电缆隧道人员疏散仿真分析研究

中国电力工程顾问集团中南电力设计院有限公司 吴高波 但京民 肖明杰 李 健 吴庆华

中国科学技术大学先进技术研究院 戴玉飞

引言

随着我国现代化建设迅速推进电力在工业中的应用越来越广泛，电力传输安全问题也引起人们高度重视。国内长距离输电主要靠电缆隧道，而电缆隧道火灾频繁发生由于电缆隧道环境恶劣、火灾扑救困难、易复燃、扑救时间长、损失大。目前，国内电缆隧道火灾研究工作开展较少。

本文采用Pathfinder 软件对电缆隧道人员疏散进行了数值模拟，研究了防火分区长度设置、人员数量、火源位置、防火门宽度对人员疏散的影响，为电缆隧道防火设计及人员疏散提供一定依据。

研究结果表明：防火分区长度越长、越不利于电缆隧道运维人员疏散；在最不利情况下，起火位置越靠近端部、越不利于人员疏散；人员数量越多、越不利于人群疏散；在满足设计要求前提下应尽量增加防火门宽度。

1 人员安全疏散分析方法

人员能否安全疏散取决于两个特征时间：可用安全疏散时间（Available Safety Egress Time，ASET）与必需安全疏散时间（Required Safety Egress Time，RSET），火灾人员安全判据如图1所示。

图1 火灾人员安全判据示意图

可用安全疏散时间主要由灾害演化过程决定，可通过火灾仿真分析结合人员耐受极限判据综合分析得到。必需安全疏散时间RSET 是指从起火时刻起到人员疏散到安全区域的时间。紧急情况下的RSET 包括火灾探测时间（Talarm）、预动作时间(Tpre)和人员疏散运动时间(Tmove)，预动作时间又包括认识时间(Treg)和反应时间(Tresp)两部分，即RSET=talarm+tresp+αtmove，α 为安全系数，工程上通常取为1.5。其中，人员疏散运动时间可通过人员疏散仿真获得。

人员耐受极限标准参照美国消防协会NFPA 标准、日本工程部《关于安全疏散和结构耐火性能的“性能化”评估方法》和澳大利亚《消防工程指南》，设计选取人员耐受极限标准如下：能见度方面。安全高度以下能见度小于10m；对流热方面。安全高度以下气体温度达到60℃；有害燃烧产物方面。安全高度以下的气体中CO 浓度达到1400ppm[1]。

2 电缆隧道仿真模型及疏散模型构建

2.1 疏散仿真分析方法选取

用于人员疏散数值仿真的软件工具很多，常用的有EXODUS、Pathfinder、AnyLogic、STEPS、Simulex、EVACNET 等。本文对开展实际使用的软件Pathfinder 进行介绍。Pathfinder 是由美国TE 公司开发的以人物为基础的模拟软件。通过定义每人员的参数（人员数量，行走速度，以及距离的距离）来实现模拟过程中的各自的逃生路径和时间模拟，配合实际层面的建设模式。Pathfinder 在本文中以Agent-based 为基础，建立连续的物理空间和模型，模型中人物以实际工程维护人员能力相匹配，人与人、人与隧道管廊墙壁之间设置完整的处理机制，还原实际情景较为真实。

Pathfinder 通过导入电力管廊的FDS 模型，建立包括SFPE 模式和STE 模式的人员运动模式。SFPE 模式以流量为基础，人员仿真时会自动移向就近的安全出口。人员间不存在相互拥挤推搡，但列队将是以SFPE 假设为前提。该模式的工程指南是以人类行为为基础，利用隧道内人员密度确定人员移动速度。

STE 模式则侧重于路径规划和引导体系，拥堵处理结合工程委会人员的运动。如果工程维护人员间的距离和最近点的路径超过特定阀值，可规划新的套型规划路径，以适应形势变化。软件利用独有的图形建模、仿真以及人员模型技术，对工程维护人员群体中的个体运动都进行可视化的模拟演练，可准确规划个体临灾时最佳疏散路径和逃生时间[2]。

Pathfinder 在此项目研究中有以下优点：根据电缆隧道多参量进行建模组合；灾难场景的可视化动画展示，便于过程理解和场景还原；软件建模工作井和电缆隧道展示人员逃生路线；确定个体和区域在灾难发生时逃生路径和逃生时间。

2.2 电缆隧道仿真模型

本文选取圆形截面隧道为直径3.0m、长度为200m、电缆回路数6回路，以此构建典型电缆隧道模型，此外构建长度400m、600m 电缆隧道模型，利用FDS 构建电缆隧道1:1仿真模型，如图2所示。仿真模型主要包括电缆隧道主体（内含电力电缆、电缆桥架、电缆槽盒等）及连通工作井。本文选取的工作井底下共两层结构，其中负二层距离地面约14.4m，负一层据地面约5.3m，地面处出入口尺寸为1.0m（长）×1.0m（宽），经适当简化构建工作井仿真模型。

图2 电缆隧道仿真模型

2.3 电缆隧道疏散模型构建

基于火灾仿真模型（Pyrosim）构建人员疏散平面模型，并添加楼梯、爬梯、门、出口等，具体如图3所示，在本研究中由于隧道坡度小于千分之五，忽略坡度的影响。

图3 电缆隧道模型和人员疏散平面模

2.4 疏散仿真参数设置

经过文献调研，结合SFPE《消防安全手册》，针对于电缆隧道疏散场景，通常情况下进入电缆隧道内的人员均为专业技术人员，考虑为青壮年男性，因此设置疏散人员模型肩宽0.45±0.05m，紧急情况下步速1.5±0.2m/s，肩宽和步速仿真时通过计算机随机选取，概率均服从正态分布，人数为2、4或6人。

3 疏散仿真工况设计

设计共9组疏散仿真工况，如表1所示。

表1 人员疏散仿真工况

工况设计考虑圆形隧道（直径3m）内发生火灾后人员疏散，疏散人数分别为2、4、6人，隧道防火分区长度200m、400m、600m，疏散出口间间距为200m、400m、600m，起火位置为隧道中部、端部，竖向疏散通道为爬梯形式，隧道内无其它防火门（墙）及防火门宽度为600mm、800mm、1000m 情况下9组仿真工况，考虑最不利情况，人员疏散初始位置为隧道中部并向同一侧疏散。隧道内设计火灾探测器类型为感烟火灾探测器，且每次仿真时都默认隧道内无烟雾，以保证探测器响应时间基本一致。

4 疏散仿真结果

疏散模拟中将人的疏散速度设为一定范围内的随机量，故在本报告中对每种工况下仿真参数进行三次随机模拟，在三次仿真结束后取平均值得出最终疏散时间。因篇幅关系在本报告每种工况选取一次的模拟结果进行展示[3]。

在本研究中，为确定火灾探测时间，设置了相同条件下的电缆通道进行模拟，以10m 间隔布设火灾探测器，得出探测器的响应时间为18s。下面以工况1为例，阐述该工况下必须逃生时间计算方法，工况2至工况9计算方法相同，下文不再赘述。

工况1考虑圆形隧道（直径3m）内发生火灾后人员疏散，疏散人数2人，隧道防火分区长度200m、疏散出口间间距为200m，起火位置为隧道中部，竖向疏散通道为爬梯形式，隧道内无其它防火门（墙），考虑最不利情况，人员疏散初始位置为隧道中部并向同一侧疏散。

通过三组模拟数据计算，第一个疏散人员平均在68.83s 左右从隧道中部疏散至工作井，平均在90.5s 左右疏散至地面，考虑3段爬梯共14.4m 高，参考文献《城市综合管廊电缆舱室火灾特性及人员疏散研究》成人男性爬上3m 爬梯所用时间为7s，则通过14.4m 爬梯所用时间为33.6s，因此第一个疏散人员平均疏散运动时间为124.1s（Pathfinder 无法模拟人员通过爬梯的过程）；第二个疏散人员平均在75s 左右疏散至工作井，平均在100s 左右疏散至地面，加上爬梯时间，则第二个疏散人员平均疏散运动时间为133.6s。综上所述，所有人员完成疏散的运动时间为133.6s。

疏散工况1中，由于人员疏散运动时间为133.6s，火灾探测时间为18s（以10m 间隔布设火灾探测器时的探测时间），人员响应时间设为5s，安全系数取为1.5，则疏散工况1必需安全疏散时间RSE T=talarm+tresp+αtmove=223.4s。

特别地，若只考虑水平疏散，由于第二个疏散人员平均在75s 左右疏散至工作井，则水平段疏散工况1必需安全疏散时间RSET=talarm+tresp+αt move=135.5s。

汇总疏散工况1至疏散工况9的数据结果得到如下疏散工况数据，见表2。

表2 疏散工况数据（单位：s）

5 结论与建议

综合对比疏散工况数据，可初步得出以下结论及建议：

对比工况1、2、3不难得出，随着防火分区长度增加，必需安全疏散时间RSET 也随之增加，因此防火分区长度越长、越不利于电缆隧道运维人员疏散。

对比工况1、4、5可以发现，当疏散人员从2人分别增加到4人、6人，必需安全疏散时间RSET 也从223.1s、249.1s、266.1s，因此人员数量越多，越不利于人群疏散。

对比工况1、6发现，起火位置在中部和端部时，必需安全疏散时间RSET 分别为223.4s 和325.1s，因此在最不利情况下，起火位置越靠近端部越不利于人员疏散。

对比工况7、8、9可以看出，随着防火门宽度从600mm 增加至800mm、1000mm，必需安全疏散时间RSET 在相应减少，因此在满足设计要求前提下应尽量增加防火门宽度。

电缆隧道发生火灾人员疏散时，应遵循背火、逆风、就近疏散。