苍岭隧道火灾事故疏散时间模拟研究

张雪峰 张灵吉

摘要：长大隧道火灾、危化品泄漏等突发事故造成严重的人员伤亡和巨大的经济损失。由于隧道结构的封闭性和复杂性，火灾报警、逃生和救援均难以实施。一旦隧道内发生火灾，使受灾人员在灾害危及其生命安全之前及时疏散到安全场所是非常重要的。以苍岭隧道为长大隧道的典型案例，采用经验公式和数值模拟，在苍岭隧道的实际隧道结构、交通量、车辆比率和人员荷载等模拟条件下计算了火灾事故的所需疏散时间。2种计算方法的计算结果均表明事故相关人员应在8分钟内从事故隧道转移至安全隧道。疏散时间的模拟研究，将有助于逃生救援体系的构建与实施，有效推进隧道安全运行管理。

关键词：隧道；疏散时间；经验公式；数值模拟；火灾事故

Simulation Study on the Evacuation Time of Fire Accident in Cangling Tunnel

Abstract：Unexpected incidents such as the fire of a long-large tunnel, the leakage of dangerous chemistry goods will cause serious casualties and huge economic losses . Due to the enclosed and complexity of the tunnel structure, it is difficult to implement fire warning, escape and rescue. Once causing the fire hazad inside the tunnel , it is very important for disaster-affected people to evacuate to safe places in time. Taking Cangling tunnel as a typical case, with the experience formula and numerical simulation, evacuation time of the fire accident is calculated under considering the actual structuer, traffic volume, vehicle rate and people load of Cangling tunnel. The calculation results of two methods show that the disaster-affected relevant personnel should be in eight minutes to escape from accident tunnel to a safe site. the simulation study of evacuation time of will help to build and implement the escape and recue system, and also to carry out effective the safety management of the tunnel.

Key Words：tunnel; Evacuation time; Experience formula; Numerical; Fire accident

1 引言

近年来，随着高速公路网的不断完善，隧道的利用越来越频繁，其带来的社会经济效益也日益显著。同时，由于隧道结构自身的一些特点，如对外出口少，封闭，自然排烟困难等，使得其内部一旦发生火灾将对人员的生命安全造成极大的威胁，并且给疏散逃生救援工作带来极大的困难。因此避免或减少火灾事故所造成的人员伤亡，除了努力采取消防措施预防火灾事故外，一旦发生火灾，采取恰当的应急策略和正确的疏散救援措施，使受灾人员在灾害危及其生命安全之前及时疏散到安全场所也是非常重要的。

Joel Winter[1]分析了影响隧道火灾事故时人员疏散效率的主要因素，对疏散的不同阶段进行了定量分析，给出了加快疏散速度的方法；Mattias Persson[2]提出了单向隧道火灾人员逃生风险定量分析方法，针对长隧道的交通控制与安全设施提出其研究成果；Collins[3]等人回顾了以往对于疏散标志和应急照明的工作，并进一步研究了清洁空气和烟气条件下出口标志的能见度。他们首先分别测量了黑暗和有照明条件下的标志亮度，然后通过有烟和无烟条件下的实验发现疏散标志亮度、均匀度和对比度是烟气条件下疏散标志能见度的重要影响因素。Ouellette[4]研究了烟气条件下标志能见度受外界光的影响，指出在有烟的条件下应该减小沿疏散指示路径的照明灯光光强或者增加疏散指示本身的亮度来补偿外界光影响下的能见度损失。

国内也有部分学者对疏散模型进行了研究，温利敏[5]等人开发了火灾中的群集疏散模型，并在此基础上开发了建筑防火人员疏散性状仿真系统——JFRSF计算机仿真软件；王志刚[6]等人在前人研究成果的基础上，结合地下大型商场的实际情况，开发了火灾时期人员疏散计算机模型FEgress，应用于地下大型商场的人员疏散计算；霍然教授[7]等人对火灾过程的数学模化进行了研究，提出火灾模化中的区域模拟具有一定的精度，适用于火灾危险的分析；武汉大学的方正博士[8]对建筑物火灾过程中的人员疏散问题进行研究，并建立了人员疏散网络模型SGEM。

由于车辆驾驶员缺乏必要的应急救援处置教育，事故肇事人、事故受害人和一般乘客等均严重缺少正确而及时的逃生知识，火灾事故后的前期应急救援组织缺少必要的操作程序，可能导致突发事故救援不及时，救援组织体系不连贯，救援时间偏长，逃生过错而引发较多的损失。

以浙江省台金高速公路的苍岭隧道为典型案例，根据隧道的实际结构特征和隧道运行参数等，模拟计算隧道内火灾事故时的事故相关人员的疏散时间。为寻找有效安全防控手段提供必要的依据，从而减少和降低事故造成的人员伤亡和财产损失，可提高公路隧道运营管理水平。

2 疏散时间模拟计算方法

疏散时间的计算，其实主要是对隧道事故人员疏散时间的预测，一般有现场模拟试验测量法、经验公式法和计算机模拟三种方法。现场模拟试验测量的方法主要用于科学研究，由于资金和试验条件的限制，很少用于工程；经验公式法是通过大量的试验数据总结出来的，由一系列经验公式组成，一般可以通过手工计算进行疏散预测，以日本为代表的一些国家主要采用此类方法；计算机模拟就是通过计算机软件模拟人员疏散的动态过程，来预测人员疏散的时间。

采用计算机模型来预测人员疏散时间是最为常用的。疏散模型的发展是从粗略的网络方法向精细网络方法的过渡。粗略的网络方法是以每个节点代表一个房间或是走廊，而与它的实际尺寸无关，节点被代表实际联系的弧连接起来，而且人的运动是整体行为，代表一个统一的整体的运动，在这些模型中，用数学方程式来描述流速和人群的平均速度并用来解析整个的疏散过程。这些网络模型主要有：EVACSIM，EVACNET，WAYOUT(FIRE-CALE的子模型)，精细的网络模型是将建筑物的空间分成很多精细的网络节点，这些节点的形式不同如EXODUS是正方形网络；AEAEGRESS是六边形网络；SIMULEX是距离地图的形状。在这些模型中，一个占据的格子代表一个人的空间容积和一个人从一个格子到下一个格子的步数，人的速度有赖于周围人的密度，此外人的行为反应也可以添加进去，所以这些模型可以描述个人的运动轨迹和他们对周围环境刺激的反应和个人的特征等。因而最新的模型越来越接近真实生活中的疏散。

人员疏散模型基本上可以分成两种类型，即只考虑人运动的模型和综合考虑人的运动行为与环境相互关系的模型。第一类模型是只考虑环境因素的模型。它将每个人都当作是只对外部新产生的自动响应的无意识的客体。在这类模型中，假定人逃离建筑时马上停止了其他一切活动。并且，疏散方向和疏散速度仅仅由物理因素决定，比如人群密度、出口疏散能力等，而忽略了人群中的个体特性，将人群的疏散作为一种整体运动。这些模型适用于大量的人群或将所有疏散人员当作一个共同特性的整体来考虑的情况。第二类模型不仅考虑了建筑物的物理特性，而且将每个人当作一个主动因素，考虑它对各种火灾信号的响应及其个体行为，比如个体响应时间、如何选择出口等。

与欧美所采用的计算机模拟体系不同，日本在安全疏散方面一直采用手算的方法。2000年日本又颁布最新疏散评估计算方法。日本关于疏散预算的计算较为明确，且已经写入建筑基准法。所谓疏散时间的预测方法，是由火灾发生到疏散开始的疏散开始时间、由疏散开始到疏散结束的疏散行动时间的计算程序及其方法。T=Ts+Tt+Tq，这里面T表示总的疏散时间，Ts为疏散开始时间，Tt为到达出口的步行时间，Tq为排队通过出口的时间。

2.1经验公式

发生火灾后，隧道内被困人员通过疏散通道口进行逃生，当通道口处人员拥堵情况下全体人全部通过通道口的时间T可由以下公式[9]获得：

(1)

其中：P为通过疏散通道的总人数；

N为疏散通道口数量；

R为人流平均速度（m/s）；

W为疏散通道口宽度(m)；

L为通道边界层宽度。

人员摆臂或携带物件造成的边界影响(m)。通道边界层宽度是由于人行走时为了保持平衡，左右两臂的摆动而使得人与边界保持一定距离造成。这个距离不能为人员疏散所利用，从而得出疏散通道的有效宽度，即为通道宽度减去通道两边的边界层宽度。隧道通道边界层宽度可取15cm，也就是说疏散通道有效宽度比通道实际宽度窄30cm。

人员疏散行走速度S与人员密度D存在一定的关系[10]：

S=K(1-0.266D)(2)

其中：S为人员在通道内疏散行走速度（m/s）；

K为与疏散通道有关的常数，隧道内取1.4；

D为人员密度，D通常取0.54

2.2数值模拟方法

EXODUS软件考虑了人与人，人与火，人与建筑物之间的交互影响。当个体逃离困境或克服火灾造成的高温、烟雾及有毒气体时，模式将追踪其行动轨迹。该软件采用C++面向对象编程技术及规则库概念对模拟过程进行控制。因此，模拟中的个体行为和行动均取决于一系列的直观判断和规则。为了增加其移动性，这些规则被分为五种相互作用的子模式，即“被困者”，“行动”，“行为”，“毒性”及“灾险”子模式。这些模式构建了一个代表封闭的几何空间区域。

封闭的几何空间可以通过以下几种方法绘制：（i）从几何图库中读取；（ii）利用所提供的工具综合构建；（iii）通过DXF格式从CAD制图中读取。整个几何空间的内部布满了网格状的节点，这些节点以0.5米的间距规律分布并由一个弧形系统连接起来。每个节点代表一名被困者占据的空间区域。

3 隧道结构与计算参数情况

苍岭隧道总长7570m，建筑限界宽度10.25m，限界高度5.0m，两侧设有检修道，各为0.75m。苍岭隧道左右洞之间共设置了9处汽车横通道和20处人行横通道，人行横通道纵向间距250m，其中通道宽2.0m，高2.5m，汽车横通道750m，两隧道之间距离为10m，如图-1所示。疏散时间计算参数汇总表如表-1,表-2所示。

图-1 隧道火灾事故虚拟平面图

4 疏散事故的计算结果与分析

根据经验公式，按最危险情况计算，如果离着火点最近的车为大型客车，那么大客上所有人下车所需时间为172s，离火源最近的人下车后的安全疏散时间为312s，人员安全疏散总时间为： TRSET =312+172=484s

根据数值模拟计算，从图-2的疏散模拟的结果表明，750 m长隧道内1863人全部疏散完毕的时间为453s。

数值模拟的疏散时间小于经验公式的疏散时间。这是因为经验公式只考虑了相邻两条隧道横通道之间的情况。而在数值模拟中，研究的是两条车行横通道之间的情况，即全长750 m的范围，其中还包括了两条人行横通道。范围较大，那么情况也就会稍显复杂。比如，当只考虑相邻两条横通道之间的情况时，其内的人员只有一个疏散通道可供选择。而当考虑750 m长的范围时，隧道内的人员将会有更多的疏散通道可供选择，从而使得疏散能够按照最理想的情况进行，造成疏散时间的减少。

公路隧道发生交通事故，尤其如火灾，危化品泄漏等，隧道内的人员能够安全逃生取决于每个人的自身条件和隧道内的环境状况。每个人的自身条件包括人的年龄大小、身体状况、心理素质、灵敏程度、逃跑速度、逃生判断以及逃生知识等；隧道內的环境包括人员所处位置的空气温度、烟雾的浓度、光线能见度、有害气体的成分及浓度、氧气含量等。

5 结论与建议

经验公式和数值模拟计算的疏散时间分别为484s和453s。2种计算方法的计算结果比较接近,均具有一定的合理性和实用性。从数值分析结果,隧道一旦发生火灾事故,要求事故相关人员在8分钟内利用隧道内逃生设施,及时并快速地从事故隧道转移至安全隧道。

隧道的逃生救援体系不仅仅是单一隧道的逃生救援，而是多隧道相互作用影响的需要各管理部门全力协调配合的逃生救援系统。除了设置一套科学、安全可靠的消防硬件系统并使之协调运作外，在运营过程中更应未雨绸缪，做好突发事故应急救灾规划等准备，以提高对隧道或隧道群区段内突发事件的响应速度，以最快的速度进行救援、排障，降低由此引起的交通拥挤和时间延误，最大限度减少事故损失。

因此，隧道管理机构应尽快发现火灾等事故的发生，做到及时启动隧道通风应急预案、广播应急预案，并开通隧道内逃生通道（即横通道），将各项空气指标控制在安全标准范围内，从而保证逃生人员能够顺利安全逃生。

参考文献

[1] Winter J. Modelling Crowd Evacuation from Road and Train Tunnels-Data and design for faster evacuations [D]. Sweden: Lund University, 2003.

[2] Persson M., Quantitative Risk Analysis Procedure for the Fire Evacuation of a Road Tunnel- An Illustrative Example [R]. Sweden: Department of Fire Safety Engineering Lund University, 2002.

[3] Collins B. L. Evaluation of Exit Signsin Clear and Smoke Conditions [M]. Gaitherburg MD: NIST, 1990.

[4] Ouellette M. J. Exit signs in smoke: design parameters for greater visibility [J]. Lighting research & technology, 1988, 20 (Compendex): 155-160.

[5] 温丽敏. 火灾中群集疏散的设计方法及计算机仿真 [J]. 东北大学学报(自然科学版), 1998, 19 (5).

[6] 王志刚. 地下大型商场火灾时期人员疏散计算机模型 [J]. 火灾科学, 2001, 10 (1).

[7] 霍然. 火灾过程的计算模化与人员的安全疏散 [J]. 消防科学与技术, 2002, 21 (2).

[8] 方正. 人员安全疏散模型及其在性能化消防设计中的应用 [J]. 消防科学与技术, 2002, 21 (6).

[9] Piarc, Fire and Smoke Control in Road Tunnels [R]. Paris: PIARC Committee on Road Tunnels, 2002.

[10] Gwynne S., Galea E. R., Owen M.. A review of the methodologies used in the computer simulation of evacuation from the built environment [J]. Building and Environment, 1999, 34 (6): 741-749.

[11] 田娟荣. 地铁火灾人员疏散的行为研究及危险性分析 [D]: 广州大学, 2006.

[12] 李想. 集中排烟模式下长大公路隧道火灾及人员安全疏散研究 [D]: 浙江大学, 2008.

注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。