车辆-人员荷载条件对隧道人员疏散时间的影响

陈诗明，张玉春，杜 晟，曹应龙，王 飞

(1.西南交通大学 地球与环境科学学院，四川 成都 611756；2.安徽省交通规划设计研究总院股份有限公司，安徽 合肥 230000)

车辆-人员荷载条件对隧道人员疏散时间的影响

陈诗明1，张玉春1，杜 晟1，曹应龙1，王 飞2

(1.西南交通大学 地球与环境科学学院，四川 成都 611756；2.安徽省交通规划设计研究总院股份有限公司，安徽 合肥 230000)

隧道人员疏散时间是合理设计疏散通道和火灾风险评估的依据。为此，系统分析了车辆、人员等因素对人员疏散时间的影响，并利用人员疏散仿真模拟软件，建立了隧道横通道人员疏散模型，开展了不同人员荷载密度、车辆位置对人员疏散时间的影响研究，分析了发生疏散通道人员堵塞时的人员荷载条件，研究了车辆停车位置对人员疏散通行能力的影响。研究结果表明：低人员荷载密度条件下，人员疏散时间计算主要以人员运动时间为主，而高人员荷载密度下，人员疏散时间计算主要取决于人员堵塞时间；隧道内车辆的停车间距对人员疏散时间影响较小，但隧道疏散出口处的车辆停车位置将影响人员疏散的通行能力，合理的禁停标志线有助于减少疏散通道车辆停靠位置对人员疏散时间的影响。

公路隧道；车辆；人员荷载密度；人员疏散；数值模拟

由于隧道为狭长空间，发生火灾时隧道人员通常很难快速到达隧道出入口，疏散通道的作用就是保证人员在紧急情况下能够快速、安全地逃离事故地点，转入相对安全的区域。因此，设置疏散通道时，应能够保证人员在火灾达到危险状态之前，全部疏散到安全区域，这也是国际上提倡的建筑物性能化防火设计方法的基本思想[1]，基于该思想，国内外许多学者利用经验公式和仿真软件对山岭公路隧道和水下公路隧道火灾时的人员疏散逃生时间进行了分析。如张玉春等通过现场实验获取了不同宽度和照度条件下横通道人员的通行能力，为经验公式基本参数提供了理论依据；褚冠全等[3]采用数值模拟分析了不同疏散准备时间下，通道宽度变化对疏散时间的影响，并发现疏散准备时间服从正态分布时，总的疏散时间也服从正态分布并向右平移一个值；NILSSON等研究了首批疏散人员的行为与隧道内感知设备对人员疏散过程的影响；范磊等[5]定义了“人员安全疏散的临界时间”和“人员安全疏散的临界距离”，并得出了特长隧道进出口段和中间段的人行横通道的平均间距。

现有的人员逃生时间的计算分析，主要基于人员疏散过程的察觉时间、确认时间和疏散逃生时间来计算[6-8]，但该过程很少关注车辆对人员疏散时间的影响。公路隧道人员疏散是车辆、人员、隧道等多场环境相互耦合影响的过程，车辆的停车间距、停车位置将影响人员疏散时间。笔者通过分析人员、车辆和疏散通道对人员疏散时间的相互影响关系，基于仿真模拟软件，开展了公路隧道车辆-人员耦合作用下的人员疏散时间研究，为合理计算人员疏散时间和设计疏散通道提供了依据。

1 人员疏散时间计算公式

疏散通道的设置，应能够确保人员在火灾达到危险状态之前，全部疏散到安全区域。隧道火灾时的人员逃生行为，将经历察觉、确认事件信息、下车、主隧道逃生、疏散通道逃生等过程，确认信息可能是下车之前或之后，为了便于分析，笔者将人员逃生行为分为3个阶段：察觉、确认火灾信息阶段(包括下车)，主隧道逃生阶段，疏散通道逃生阶段。即传统的人员必需安全疏散时间Tr包括察觉、确认火灾信息时间Ts，主隧道逃生时间Tt和疏散通道人员通行时间Tc，如式(1)所示[10]。

Tr=Ts+Tt+Tc

(1)

其中，察觉、确认火灾时间Ts与隧道火灾报警系统和人员特性有关，现阶段Ts通常设置为60～180 s[11]。人员在主隧道内的逃生时间Tt与疏散距离和疏散速度v有关，计算公式如式(2)所示。

(2)

式中：L为逃生通道间距；v为主隧道内的人员逃生速度。

但上述过程没有考虑到受人员荷载、车辆停靠隧道疏散出口时造成的人员堵塞时间。当隧道内人员荷载密度较高、疏散通道通行能力较小及受车辆停靠影响时，人员在疏散通道口将发生堵塞。这时，人员在疏散通道口的疏散堵塞时间tr与人员离疏散通道的间距L、疏散通道的通行能力p、人员荷载密度n、人员在主隧道的疏散速度v、车辆是否停靠x等因素有关，可用式(3)计算。

tr=f(L,v,n,p,x)

(3)

因此，合理确定各因素对人员疏散的影响至关重要，笔者将通过数值模拟对人员疏散影响因素进行定性定量分析，人员疏散堵塞示意图如图1所示，车辆存在情况下人员堵塞示意图如图2所示。

图1 人员疏散堵塞示意图

图2 车辆对人员疏散的影响示意图

2 疏散仿真模型建立及场景

2.1 隧道仿真模型

以某特长公路隧道为模型，借助人员疏散模拟软件Pathfinder对该公路隧道火灾情况下人员疏散进行三维实体模拟，该隧道全长7.9 km，双洞六车道，单线隧道宽13.5 m，隧道内每隔450 m设置人行横通道，每隔750 m设置一处车行横通道，模型选取长度为920 m的隧道进行疏散模拟分析，隧道横断面示意图和疏散数值模型分别如图3和图4所示。

图3 隧道横断面示意图

图4 隧道疏散数值模型

2.2 工况设定

(1)人员参数。隧道内疏散人员行走速度一般为1.0～1.5 m/s，笔者取1.0 m/s；人员荷载密度应考虑隧道内车型的构成、不同车型的载人数量、车道数和停车间距等因素，疏散人员荷载密度可根据式(4)计算[13]：

(4)

式中：d为隧道单位面积的人员荷载密度；ηi为第i类车型的构成比例；pi为第i类车型的满载人数；φi为第i类车型的人员载客系数，笔者取1；Li为第i类车型的车型长度；k为车道数；L为隧道总车道宽度；m为停车间距。相关参数取值如表1所示。

表1 相关参数值

(2)车辆设置。针对车辆存在情况，设置了隧道内有无车辆的两种场景，在有车情况下，车间距分别为1.0 m、1.5 m、2.0 m、3.0 m、5.0 m，停车间距场景示意图如图5所示；针对车辆位置情况，考虑了车辆位于距出口不同纵向距离与横向距离两种场景：①当车辆中心位于原点时，车辆上边缘与出口距离分别为1.0 m，1.5 m，3.0 m，共3种工况；②当车辆上边缘距通道入口平面1.0 m时，中心纵截面在横坐标上移动，车辆左边缘位于X=-4，-3，-2，-1，0，1，2，共7种工况，场景示意图如图6所示。

图5 隧道内停车间距场景示意图

图6 车辆处于不同位置场景示意图

3 仿真疏散模拟结果

3.1 停车间距、密度对疏散时间的影响

图7 人员疏散时间曲线

图8 堵塞发生时间曲线

不同人员荷载密度、停车间距下的隧道人员疏散时间曲线如图7所示，可知在低人员荷载条件下，即人员荷载密度小于0.10 p/m2时，停车间距对人员疏散时间并无影响；在高人员荷载条件下，停车间距越小，疏散时间增加，但增长幅度有限。原因在于：停车间距越小，人员荷载越高，人员在隧道内的单位有效疏散通道面积越少，受此影响，人员疏散时间增加，但增长幅度不大，表明停车间距对人员疏散时间影响总体不大。同时，随着人员荷载密度的增加，疏散时间从基本不变到线性增加；总体上随着人员荷载变大，堵塞发生得越早，但是，其与车辆停车间距之间关系在不同人员荷载密度下效果不一样，堵塞发生时间曲线如图8所示，可知在较低荷载密度下，间距越小，堵塞发生越早；而在较高荷载密度时，情况相反。

图9所示为隧道不同人员荷载条件下的人员疏散模拟过程，结合图9出口处较大人流量动画分析原因，在低荷载密度条件下，由于隧道内人员数量较少，人员疏散时间主要受人员疏散距离决定，车辆存在无明显影响，即人员荷载密度为0.05～0.10 p/m2时人员疏散时间基本不变；但人员荷载密度大于0.10 p/m2后，随着人员荷载密度增加，疏散通道口发生堵塞，此时人员疏散时间与疏散通道间距无关，而是由人员荷载密度和通道口宽度决定。就堵塞发生时间而言，当处于较低荷载时，车辆越多，出口处可疏散面积越小，人员发生堵塞越早；当处于较高荷载时，车辆越多反而减缓高人员荷载密度对出口的负担，通过改变人员疏散路径，增加了通过出口前的疏散准备时间，延迟了堵塞发生时间。

图9 隧道不同人员荷载条件下的人员疏散模拟过程

基于上述研究表明：①在隧道疏散通道设计过程中，偏远山区隧道人员荷载密度较低时，人员疏散时间主要受疏散距离的影响，其横通道设计可减少相应宽度，并缩短疏散通道间距；②在城市等人员荷载密度高的隧道，人员疏散时间与疏散通道口的通行能力有关，可通过增加横通道宽度，减少疏散时间，同时，根据堵塞发生时间制定相应合理的疏散应急预案。

图10 车辆距出口不同横向距离与疏散时间曲线

3.2 车辆位置对人员疏散时间的影响

(1)横向间距的影响。车辆距疏散通道不同横向距离时的人员疏散时间如图10所示。当低人员荷载条件时，由于隧道内人员较少，车辆停靠位置不影响人员疏散时间。但当达到一定人员荷载密度条件后，随着车辆停靠横通道口距离的增加，人员疏散逃生时间逐渐减小并保持不变，表明车辆越靠近横向疏散口停放，将增加人员的疏散时间。

图11所示为隧道不同横向停车间距的人员疏散模拟过程。由图11可知,当车辆停靠疏散通道口距离1.0 m时，受车辆对人员通行的限制，人员必须穿越车辆进入横通道，由于停车位置太近，车辆两边只能限一股人流进入，即横通道内只有两股人流通过；而随着车辆停靠疏散口距离的增加，车辆对人员进入的横通道的限制减少，当距离为2.0 m时，横通道内可达到3股人流，与无车辆停靠时基本一致，对人员疏散影响较小。

图11 隧道不同横向停车间距的人员疏散模拟过程

图12 车辆左边缘到出口中线距离与疏散时间曲线

图13 隧道不同纵向停车位置的人员疏散模拟过程

(2)纵向间距的影响。距疏散口横向1.0 m时不同纵向停车距离的人员疏散时间曲线如图12所示。由图12可知，当车辆刚好挡住疏散出口时，人员疏散时间最长，随着车辆远离疏散出口方向，人员疏散时间快速下降，而车辆返回移动时，疏散时间下降，但降低幅度较小。结合图13所示的模拟过程，可知当车辆刚好停靠遮挡疏散出口时，车头一侧人员疏散面积大，人员大量聚集，人员行走速度降低，进而降低了疏散通道口的通行能力。

因此，在隧道疏散出口合理位置设置禁止停车线，尤其是横向停车间距不好控制的条件下，在疏散通道口设置纵向方向疏散出口宽度距离的禁止停车线，并保证3股人流的通行间距，将有助于减少车辆停靠位置对人员疏散通道的影响。

4 结论

笔者通过理论分析和人员疏散仿真研究，开展了不同人员荷载密度、车辆位置对人员疏散时间的影响研究，得出以下结论：①隧道的人员荷载密度决定人员堵塞条件和时间，低人员荷载密度条件下，人员疏散时间主要取决于人员运动时间；而高人员荷载密度下，人员疏散时间主要取决于人员堵塞时间。②从总体上来说，隧道停车间距对人员疏散时间的影响较小。停车间距越小，疏散时间增加，但增长幅度有限；同时，在高荷载人员密度条件下，隧道停车间距越小，人员疏散路径变化多，堵塞发生时间延迟，这对人员疏散方案制定有理论指导意义。③隧道疏散出口处的车辆停车位置对人员疏散通行时间有影响。车辆距出口距离低于2 m时，出口通过率严重下降，所以，在进行人员疏散交通管控时，应在行人疏散通道口设置停车限制，保证出口通行能力不受影响，即保持3股人流的通行间距。

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CHEN Shiming:Postgraduate;School of Environmental Sciences,Southwest Jiaotong University,Chengdu 611756,China.

Effect of Vehicle-Personnel Load Condition on Personnel Evacuation Time in Tunnel

CHENShiming,ZHANGYuchun,DUSheng,CAOYinglong,WANGFei

Road tunnel evacuation time is the basis of rationally designing evacuation channel and fire risk assessment. According to systematically analysis of the influence of vehicles, people etc. on personnel evacuation time, by adopting evacuation simulation software to formulate a tunnel pedestrian channel model, the influence of different personnel density and vehicle location on the evacuation time was studied. The load condition of the personnel when the evacuation channel was blocked was analyzed. The study is carried out to research the influence under different occupant load density and vehicle location. The results show that on the condition of low occupant load densities, people movement time accounts for the main part of evacuation time, while in high density, evacuation time mainly depends on the personnel blocking time; the vehicle parking space in tunnel has little effect on it, but vehicle parking nearby the exit will affect the evacuation capacity of pedestrian channel, so normal parking signs will effectively reduce the effect that vehicle parking position causes on people evacuation time of in tunnel.

highway tunnel; vehicles; occupant load density; evacuation; numerical simulation.

2095-3852(2016)06-0662-05

A

2016-07-09.

张玉春(1980-)，男，四川什邡人，西南交通大学地球科学与环境工程学院副教授.

国家自然科学基金项目(51578464).

X932

10.3963/j.issn.2095-3852.2016.06.005

收稿日期：陈诗明(1991-)，男，湖北荆州人，西南交通大学地球科学与环境工程硕士研究生.