足尺隧道5MW火灾下大巴车疏散时间试验研究

2021-12-17安文娟谢耀华李远哲

重庆交通大学学报(自然科学版) 2021年11期

安文娟,方磊，谢耀华，李远哲

(1. 重庆交通大学土木工程学院，重庆 400074； 2. 招商局重庆交通科研设计院有限公司，重庆 400067； 3. 中铁隧道勘测设计院有限公司，天津 300123)

0 引言

截止2020年底，我国已建成公路隧道21 316处，全长约21 999 km[1]。随着隧道工程建设技术的发展，长大隧道越来越多，曲线隧道、螺旋隧道等复杂隧道也逐渐出现[2]。由于公路隧道为半封闭结构，隧道内一旦发生火灾，则容易形成浓烟和高温，极不利于人员疏散逃生。据我国2000—2016年间161起公路隧道火灾事故数据显示，16.3%的公路隧道火灾事故涉及人员伤亡[3]，火灾事故已成为造成公路隧道人员伤亡的主要事故类型之一。

疏散行为分析是疏散策略制定的前提，也是保障乘客安全的重要举措。国内外学者针对公路隧道火灾事件下的人员疏散进行了大量数值仿真研究[4-6]，以探索不同特征隧道、不同火灾工况下的人员安全疏散所需时间，但受安全与成本限制，物理试验尤其是足尺隧道内的物理试验研究相对较少。M.SEIKE等[7-9]在一个全尺寸试验隧道中，采用发烟机器释放刺激性和无激刺性两种烟雾，在浓烟隧道内进行了正常行走和紧急疏散两种状态下的疏散试验，获取了不同性别和不同年龄人员的疏散速度，并对疏散速度与减光系数的关系进行了试验。M.KINATEDER等[10]采用VR实验，研究了社会因素、信息因素及经验因素对隧道紧急事故下行人疏散出口选择、行动轨迹、弃车时间等行为的影响。D.NILSSON等[11]在戈塔隧道内采用虚拟火灾场景，对受试者的停车时间、弃车时间、到达出口时间进行了观测，并将这些时间与警报响起时间进行了对比，同时对受试者在试验前和试验后分别进行了问卷调查和访谈，对问卷与疏散行为的一致性进行了研究；ZHANG Yuxin等[12]采用现场实验、问卷调查和访谈等方法进行了高海拔隧道火灾事件下，长途陡峭疏散通道内的疏散行为研究，讨论了响应时间、路线选择、移动速度和对技术设施的反应，以及性别、年龄、情绪状态等因素对行为的影响。既有研究一般为单人或多人的车外疏散试验，未涉及车内疏散过程。而大巴车由于载客人数较多，且车内通道狭窄，车内疏散往往需要消耗较长的时间，从而成为人员疏散的瓶颈。同时，在公路隧道的正常运营期内，无法避免大巴车的通行。因此，为了提升公路隧道运营的安全性，研究隧道突发火灾环境中的大巴车车内人员疏散行为十分必要。

笔者在1∶1足尺试验隧道内，采用5 MW真实火源和一辆51座大巴车，考虑不同载客率与不同疏散出口的影响，开展隧道火灾场景下的大巴车车内人员疏散行为研究，研究结果可为公路隧道内的应急救援策略制定提供参考。

1 试验方案设计

1.1 试验隧道

图1为1∶1全尺寸试验隧道，隧道主体长约150 m、内宽14.55 m、净高7.1 m，有3个车道，为钢筋混凝土结构。距隧道洞口30 m起每间隔45 m设置一个疏散出口，共设置3个，出口宽1.5 m。

图1 试验隧道Fig. 1 Experiment tunnel

1.2 试验车辆

试验所用大巴车为厦门金龙牌大巴车，51座(含司机和副驾驶各1座)，车辆尺寸为11 480 mm(长)×2 490 mm(宽)×3 540 mm(高)，车门宽0.8 m，仅有1个车门。

1.3 试验参加者

由于大巴车通常为公司班车或公共运输车辆，车内乘客或为公司职员，或普通居民。试验募集了当地公交公司职员、普通公司职员以及本地居民3类人员进行试验，总人数为48人，其中男性41人、女性7人。参加试验者年龄分布为：25岁及以下2人，25～30(含)岁24人，30～35(含)岁12人，35～40(含)岁7人，40～50(含)岁2人，50岁以上1人，年龄集中在25～30岁段，属于标准轴为φ=26的正态分布。试验参加者身体状况良好，均无火灾经验，不了解火灾逃生相关知识。

图2 试验参加者年龄分布状况Fig. 2 Age distribution of participants

1.4 试验场景设置

1.4.1 火源

试验采用150 cm×150 cm×10 cm(长×宽×高)油盆火，火灾规模约5 MW，相当于一辆小汽车在燃烧。

1.4.2 障碍物

假设隧道内发生火灾时交通为阻滞状况，即3个车道均有车辆在通行。在各车道上按一定的间距布置木箱，模拟最不利交通拥堵状态下隧道内停止的车辆，如图3所示。

图3 试验障碍物布置Fig. 3 Layout of test obstacles

1.4.3 火源与试验车位置

油盆与试验车辆均置于中间车道，油盆位于3#疏散出口与试验车之间。其中，油盆距离试验车出口约10 m；试验车出口距离1#疏散出口67.5 m、距离2#疏散出口22.5 m、距离3#疏散出口22 m，如图4。

图4 火灾疏散试验布设Fig. 4 Layout of fire evacuation experiment

1.5 试验工况设计

考虑不同的大巴车载客率，及指定不同的疏散路径，试验共设计4个试验工况，见表1。对于工况A、B与C，3种工况下的参与者均被指定从1#出口疏散，即疏散出口条件相同，但参与者的人数不同。工况A和工况D，2种工况下的疏散人数相同，但疏散出口数不同

表1 试验工况设计表Table 1 Design of test condition

2 试验过程及结果

2.1 试验过程

整个试验先由现场负责人员进行疏散讲解，然后组织参加者上大巴车，开始在油盆内注油，接着点火，试验正式开始。为体现隧道内火灾烟雾对疏散的影响，要求试验参加者在点火60 s后才开始疏散。试验参加者全部从疏散出口逃出后，疏散出口关闭，试验结束。点火150 s后隧道内的场景如图5。为提高试验参与者的行动积极性，使尽可能快速地完成疏散，从而使试验行为更符合现实火灾事件下的实际行为，试验对前15名完成疏散的参与者给予物质奖励。

图5 5 MW油盆火点火后150 s现场照片Fig. 5 Site photo after ignition of 5 MW oil basin fire for 150 s

2.2 试验结果

在疏散试验过程中，由于部分试验参与者从未见过真实火灾，在油盆火引燃时出现恐慌情绪，疏散前即解开了安全带，随时准备开始逃生。因此，疏散行动前的反应时间在本次试验中难以真实体现，车内疏散时间未考虑反应时间，其记录起点以试验规定的疏散开始时间为准。试验记录了4种工况下车内疏散时间与车外疏散时间的试验结果，如表2。根据每个参与者的疏散时间与疏散距离，计算不同试验工况下每个参与者的车外疏散速度分布如图8。

表2 疏散时间试验结果Table 2 Evacuation time test results

图6 疏散速度分布Fig. 6 Evacuation speed distribution

从表2及图8的试验结果可知：

1)当大巴车满载时，车内疏散需用时间为1.1 s/人；当大巴车载客率为2/3时，车内疏散需用时间为1.0 s/人；当大巴车载客率为1/2时，车内疏散需用时间为0.9 s/人。车内疏散试验结果表明，当车内人数越多，人均所需的车内疏散时间则越长，两者之间呈线性递增关系。

2)不同试验工况下，参与者的车外平均疏散速度均超过3 m/s，远大于人的一般正常行走速度1.2 m/s。

对同一疏散口、不同人数的疏散情况，工况C仅有24名参与者，其车外平均疏散速度为3.4 m/s；工况B与工况A分别有32名和48名参与者，2种工况下的车外平均疏散速度相等，均为3.2 m/s，小于工况C速度。可见，在一定范围内，人数对车外疏散速度有影响，这与人数越少则疏散出口处的拥挤延误越小有关。

对相同人数、不同疏散口的工况A和工况D，结果显示工况D的车外平均疏散速度为3.5 m/s，大于工况A的3.2 m/s。尽管工况A仅有1个出口，而工况D有3个出口，但由于在工况D的试验过程中，48人中有47人选择了2#出口，对于参与者实际使用的出口数，工况D与工况A基本一致。可见，可用疏散出口数实际未对试验结果产生影响。值得注意的是，工况A中试验参与者选择的1#疏散出口与大巴车出口的距离为67.5 m，工况D中试验参与者选择的2#疏散出口与大巴车出口距离为22.5 m，表明疏散距离是影响参与者车外疏散速度的因素之一，且疏散距离越短车外平均疏散速度越高。

3)疏散过程中，由于大巴车内通道狭窄，试验参与者在车内的疏散速度较慢，车内疏散时间大于车外疏散时间，且人数越多，两者的差距越大。下车后，参与者开始加速逃向疏散出口，此阶段参与者的疏散行为表现出明显的跟随特征，大多数参与者选择跟随“第一个行动”的参与者进行疏散，仅有极少数人选择不同的疏散路径。在工况D中，有3个疏散出口可用，仅有1人选择穿越油盆火，从3#疏散出口逃生；另外47人均选择从远离油盆火最近的2#疏散出口逃生，尽管2#出口出现排队，但参与者宁愿等待，也不愿意另作选择。可见，出口与事件点的距离，是影响参与者出口选择行为的重要因素之一。

3 对比分析

疏散过程一般分为火灾探测、人员反应、车内至车外、车外至疏散出口、疏散出口至洞外等阶段。相应的隧道内人员疏散时间一般包括：火灾探测时间、人员反应时间、车内疏散时间、隧道内疏散时间、隧道疏散门疏散时间。可采用仿真模拟法、物理试验法、经验公式法等方法对人员所需疏散时间进行计算分析。笔者将大巴车内人员疏散时间的试验结果与经验公式法计算结果进行对比，以验证试验的可行性和结果可靠性。

3.1 经验公式法计算疏散时间

日本Togawa公式、美国SFPE手册经验公式等是常用疏散时间计算公式。SFPE手册中的经验公式是用于计算建筑物内的安全疏散时间[13]。基于此公式，对隧道内疏散时间做相应改进，改进后的公式如下[6]：

TREST=Ta+Tb+Ti+To

(1)

式中：Ta为火灾探测时间；Tb为人员反应时间；Ti为车内疏散时间，即人员从车内到车外所花的时间；To为隧道内疏散时间，即人员下车后到达隧道出口(疏散门)并逃出的时间。

大巴车内通道短、人员密度大，车内疏散时间主要考虑车门通过时间。火灾后，被困人员从通道逃生，全体人员通过通道口(车门)的时间Ti如式(2)[14]：

(2)

式中，P为通行通道总人数；N为通道口数量；W为通道口宽度，m；a为通道边界宽度，一般取0.15 m；R为人流平均通过速度，与人员密度相关，m/s，如式(3)：

R=K(1-0.266Dr)

(3)

式中：K为与疏散通道有关的常数，隧道内取1.4，大巴车内取2.6；Dr为人员密度，0.54

隧道内疏散时间包括下车后到达疏散出口时间及通过疏散出口时间，前者与车辆到达疏散出口距离相关，后者疏散出口的通过能力相关。隧道内疏散时间To如式(4)：

(4)

式中：L为大巴车车门距离隧道逃生出口的距离，m；v为隧道内平均疏散速度，m/s。

试验大巴车长11.48 m、宽2.49 m、车门宽0.8 m，满载48人时，Dr=2.77 人/m2；载客32人时，Dr=1.85 人/m2；载客24人时，Dr=1.39 人/m2。人员在隧道内的正常行走速度一般为1.2 m/s，但在紧急情况下平均行走速度会加快，此时隧道内疏散速度R=2.0 m/s[7-9]。隧道出口通过时间采用调整系数计算。

不考虑火灾探测时间和人员反应时间，根据公式(2)、式(3)可计算出不同工况下的大巴车车内疏散时间Ti及车外疏散时间To如表3，表中T=Ti+To。

表3 疏散时间经验公式法计算结果Table 3 Calculation results of evacuation time by empirical formula method

由表3可知：疏散时间的经验公式计算结果规律与试验结果基本一致，即疏散人数越多，车内所需疏散时间越长；隧道内疏散出口越多，疏散速度越快。采用经验公式计算时，车内疏散时间与疏散人数两者之间呈非线性相关。

3.2 试验与计算结果对比

大巴车人员车内疏散时间与车外疏散的试验结果与计算结果对比如表4。

表4 计算时间与试验时间对比Table 4 Comparison between calculation time and test time

由表4可知：

1)无论是车内疏散时间还是车外疏散时间，4种工况下，经验公式的计算值均大于试验结果，且疏散人数越多，两者之间差距越大。经验公式中，疏散人数是影响计算结果的重要参数，疏散人数越多，经验公式中的人流平均通过速度越低。实际人流通过速度不仅与疏散人数有关，与疏散人员的行为也有关。当疏散人员数量规模较小而未引起拥挤，或当疏散人员数量规模较大，但人员之间达成一致、有序疏散而未发生拥挤时，则人流平均通过速度不会因疏散人数增加而下降。经验公式计算疏散时间时，考虑了疏散出口拥挤造成的延误，因此出口通过时间较大。但在疏散试验中，车内疏散过程与车外疏散过程均未引发拥挤，故实际试验时间较公式计算时间大幅减少。

2)对于车外疏散时间，在经验公式中，疏散出口数和疏散距离是影响计算结果的重要参数，出口数越多、距离越短则计算结果越小。工况D有3个出口，经验公式计算时，出口数取3平均疏散距离为56.5 m；实际试验时，48个人中有47个人选择了2#出口，即试验实际使用的出口只有1个，疏散距离为22.5 m。可见，在工况D中，与实际试验相比，虽然经验公式中的出口数更多，但疏散距离更大，也因此导致车外疏散时间的最终计算结果仍大于试验结果。

3)对于车外疏散时间，在经验公式中，疏散速度是影响计算结果的另一个重要因素。采用经验公式计算疏散时间时，车外人员疏散速度取一般值2 m/s，但试验中由于出口较近、火源规模较小、能见度好，且疏散人数较少、人员之间的相互干扰较小，实际试验平均疏散速度为3.1～3.5 m/s，大于经验公式中的疏散速度取值。因此，车外疏散时间的计算结果大于试验结果。

根据试验结果，对经验公式中的平均疏散速度、出口个数等参数取值进行修正，修正后的计算结果与试验结果基本一致，见表5。可见，在采用修正的经验公式计算车内外疏散时间时，应结合实际情况，合理考虑疏散人员数量规模对通道内人流平均通过速度的影响，并充分考虑不同火灾规模下隧道内的能见度及其对人员疏散速度的影响，从而合理设定相应参数的取值。