城际列车在隧道内发生火灾时的人员安全疏散模拟分析

杨尚军

(怀化市消防救援支队，湖南 怀化 418000)

0 引言

随着城际铁路系统的建设推进以及隧道技术的不断发展，城际铁路中的隧道占比越来越高。而城际铁路交通隧道一般具有客流量大、内部环境复杂等特点，一旦隧道内发生火灾，无论对于人和隧道都会造成巨大的危害[1]。隧道火灾具有空间狭长、烟气热量难以排除等特点，出口与隧道的疏散通道的数量较少且难以布置[2]。同时，单洞双线隧道的两条铁轨间并无间隔，一侧的火灾会直接对邻线列车造成严重威胁。因此，为提高单洞双线隧道内火灾人员疏散效率，有必要对其疏散楼梯宽度、间距等参数的影响规律进行研究。

国内外学者针对铁路隧道内的人员疏散进行了大量研究,其中研究较多的包括隧道内疏散辅助设施、疏散人员的行走参数，尤其是特殊火灾情景下的疏散楼梯布置、路径选择等[3-7]。Capote等人针对高速列车内火灾情景下的人员疏散进行研究，为列车工作人员的操作提供理论依据[8]。Shiwakoti等人以列车站台为研究对象，获取站台上的人员疏散规律为突发事件发生时人员疏散提供合理的安全策略[9]。Ronchi建立隧道火灾多种情景下的人员疏散模型，并进行疏散能力的预测研究[10]。李洪通过数值模拟进行特长隧道火灾下的烟气扩散规律研究，相应地提出人员疏散建议[11]。谢宝超等人基于CRH1型列车火灾背景，研究客运专线面对突发火灾时的疏散能力，并针对疏散通道的合理性进行验证评估[12]。林瑞炽等人则研究了不同火灾情景、不同列车内部设施布置对人员疏散规律的影响，并分析不同火灾情景下的最佳疏散路径[5,13]。邓敏等人针对某水下盾构隧道开展人员疏散的模拟研究，并验证了隧道疏散通道的疏散能力[14]。

由于单洞双线隧道火灾危险性更高，人员疏散更为困难，人员疏散不合理将会造成更严重的后果[2]。因此，本文以某采用纵向疏散的铁路隧道为例，选择高速列车停留在隧道内进行疏散的人员疏散模式，研究沿纵向布置的疏散楼梯宽度以及疏散楼梯间距对隧道内疏散的影响，其结果可为隧道内的列车火灾应急预案制定、人员疏散、救援等提供理论依据。

1 疏散模型设计

1.1 模型建立

本文所建立的模型为单洞双线城际铁路隧道，人员疏散模式假设为：列车紧急制动在隧道内后疏散，其中列车总长201 m，隧道的模拟长度为600 m。此类隧道在隧道两侧各设置一处救援通道，救援通道平面与轨道面平行，图1给出了其中一侧的救援通道的位置示意。紧急疏散廊道一般设置在隧道底部，根据《铁路工程设计防火规范》(TB 10063—2007)规定，高速铁路隧道的救援通道宽度不小于1.5 m，其他隧道不小于0.8 m，净高不小于2.2 m，本文设置救援通道宽度为1.5 m。在该隧道模型中，两条轨道中线处沿纵向每隔一定的距离设置纵向楼梯连接轨道面和疏散廊道，其中楼梯宽度和楼梯口间距为主要研究的两个疏散参数。人员的疏散步骤为：乘客下车至救援通道；通过救援通道行至事故车辆的两侧；跨过铁轨行至隧道中线处；沿疏散楼梯进入底部疏散廊道；进入工作井再出地面。

图1 疏散环境及疏散路径示意图

1.2 疏散参数设置

根据常见的CRH6型动车组，对隧道内行驶列车承载人数、人员类型以及行走速度等参数进行设置。其中模拟动车组由8节车厢组成，额定载客量557人(固定坐席)，满载客量1 502人。根据文献[9]，参照国内外通用的一般公共场所的人员类型组成，其中成年男士和成年女士各占40%，而老人和孩子的比例各为10%。疏散中人员的行走速度则参考《中国消防工程手册》[15]中关于人员疏散行走速率的研究进行设置，具体见表1。

表1 人员疏散速度和形体特征

1.3 工况设计

本文模拟火灾位置为中部车厢，人员荷载为满载情况，着火位置设置在纵向楼梯旁边。为研究纵向楼梯宽度对人员疏散的影响，设置工况A1～A4，如表2所示；为研究纵向楼梯口间距对人员疏散的影响，设置工况B1～B4，如表3所示。

表2 纵向楼梯宽度模拟工况

表3 纵向楼梯口间距模拟工况

2 结果分析

2.1 不同纵向疏散楼梯宽度影响分析

图2给出了不同纵向疏散楼梯宽度条件下疏散总人数随时间的变化规律。可以看出，在疏散开始的前300 s内，各个工况条件下，疏散总人数差别并不大，A4工况下疏散稍快一点，说明在疏散开始的一段时间内，疏散楼梯宽度对疏散速度的影响并不明显。而300 s后不同宽度的疏散楼梯在同等时间内的疏散人数变化规律开始呈现明显的不同，在同等时间内疏散楼梯的宽度越宽，疏散通过的人数越多，但是并不呈线性增加。当疏散楼梯宽度从0.8 m增加到1.2 m，疏散人数在相同的疏散时间内有显著增长，而从1.2 m增加到1.5 m时，人数虽然也有小幅增加，但差别不大。就疏散人数的疏散速率可以看出，在300 s到800 s这一段时间内，A1和A2工况中疏散总人数匀速增加，而A3和A4的增长速率在600 s时有小幅下降，这与大规模的人员已经通过纵向楼梯口有关。因此，疏散楼梯宽度并非越宽越好，存在一个最优值，平衡疏散效率与建设成本，与疏散人数、纵向楼梯口布置等直接相关，本文中疏散楼梯宽度的最优值为1.2 m。

图2 不同疏散楼梯宽度对人员疏散的影响

表4给出了不同工况下的疏散时间汇总，可以看出各个工况下疏散人员下车所需时间差别在10 s以内，而疏散的总时间差别可达200 s以上，表明纵向楼梯宽度增加对人员下车时间没有影响，但是对人员的总体疏散时间影响较大。随着疏散楼梯宽度的增加，疏散总时间由A1工况下的1 014.5 s不断减少至A4工况下的784 s，这种影响在疏散人数较多时更为明显。除了增加纵向楼梯的宽度外，列车乘务人员在适当位置进行引导疏散，也可一定程度上避免拥堵的发生，以尽量减少人员疏散时间。

表4 不同疏散楼梯宽度疏散时间汇总表

2.2 纵向楼梯口不同间距的影响分析

图3给出了工况B1～B4条件下，不同疏散楼梯间距的疏散楼梯与着火列车的位置示意图。着火列车处于疏散楼梯的中间，疏散楼梯3和疏散楼梯4之间距离是工况设置距离的两倍。

图3 不同间距时纵向楼梯位置示意图

列车人员疏散时间如表5所示，各个楼梯口通过的总人数如表6所示。可以看出，间距从70 m不断增大时，决定隧道内总疏散时间的是位于2号楼梯口和5号楼梯口的乘客，即最后的疏散人员是由2号或者5号纵向疏散楼梯进行疏散的。但是，不同工况下楼梯口间的距离不同，随着间距的不断增加，2号与5号之间的距离逐渐增大并且远离列车，导致选择2号和5号楼梯口的乘客，即进行疏散的人员行走时间增加，故总的疏散时间增加。根据表5可知，纵向疏散楼梯口间距的大小，对人员总的下车时间影响不大，最大变化保持在10 s以内，随着纵向楼梯口间距的增大，人员疏散所需总时间先减小后增大。这是因为当间距由60 m增加到70 m时，疏散口3和4越接近两侧车头(见图3)，从而人员到达3号和4号楼梯口的行走时间更短，同时选择3号和4号疏散口进行疏散的人员在增加。如表6所示，利用相对较远的2号和5号纵向楼梯进行疏散的乘客数量在减少，所以整体疏散时间减少；当疏散楼梯间距由70 m逐渐增大时，楼梯口3和4越接近两侧车头，从而人员到达3号和4号楼梯口的行走时间更短，同时选择3号和4号楼梯口进行疏散的人员持续增加。

表5 不同疏散楼梯间距疏散时间汇总表

表6 不同间距条件下各个疏散楼梯口的通过总人数汇总表

综上所述，纵向疏散楼梯口间距对列车人员下车时间影响不大，而随着间距的改变，各个楼梯口通过人员的数量在改变，间距变大时距离车头近的楼梯口通过人员数量增加，相应远离车头的楼梯口的通过人员数量减少。本文中随着纵向疏散楼梯间距的不断增大，人员疏散所需总时间先减小后增大，疏散楼梯间距为70 m时，人员疏散时间最短。

3 结论

采用Pathfinder软件，针对高速列车火灾停留在隧道内疏散情景，以疏散楼梯宽度以及间距为参数，建立数值模拟模型研究隧道内的人员安全疏散规律，结论如下：(1)疏散楼梯宽度的增加可使人员总疏散时间减少，而疏散效率并不是随疏散楼梯宽度增加持续增加，存在一个最优值平衡疏散效率与建设成本，与疏散人数、纵向楼梯布置等直接相关，本文中疏散楼梯宽度的最优值为1.2 m。(2)疏散楼梯口间距的增加会导致近列车头的疏散楼梯口的堵塞时间增加，工作人员应注意在这些楼梯口进行正确疏导以避免堵塞，楼梯口间距对人员下车总时间有轻微的影响。(3)随着纵向疏散楼梯口间距的增大，人员疏散所需总时间先减小后增大，如果疏散楼梯口间距大于60 m，则间距为70 m时，人员疏散时间最短。