秦華禮 武韜

(東北大學(xué) 沈陽 110819)

0 引言

地鐵站內(nèi)空間有限，大客流疏散過程中時有發(fā)生的突發(fā)事件常常會影響地鐵站客流的疏散，很有可能導(dǎo)致嚴(yán)重的后果。

MA P等[1]修改了HELBING D等[2]的經(jīng)典社會力模型，并將該模型用于模擬行人在充滿煙霧的大廳進(jìn)行疏散，研究了不同行人人數(shù)時疏散時間與視野半徑的關(guān)系。張培紅等[3]根據(jù)大型公共建筑物建筑結(jié)構(gòu)、人員分布情況及火災(zāi)發(fā)展特點(diǎn)，對建筑物進(jìn)行空間模塊化,建立相應(yīng)的人員疏散行為數(shù)學(xué)模型，并對大型公共建筑物火災(zāi)時的人員疏散行為進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真及實(shí)例研究。何理等[4]利用調(diào)查問卷和統(tǒng)計(jì)分析方法,對南方某城市地鐵兩個車站的乘客在突發(fā)事件下的疏散安全行為進(jìn)行調(diào)查和統(tǒng)計(jì)分析。李丹辰等[5]使用buildingEXODUS軟件研究車站站廳、站臺、設(shè)備區(qū)、?？苛熊嚨榷鄠€區(qū)域火災(zāi)場景下乘客疏散所需的時間，分別研究地鐵車站內(nèi)閘機(jī)及柵欄門、自動扶梯、應(yīng)急出口等設(shè)施的運(yùn)行狀態(tài)對疏散結(jié)果的影響。潘科等[6]通過調(diào)查統(tǒng)計(jì)人群的數(shù)量、年齡、性別等參數(shù),應(yīng)用Pathfinder軟件建立地鐵換乘車站人員疏散模型,對該站在不同情況下發(fā)生緊急事件的人群疏散進(jìn)行研究，并找到疏散過程中不利于人群疏散的“關(guān)卡”。

綜上，目前的研究多為針對單個小場景以及典型地鐵車站的模擬分析，而對地鐵車站的實(shí)地調(diào)研和實(shí)際參數(shù)較少。對于換乘形式采用廳—廳換乘的T形特殊車站的疏散研究，應(yīng)考慮到同用站廳情況下的人員載荷和典型地鐵車站的不同之處。同時，已有的模擬研究僅考慮了近期或過去的車站運(yùn)行狀況，而地鐵實(shí)際運(yùn)營周期長達(dá)幾十年。因此，本文以廳—廳換乘的T形特殊車站為研究對象，通過調(diào)研地鐵線路設(shè)計(jì)文件，研究整個運(yùn)營壽命周期內(nèi)的最大載荷狀況，研究各種突發(fā)情況對地鐵疏散的影響及地鐵人員疏散規(guī)律，對特殊站點(diǎn)運(yùn)營壽命全周期的安全疏散工作提供依據(jù)。

1 模型構(gòu)建

1.1 仿真軟件

選擇的疏散模擬軟件Pathfinder是一套由美國Thunderhead Engineering公司研發(fā)的簡單、直觀、易用的新型智能人員緊急疏散逃生評估系統(tǒng)。利用計(jì)算機(jī)圖形仿真和游戲角色領(lǐng)域技術(shù)，對多個群體中的每個個體運(yùn)動都進(jìn)行圖形化的虛擬演練，也可以根據(jù)需要設(shè)置不同人員的屬性(行走速度、身高、肩寬等)。Pathfinder軟件采用的模型中，人員智能化程度高，并且在Steering模式下人與人之間會保持合理的距離，與實(shí)際情況較為符合。

1.2 參數(shù)設(shè)置

1.2.1 車站模型

選擇研究的車站為九號線和十號線的換乘車站。同步設(shè)計(jì)，同期施工，十號線在下，九號線在上，兩站形成T型換乘，均為14 m島式站臺車站，設(shè)置有九號線和十號線的聯(lián)絡(luò)線。十號線車站為3層站，車站總長為175.10 m；九號線車站為2層站，車站總長為215.45 m；地下一層為兩線共用的站廳層，中部為兩線車站共用的公共區(qū)，九號線車站公共區(qū)中部與十號線車站公共區(qū)大里程端相接，呈T形布置，公共區(qū)由欄桿及進(jìn)出站閘機(jī)分隔成付費(fèi)區(qū)和非付費(fèi)區(qū)。

十號線地下三層為站臺層，站臺計(jì)算長度為118 m；九號線地下二層為站臺層，站臺計(jì)算長度為118 m，寬為14 m。十號線與九號線各設(shè)兩組連通站臺和站廳的樓扶梯，每組樓扶梯包括一部1 m寬上行扶梯、一部1 m寬下行扶梯、一部2.2 m寬樓梯。另外，十號線結(jié)合垂直電梯設(shè)置一部上行扶梯，在疏散過程中不采用垂直電梯，并且自動扶梯將停運(yùn)，用于人員疏散。九、十號線共用站廳一共包括6個出入口。根據(jù)功能劃分，十號線車站包含1、2、3號出入口通道，其中1、2號通道寬度均為6 m， 3號通道寬度為5 m；九號線車站包含4、5、6號出入口通道，其中4號通道寬度為6 m，5、6號通道寬度均為5 m。在疏散過程中，站臺層人員通過閘機(jī)口和員工通道后，利用樓梯和扶梯向站廳外疏散，站廳層共有 8個閘機(jī)口，通往地面共有 6個疏散出口。

地鐵線路列車均選用鋼輪鋼軌、粘著牽引的B型車。車體長度為19 m(帶司機(jī)室車長度為19.5 m)，車體寬度為2.8 m(最大處)，客車每側(cè)設(shè)4對對開車門，車門開度為1.3 m，門檻以上高度為1.8 m。整個壽命周期內(nèi)列車編組為6輛車，列車載客能力如表1所示，建立的物理仿真模型如圖1所示。

表1 列車載客能力 人

圖1 某地鐵站結(jié)構(gòu)輪廓

1.2.2 人員參數(shù)

Pathfinder可以設(shè)置不同的人員參數(shù)，主要的人員參數(shù)有行人速度、肩寬、所占比例等。為了研究超員載荷情況，根據(jù)人員年齡將乘客分為青年、中年和老人小孩，具體參數(shù)如表2所示。

表2 地鐵乘客參數(shù)

根據(jù)十號線初、近、遠(yuǎn)期高峰小時客流量表與系統(tǒng)運(yùn)輸能力設(shè)計(jì)表，遠(yuǎn)期(2040年)早高峰上行方向站臺進(jìn)站客流最大，如表3、表4所示。車站超高峰系數(shù)按照 1.35 計(jì)算。為了更好地反映實(shí)際情況，進(jìn)行疏散的總?cè)藬?shù)中需增加20名列車工作人員。

表3 十號線遠(yuǎn)期早高峰小時客流 人/h

表4 九號線遠(yuǎn)期早高峰小時客流 人/h

(1)十號線斷面客流：24 938×1.35÷30=1 123(人)<1 440+20=1 460(人/列)，故列車疏散計(jì)算人數(shù)Q1=1 460人，站臺上候車乘客人數(shù)Q2=(7 069+2 427)×1.35÷30=428(人)，故疏散總?cè)藬?shù)Q=Q1+Q2=1 460+428=1 888(人)。

(2)九號線斷面客流：20 258×1.35÷30=912(人)<1 440+20=1 460(人/列)，故列車疏散計(jì)算人數(shù)Q1=1 460人，站臺上候車乘客人數(shù)Q2=(5 222+1 584)×1.35÷30=307(人)，故疏散總?cè)藬?shù)Q=Q1+Q2=1 460+307=1 767(人)。

1.2.3 疏散參數(shù)

必需安全疏散時間(RSET)是受困人員從火災(zāi)發(fā)生至疏散到安全地點(diǎn)所用的時間，通常包括3個部分[7]：

tRSET=talarm+tpre+tmove

(1)

式中，tRSET為必需安全疏散時間；talarm為報(bào)警系統(tǒng)探測到災(zāi)情并發(fā)出報(bào)警的時間；tpre為人員從接收到報(bào)警通知到準(zhǔn)備疏散的反應(yīng)時間；tmove為從開始疏散到離開危險(xiǎn)區(qū)域的疏散時間。

為確保人員安全疏散，就必須使可用安全疏散時間(ASET)比必需安全疏散時間長，即

tASET>tRSET

(2)

根據(jù)《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50157—2013)[8]第28.2.11條，車站站臺公共區(qū)的樓梯、自動扶梯、出入口通道，應(yīng)滿足當(dāng)發(fā)生火災(zāi)時 6 min內(nèi)將遠(yuǎn)期或客流控制期超過高峰小時一列進(jìn)站列車所載的乘客及站臺上的候車人員全部撤離站臺到達(dá)安全區(qū)的要求。

2 模擬工況

2.1 超員載荷場景

為了防止產(chǎn)生人員密度過大的安全隱患，地鐵站列車不會同時到站。模擬計(jì)算采用的十號線站臺極端人員載荷擬取1 888人，其中列車內(nèi)乘客1 460人，站臺區(qū)域待車乘客428人；九號線站臺極端人員載荷擬取1 767人，其中列車內(nèi)乘客1 460人，站臺區(qū)域待車乘客307人。車站站廳層認(rèn)為是安全區(qū)域，但是為了更符合實(shí)際情況，額外設(shè)置公共站廳人數(shù)為200人。在此疏散設(shè)定下，整個站內(nèi)共有3 855人進(jìn)行疏散，最后一位人員疏散至站廳層和車站區(qū)域外部的用時分別為329.0、357.3 s。

各個疏散出口的人流量變化如圖2所示。由圖可知，在10.5 s之前，所有出口的人流速率均在上升，站廳層乘客陸續(xù)疏散至車站外；在10.5 s之后，1、6號出口人流速率持續(xù)增加，在約15 s時開始波動，在此時間段內(nèi)出口疏散的人群為站臺層乘客；同時，在10.5 s之后，2、3、4、5號出口人流速率短暫降低，在約23 s時開始增加，此時來自站臺的乘客已經(jīng)陸續(xù)從扶梯和樓梯疏散至站廳層。

圖2 各個疏散出口的人流量變化

在疏散過程中，1、4號出入口的人流速率均達(dá)到了5人/s，這是由于選擇從九、十號線站臺右側(cè)疏散到站廳層的乘客距離1、4號出入口距離相當(dāng)。2號出入口人流速率在60 s時降低為0，在142 s時開始上升并波動，最大為0.8人/s，在273 s時降低為0；但是在2號出入口對面的3號出入口，最高人流速率達(dá)到了5人/s，這是由于乘客從十號線左側(cè)疏散至站廳層后選擇3號出入口距離更短、障礙更少，只有在疏散高峰期3號出入口的閘機(jī)達(dá)到通過能力上限后，才有部分乘客選擇更遠(yuǎn)但人員分布更少的2號出入口進(jìn)行疏散。

5號出入口到九號線左側(cè)扶梯、樓梯口距離較遠(yuǎn)，更多的乘客選擇站廳對面的4號出入口；96 s時5號出入口人流速率增加，這是因?yàn)橐徊糠謴氖柧€站臺右側(cè)疏散的乘客通過公共站廳疏散至4號出入口閘機(jī)；113 s時4號出入口閘機(jī)已經(jīng)產(chǎn)生擁堵現(xiàn)象，更多乘客選擇更遠(yuǎn)但擁堵更少的5號出入口，5號出入口人流速率增加至2.78人/s；隨著人員逐漸離開站臺層，各個疏散出入口的人流量逐漸減少。

243 s時十號線站臺層人員已經(jīng)全部上升至站廳層，307 s時最后一位人員走上九號線站臺層通向站廳層的樓梯，上升至九號線的乘客幾乎全部選擇更近的4、6號出入口。357.3 s時全部人員離開車站，疏散結(jié)束。

研究地鐵站的疏散過程發(fā)現(xiàn)站臺層樓梯口是影響疏散的主要環(huán)節(jié)，此外，站廳層的閘機(jī)位置也對疏散產(chǎn)生了一些影響。40.6 s時十號線人員分布情況如圖3、圖4所示?？梢钥闯觯丝蛷牧熊囀枭⒅琳九_層后尋找就近的樓梯，并在出口位置形成人員密度大、流速低的擁堵。疏散開始后，站臺層樓梯出口處的人員密度達(dá)到了3人/m2的最大值。由于車廂內(nèi)的人員不斷進(jìn)入站臺層，而且樓梯、扶梯的通行能力不能及時把人員輸送到站廳層，導(dǎo)致人員在樓梯口處不斷聚集并產(chǎn)生擁堵，很容易產(chǎn)生因?yàn)槿藛T密度過大造成的擁擠、踩踏、推搡等復(fù)雜的突發(fā)情況，導(dǎo)致在疏散過程中形成車站空間內(nèi)暫時或長期不能通過的區(qū)域。

圖3 40.6 s時十號線人員分布

圖4 40.6 s時十號線人員密度分布

2.2 超員載荷下車站突發(fā)情況場景

2.2.1 站臺層樓梯口擁堵

研究疏散過程的人員分布情況可知，在場景空間有限的情況下，人員會在疏散出入口附近形成扇形放射狀聚集區(qū)。地鐵車站站臺寬度僅為13.7 m，限制了人員的行動，故在圖4中樓梯出入口形成的扇形人員聚集區(qū)中心位置設(shè)置不可通過區(qū)域來模擬疏散過程中可能發(fā)生的突發(fā)情況。不可通過區(qū)域的面積大小對應(yīng)發(fā)生各種突發(fā)情況時候停滯的人員數(shù)量。在Pathfinder軟件中，1 m2容納的人數(shù)約為3人，設(shè)置不同大小的不可通過區(qū)域來表示不同等級的突發(fā)情況。由于Pathfinder軟件的Steering模式考慮了人員路徑規(guī)劃和防碰撞因素,所以將人員擁堵形成的不可通過區(qū)域簡化為正方形區(qū)域進(jìn)行研究。

根據(jù)以上設(shè)定進(jìn)行模擬，模擬結(jié)果如表5所示。由表可知，隨著突發(fā)時間影響區(qū)域的增加，所需要的安全疏散時間不斷增加，且6人(2 m2)以下的擁堵區(qū)域?qū)κ枭r間的影響不大。當(dāng)影響區(qū)域達(dá)到3 m2，即約9人停滯時，對疏散時間的影響很大。當(dāng)列車達(dá)到極限載荷狀態(tài)及90%極限載荷，九號線站臺層人數(shù)為307人，十號線站臺層人數(shù)為428人，發(fā)生各種規(guī)模突發(fā)情況的疏散時間均不能滿足規(guī)范要求。當(dāng)列車人數(shù)為極限載荷的80%(1 168人)時，發(fā)生6人以下小規(guī)模突發(fā)情況的安全疏散時間<300 s，滿足規(guī)范要求。當(dāng)列車人數(shù)為極限載荷的70%(1 022人)時，發(fā)生大規(guī)模突發(fā)情況的安全疏散時間為282.8 s，滿足規(guī)范要求。因此，在列車乘客人數(shù)達(dá)到極限載荷的80%時，需要工作人員采取限流、導(dǎo)流措施。一方面控制進(jìn)入車站人員，另一方面引導(dǎo)列車上的人員，避免發(fā)生各種影響疏散的突發(fā)事件。

表5 樓梯口突發(fā)情況模擬統(tǒng)計(jì)

2.2.2 站廳層閘機(jī)出口擁堵

人員從站臺層通往站廳層后，需要穿過閘機(jī)才可以疏散至地鐵站外。由于該車站閘機(jī)寬度為0.55 m，在全開情況下只能供1人通過。站臺層疏散至站廳層的人員因?yàn)殚l機(jī)的通過能力不足而在閘機(jī)附近產(chǎn)生低速人群出現(xiàn)擁堵，閘機(jī)出入口附近人員速度如圖5所示。可以看出，隨著人員靠近閘機(jī)出入口，速度逐漸降低。

圖5 閘機(jī)口處人員速度分布

為了研究站廳層閘機(jī)出口突發(fā)情況造成的擁堵對整個疏散的影響，在發(fā)生擁堵情況的閘機(jī)口處設(shè)置為不可通過。每個閘機(jī)寬度為0.55 m，并且將閘機(jī)口的特殊通道設(shè)置為關(guān)閉狀態(tài)，模擬結(jié)果如表6所示。由表可知，隨著可通過閘機(jī)口的減少，所需要的安全疏散時間不斷增加。當(dāng)列車達(dá)到極限載荷狀態(tài)及90%極限載荷，九號線站臺層人數(shù)為307人，十號線站臺層人數(shù)為428人，發(fā)生各種規(guī)模的突發(fā)情況的疏散時間均不能滿足規(guī)范要求。當(dāng)列車人數(shù)為極限載荷的80%(1 168人)時，發(fā)生3個以下閘機(jī)口突發(fā)情況的安全疏散時間<300 s，滿足規(guī)范要求。當(dāng)列車人數(shù)為極限載荷的70%(1 022人)時發(fā)生3個以下閘機(jī)口突發(fā)情況的安全疏散時間<300 s，滿足規(guī)范要求。由于通向車站外的閘機(jī)擁堵，疏散出車站的時間大大增加，因此在列車乘客人數(shù)達(dá)到極限載荷的90%時，需要站廳工作人員采取導(dǎo)流措施，并打開特殊通道作為疏散使用，防止從站臺層上升至站廳層的大量人員在閘機(jī)口擁堵產(chǎn)生安全隱患，影響安全疏散過程。

表6 閘機(jī)口突發(fā)情況模擬統(tǒng)計(jì)

疏散中的停滯時間總和可以反映疏散過程的效率，最大停滯時間是指每個人員在疏散中經(jīng)歷突發(fā)情況時的各段停滯、擁堵時間的最大值，可以反映不同突發(fā)情況對整個疏散過程的效率影響。閘機(jī)在不同的擁堵情況下列車70%～100%極限載荷的最大停滯時間分布如圖6～圖8所示?？梢钥闯?，隨著列車載荷的不斷減少，疏散中的最大停滯時間的峰值也在減少。其中，1個閘機(jī)出現(xiàn)擁堵時的最大停滯時間達(dá)到135.03 s；2個閘機(jī)出現(xiàn)擁堵時的最大停滯時間達(dá)到141.60 s；3個閘機(jī)出現(xiàn)擁堵時的最大停滯時間達(dá)到150.15 s，以上情況均發(fā)生在列車100%極限載荷狀態(tài)下。

圖6 1個閘機(jī)擁堵時列車不同載荷下的最大停滯時間分布

圖7 2個閘機(jī)擁堵時列車不同載荷下的最大停滯時間分布

圖8 3個閘機(jī)擁堵時列車不同載荷下的最大停滯時間分布

為了研究閘機(jī)擁堵對整個疏散過程的影響大小，對模擬結(jié)果進(jìn)行處理，計(jì)算各個工況下的最大停滯時間在整個疏散過程停滯時間中的占比，結(jié)果如表7所示?？梢钥闯?，在同樣的突發(fā)情況擁堵下，最大停滯時間占比最大值處在100%極限載荷和90%極限載荷，達(dá)到79%。說明列車載荷越大，疏散至站廳層的人員在閘機(jī)口擁堵處發(fā)生的停滯對疏散的影響越關(guān)鍵。由此得出，列車載荷是疏散過程中影響安全疏散時間的重要因素。

表7 最大停滯時間占比

疏散過程中的人員總停滯時間最大值結(jié)果如表8所示?？梢钥闯觯瑯拥妮d荷下總停滯時間最大值隨閘機(jī)的擁堵數(shù)量增加而變長，最長甚至超過了GB 50157—2013規(guī)定的6 min疏散時間。說明在已無法控制列車人員數(shù)量的情況下，應(yīng)該避免在閘機(jī)口位置產(chǎn)生擁堵。閘機(jī)口處的擁堵最多可以增加99.6 s的停滯時間，對整個疏散過程影響較大。

表8 總停滯時間最大值 s

3 結(jié)論

(1)通過對根據(jù)地鐵設(shè)計(jì)文件確定的單列極限超員載荷列車乘客進(jìn)行模擬疏散，發(fā)現(xiàn)影響站臺層乘客疏散的主要空間因素是站臺層樓梯口的位置和數(shù)量。對各個疏散出口的人流量變化特征進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)閘機(jī)口是影響上升至站廳層的人員向車站外疏散的關(guān)鍵因素。每個閘機(jī)位置出現(xiàn)3個擁堵的情況下，整個疏散時間最多會比正常情況增加33.8%。

(2)站臺層樓梯口和站廳層閘機(jī)口產(chǎn)生擁堵均會影響安全疏散時間。當(dāng)列車載荷在80%及以上時，樓梯口產(chǎn)生的突發(fā)性擁堵會使安全疏散時間超過300 s；控制列車極限載荷80%以下，沒有9人以上停滯的突發(fā)情況發(fā)生時可以滿足規(guī)范疏散時間要求。當(dāng)列車載荷在90%及以上時，站廳層閘機(jī)口產(chǎn)生的突發(fā)性擁堵會使安全疏散時間超過300 s。列車載荷越大，最大停滯時間占總停滯時間的比例越大，最高達(dá)到了79%。閘機(jī)口附近的突發(fā)擁堵最多會增加99.6 s的停滯時間，大大影響了疏散過程。

(3)由于站臺層上升至站廳層的人員在閘機(jī)口附近產(chǎn)生大量停滯現(xiàn)象，在不能及時控制列車人員的情況下，車站工作人員應(yīng)做好引導(dǎo)引流措施，及時疏散站廳層人員離開車站，避免出現(xiàn)擁堵情況。

綜上，在列車載荷達(dá)到極限載荷的80%、車站站臺層達(dá)到極限載荷時應(yīng)開展應(yīng)急措施，對人員進(jìn)行引導(dǎo)，避免樓梯口和閘機(jī)口出現(xiàn)擁堵等突發(fā)情況影響正常的客流出入站和應(yīng)急疏散。應(yīng)急疏散過程中，當(dāng)人員疏散至站廳層后，需要進(jìn)一步采取開啟特殊通道等措施緩解閘機(jī)口的通行壓力。