综合管廊兼顾疏散能力分析及辐射范围研究*

左伟芹，蒋雯吉，刘彦伟，江 啸，郭佳奇，高保彬

(1.河南理工大学 安全科学与工程学院，河南 焦作 454000；2.江苏方洋物流有限公司，江苏 连云港 222000)

0 引言

近年国内化工园区事故时有发生，给企业经济发展与公共安全带来严重影响。化工园区安全疏散一直都是焦点问题，若化工园区设综合管廊作为地下疏散通道，使地面与地下疏散同时进行，可有效缓解地面疏散压力,减少事故损失。如能够合理利用综合管廊的自身工程特点，则可为园区灾时提供应急避难场所与安全疏散通道。

在人员疏散方面，王起全等[1]利用Pathfinder软件模拟北京西直门地铁站高峰期最短逃生路径，并结合模拟流量图提出优化方案；席健等[2]利用Pathfinder软件分别求解正常条件、火灾烟气条件下疏散以及火灾烟气条件下避险3种疏散情况，研究火灾烟气对整体疏散时间影响；文献[3-5]考虑化工园区毒气扩散条件下路径规划，并结合疏散路径优化影响因子，构建应急疏散优化数学模型；赵一丁[6]通过人员疏散模拟，研究烟气影响条件下建筑内部人员疏散情况，分析疏散拥堵原因；Charles等[7]分析Pathfinder软件适用的疏散情况种类；王志刚[8]开发火灾人员疏散计算机模型FEgress，用于计算火灾发生至人员疏散结束所需时间；成琳娜[9]基于Pathfinder软件，对比不同人员结构对疏散时间影响，并提出综合因子的概念；吴桂庆[10]基于Pathfinder软件模拟，提出安全疏散应急优化方案。

目前，针对综合管廊兼顾疏散方面研究较少。因此，本文提出兼顾应急疏散功能综合管廊，并利用Pathfinder软件进行疏散模拟，得到不同断面、不同宽度管廊疏散通道及各疏散口通过能力，分析人员单车与步行方式下疏散速度；以疏散入口为圆心，规定疏散时间内最大疏散距离为半径，绘制管廊覆盖范围包络圆；以事故发生地点为圆心，波及范围为半径，绘制事故波及范围，两者交集即综合管廊疏散辐射范围。研究结果可为化工园区安全疏散方案的制定提供新思路。

1 综合管廊疏散能力模拟

1.1 模型建立

采用Sketch Up建模软件构建综合管廊应急疏散模型，并导入Pathfinder疏散仿真软件，完成疏散工况、疏散人数等相关设置，模拟得到疏散时间、流量及通过率等数据[11-13]。Pathfinder软件中疏散模型三维视图如图1所示。

图1 Pathfinder软件中疏散模型三维视图

1.2 应急疏散仿真参数设置

根据工况及标准设定人员特征参数，因管廊内部路线单一，模拟结论仅提取人员进入管廊最大流量与管廊内部最大流量，总人数设定参照管廊最大容量并取整，总人数设置100人，男性50人，女性50人。

1)行走速度设定

疏散模拟中，疏散路径主要包括舱内水平路径和垂直路径。结合相关调研结果与模拟工况特点，设定不同疏散路径不同人员类别行走速度，见表1。

表1 人员行走速度

2)人员体征数据设定

根据《中国成年人人体尺寸》(GB/T 10000—1988)及调研结果，设定人员肩宽及胸厚分布区间，见表2。

表2 人员肩宽及胸厚分布区间

1.3 流量及通过率模拟结果

结合现场管廊实际断面宽度和管段长度，综合管廊疏散通道宽度分别设为1.2，1.6，2.0 m 3种类型，管段长度统一设置为50 m，分别在通道入口与出口处安装流量监控器，计算流量与通过率。管廊通道流量模拟如图2所示，人员进入管廊时，入口楼梯、楼梯与管廊转接处通过率模拟如图3所示。

图2 管廊通道流量模拟

图3 入口楼梯、楼梯与管廊转接处通过率模拟

管廊通道流量对比如图4所示。由图4可知，当管廊通道宽度为1.2 m时，所有人员通过管廊用时107 s，单向通过率最大值1.62人/s；当管廊通道宽度为1.6 m时，所有人员通过管廊用时86 s，单向通过率最大值2.45人/s；当管廊通道宽度为2.0 m时，所有人员通过管廊用时79 s，单向通过率最大值2.9人/s。

图4 管廊通道流量对比

疏散过程中，各应急疏散口最易发生拥堵，通过在入口楼梯处、楼梯与管廊转接处安装流量监测器，分析综合管廊宽度对通过率影响。综合管廊宽度2.0，1.6，1.2 m下，入口楼梯、楼梯与管廊转接处通过率如图5～7所示。由图5～7可知，管廊疏散通道宽度2.0，1.6，1.2 m对应入口楼梯最大通过率分别为1.82，1.74，1.71人/s；楼梯与管廊转接处最大通过率分别为1.9，1.71，1.68人/s。

图5 入口楼梯、楼梯与管廊转接处通过率(1.2 m)

图6 入口楼梯、楼梯与管廊转接处通过率(1.6 m)

图7 入口楼梯、楼梯与管廊转接处通过率(2.0 m)

当管廊通道宽度为2.0 m时，入口楼梯最大通过率小于楼梯与管廊转接处通过率；当管廊通道宽度为1.6，1.2 m时，入口楼梯通过率均大于楼梯与管廊转接处通过率，并且管廊通道宽度1.6 m与1.2 m通过率差值较小，原因是当楼梯存在拐角，管廊通道宽度越小，进入管廊越困难，拐角处越容易发生堵塞，影响后面疏散人员，使入口楼梯通过率大于拐角处，通过率差值较小。

模拟结果为综合管廊兼顾疏散能力最大化提供理论依据，可通过不同管廊通道宽度，提前设定流量上限。由于管廊内部流量难以控制，通过控制进入管廊人员流量，使其不超过最大通过率，即当管廊疏散通道宽度为2.0，1.6，1.2 m时，对应通过率不能超过2.9，2.45，1.62人/s，入口楼梯通过率不得超过1.82，1.74，1.71人/s；当超过通过率最大值时，通过人工疏导或引流等方式进行预防。Hughes[14]指出人群密度超过4人/m2时，极易发生危险事故；廖灿[15]研究密集行人流拥挤踩踏事故机理发现，安全预警值即通过率与管廊通道宽度比值应小于等于3。3种管廊通道均小于预警值，因此，本文拟将通过率最大值作为人流量上限。实际应用中一般通过计算人群密度设定安全预警值。

2 综合管廊疏散辐射范围界定

每隔1.6 km设置1个入口，当事故发生时，人员可通过步行、单车等形式抵达综合管廊进行疏散。为计算综合管廊疏散辐射范围，为计算综合管廊疏散辐射范围，研究各类化工事故灾害波及范围，并析人员在单车和步行条件下疏散速度，并以各疏散入口为圆心，以规定疏散时间内最大疏散距离为半径，绘制综合管廊覆盖范围；以事故发生地点为圆心，波及范围为半径，绘制事故波及范围，两者交集即综合管廊疏散辐射范围。一方面可使综合管廊兼顾疏散功能最大化，另一方面可使距离管廊入口较远人员选择地面或者其他方式进行疏散。

2.1 化工园区事故波及范围计算

管廊周边往往分布石化园区、精品钢园区、节能环保科技园等，根据企业涉及主要危险品种类，将事故灾害分为火灾、爆炸、泄漏3类。

1)火灾波及范围

化工园区易燃液体输送管道破裂，导致液体泄漏引发池火灾，采用池火灾辐射热危险性分析(经验公式)进行计算，池火灾总热辐射通量Q如式(1)所示[16]：

(1)

式中：Q为池火灾辐射总热量，kW/m2；η为效率因子，η= 0.3；Hc为液体燃烧热，kJ/kg；m′为燃料燃烧速率，kg/(m2·s)；D为液池直径，m。

由于液池半径远小于液池燃烧热辐射伤害半径，将液池燃烧产生的圆柱形火焰视为一个点，通过点模型计算目标热辐射通量。目标物体热辐射通量公式如式(2)所示：

(2)

式中：q为目标物体受到的火焰热辐射强度，kW/m2；R为池火灾燃烧伤害-破坏半径，m。

根据热辐射伤害-破坏准则，计算池火灾燃烧伤害-破坏半径，如式(3)所示：

(3)

2)爆炸波及范围计算

化工园区因高压罐体泄漏导致燃爆事故，爆炸波及范围采用蒸汽云爆炸TNT模型和BLEVE爆炸事故数学模型计算。

①蒸气云爆炸TNT模型

TNT模型设想把气云爆炸破坏作用转化成TNT爆炸破坏作用[17]。TNT当量法关键模型如式(4)～(6)所示：

(4)

(5)

pi=3.9/z1.85+0.5/z

(6)

式中：WTNT为炸药质量，kg；ηe为蒸气云当量系数(统计平均值为0.04，占统计60%)；ΔHf为可燃气体燃烧热，J/kg；Wf为蒸气云中可燃气体质量，kg；QTNT为TNT爆炸热，J/kg(4 230～4 836 kJ/kg，一般取平均4 500 kJ/kg)；z为R处爆炸特征长度；pi为R处爆炸超压峰值。

结合式(4)～(6)，利用伤害-破坏准则估算伤害-破坏半径。

其中死亡半径R1如式(7)所示:

(7)

重伤半径R2由式(8)与式(9)联立求解：

ΔPs=0.137Z-3+0.119Z-2+0.269Z-1-0.019

(8)

(9)

ΔPs=44 000/P0

(10)

轻伤半径R3由式(12)～(13)联立求解：

ΔPs=0.137Z-3+0.119Z-2+0.269Z-1-0.019

(11)

(12)

ΔPs=17 000/P0

(13)

式中：E为蒸汽云爆炸能量，E=1.8ηeWfQf，J；P0为大气压力，Pa，一般P0取值10 100 Pa；Qf为燃烧热，kJ/kg；Z为中间因子。

②BLEVE爆炸事故数学模型简介

沸腾液体扩展蒸气爆炸BLEVE指液体急剧沸腾产生大量蒸汽过热引发爆炸式沸腾现象[18-19]，其火球特征可根据蒸气爆炸模型估算。火球半径计算公式如式(14)所示:

(14)

式中：R4为火球半径，m；W为火球中消耗可燃物质量，kg。

对单罐储存，W取罐容量50%;双罐储存，W取罐容量70%;多罐储存，W取罐容量的90%。

3)泄漏波及范围计算

泄漏事故发生后需采取疏散措施，泄漏事故波及范围数据源于ERG2016。

4)火灾与爆炸疏散半径

根据式(1)～(14)得到部分企业火灾爆炸疏散半径，见表3。

表3 部分企业火灾爆炸疏散半径

2.2 综合管廊应急疏散功能辐射范围

考虑步行、单车2种方式进行疏散。正常步行速度75 m/min，跑步速度150 m/min，紧急疏散速度介于正常步行与跑步速度之间，设定紧急疏散步行速度100 m/min，单车疏散速度500 m/min。参考《建筑设计防火规范》(GB 50016—2014)，多层及高层楼宇疏散时间为5～7 min，以7 min作为疏散时间，由疏散时间与通行速度计算管廊疏散半径，得到管廊疏散范围见表4。

表4 管廊疏散范围

2.3 辐射范围界定

采用包络圆法对各类灾害影响下综合管廊疏散范围进行界定，如图8所示。以综合管廊单车疏散与2号企业乙烯BLEVE爆炸为例，分别以A7疏散入口、2号企业为圆心绘制包络圆，交集处企业及人员通过综合管廊进行疏散。管廊受长度、宽度及人员进入意愿等影响，现阶段只能作为辅助疏散路径，辐射范围内人员就近选择管廊入口，入口应位于事故影响范围内；当离开管廊时，可选择事故波及范围外的A5或A6出口，离开紧急疏散时，根据事故波及范围进行统一指挥调度。

图8 包络线示意

3 结论

1)当存在二次爆炸风险、危险物质泄漏或地面疏散能力有限等特定情况时，综合管廊可作为1种辅助疏散途径。

2)综合管廊疏散通道宽度为2.0，1.6，1.2 m时，管廊通道通过率不能超过2.9，2.45，1.62人/s，入口楼梯通过率不能超过1.82，1.74，1.71人/s；在管廊内部与入口楼梯处安装流量监控器，监控单位时间内人流量，预防拥堵和踩踏事故发生；当超过流量上限时可通过人工疏导或引流等人为方式控制。

3)通过查表计算火灾、爆炸、泄漏3类灾害事故波及范围及疏散范围半径，分析2种交通疏散方式下综合管廊覆盖范围，为类似事故预防与应急方案制定提供理论依据。