客運專線V形坡特長隧道火災(zāi)疏散救援時間研究

王玉鎖，吳　　浩，馮高飛，李正輝，李俊杰（西南交通大學(xué)，四川 成都　　610031）

客運專線V形坡特長隧道火災(zāi)疏散救援時間研究

王玉鎖，吳浩，馮高飛，李正輝，李俊杰
（西南交通大學(xué)，四川 成都610031）

以某V形坡特長隧道為研究對象，對洞內(nèi)豎井及平導(dǎo)橫通道處所設(shè)計的避難所2種停車位置5種工況進(jìn)行了疏散模擬分析，得出單洞雙線隧道內(nèi)不同停車位置緊急救援的必需安全疏散時間。同時結(jié)合V形坡緊急救援通風(fēng)措施，對豎井區(qū)段進(jìn)行了三維火災(zāi)數(shù)值模擬，比較自然通風(fēng)和風(fēng)速1.0 m/s縱向通風(fēng)條件下火災(zāi)煙氣流動和一人高處溫度的分布特征，得出豎井區(qū)段的可用安全疏散時間。通過與必需安全疏散時間的比較，提出在隧道中部臨近豎井處應(yīng)增設(shè)一處避難所。

客運專線；特長隧道；V形坡；火災(zāi)；疏散救援

當(dāng)列車在隧道內(nèi)發(fā)生火災(zāi)且不能及時運行至洞外時，不僅疏散救援工作非常困難，而且后果嚴(yán)重。如1972年日本北陸隧道發(fā)生旅客列車因為電器設(shè)備漏電造成火災(zāi)，導(dǎo)致700多人傷亡的慘?。?］；1991年京廣線衡廣復(fù)線大瑤山隧道因旅客吸煙導(dǎo)致火災(zāi)造成20人受傷12人死亡［2］；2001年11月，奧地利薩爾茨堡州基茨施坦霍恩山，一列正在隧道內(nèi)行駛的列車發(fā)生火災(zāi)，造成155人死亡18人受傷［3］；2009年7月蘭新線烏鞘嶺隧道機(jī)車故障引發(fā)火災(zāi)造成中斷行車約4 h，所幸無人員傷亡［4］。

隨著我國高鐵的快速發(fā)展，特長隧道越來越多，我國《高速鐵路設(shè)計規(guī)范（試行）》（TB 10621—2009）［5］規(guī)定隧道內(nèi)應(yīng)設(shè)貫通的救援通道和安全空間，并應(yīng)根據(jù)隧道的長度選擇設(shè)置緊急救援站、避難所和緊急出口等疏散救援系統(tǒng)。

由于特長山嶺交通隧道大都采用人字坡，所以以往特長隧道的通風(fēng)防災(zāi)救援研究都是針對人字坡或單坡情況下的通風(fēng)及救援措施。而當(dāng)隧道下穿江河時，長大隧道需要設(shè)置V形坡，與人字坡在空氣及煙氣流動規(guī)律上有所不同。因此，應(yīng)對V形坡特長鐵路隧道的防災(zāi)救援特點及措施進(jìn)行研究。

隧道防災(zāi)救援貫徹“以防為主，防消結(jié)合”的原則，針對隧道內(nèi)災(zāi)害的特點，當(dāng)列車在隧道內(nèi)發(fā)生火災(zāi)時，凡能繼續(xù)運行時，均應(yīng)遵循“先將列車?yán)龆赐庠龠M(jìn)行列車解體及火災(zāi)事故處理”的基本原則；當(dāng)列車失去動力不能運行或因隧道太長無法及時拉出洞外時，考慮在洞內(nèi)實施快速疏散和消防救援。

根據(jù)以上原則，在特長鐵路隧道中，列車被迫在隧道內(nèi)停車時，必須在隧道內(nèi)組織人員通過隧道兩側(cè)的救援通道和預(yù)留的緊急出口盡快疏散，同時為保證隧道內(nèi)疏散安全，應(yīng)進(jìn)行輔助的救援疏散通風(fēng)及救援照明。

從發(fā)生火災(zāi)到火災(zāi)對人員安全構(gòu)成危險的時間稱為可用安全疏散時間（ASET），從起火時刻到人員疏散到安全區(qū)域的時間稱為必需安全疏散時間（RSET），在通風(fēng)救援疏散設(shè)計中建筑物內(nèi)的人員ASET必須大于RSET。本文以某客運專線V形坡特長隧道為研究對象，通過對ASET與 RSET的對比，對火災(zāi)時疏散與防災(zāi)救援措施的有效性和安全性進(jìn)行分析研究。

1　工程概況

某客運專線隧道為單洞雙線隧道，全長10 100 m，隧道內(nèi)縱坡分別為 -25‰/2 702 m，-3‰/2 010 m，10‰/1 342 m，25‰/2 550 m，-3‰/1 494 m，除出口為順坡外，隧道內(nèi)縱坡呈V字形?？紤]在隧道內(nèi)隨機(jī)行車救援疏散的不利條件，設(shè)計中利用隧道中部豎井橫通道段和出口平導(dǎo)橫通道段作為緊急避難所，如圖1所示。

圖1　緊急救援避難所設(shè)計

豎井底施工橫通道長度168 m，其內(nèi)凈空7.3 m（寬）×6.5 m（高），豎井高度為56.18 m，豎井底橫通道與正洞連接處設(shè)置1道1.5 m（寬）×2.0 m（高）防護(hù)門。出口平導(dǎo)長度1 995 m，其內(nèi)凈空5 m（寬）× 6 m（高），平導(dǎo)與正洞連接處設(shè)置1道1.5 m（寬）× 2.0 m（高）防護(hù)門，平導(dǎo)出口設(shè)置救援通道。

2　必需安全疏散時間（RSET）的確定

按照安全工程中的通用算法，必須安全疏散時間由火災(zāi)報警探測時間、人員響應(yīng)時間和人員疏散時間構(gòu)成［6］，其表達(dá)式為

式中：Talarm為火災(zāi)報警探測時間，即火災(zāi)開始到人員察覺火災(zāi)之間的時間；Tresp為人員響應(yīng)時間，即在火災(zāi)發(fā)生后人員識別險情到安全疏散需要的時間；Tmove為人員疏散時間，即從人員開始撤離至到達(dá)安全區(qū)域所需的時間，可由現(xiàn)場實測或仿真模擬計算得到。

考慮火災(zāi)發(fā)展60 s后火源附近溫度和煙氣濃度已很高，取 Talarm為 60 s；根據(jù)英國《建筑火災(zāi)安全工程》（Fire Safety Engineering in Buildings）的統(tǒng)計數(shù)據(jù)和經(jīng)驗推薦的各種用途建筑物內(nèi)采用不同火災(zāi)報警系統(tǒng)時人員響應(yīng)時間，列車內(nèi)人員很密集且有相應(yīng)的報警系統(tǒng)，人員響應(yīng)時間 ＜1 min，所以取 Tresp為1 min。一般情況下認(rèn)為疏散時間等于疏散距離比疏散速度。只考慮了疏散距離、疏散速度和防護(hù)門的寬度對人流的影響，并且基于一定的假定，只能夠大致算出疏散時間。

本次采用了人員疏散模擬軟件EXODUS對各種工況進(jìn)行疏散模擬，考慮到疏散距離、疏散速度、疏散人員之間的相互影響、各種疏散設(shè)施對疏散時間的影響以及各種疏散設(shè)施的相互影響。

2.1人員疏散時間Tmove的確定

洞內(nèi)人員疏散時間的模擬，設(shè)定列車停在豎井避難所和平導(dǎo)橫通道避難所入口處，列車中部停在橫通道入口處。在豎井處進(jìn)行救援疏散時，考慮不利情況，火源點位于火車頭部或尾部，停車后火源點位置距離豎井中間橫通道90 m。在列車停車后啟動緊急救援通風(fēng)設(shè)施，逃生人員應(yīng)依據(jù)火源位置與風(fēng)向進(jìn)行疏散，逃至緊急避難所。

2.1.1疏散模擬參數(shù)設(shè)置

1）列車及車廂參數(shù)設(shè)定。設(shè)定列車為16輛編組，疏散時每節(jié)車廂單側(cè)開啟2道門，每節(jié)車廂長25.5 m，寬3.32 m。

2）人員參數(shù)設(shè)定?？紤]最不利情況，動車組一等座和二等座車廂定員荷載數(shù)分別為68人和100人，動車組最多超載20%，故設(shè)定列車內(nèi)人員共1 580人，由乘客和工作人員組成。人員設(shè)定為：年齡5～17歲占10%，年齡18～30歲占42%，年齡31～50歲占41%，年齡 51～80歲占 7%，其中男性占 55%，女性占45%［7］。

由于隧道內(nèi)的空間有限，人行通道較窄，以及需要盡量遠(yuǎn)離火源疏散，所以人在逃生過程中不可避免地會在不平的地面或鐵軌上行走。根據(jù)《建筑設(shè)計防火規(guī)范》（GB 50016—2014）規(guī)定，人在不平地面或臺階上的疏散速度大約是在平地上疏散速度的86%，因此速度折減系數(shù)取0.86［8］。故設(shè)定火災(zāi)隧道內(nèi)人員疏散速度：成年男性為1.0 m/s，成年女性為0.8 m/s，兒童為0.67 m/s，老年人為0.6 m/s。

3）疏散通道條件設(shè)置。隧道雙側(cè)設(shè)置全長貫通的救援通道，寬度為1.5 m、凈空高度為2.2 m，救援通道走行面高于軌面30 cm。進(jìn)行人員疏散模擬時按列車所在隧道兩邊可分別并行3人進(jìn)行計算。

2.1.2疏散模擬工況的確定

當(dāng)列車在隧道內(nèi)著火后，無法繼續(xù)運行至洞外或救援站時為隨機(jī)停車。本次人員疏散模擬主要分析停車位置對疏散到緊急避難所時間的影響，列車停車位置的不同會導(dǎo)致不同的疏散路徑。

1）列車停在位置A（豎井橫通道）；

2）列車停在位置B（平導(dǎo)橫通道）。

該隧道為單洞雙線鐵路隧道，整個隧道斷面凈寬12.6 m，當(dāng)列車?？吭跈M通道對側(cè)軌道時，列車車門距橫通道口6.3 m。橫通道入口處防護(hù)門距隧道正洞與橫通道相交處5 m。由于高鐵采用無砟軌道，軌道板及周圍的路面較平整，且與救援通道的路面只有0.8 m的高差，救援通道上擁擠的人員如果有部分行至軌道附近再進(jìn)行疏散，將使疏散條件得到較大改善。疏散模擬工況見表1，各工況疏散分布見圖2。

表1　疏散模擬工況

圖2　各工況疏散分布

2.1.3疏散模擬結(jié)果及分析

運用人員疏散模擬軟件EXODUS對上述工況進(jìn)行疏散模擬，結(jié)果見表2。

表2　疏散模擬結(jié)果

由表2可知，在各種工況下列車上人員在列車停車后立即開始向避難所疏散，在進(jìn)入橫通道防護(hù)門前，人員被認(rèn)為處于危險之中，進(jìn)入橫通道后即進(jìn)入避難所區(qū)域，人員被認(rèn)為處于安全狀態(tài)。工況A-1，A-2，B-1，B-2，B-3分別在第489.6，487.8，491.4，497.4，2 609.4 s人員全部疏散完畢。由工況 A-1，A-2可以看出增加疏散通道寬度對人員疏散速度影響不大，反之疏散通道寬度的增大會在一定程度上增加人員的疏散距離，增加疏散時間。在疏散過程中人員在橫通道入口處聚集，這是由于橫通道入口寬度限制了旅客進(jìn)入橫通道的速度，人員疏散時間有一部分是在救援通道上排隊等待，所以只有同時增大橫通道寬度和疏散通道寬度才能減少人員疏散時間。

2.2必需安全疏散時間（RSET）計算結(jié)果

根據(jù)所得到的Tmove，代入式（1），可得必需安全疏散時間RSET，結(jié)果見表3。

表3　必需安全疏散時間（RSET）

3　可用安全疏散時間（ASET）的確定

平導(dǎo)橫通道避難所位于隧道出口處，隧道運營通風(fēng)和救援通風(fēng)使煙氣沿隧道出口方向蔓延，救援疏散時間充足，人員可以通過平導(dǎo)橫通道疏散至洞外。而豎井橫通道避難所位于隧道中部，救援疏散難度較大，所以利用基于CFD的Fluent軟件對豎井的火災(zāi)煙氣蔓延過程進(jìn)行模擬，再現(xiàn)火災(zāi)發(fā)展的整個過程，分析火災(zāi)煙氣的分布、流動特征?？紤]不利情況，火源點位于火車中部，停車后火源點位置距離豎井中間橫通道90 m處。

3.1邊界條件和參數(shù)設(shè)定

為了運用Fluent模擬計算時方便準(zhǔn)確，現(xiàn)對計算模型作如下設(shè)定：

1）本次模擬使用Rosseland熱輻射模型，設(shè)定空氣介質(zhì)的吸收系數(shù)為0.1，散射系數(shù)為0.01［9］。關(guān)于雙線鐵路隧道內(nèi)列車火災(zāi)熱釋放率的確定較為困難，本文取美國國家消防協(xié)會設(shè)定的20 MW［10］，運用熱量源項來模擬火災(zāi)的燃燒和放熱。

2）橫通道內(nèi)風(fēng)管兩端均設(shè)為速度口，根據(jù)預(yù)設(shè)軸流風(fēng)機(jī)的型號，設(shè)定兩端風(fēng)速為23.58 m/s，方向與風(fēng)管斷面方向垂直。

3）本文中假設(shè)氧氣充分燃燒生成CO2，將列車火源設(shè)置為質(zhì)量源項和熱量源項，其值分別為6.17× 10-3kg/（m3·s）和59 260 W/m3［11］。隧道內(nèi)溫度為25℃（298 K）。

3.2計算結(jié)果及分析

溫度場的分布與隧道的通風(fēng)排煙方式有關(guān)，設(shè)定的火災(zāi)由位于左線的列車引起，在右線一人高（1.5 m）處設(shè)置測線BB'，并對該測線上距火源點不同位置的溫度進(jìn)行監(jiān)測，見圖3。

圖3　隧道內(nèi)溫度監(jiān)測點分布（單位：m）

考慮到影響逃生救援的因素主要是煙氣濃度和洞內(nèi)溫度，在通風(fēng)條件下坑道中煙氣的容許濃度取1.0%［12］，人體在短時間內(nèi)的耐受溫度取60℃［13］。

為了分析縱向通風(fēng)對隧道內(nèi)煙氣擴(kuò)散的影響，設(shè)置了自然通風(fēng)和風(fēng)速1.0 m/s縱向通風(fēng)兩種工況，綜合比較距火源點不同距離處溫度和煙氣濃度控制的可用安全疏散時間，見圖4、圖5。

對比圖4、圖5可以看出，在同一工況，相同距離時人體受溫度威脅的時間要短于濃度威脅的時間，因此，可用安全疏散時間應(yīng)通過溫度控制。

由圖4得知，火災(zāi)發(fā)生后在距火源點71.5 m一人高處達(dá)到人體耐受溫度所需時間（ASET）為780 s，而此后則由于采用了應(yīng)急通風(fēng)措施，火勢將不會再繼續(xù)向前方蔓延，故可取ASET=780 s。

圖4　溫度控制的可用安全疏散時間

圖5　煙氣濃度控制的可用安全疏散時間

4　可用安全疏散時間（ASET）與必需安全疏散時間（RSET）的比較

火源點周圍的列車人員通過位置 B（平導(dǎo)橫通道）進(jìn)入避難所，距離火源點較遠(yuǎn)處的人員通過位置A（豎井橫通道）進(jìn)入避難所，位置A距離火源點153 m。由表2可知，工況A-1時RSET=609.6 s；工況A-2時RSET=607.8 s。由圖4可見，在距火源點71.5 m處時ASET=780 s，遠(yuǎn)小于距火源點153 m處時ASET值。由此可知，在153 m處RSET＜ASET，人員有充足的時間疏散到安全區(qū)域，則可以判斷人員疏散是安全的。

如果火源點位于列車中部，由于豎井位于隧道中部，距離平導(dǎo)避難所或出口最短距離約為3.37 km，救援疏散難度較大，所以部分列車人員必須穿過火源區(qū)域才能到達(dá)豎井橫通道避難所。假定有一半列車人員位于火源點另一側(cè)，通過模擬分析得到，人員全部疏散到安全區(qū)域需要414 s，這部分人員會短時間暴露在溫度超過60℃的環(huán)境下，這對疏散人員的安全和行動能力都是極不利的，所以建議在隧道洞身段與豎井橫通道相隔一定距離增設(shè)一處與豎井連接的橫通道或避難所。

5　結(jié)論

1）通過對5種工況的人員疏散分布，乘客通過平導(dǎo)橫通道疏散至洞外（工況B-3）所需時間最長，約為2 730 s；當(dāng)列車停在豎井位置時，人員必須安全疏散時間約為600 s。

2）隧道內(nèi)列車著火時，隧道橫斷面一人高處，達(dá)到人體耐受溫度（60℃）時間小于達(dá)到容許煙霧濃度時間，故應(yīng)以人體耐受溫度為人員可用安全疏散時間（ASET）的控制標(biāo)準(zhǔn)。

3）當(dāng)列車停在豎井位置且著火點位于列車端部時，人員必需安全疏散時間（RSET）約為600 s，而距火源點71.5 m一人高處達(dá)到人體耐受溫度（60℃）所需時間（ASET）約為780 s，故RSET＜ASET，滿足安全疏散要求；但如果著火點位于列車中部，只設(shè)置2條與豎井連接的橫通道，由于人員需要穿過著火點，造成疏散難度增加，故建議在所設(shè)計橫通道兩側(cè)一定距離增設(shè)一處避難所。

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（責(zé)任審編葛全紅）

Evacuation and Rescue Duration in case of Fire Disaster for Super long Tunnel with V-shaped Slope on Passenger Dedicated Railway

WANG Yusuo，WU Hao，F(xiàn)ENG Gaofei，LI Zhenghui，LI Junjie
（Southwest Jiaotong University，Chengdu Sichuan 610031，China）

T aking the super long railway tunnel with V-shaped slope as an example，the simulations of passengers evacuation and rescue were made for two kinds of shelter parking location which are shaft passage shelter and parallel heading passage shelter under five different conditions，and the required safe evacuation time（RSET）for emergency evacuation and rescue of different parking location in double-track railway tunnel was concluded.Combining with the V-shaped slope emergency rescue ventilation measures，three dimensional numerical simulation of fire hazard was made for shaft section，the distribution characteristics of the fire smoke movements and temperature in one person's height under the natural ventilation condition and the 1.0 m/s longitudinal ventilation condition were compared，and the available safe evacuation time（ASET）in shaft section was determined.By comparing with the RSET，another shelter near shaft should be built in the middle of the tunnel.

Passenger dedicated railway；Super long tunnel；V-shaped slope；Fire disaster；Evacuation and rescue

王玉鎖（1974— ），男，副教授，博士。

U458

A

10.3969/j.issn.1003-1995.2016.07.12

1003-1995（2016）07-0045-05

2015-10-20；

2016-04-30