謝寶超，楚坤坤，趙家明，徐志勝，魯志鵬，張 憶

(1.中南大學(xué) 防災(zāi)科學(xué)與安全技術(shù)研究所，湖南 長(zhǎng)沙 410000；2.中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，湖北 武漢 430063)

0 引言

隨我國(guó)經(jīng)濟(jì)及隧道建設(shè)技術(shù)快速發(fā)展，公路隧道建設(shè)逐漸向大深度、大直徑、超長(zhǎng)距離方向發(fā)展[1]。公路隧道內(nèi)車流密度增大，車輛行駛速度增加，隧道火災(zāi)事故頻發(fā)[2-3]，容易造成交通堵塞，需第一時(shí)間對(duì)車內(nèi)人員進(jìn)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(shí)間長(zhǎng)，火災(zāi)危險(xiǎn)性較大。大客車內(nèi)人員下車時(shí)間是必需安全疏散時(shí)間重要影響因素，因此，研究大客車人員下車過(guò)程至關(guān)重要。

近年，學(xué)者對(duì)不同疏散方式下通行能力、人員疏散行為、行走速度進(jìn)行研究：周慶等[4]通過(guò)隧道人員疏散試驗(yàn)提出不同橫通道寬度、人員密度與橫通道通過(guò)能力關(guān)系式；張玉春等[5]通過(guò)搭建試驗(yàn)平臺(tái)對(duì)隧道內(nèi)人員疏散行為及橫通道通行能力進(jìn)行研究；Xie等[6]通過(guò)對(duì)隧道縱向疏散能力進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，男性和女性滑梯蓋板打開(kāi)時(shí)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(guò)公路隧道疏散試驗(yàn)，對(duì)人員在煙霧中行走速度、路徑選擇和出口選擇進(jìn)行研究，提出1種新的煙霧中步行速度數(shù)據(jù)集；Seike等[8]通過(guò)隧道疏散試驗(yàn)研究人員行走速度與消光系數(shù)關(guān)系。

隨計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展，多種人員疏散行為規(guī)律分析及疏散時(shí)間計(jì)算模型開(kāi)始建立并被廣泛應(yīng)用[9-10]。目前，人員疏散研究?jī)A向于隨機(jī)疏散行為規(guī)律和時(shí)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(jié)合的方法，對(duì)火災(zāi)疏散過(guò)程進(jìn)行模擬，指出必需安全疏散時(shí)間主要受步行時(shí)間影響；成艷英等[12]基于人員疏散距離、運(yùn)動(dòng)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(shí)間計(jì)算經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?；王羽塵等[13]通過(guò)建立隧道仿真場(chǎng)景發(fā)現(xiàn)，火災(zāi)發(fā)生位置和人群疏散通道最優(yōu)位置呈線性遞減關(guān)系。此外，部分學(xué)者對(duì)大客車緊急情況下人員下車時(shí)間進(jìn)行研究[14-15]。上述研究?jī)H局限于大客車下車時(shí)間，關(guān)于人員構(gòu)成比例及滿載系數(shù)對(duì)大客車下車過(guò)程影響的研究比較缺乏。

因此，本文通過(guò)開(kāi)展大客車人員下車現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，采用Pathfinder軟件進(jìn)行數(shù)值模擬，分析不同人員構(gòu)成比例及滿載系數(shù)對(duì)大客車下車時(shí)間影響，為隧道人員疏散設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)及技術(shù)指導(dǎo)。

1 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)與數(shù)值模型建立

1.1 試驗(yàn)平臺(tái)搭建

疏散試驗(yàn)在某隧道內(nèi)開(kāi)展，有2輛金龍大客車并排停靠在隧道工作井后盾構(gòu)段行車道上，大客車位置布置如圖1所示。在大客車車門(mén)處設(shè)置攝像頭，記錄大客車人員下車過(guò)程。

圖1 大客車位置布置

1.2 試驗(yàn)工況設(shè)置

本文共開(kāi)展6次大客車下車疏散試驗(yàn)，2輛大客車分別標(biāo)號(hào)Ⅰ、Ⅱ，試驗(yàn)工況見(jiàn)表1。試驗(yàn)假設(shè)為：

表1 大客車下車疏散試驗(yàn)工況

1)試驗(yàn)參與人員均為中南大學(xué)在校師生。

2)試驗(yàn)中人員均未攜帶行李。

3)試驗(yàn)參與人員均按照啟動(dòng)命令指示開(kāi)始疏散，不考慮人員疏散反應(yīng)時(shí)間。

1.3 數(shù)值模型建立

目前，我國(guó)主要依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)《汽車和掛車類型的術(shù)語(yǔ)和定義》(GB/T 3730.1—2001)和《機(jī)動(dòng)車輛及掛車分類》(GB/T 15089—2001)對(duì)車輛進(jìn)行分類，分類基本與國(guó)際一致[16]。隧道內(nèi)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(shè)定

試驗(yàn)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(duì)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(shí)考慮不同類型人員差異，取值時(shí)給予一定保守估計(jì)，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(duì)應(yīng)肩寬分別為0.4，0.35，0.3，0.4 m。

1.5 疏散模擬工況設(shè)置

考慮大客車內(nèi)座位數(shù)、座位寬度、走道及大客車車門(mén)疏散寬度，載客量標(biāo)準(zhǔn)值45人，走道寬度取0.6 m，大客車車門(mén)寬度取1.0 m。試驗(yàn)?zāi)M場(chǎng)景、不同人員構(gòu)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(jiàn)表2～4。

表2 試驗(yàn)場(chǎng)景疏散模擬工況

表3 不同人員構(gòu)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(yàn)?zāi)M選用Pathfinder軟件中Steering模式，將路徑規(guī)劃、指導(dǎo)機(jī)制、碰撞處理相結(jié)合以控制人員運(yùn)動(dòng)，人與人之間保持合理距離。Steering模式計(jì)算機(jī)理考慮真實(shí)因素、個(gè)體行動(dòng)自由、發(fā)生身體接觸時(shí)可自動(dòng)避讓，人群流動(dòng)不受門(mén)的限制，能真實(shí)反映復(fù)雜通道內(nèi)人流速度和疏散時(shí)間，研究結(jié)果更貼近大客車緊急情況下人員疏散。

2 結(jié)果分析

2.1 大客車下車試驗(yàn)

在盾構(gòu)隧道內(nèi)對(duì)2輛大客車分別開(kāi)展3次人員下車疏散試驗(yàn)，工況分別為A1-Ⅰ、A2-Ⅰ、A3-Ⅰ、A1-Ⅱ、A2-Ⅱ和A3-Ⅱ。

通過(guò)分析6次試驗(yàn)結(jié)果，得到大客車下車時(shí)間與人員性別關(guān)系，如圖3所示。

圖3 大客車下車時(shí)間與人員性別關(guān)系

大客車人員下車時(shí)間為啟動(dòng)命令到最后1位人員下車時(shí)間差。由圖3可知，不考慮人員疏散反應(yīng)時(shí)間情況下，試驗(yàn)中人員下車時(shí)間介于54～68 s，大客車人員平均下車時(shí)間為60.68 s，每位人員平均下車時(shí)間為1.22 s；通過(guò)對(duì)比2輛大客車3次人員下車時(shí)間可知，第2次試驗(yàn)比第1次試驗(yàn)用時(shí)明顯減少，主要因?yàn)樵囼?yàn)人員通過(guò)第1次試驗(yàn)掌握一定經(jīng)驗(yàn)；多次試驗(yàn)使部分試驗(yàn)人員出現(xiàn)體力不支現(xiàn)象，Ⅰ、Ⅱ號(hào)大客車第3次大客車疏散試驗(yàn)中，分別有2位試驗(yàn)人員未參加，開(kāi)展第3次大客車人員下車試驗(yàn)時(shí)，Ⅱ號(hào)大客車人員數(shù)量減少但疏散總時(shí)間增加，主要原因是試驗(yàn)參與人員對(duì)試驗(yàn)產(chǎn)生疲勞，沒(méi)有初始試驗(yàn)時(shí)緊張心理。

大客車人員下車時(shí)間可由經(jīng)驗(yàn)公式得到[21]，全部人員由車前門(mén)完成疏散時(shí)間如式(1)所示：

(1)

式中：P為車內(nèi)待疏散人數(shù)，人；n為車門(mén)數(shù)，個(gè)；r為單位車門(mén)寬度單位時(shí)間通過(guò)人數(shù)，人/(m· s)；w為車門(mén)寬度，m?？紤]最壞情況下，單位車門(mén)寬度單位時(shí)間通過(guò)人數(shù)r為1.2人/(m·s)。大客車人員下車時(shí)間見(jiàn)表5。

表5 大客車人員下車時(shí)間

對(duì)大客車下車疏散試驗(yàn)工況進(jìn)行數(shù)值模擬，大客車下車試驗(yàn)、經(jīng)驗(yàn)公式、數(shù)值模擬時(shí)間對(duì)比如圖4所示。

圖4 大客車下車試驗(yàn)、經(jīng)驗(yàn)公式、數(shù)值模擬時(shí)間對(duì)比

由圖4可知，模擬工況中大客車下車時(shí)間介于64～74 s之間，大客車平均下車時(shí)間為68.95 s，每位人員平均下車時(shí)間為1.39 s；通過(guò)對(duì)比大客車下車試驗(yàn)、經(jīng)驗(yàn)公式、數(shù)值模擬時(shí)間可知，數(shù)值模擬與經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算結(jié)果較吻合；數(shù)值模擬比試驗(yàn)結(jié)果增加8.27 s，每位人員平均下車時(shí)間增加0.17 s，均略高于試驗(yàn)結(jié)果，但均在誤差允許范圍內(nèi)，表明數(shù)值模擬結(jié)果準(zhǔn)確性較好。

2.2 不同人員構(gòu)成比例數(shù)值模擬

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

圖5 不同人員類型疏散行走時(shí)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(shí)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(shí)間分別為76，67.8，76.5，109.8 s，每位人員平均下車時(shí)間分別為1.69，1.51，1.70，2.44 s；老人下車時(shí)間最長(zhǎng)，成年女士下車時(shí)間最短，成年男士和兒童下車時(shí)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(guò)程在車內(nèi)走道更容易發(fā)生擁擠，當(dāng)擁擠情況得到緩和時(shí)，受疏散速度影響，老人在走道內(nèi)移動(dòng)緩慢，疏散效率降低；成年男士和老人肩寬設(shè)定相同，但疏散速度較快，發(fā)生擁擠持續(xù)時(shí)間比老人短，當(dāng)擁擠情況緩和后能較快進(jìn)行疏散；兒童疏散速度小，而疏散時(shí)間與成年男士基本相等，主要因?yàn)閮和鐚捿^小，不容易發(fā)生較長(zhǎng)時(shí)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(nèi)疏散效率、車門(mén)人流量基本一致。這是由于疏散開(kāi)始時(shí)，車內(nèi)靠近車門(mén)處人員先行通過(guò)車門(mén)離開(kāi)大客車，其他人員依次進(jìn)行疏散，由于人員距離車門(mén)較近，不會(huì)發(fā)生擁擠，疏散速度及肩寬影響作用可忽略不計(jì)。

由圖6可知，不同類型人員疏散過(guò)程中車門(mén)人流量均介于0.2～0.8 人/s，老人疏散過(guò)程中車門(mén)人流量相對(duì)最低；兒童和老人疏散過(guò)程中車門(mén)人流量曲線波動(dòng)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(guò)程比較規(guī)律；成年男士和成年女士車門(mén)人流量在40～80 s內(nèi)產(chǎn)生較大波動(dòng)，成年男士最大車門(mén)人流量達(dá)0.8人/s，主要原因是該時(shí)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(mén)人流量達(dá)0.4人/s，主要原因是部分人員受過(guò)道前方擁擠影響被迫移至客車尾部，需繼續(xù)前往車門(mén)處，降低該時(shí)間段車門(mén)利用率。

圖6 不同人員類型車門(mén)人流量

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

由圖7可知，在疏散過(guò)程中不同類型人員總阻塞時(shí)間關(guān)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(shí)間分別為29.80，25.45，25.80，42.62 s；不同類型人員總阻塞時(shí)間均與人員所處位置有關(guān)，越靠近車尾人員總阻塞時(shí)間越長(zhǎng)。

圖7 不同人員類型總阻塞時(shí)間

老人疏散過(guò)程比較緩慢，一定程度會(huì)降低疏散效率，所以老人比例將對(duì)疏散過(guò)程產(chǎn)生一定影響。

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

圖8 不同老人比例大客車下車時(shí)間

圖9 不同老人比例疏散行走時(shí)間

成年女士疏散比其他類型人員快，成年女士比例對(duì)疏散過(guò)程有一定影響。不同成年女士比例下，大客車人員下車時(shí)間及疏散行走時(shí)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(shí)間

圖11 不同成年女士比例疏散行走時(shí)間

由圖10～11可知，在無(wú)老人的情況下，成年女士比例對(duì)大客車下車時(shí)間影響較小，人員下車時(shí)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(duì)大客車人員疏散過(guò)程有一定影響。不同滿載系數(shù)下大客車人員下車時(shí)間如圖12所示。由圖12可知，人員下車時(shí)間隨滿載系數(shù)增加而增加，并趨于正比例函數(shù)關(guān)系。

圖12 不同滿載系數(shù)下大客車人員下車時(shí)間

3 結(jié)論

1)不考慮人員疏散反應(yīng)時(shí)間情況下，試驗(yàn)大客車人員下車時(shí)間介于54～68 s，大客車平均下車時(shí)間為60.68 s，每位人員平均下車時(shí)間為1.22 s；數(shù)值模擬與經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算結(jié)果較吻合，2者均僅略高于試驗(yàn)結(jié)果，在誤差允許范圍內(nèi)，表明數(shù)值模擬結(jié)果準(zhǔn)確性較好。

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

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

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