，十号线车站包含1、2、3号出入口通道，其中1、2号通道宽度均为6 m， 3号通道宽度为5 m；九号线车站包含4、5、6号出入口通道，其中4号通道宽度为6 m，5、6号通道宽度均为5 m。在疏散过程中，站台层人员通过闸机口和员工通道后，利用楼梯和扶梯向站厅外疏散，站厅层共有 8个闸机口，通往地面共有 6个疏散出口。

地铁线路列车均选用钢轮钢轨、粘着牵引的B型车。车体长度为19 m(带司机室车长度为19.5 m)，车体宽度为2.8 m(最大处)，客车每侧设4对对开车门，车门开度为1.3 m，门槛以上高度为1.8 m。整个寿命周期内列车编组为6辆车，列车载客能力如表1所示，建立的物理仿真模型如图1所示。

表1 列车载客能力 人

图1 某地铁站结构轮廓

1.2.2 人员参数

Pathfinder可以设置不同的人员参数，主要的人员参数有行人速度、肩宽、所占比例等。为了研究超员载荷情况，根据人员年龄将乘客分为青年、中年和老人小孩，具体参数如表2所示。

表2 地铁乘客参数

根据十号线初、近、远期高峰小时客流量表与系统运输能力设计表，远期(2040年)早高峰上行方向站台进站客流最大，如表3、表4所示。车站超高峰系数按照 1.35 计算。为了更好地反映实际情况，进行疏散的总人数中需增加20名列车工作人员。

表3 十号线远期早高峰小时客流 人/h

表4 九号线远期早高峰小时客流 人/h

(1)十号线断面客流：24 938×1.35÷30=1 123(人)<1 440+20=1 460(人/列)，故列车疏散计算人数Q1=1 460人，站台上候车乘客人数Q2=(7 069+2 427)×1.35÷30=428(人)，故疏散总人数Q=Q1+Q2=1 460+428=1 888(人)。

(2)九号线断面客流：20 258×1.35÷30=912(人)<1 440+20=1 460(人/列)，故列车疏散计算人数Q1=1 460人，站台上候车乘客人数Q2=(5 222+1 584)×1.35÷30=307(人)，故疏散总人数Q=Q1+Q2=1 460+307=1 767(人)。

1.2.3 疏散参数

必需安全疏散时间(RSET)是受困人员从火灾发生至疏散到安全地点所用的时间，通常包括3个部分[7]：

tRSET=talarm+tpre+tmove

(1)

式中，tRSET为必需安全疏散时间；talarm为报警系统探测到灾情并发出报警的时间；tpre为人员从接收到报警通知到准备疏散的反应时间；tmove为从开始疏散到离开危险区域的疏散时间。

为确保人员安全疏散，就必须使可用安全疏散时间(ASET)比必需安全疏散时间长，即

tASET>tRSET

(2)

根据《地铁设计规范》(GB 50157—2013)[8]第28.2.11条，车站站台公共区的楼梯、自动扶梯、出入口通道，应满足当发生火灾时 6 min内将远期或客流控制期超过高峰小时一列进站列车所载的乘客及站台上的候车人员全部撤离站台到达安全区的要求。

2 模拟工况

2.1 超员载荷场景

为了防止产生人员密度过大的安全隐患，地铁站列车不会同时到站。模拟计算采用的十号线站台极端人员载荷拟取1 888人，其中列车内乘客1 460人，站台区域待车乘客428人；九号线站台极端人员载荷拟取1 767人，其中列车内乘客1 460人，站台区域待车乘客307人。车站站厅层认为是安全区域，但是为了更符合实际情况，额外设置公共站厅人数为200人。在此疏散设定下，整个站内共有3 855人进行疏散，最后一位人员疏散至站厅层和车站区域外部的用时分别为329.0、357.3 s。

各个疏散出口的人流量变化如图2所示。由图可知，在10.5 s之前，所有出口的人流速率均在上升，站厅层乘客陆续疏散至车站外；在10.5 s之后，1、6号出口人流速率持续增加，在约15 s时开始波动，在此时间段内出口疏散的人群为站台层乘客；同时，在10.5 s之后，2、3、4、5号出口人流速率短暂降低，在约23 s时开始增加，此时来自站台的乘客已经陆续从扶梯和楼梯疏散至站厅层。

图2 各个疏散出口的人流量变化

在疏散过程中，1、4号出入口的人流速率均达到了5人/s，这是由于选择从九、十号线站台右侧疏散到站厅层的乘客距离1、4号出入口距离相当。2号出入口人流速率在60 s时降低为0，在142 s时开始上升并波动，最大为0.8人/s，在273 s时降低为0；但是在2号出入口对面的3号出入口，最高人流速率达到了5人/s，这是由于乘客从十号线左侧疏散至站厅层后选择3号出入口距离更短、障碍更少，只有在疏散高峰期3号出入口的闸机达到通过能力上限后，才有部分乘客选择更远但人员分布更少的2号出入口进行疏散。

5号出入口到九号线左侧扶梯、楼梯口距离较远，更多的乘客选择站厅对面的4号出入口；96 s时5号出入口人流速率增加，这是因为一部分从十号线站台右侧疏散的乘客通过公共站厅疏散至4号出入口闸机；113 s时4号出入口闸机已经产生拥堵现象，更多乘客选择更远但拥堵更少的5号出入口，5号出入口人流速率增加至2.78人/s；随着人员逐渐离开站台层，各个疏散出入口的人流量逐渐减少。

243 s时十号线站台层人员已经全部上升至站厅层，307 s时最后一位人员走上九号线站台层通向站厅层的楼梯，上升至九号线的乘客几乎全部选择更近的4、6号出入口。357.3 s时全部人员离开车站，疏散结束。

研究地铁站的疏散过程发现站台层楼梯口是影响疏散的主要环节，此外，站厅层的闸机位置也对疏散产生了一些影响。40.6 s时十号线人员分布情况如图3、图4所示。可以看出，乘客从列车疏散至站台层后寻找就近的楼梯，并在出口位置形成人员密度大、流速低的拥堵。疏散开始后，站台层楼梯出口处的人员密度达到了3人/m2的最大值。由于车厢内的人员不断进入站台层，而且楼梯、扶梯的通行能力不能及时把人员输送到站厅层，导致人员在楼梯口处不断聚集并产生拥堵，很容易产生因为人员密度过大造成的拥挤、踩踏、推搡等复杂的突发情况，导致在疏散过程中形成车站空间内暂时或长期不能通过的区域。

图3 40.6 s时十号线人员分布

图4 40.6 s时十号线人员密度分布

2.2 超员载荷下车站突发情况场景

2.2.1 站台层楼梯口拥堵

研究疏散过程的人员分布情况可知，在场景空间有限的情况下，人员会在疏散出入口附近形成扇形放射状聚集区。地铁车站站台宽度仅为13.7 m，限制了人员的行动，故在图4中楼梯出入口形成的扇形人员聚集区中心位置设置不可通过区域来模拟疏散过程中可能发生的突发情况。不可通过区域的面积大小对应发生各种突发情况时候停滞的人员数量。在Pathfinder软件中，1 m2容纳的人数约为3人，设置不同大小的不可通过区域来表示不同等级的突发情况。由于Pathfinder软件的Steering模式考虑了人员路径规划和防碰撞因素,所以将人员拥堵形成的不可通过区域简化为正方形区域进行研究。

根据以上设定进行模拟，模拟结果如表5所示。由表可知，随着突发时间影响区域的增加，所需要的安全疏散时间不断增加，且6人(2 m2)以下的拥堵区域对疏散时间的影响不大。当影响区域达到3 m2，即约9人停滞时，对疏散时间的影响很大。当列车达到极限载荷状态及90%极限载荷，九号线站台层人数为307人，十号线站台层人数为428人，发生各种规模突发情况的疏散时间均不能满足规范要求。当列车人数为极限载荷的80%(1 168人)时，发生6人以下小规模突发情况的安全疏散时间<300 s，满足规范要求。当列车人数为极限载荷的70%(1 022人)时，发生大规模突发情况的安全疏散时间为282.8 s，满足规范要求。因此，在列车乘客人数达到极限载荷的80%时，需要工作人员采取限流、导流措施。一方面控制进入车站人员，另一方面引导列车上的人员，避免发生各种影响疏散的突发事件。

表5 楼梯口突发情况模拟统计

2.2.2 站厅层闸机出口拥堵

人员从站台层通往站厅层后，需要穿过闸机才可以疏散至地铁站外。由于该车站闸机宽度为0.55 m，在全开情况下只能供1人通过。站台层疏散至站厅层的人员因为闸机的通过能力不足而在闸机附近产生低速人群出现拥堵，闸机出入口附近人员速度如图5所示。可以看出，随着人员靠近闸机出入口，速度逐渐降低。

图5 闸机口处人员速度分布

为了研究站厅层闸机出口突发情况造成的拥堵对整个疏散的影响，在发生拥堵情况的闸机口处设置为不可通过。每个闸机宽度为0.55 m，并且将闸机口的特殊通道设置为关闭状态，模拟结果如表6所示。由表可知，随着可通过闸机口的减少，所需要的安全疏散时间不断增加。当列车达到极限载荷状态及90%极限载荷，九号线站台层人数为307人，十号线站台层人数为428人，发生各种规模的突发情况的疏散时间均不能满足规范要求。当列车人数为极限载荷的80%(1 168人)时，发生3个以下闸机口突发情况的安全疏散时间<300 s，满足规范要求。当列车人数为极限载荷的70%(1 022人)时发生3个以下闸机口突发情况的安全疏散时间<300 s，满足规范要求。由于通向车站外的闸机拥堵，疏散出车站的时间大大增加，因此在列车乘客人数达到极限载荷的90%时，需要站厅工作人员采取导流措施，并打开特殊通道作为疏散使用，防止从站台层上升至站厅层的大量人员在闸机口拥堵产生安全隐患，影响安全疏散过程。

表6 闸机口突发情况模拟统计

疏散中的停滞时间总和可以反映疏散过程的效率，最大停滞时间是指每个人员在疏散中经历突发情况时的各段停滞、拥堵时间的最大值，可以反映不同突发情况对整个疏散过程的效率影响。闸机在不同的拥堵情况下列车70%～100%极限载荷的最大停滞时间分布如图6～图8所示。可以看出，随着列车载荷的不断减少，疏散中的最大停滞时间的峰值也在减少。其中，1个闸机出现拥堵时的最大停滞时间达到135.03 s；2个闸机出现拥堵时的最大停滞时间达到141.60 s；3个闸机出现拥堵时的最大停滞时间达到150.15 s，以上情况均发生在列车100%极限载荷状态下。

图6 1个闸机拥堵时列车不同载荷下的最大停滞时间分布

图7 2个闸机拥堵时列车不同载荷下的最大停滞时间分布

图8 3个闸机拥堵时列车不同载荷下的最大停滞时间分布

为了研究闸机拥堵对整个疏散过程的影响大小，对模拟结果进行处理，计算各个工况下的最大停滞时间在整个疏散过程停滞时间中的占比，结果如表7所示。可以看出，在同样的突发情况拥堵下，最大停滞时间占比最大值处在100%极限载荷和90%极限载荷，达到79%。说明列车载荷越大，疏散至站厅层的人员在闸机口拥堵处发生的停滞对疏散的影响越关键。由此得出，列车载荷是疏散过程中影响安全疏散时间的重要因素。

表7 最大停滞时间占比

疏散过程中的人员总停滞时间最大值结果如表8所示。可以看出，同样的载荷下总停滞时间最大值随闸机的拥堵数量增加而变长，最长甚至超过了GB 50157—2013规定的6 min疏散时间。说明在已无法控制列车人员数量的情况下，应该避免在闸机口位置产生拥堵。闸机口处的拥堵最多可以增加99.6 s的停滞时间，对整个疏散过程影响较大。

表8 总停滞时间最大值 s

3 结论

(1)通过对根据地铁设计文件确定的单列极限超员载荷列车乘客进行模拟疏散，发现影响站台层乘客疏散的主要空间因素是站台层楼梯口的位置和数量。对各个疏散出口的人流量变化特征进行分析，发现闸机口是影响上升至站厅层的人员向车站外疏散的关键因素。每个闸机位置出现3个拥堵的情况下，整个疏散时间最多会比正常情况增加33.8%。

(2)站台层楼梯口和站厅层闸机口产生拥堵均会影响安全疏散时间。当列车载荷在80%及以上时，楼梯口产生的突发性拥堵会使安全疏散时间超过300 s；控制列车极限载荷80%以下，没有9人以上停滞的突发情况发生时可以满足规范疏散时间要求。当列车载荷在90%及以上时，站厅层闸机口产生的突发性拥堵会使安全疏散时间超过300 s。列车载荷越大，最大停滞时间占总停滞时间的比例越大，最高达到了79%。闸机口附近的突发拥堵最多会增加99.6 s的停滞时间，大大影响了疏散过程。

(3)由于站台层上升至站厅层的人员在闸机口附近产生大量停滞现象，在不能及时控制列车人员的情况下，车站工作人员应做好引导引流措施，及时疏散站厅层人员离开车站，避免出现拥堵情况。

综上，在列车载荷达到极限载荷的80%、车站站台层达到极限载荷时应开展应急措施，对人员进行引导，避免楼梯口和闸机口出现拥堵等突发情况影响正常的客流出入站和应急疏散。应急疏散过程中，当人员疏散至站厅层后，需要进一步采取开启特殊通道等措施缓解闸机口的通行压力。