盾構隧道內大客車人員下車試驗及數(shù)值模擬研究

謝寶超，楚坤坤，趙家明，徐志勝，魯志鵬，張 憶

(1.中南大學 防災科學與安全技術研究所，湖南 長沙 410000；2.中鐵第四勘察設計院集團有限公司，湖北 武漢 430063)

0 引言

隨我國經濟及隧道建設技術快速發(fā)展，公路隧道建設逐漸向大深度、大直徑、超長距離方向發(fā)展[1]。公路隧道內車流密度增大，車輛行駛速度增加，隧道火災事故頻發(fā)[2-3]，容易造成交通堵塞，需第一時間對車內人員進行疏散。貨車、拖掛車、轎車乘載人數(shù)較少，緊急條件下能迅速完成疏散；大客車由于乘載人數(shù)較多，安全出口少，人員疏散時間長，火災危險性較大。大客車內人員下車時間是必需安全疏散時間重要影響因素，因此，研究大客車人員下車過程至關重要。

近年，學者對不同疏散方式下通行能力、人員疏散行為、行走速度進行研究：周慶等[4]通過隧道人員疏散試驗提出不同橫通道寬度、人員密度與橫通道通過能力關系式；張玉春等[5]通過搭建試驗平臺對隧道內人員疏散行為及橫通道通行能力進行研究；Xie等[6]通過對隧道縱向疏散能力進行研究發(fā)現(xiàn)，男性和女性滑梯蓋板打開時間、滑梯通行能力、人員行走速度等參數(shù)存在一定差異；Ronchi等[7]通過公路隧道疏散試驗，對人員在煙霧中行走速度、路徑選擇和出口選擇進行研究，提出1種新的煙霧中步行速度數(shù)據集；Seike等[8]通過隧道疏散試驗研究人員行走速度與消光系數(shù)關系。

隨計算機技術發(fā)展，多種人員疏散行為規(guī)律分析及疏散時間計算模型開始建立并被廣泛應用[9-10]。目前，人員疏散研究傾向于隨機疏散行為規(guī)律和時間定量與定性分析：Caliendo等[11]采用STEPS人員疏散模型和CFD模型相結合的方法，對火災疏散過程進行模擬，指出必需安全疏散時間主要受步行時間影響；成艷英等[12]基于人員疏散距離、運動速度、隧道寬度、出口流量及交通量等參數(shù)，提出新型公路隧道人員疏散時間計算經驗模型；王羽塵等[13]通過建立隧道仿真場景發(fā)現(xiàn)，火災發(fā)生位置和人群疏散通道最優(yōu)位置呈線性遞減關系。此外，部分學者對大客車緊急情況下人員下車時間進行研究[14-15]。上述研究僅局限于大客車下車時間，關于人員構成比例及滿載系數(shù)對大客車下車過程影響的研究比較缺乏。

因此，本文通過開展大客車人員下車現(xiàn)場試驗，采用Pathfinder軟件進行數(shù)值模擬，分析不同人員構成比例及滿載系數(shù)對大客車下車時間影響，為隧道人員疏散設計提供理論依據及技術指導。

1 現(xiàn)場實測與數(shù)值模型建立

1.1 試驗平臺搭建

疏散試驗在某隧道內開展，有2輛金龍大客車并排?？吭谒淼拦ぷ骶蠖軜嫸涡熊嚨郎?，大客車位置布置如圖1所示。在大客車車門處設置攝像頭，記錄大客車人員下車過程。

圖1 大客車位置布置

1.2 試驗工況設置

本文共開展6次大客車下車疏散試驗，2輛大客車分別標號Ⅰ、Ⅱ，試驗工況見表1。試驗假設為：

表1 大客車下車疏散試驗工況

1)試驗參與人員均為中南大學在校師生。

2)試驗中人員均未攜帶行李。

3)試驗參與人員均按照啟動命令指示開始疏散，不考慮人員疏散反應時間。

1.3 數(shù)值模型建立

目前，我國主要依據標準《汽車和掛車類型的術語和定義》(GB/T 3730.1—2001)和《機動車輛及掛車分類》(GB/T 15089—2001)對車輛進行分類，分類基本與國際一致[16]。隧道內大客車尺寸12 m×2.6 m×2.5 m，載客量為45人。大客車疏散模型如圖2所示。

圖2 大客車疏散模型

1.4 人員疏散參數(shù)設定

試驗中人員主要包括4類：成年男士、成年女士、兒童和老人?，F(xiàn)有研究表明，人員疏散行走速度約1.0～1.4 m/s，考慮人員身體狀況、性別、年齡等對人員疏散行走速度影響，成年女士、兒童和老人疏散行走速度分別折減為成年男士的85%、66%和59%[17]；男性和女性肩寬平均值分別為(426.9±21.6)mm和(391.4±28.1)mm[18-20]；同時考慮不同類型人員差異，取值時給予一定保守估計，確定成年男士、成年女士、兒童和老人疏散行走速度分別為1.2，1.0，0.8，0.6 m/s，對應肩寬分別為0.4，0.35，0.3，0.4 m。

1.5 疏散模擬工況設置

考慮大客車內座位數(shù)、座位寬度、走道及大客車車門疏散寬度，載客量標準值45人，走道寬度取0.6 m，大客車車門寬度取1.0 m。試驗模擬場景、不同人員構成比例、不同滿載系數(shù)下大客車人員下車疏散模擬工況見表2～4。

表2 試驗場景疏散模擬工況

表3 不同人員構成比例疏散模擬工況

表4 不同滿載系數(shù)疏散模擬工況

1.6 模擬方法

試驗模擬選用Pathfinder軟件中Steering模式，將路徑規(guī)劃、指導機制、碰撞處理相結合以控制人員運動，人與人之間保持合理距離。Steering模式計算機理考慮真實因素、個體行動自由、發(fā)生身體接觸時可自動避讓，人群流動不受門的限制，能真實反映復雜通道內人流速度和疏散時間，研究結果更貼近大客車緊急情況下人員疏散。

2 結果分析

2.1 大客車下車試驗

在盾構隧道內對2輛大客車分別開展3次人員下車疏散試驗，工況分別為A1-Ⅰ、A2-Ⅰ、A3-Ⅰ、A1-Ⅱ、A2-Ⅱ和A3-Ⅱ。

通過分析6次試驗結果，得到大客車下車時間與人員性別關系，如圖3所示。

圖3 大客車下車時間與人員性別關系

大客車人員下車時間為啟動命令到最后1位人員下車時間差。由圖3可知，不考慮人員疏散反應時間情況下，試驗中人員下車時間介于54～68 s，大客車人員平均下車時間為60.68 s，每位人員平均下車時間為1.22 s；通過對比2輛大客車3次人員下車時間可知，第2次試驗比第1次試驗用時明顯減少，主要因為試驗人員通過第1次試驗掌握一定經驗；多次試驗使部分試驗人員出現(xiàn)體力不支現(xiàn)象，Ⅰ、Ⅱ號大客車第3次大客車疏散試驗中，分別有2位試驗人員未參加，開展第3次大客車人員下車試驗時，Ⅱ號大客車人員數(shù)量減少但疏散總時間增加，主要原因是試驗參與人員對試驗產生疲勞，沒有初始試驗時緊張心理。

大客車人員下車時間可由經驗公式得到[21]，全部人員由車前門完成疏散時間如式(1)所示：

(1)

式中：P為車內待疏散人數(shù)，人；n為車門數(shù)，個；r為單位車門寬度單位時間通過人數(shù)，人/(m· s)；w為車門寬度，m?？紤]最壞情況下，單位車門寬度單位時間通過人數(shù)r為1.2人/(m·s)。大客車人員下車時間見表5。

表5 大客車人員下車時間

對大客車下車疏散試驗工況進行數(shù)值模擬，大客車下車試驗、經驗公式、數(shù)值模擬時間對比如圖4所示。

圖4 大客車下車試驗、經驗公式、數(shù)值模擬時間對比

由圖4可知，模擬工況中大客車下車時間介于64～74 s之間，大客車平均下車時間為68.95 s，每位人員平均下車時間為1.39 s；通過對比大客車下車試驗、經驗公式、數(shù)值模擬時間可知，數(shù)值模擬與經驗公式計算結果較吻合；數(shù)值模擬比試驗結果增加8.27 s，每位人員平均下車時間增加0.17 s，均略高于試驗結果，但均在誤差允許范圍內，表明數(shù)值模擬結果準確性較好。

2.2 不同人員構成比例數(shù)值模擬

大客車下車時間及效率受人員類型及構成、疏散行走速度、肩寬、車內走道及車門寬度共同影響。不同類型人員疏散行走時間、車門人流量及總堵塞時間分別如圖5～7所示。

圖5 不同人員類型疏散行走時間

由圖5～6可知，數(shù)值模擬中不同人員類型大客車下車時間均在67～110 s之間；成年男士、成年女士、兒童和老人的大客車下車時間分別為76，67.8，76.5，109.8 s，每位人員平均下車時間分別為1.69，1.51，1.70，2.44 s；老人下車時間最長，成年女士下車時間最短，成年男士和兒童下車時間基本相等。這是由于老人肩比較寬，疏散行走速度較小，疏散過程在車內走道更容易發(fā)生擁擠，當擁擠情況得到緩和時，受疏散速度影響，老人在走道內移動緩慢，疏散效率降低；成年男士和老人肩寬設定相同，但疏散速度較快，發(fā)生擁擠持續(xù)時間比老人短，當擁擠情況緩和后能較快進行疏散；兒童疏散速度小，而疏散時間與成年男士基本相等，主要因為兒童肩寬較小，不容易發(fā)生較長時間擁擠，整體疏散效率提高；成年女士疏散最快是由于肩寬略大于兒童，而疏散速度略低于成年男士，2者綜合作用使疏散效率得到有效提高。

不同類型人員在0～20 s內疏散效率、車門人流量基本一致。這是由于疏散開始時，車內靠近車門處人員先行通過車門離開大客車，其他人員依次進行疏散，由于人員距離車門較近，不會發(fā)生擁擠，疏散速度及肩寬影響作用可忽略不計。

由圖6可知，不同類型人員疏散過程中車門人流量均介于0.2～0.8 人/s，老人疏散過程中車門人流量相對最低；兒童和老人疏散過程中車門人流量曲線波動較小，分別趨近于0.6，0.4人/s，主要原因是肩寬和疏散速度使疏散過程比較規(guī)律；成年男士和成年女士車門人流量在40～80 s內產生較大波動，成年男士最大車門人流量達0.8人/s，主要原因是該時間段擁擠情況得到有效緩和，提高疏散效率；成年女士最小車門人流量達0.4人/s，主要原因是部分人員受過道前方擁擠影響被迫移至客車尾部，需繼續(xù)前往車門處，降低該時間段車門利用率。

圖6 不同人員類型車門人流量

人員總阻塞時間指大客車人員下車過程中，每個疏散人員因前方擁擠不能前行而在原地排隊等待疏散的時間段總和。

由圖7可知，在疏散過程中不同類型人員總阻塞時間關系為老人>成年男士>兒童>成年女士；成年男士、成年女士、兒童和老人平均人員阻塞時間分別為29.80，25.45，25.80，42.62 s；不同類型人員總阻塞時間均與人員所處位置有關，越靠近車尾人員總阻塞時間越長。

圖7 不同人員類型總阻塞時間

老人疏散過程比較緩慢，一定程度會降低疏散效率，所以老人比例將對疏散過程產生一定影響。

不同老人比例大客車下車時間及疏散行走時間如圖8～9所示。由圖8～9可知，在無成年女士情況下，老人比例在0～30%范圍內增加時，對人員下車時間影響較小，下車時間略有增加；當老人比例在30%～80%范圍內變化時，下車時間隨老人比例增加顯著增加；當老人比例大于等于80%時，下車時間趨于穩(wěn)定值110 s。

圖8 不同老人比例大客車下車時間

圖9 不同老人比例疏散行走時間

成年女士疏散比其他類型人員快，成年女士比例對疏散過程有一定影響。不同成年女士比例下，大客車人員下車時間及疏散行走時間如圖10～11所示。

圖10 不同成年女士比例大客車人員下車時間

圖11 不同成年女士比例疏散行走時間

由圖10～11可知，在無老人的情況下，成年女士比例對大客車下車時間影響較小，人員下車時間均為71±3 s。

2.3 不同大客車滿載系數(shù)數(shù)值模擬

大客車滿載系數(shù)對大客車人員疏散過程有一定影響。不同滿載系數(shù)下大客車人員下車時間如圖12所示。由圖12可知，人員下車時間隨滿載系數(shù)增加而增加，并趨于正比例函數(shù)關系。

圖12 不同滿載系數(shù)下大客車人員下車時間

3 結論

1)不考慮人員疏散反應時間情況下，試驗大客車人員下車時間介于54～68 s，大客車平均下車時間為60.68 s，每位人員平均下車時間為1.22 s；數(shù)值模擬與經驗公式計算結果較吻合，2者均僅略高于試驗結果，在誤差允許范圍內，表明數(shù)值模擬結果準確性較好。

2)數(shù)值模擬中，老人下車時間最長，成年女士下車時間最短，成年男士與兒童下車時間基本相等。

3)在無成年女士情況下，當老人比例在30%～80%范圍內變化時，下車時間隨老人比例增加顯著增加；當老人比例大于等于80%時，下車時間趨于穩(wěn)定值110 s。在無老人情況下，成年女士比例對大客車人員下車時間影響較小，人員下車時間均為71±3 s。

4)大客車人員下車時間隨滿載系數(shù)增加而增加，并趨于正比例函數(shù)關系。