多车道高速公路隧道人行横洞疏散安全分析

GXF360 2017-06-23

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多车道高速公路隧道人行横洞疏散安全分析

王赤心

（北京工业大学建筑工程学院，北京 100022）

摘要：通过对几条多车道高速公路隧道的安全评价研究，采用改进的经验公式法计算多车道隧道发生火灾时的人员疏散时间，并利用Pathfinder软件进行仿真模拟和比较分析。通过PyroSim软件模拟火灾场景，分析确定隧道火灾时的安全疏散时间。比较可用安全疏散时间（ASET）和需用安全疏散时间（RSET），判断隧道疏散的安全性。发现按照现有规范设计的隧道横洞不能够满足多车道隧道的安全疏散，重新拟定隧道横洞的间距及洞口尺寸；分析计算结果，建议采用增加隧道人行横洞尺寸的办法减少疏散时间，改善安全状况。

关键词：隧道工程；多车道隧道；经验公式；疏散；人行横洞

0　概述

人员疏散是近年来的热点研究问题，研究的方法有两种，一是真实试验，由于操作性较差，而且面临道德风险，很难实施，但一些学者对正常人流做了研究，积累了大量宝贵资料；二是数值模拟，目前也取得了很多成果，研究开发了几十种应用模拟软件[1-8]。

隧道的疏散有其独有的特性，国内的学者进行了大量有针对性的研究和实践，并应用于实际工作中[9-14]。但研究多是直接参照建筑物内的疏散研究方法，缺少隧道内疏散特有的针对性。国内隧道的相关规范中的规定也比较简单，适用性不强。

以往的研究和现有的规范多是基于四车道的公路隧道，发生火灾时，多车道的隧道内滞留的车辆更多，需要疏散的人员也将成倍增加。通过对几条高速公路的长隧道的安全评估，研究现有的多车道隧道的人行横洞设计能否满足人员安全疏散要求。

1　隧道疏散研究方法

1.1　研究方法

人员疏散安全评估一般是通过比较可用安全疏散时间（ASET，Available Safety Egress Time）和需用安全疏散时间（RSET，Reqvired Safety Egress Time），来判断安全疏散的可行性，即：RSET＜ASET。

ASET一般通过计算机模拟来获得；RSET的确定方法，主要包括3种：现场疏散模拟试验、经验公式法及计算机仿真模拟。现场疏散模拟试验限制较多，一般难以实现，本研究采用改进的经验公式法和计算机仿真模拟的方法做对比研究。

1.2　计算方法及参数选择

由于环境的千差万别，各种情况下的疏散过程有很大的不同，隧道疏散与建筑中的疏散相比，有其自身的特性。隧道疏散一般可以分解为几个过程：火灾探测及人员反应，从车辆中脱身，隧道内的运动以及隧道出口处的排队或拥挤。

（1）火灾探测时间

火灾探测时间也称作火灾察觉时间，表示从起火到人员察觉有异常事情发生的时间间隔。该段时间主要取决于建筑物火灾探测与报警设备的完善程度、疏散者对火灾的认知水平以及管理人员的应急反应能力。

人员察觉火灾发生有两种方式：一种是由人员闻到异味或看到火焰与烟气而发现；另一种则是通过火灾探测器报警发现。由于隧道内结构物的单一性，火源位置附近的人员发现火灾主要通过第1种方式，而离火源较远的主要是通过第2种方式察觉到火灾的发生。目前，火灾探测时间的取值一般由经验公式或计算机模拟确定。本研究中为方便对比，统一选取60 s。

（2）人员反应时间

疏散准备时间也被称为预动时间、反应时间，是指人员从接到火灾警报后到疏散行动开始之前的时间间隔。疏散准备时间常与火灾探测时间合起来考虑，二者的界限也不是很容易清晰划分。

疏散准备时间受人员生理与心理特征、火灾安全教育背景与经验、起火时刻状态等因素影响，在性能化防火设计中，通常针对特定的建筑与人员特性，根据历史数据推算。

人员反应时间包括认识时间和反应时间，本研究中统一选取60 s。

（3）人员从车辆中的疏散时间。

根据隧道的特殊性，疏散行动时间主要分为下车时间、隧道内行动时间及出口排队时间3部分。

由于大客车的下车时间较长，车辆疏散时间主要考虑大客车的下车时间。

（4）隧道内的疏散时间

隧道内的疏散时间主要决定于人员的运动速度，根据以往的研究成果，按照1.2 m/s的平均速度计算。

（5）隧道出口的疏散时间

由于隧道出口（隧道人行横洞）较窄，疏散人群将发生排队或拥挤，计算中忽略拥挤的细节，按照出口的通过能力考虑。

2　隧道疏散场景

（1）火灾场景设置

分析国内外发生重大伤亡的隧道火灾现场。如1999年造成40多人死亡的勃郎峰公路隧道火灾，当时火灾恰好发生在隧道中部，隧道为单洞，起火点距离两侧洞口都有约6 km，处于最不利的位置；法国方向遇难的31中有8人意识到应该躲到避难室，但在没有进入避难室前就遇难了；当第1辆卡车着火后，按照正常方式立即发出警报，隧道在10 min内关闭，但对尾随进入隧道的车辆中的38人来说，一切都太晚了；火灾发生后意大利隧道出口处的操作员不但没有抽取空气，反而还向隧道中鼓入了新鲜的空气，这就使得浓烟迅速向法国方向蔓延过去；由于种种原因，消防车15 min后才到达现场，此时火场温度已经接近1 000℃，无法实施救援。

2014　　　　年晋济高速公路岩后隧道火灾，隧道长800 m，无通风设施，入口低出口高，致使火势沿隧道由入口向出口蔓延；距隧道出口3.8 km处设置的煤检站不能快速通过，致使隧道内停放有33辆运煤车；着火时隧道内能见度不足3 m；大火从洞口起燃，8 min后浓烟蔓延到了出口。事故造成了近40人死亡。

可见这些造成大量人员伤亡的事件多发生在各种不利条件的组合情况下，因此研究假设隧道发生火灾时，以人员逃生最不利的情况来设置火灾场景。

（2）研究区间的选取

《公路隧道设计规范》JTG D70—2004中规定，人行横通道的设置间距可取250 m，并不大于500 m；车行横通道的设置间距可取750 m，并不得大于1 000 m；长1 000～1 500 m的隧道宜设1处；中、

短隧道可不设。

现有的长隧道横洞间距一般都是按照规范设计，即每隔250 m设置一处人行横洞，每隔750 m设置一处车行横洞。研究假设火灾发生在隧道中间一处车行横洞处，而且信息传递不及时，后续车辆持续驶入直至阻塞。选取隧道内起火点后方750 m长的路段做研究，模拟人员的疏散情况。

（3）车辆布置

①某四车道高速公路：共计停驻166 veh车，载客1 111人。

②某六车道高速公路：共计停驻253 veh车，载客1 969人。

③某八车道高速公路：共计停驻338 veh车，载客2 241人。

车辆随机分布，布置情况见图1。

图1　车辆布置
Fig.1 Vehicle layout

3　经验公式法

经验公式法是通过实际观测人员的行动规律，通过统计数据确定行走速度与人流密度、通道宽度等计算参数的取值。常用的有美国SFPE手册的经验公式、日本经验公式等[15]，研究采用SFPE手册经验公式法并加以改进。

3.1　Togawa公式

式中，Na为总人数；Ks为人流到出口的距离；w为有效门宽；C为通过门的流量；V为运动速度。

3.2　改进的SFPE手册法

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[16]，隧道疏散时间的计算参考此经验公式，并做相应改进，满足隧道疏散条件。

式中，Ta为火灾事故探测时间；Tb为人员察觉响应时间；Tm包括大客车乘客下车所需时间（Tm1）及人员下车后到达隧道出口（或横通道）所需时间（Tm2）。

式中，P为通行通道的总人数；N为通道口数量；R为单位时间通道流率；W为通道宽度；L为通道边界宽度。

流率R与人流密度D存在一定的关系：

式中，K为常数；D为人流密度，0.54＜D＜3.8。

（1）Ta取60 s。

（2）Tb取60 s。

（3）大客车下车时间Tm1。《客车结构安全要求》（GB13094—2007）规定：

乘客单引道门：最小宽度650 mm；

通道宽度：垂直于客车的纵轴线测量，任意位置的通路宽度不小于300 mm，在地板或踏步板上方1 200 mm与顶棚下方不小于300 mm的高度范围内，任意位置的通路宽度不小于550 mm。

按大客车过道通行能力控制，选择通路宽0.55 m，边界宽度0.09 m，计算下车时间为75 s；选择通道宽0.3 m，边界宽度0 m，计算下车时间为115 s；选择车门宽0.65 m，边界宽度0.15 m，计算下车时间为127 s。

大客车正常情况下的下车时间测试结果为95～120 s。

综合考虑，全体乘客下车的时间取最大值为127 s。

（4）隧道内通行时间Tm2

假定人员平均行走速度为1.2 m/s，则离火源最近的人行走至横通道所需时间为208 s；按照横洞的通行能力计算，选择横洞宽2 m，边界宽度0.15 m，计算通过时间为232 s

可见，洞口发生排队或拥挤现象，隧道内通行时间取232 s。

（5）安全疏散总时间

安全疏散所需时间TREST＝60＋60＋127＋232＝479 s。

同样，可计算出单向3车道及4车道隧道的疏散时间。

表1　经验公式法疏散时间计算结果（单位：s）
Tab.1 Calculation result of egress time using em pirical formula（unit：s）

隧道车道数　探测准备时间总疏散时间双车道客车疏散时间隧道疏散时间120　127　232　479三车道　120　127　348　595四车道120　127　464　711

相对于双车道的隧道，三车道隧道的疏散时间增加了116 s，四车道隧道的疏散时间增加了232 s。

4　疏散模拟

4.1　疏散模拟程序选择

目前国际上有20多种常用的人员疏散模型。按照模型的基本原理，可将人员疏散模型分为3类：优化法、模拟法和风险评估法。（1）优化（optimization）模型：忽略周围人员和非相关避难的行为，假定人员以最有效的方式进行疏散，将人员视为具有共同特征的整体，如：EVACNET＋和TAKAHASHI，S MODEL。（2）模拟（simvlation）模型：表现疏散行为和行动状况，不仅要达到正确的评估结果，也要能采取接近真实避难路径情景，如：BGRAF，EXIITT，EGRESS，ESCAPE，EVACSIM，EXIT89，EXODUS，MAGNETMODEL，PAXPORT，SIMULEX，VEGAS。（3）风险评估（risk assessment）模型：识别火灾时与疏散有关的危险或相关事故，并对最后的风险进行量化。通过多次计算，它能评估改变防火分区设计、消防措施等参数的效果，如，CRISP，WAY0UT。

每种疏散模型都各有所长，但还没有一种程序能够解决所有的问题。用户面对众多的行人疏散应用软件时往往难于选择，一般可以考虑从以下9个主要方面进行分析研究，作为初期软件选择的参考：（1）实用性和使用权；（2）编制目的及背景；（3）软件的特性；（4）环境的拟合方法；（5）透视方法；（6）人员活动；（7）人员的行为方式；（8）有效性；（9）软件支持。

Pathfinder是一套由美国的Thvnderhead engineening公司研发的简单、直观、易用的新型的智能人员紧急疏散逃生评估系统。

运动的环境是一个完整的三维三角网格设计，以配合实际层面的建设模式，可以计算每个乘员独立运动并给予了一套独特的参数（最高速度、出口的选择等等）。Pathfinder可以导入FDS模型，FDS在模拟火灾的同时，可以在相同时间内模拟人员疏散。

人员运动模式包括SFPE模式和steering模式。

4.2　Pathfinder模拟程序SFPE模式

SFPE行为是最基本的行为，以流量为基础的选择意味着人员会自动转移到最近的出口。人员不会相互影响，但是列队将符合SFPE假设。

单向二车道隧道疏散时间模拟：

（1）基本SFPE模式

模拟疏散时间为330 s（其中大客车的下车时间为118 s），选择火灾探测时间为60 s，人员反应时间为60 s，总疏散时间为450 s。

SFPE模式基本上等同于经验公式法，因此模拟疏散时间与经验公式法计算的结果差不多。

它的不足之处在于无法计算拥挤因素，见图2，在出口及车门处，人员发生重叠，这与实际情况不符。

图2　出口及车门处人员重叠
Fig.2 Personnel overlaps at exit and vehicle doors

（2）SFPE冲突模式

增加人员冲突设置，模拟疏散时间为379 s（其中大客车的平均下车时间161 s），选择火灾探测时间为60 s，人员反应时间为60 s，总疏散时间为499 s。此模式中人员冲突的影响反映在非常狭窄的空间里，但依然无法模拟较大空间内人员拥挤的情况，仍然不够真实。

4.3　Pathfinder模拟程序Steering模式

Steering模式使用路径规划、指导机制、碰撞处理相结合控制人员运动。如果人员之间的距离和最近点的路径超过某一阀值，可以再生新的路径，以适应新的形势。

模拟疏散时间为288 s（其中大客车的下车时间为55 s），选择火灾探测时间为60 s，人员反应时间为60 s，总疏散时间为408 s。

由于此种模式人员可以比较自由地选择行动路线，因此可以充分利用空间，使得疏散时间有所减少。

在人行横洞处发生拥挤，但随着人员不断地减少，经过一段时间，拥挤逐渐消散，没有对最后一名疏散人员的撤离时间造成影响。

模拟显示，拥挤并未造成出口通行能力的减少，这与实际情况有一定差距，尤其当情况危急时，人员恐慌会导致不理智的行为，这方面还有待于进一步研究。

分析以上3种方法计算机模拟的疏散时间，见表2。

表2　疏散模拟结果（单位：s）
Tab.2 Evacuation simulation result（unit：s）

方法120　55　233　408总疏散时间SFPE模式四车道探测准备时间客车疏散时间隧道疏散时间120　118　212　450 SFPE（冲突）　120　169　210　499 Steering模式

可见，大客车内的疏散时间相差较大，主要原因是模拟程序对于人体做了简化处理，而且大客车内部较复杂，较难仿真。SFPE（冲突）模式中乘客在车内冲突严重，导致疏散时间较长；Steering模式个体行动自由，发生身体接触时可以自动避让，另外行动不受门或通道的计算控制，有足够的空隙即可通过，导致客车内的疏散时间较短。取118 s做为大客车疏散时间，调整另外两种模式的模拟数据，调整的疏散模拟结果见表3。

表3　调整的疏散模拟结果（单位：s）
Tab.3 Adjusted evacuation simulation result（unit：s）

方法　　探测准备时间总疏散时间SFPE模式客车疏散时间隧道疏散时间120　118　212　450 SFPE（冲突）　120　118　210　448 Steering模式120　118　233　471

取疏散模拟的最大值471 s。

5　比较分析

将以上经验计算法与程序模拟的疏散时间对比，见表4。

表4　疏散结果比较（单位：s）
Tab.4 Comparison of evacuation results（unit：s）

四车道探测准备时间方法总疏散时间经验公式法客车疏散时间隧道疏散时间120　127　232　479程序模拟　120　118　233　471方法　总疏散时间经验公式法六车道探测准备时间客车疏散时间隧道疏散时间120　127　348　595程序模拟　120　118　365　603方法　总疏散时间经验公式法八车道探测准备时间客车疏散时间隧道疏散时间120　127　464　711程序模拟120　118　421　653

从经验计算法及仿真模拟方法的对比分析，可以得出：

（1）SFPE模式计算原理等同于经验公式法，因此模拟疏散时间与经验公式法计算的结果相近。

（2）SFPE模式增加冲突的假设后，可以模拟疏散人员之间的互相影响，即考虑了拥挤状态。模拟显示人员不再重叠，结果客车的疏散时间明显增加，这与发生拥挤降低了通行速度有关，模拟了恐慌状态，但有待实际数据验证。

（3）SFPE模式比Steering模式客车疏散时间长很多。这是由于SFPE模式将门当做限制条件，计算时间是按照客车门的通过时间控制的（增加冲突模式模拟了拥挤状态，使疏散时间增加较多）；Steering模式没有将门当做限制条件，狭窄空间内的拥挤影响也不明显，按照行走速度进行模拟，因此客车内的疏散时间偏短。

（4）隧道疏散时间的主要控制因素是探测准备时间、客车疏散时间、隧道内的人行速度及横洞的通行能力。

6　隧道安全分析

可用安全疏散时间ASET一般通过假定火灾功率，根据具体环境、通风措施等条件，计算出人体能够承受的温度、烟气的能见度、二氧化碳及毒气浓度等达到危险程度的最短时间来确定。

根据不同的火灾场景、不同的火灾规模、不同的通风条件等，计算结果也不尽相同。良好的通风控制情况下，可保证10 min以上的安全逃生时间。但以往的一些造成重大伤亡的事故往往都是在不利的情况下发生的，安全逃生时间大大缩短。

（1）规范取值

我国公路规范对安全逃生时间没有具体的规定。根据《地下铁道设计规范》做出的规定，地铁设计应保证在远期高峰小时客流量时发生火灾的情况下，6 min内将列车乘客和站台候车的乘客及工作人员疏散完毕。

（2）采用PyroSim软件模拟

隧道火灾模型有区域模型、网络模型与场模型。总体说来，相比于区域模型与网络模型，场模型可以更加细致地模拟预测隧道的火灾的特性，预测火灾时隧道内的速度场和温度场，特别是能够很好地模拟大规模火灾试验的烟气回流现象。

常用的模拟程序有CFD及FDS。CFD的不足之处在于它对火源附近的温度场预测不太准确，还需

要进一步完善程序的燃烧模型，合理选择紊流模型，恰当设置边界条件，并用更多完整翔实的试验数据来考察验证CFD程序的准确性，以期更好地利用CFD进行隧道火灾的研究。

PyroSim软件是一款由美国的Thvnderhead engineening公司开发的火灾模拟器（FDS）前处理和后处理软件，它是在FDS的基础上发展起来的。由于美国标准技术研究院（NIST）研发的FDS使用脚本语言建模。

①火灾规模选取

火灾规模的确定在隧道的防火设计中非常重要，在确定火灾规模应考虑到隧道运营管理制度、发生火灾的车辆数及车辆类型、车辆装载货物的种类和数量、燃烧程度。按火灾燃烧的规模不同，可将火灾分为小型火灾，中型火灾，大型火灾。一般认为，隧道火灾规模分为3种：

小型火灾：一辆小客车着火（60 L汽油）；

中型火灾：一辆货车着火（150 L汽油）；

大型火灾：二辆货车相撞着火（300 L汽油）。

相应上述火灾规模的热量功率量级如下：

小型火灾：3 MW；

中型火灾：20 MW；

大型火灾：50 MW。

②安全标准

发生火灾时隧道内人员会置身于高热与有毒浓烟中，丧失能见度，吸入有毒烟雾，被高温熏烤，使隧道内人员受到伤害，甚至无法逃生，因此在前期设计中应保证在火灾发生时可为隧道内人员提供一定的安全保障与逃生条件，能够使隧道内被困人员尽快撤离到安全地带，在火灾情况下隧道内人员可承受的维生环境标准如下：

能见度：10 m；

逃生区温度：15 min内，＜80℃；

CO浓度：1～10 min内，500×10-6～3 000×10-6；

热辐射：10 min内，2 kW/m，消防人员5 kW/m。

以往在发生重大人员伤亡的隧道火灾中发现，人员死亡最主要的原因是窒息，迅速扩散的浓烟吞没了逃生的人群。

③模拟结果

选择50 MW规模火灾模拟，模拟结果显示烟雾是控制因素。烟气推进速度与火灾规模、通风情况等有关。通风失效时起火后74 s烟气即可到达250 m处（人行横道），但由于公路隧道横断面为圆弧形，上部有较多的富余空间，此时烟气只是充满了隧道的上部空间，只有部分区域进入下部空间，同时这些区域的能见度也下降到10 m以下。随着时间的增长，隧道下层烟气逐渐增多，其中250 m附近是浓烟下降最快的区域，6 min左右地面以上1.5 m处大段区域能见度不足10 m。

据国外研究成果显示6～10 min左右烟气会充满250 m的空间。如果没有在被浓烟覆盖之前逃脱，逃生的希望渺茫。

（3）隧道安全分析

为便于比较分析，本研究假设四车道隧道刚好能满足疏散需要，即选取安全时间ASET为8 min，则六车道隧道疏散时间超出了117 s（24％），八车道隧道疏散时间超出了231 s（48％）。因此隧道发生火灾时，现有规范的250 m横洞间距在不利情况下不够安全。

表5　RSET与ASET比较
Tab.5 Com parison of RSET and ASET

车道数　　需要时间REST/s ASETRSET/％四车道安全时间ASET/s ASETRSET 711　480　-231　-48.1 479　480　　＋1　　＋0.2六车道　603　480　-117　-24.4八车道

（4）措施

现有的规范规定人行横洞的间距是250 m，为了减少疏散时间，可以采取两种措施，一是减小人行横洞的间距，二是加大横洞的宽度。

①减少横洞间距

经计算，六车道隧道横洞间距需要减少到170 m，REST可以减至480 s；八车道隧道横洞间距需要减少到130 m，REST可以减至480 s。

②加大横洞洞门宽度

经计算，六车道隧道横洞洞门宽度需要增加到2.8 m，REST可以减至480 s；八车道隧道横洞间距需要增加到3.7 m，REST可以减至480 s。

可见，加大横洞洞门宽度比较好，也比较经济。但仍需考虑洞口加宽后，不能让车辆通行，避免发生车辆挤占逃生道路的现象。

7　结论

通过对隧道疏散的经验计算及模拟研究，初步得出以下结论：

（1）本研究得出双洞隧道按照现行规范的要求，每隔250 m设置一处人行横洞，在不利情况下不足

以满足三车道以上隧道疏散的需要。

（2）建议采用加大横洞洞门宽度的办法增加隧道安全。

（3）在简单的假设条件下，经验公式计算与程序模拟的结果差异不大，可以作为粗略的计算结果使用。

（4）采用仿真模拟可以考虑比较复杂的假设条件，如拥挤、反应时间、人员行走速度差异等，模拟的结果与经验公式计算时间会有较大的差异。

（5）程序模拟的结果，根据不同假设及参数输入情况，也会有较大的差异。研究人员的经验也是非常重要的因素。

（6）目前的模拟程序对恐慌状态的处理还有待于进一步的研究。

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Analysis of Multi-lane Expressway Tunnel Transverse-hole Evacuation Safety

WANG Chi-xin
（School of Civil Engineering，Beijing University of Technology，Beijing 100124，China）

Abstract：Based on the research of safety evalvation on severalmvlti-lane expressway tvnnels，the personnel evacvation time in the lane tvnnel with fire is calcvlated vsing the improved empirical formvla method，the analog simvlation and comparative analysis are condvcted vsing Pathfinder software.By simvlating the fire scene with PyroSim software，the safe evacvation time in the tvnnel on fire is determined.By comparing the available safety egress time（ASET）and the reqvired safety egress time（RSET），the safeness of a tvnnel evacvation is jvdged.It is fovnd that the tvnnel adit designed according to the existing specifications is not safe for the mvlti-lane tvnnel evacvation.Thvs the spacing and the dimensions of the tvnnel adit are reformvlated.After analysing the calcvlation resvlt，it is recommended to increase the dimensions of the tvnnel pedestrian transverse-hole to redvce evacvation time and improve the secvrity sitvation.

Key words：tvnnel engineering；mvlti-lane tvnnel；empirical formvla；evacvation；transverse-hole