复杂地铁车站多工况洪水入侵规律与人员疏散路径分析

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摘 要：

【目的】在城市地下空间综合化高速开发的同时，极端降雨所引发的城市内涝灾害频繁发生，洪水倒灌入侵地铁车站事故导致了严重的人员伤亡和财产损失。洪水经由车站流入隧道对运营中的车辆设备及乘客人员造成重大威胁，为预防和应对多种工况下洪水侵入地铁系统灾害，通过数值分析方法，模拟不同工况洪水入侵和淹没复杂地铁车站的全过程，并预测计算流入隧道的洪水量。【方法】以南宁市地铁换乘车站明秀路站为原型，构建三维数值仿真模型。研究防淹门不同启闭条件下，百年一遇入侵洪水高度、50 cm和30 cm入侵洪水高度水位洪水入侵复杂地铁车站的全过程。基于Volume of Fluid (VOF)模型方法，模拟分析了不同工况下洪水在地铁车站内的淹没区域范围与积聚深度，探讨洪水激增规律以及危险区域分布情况。针对百年一遇洪水入侵工况，分析了物业开发层的水深分布规律，并通过计算得到该区域的人员疏散路径。【结果】结果显示：在洪水入侵灾害中，明秀路站被淹没速度和淹没高度随入侵洪水高度的提升而加快和增加；关闭防淹门可以防止大量洪水流入隧道，但是将会严重加剧站内积水；与地铁车站相连的物业开发层可能导致洪水更快更多地入侵淹没明秀路站，分布密集且狭小的通道口处积水较深。【结论】结果表明：数值模拟的方法可以较为容易地计算得到洪水入侵灾害中地铁车站的淹没过程和范围，通过改变出入口条件可以得到例如防淹门启闭措施对不同入侵洪水高度洪水入侵的影响，可为灾前预防隐患和灾时应急措施提供参考。

关键词：

地铁车站;洪涝灾害防御措施;VOF模型;洪水淹没;人员疏散;数值模拟;降雨;城市内涝;

作者简介：

周天忠(1967—),男，高级工程师，学士，主要从事城市轨道交通安全质量管理与科研工作;

*林杭(1980—),男，博士，教授，博士生导师，从事岩土工程方面的科研与教学。

基金：

湖南省人防科研项目(HNRFKJ-2021-07);

国家自然科学基金项目(42277175);

引用：

周天忠, 钟有信, 林治宇, 等. 复杂地铁车站多工况洪水入侵规律与人员疏散路径分析 [ J]. 水利水电技术(中英文) , 2023, 54 (7) : 27⁃ 35.

ZHOU Tianzhong, ZHONG Youxin, LIN Zhiyu, et al. Analysis of flood intrusion law and personnel evacuation route of complex metro station under multi⁃conditions[ J]. Water Resources and Hydropower Engineering, 2023, 54(7) : 27⁃ 35.

地铁车站作为城市地下轨道交通系统中不可或缺的一部分，正处于大规模的建设浪潮中。在2022年上半年内全国共新增地铁319.29 km, 同时有208座地铁车站新增投入运营。另一方面，城市用地不断拓展，削弱了城市的防洪防涝能力,我国每年有超过100座城市发生严重的洪涝灾害。同时，由于地铁车站常建造于城市地下，类似一座“蓄水池”,一旦洪水涌入将排出缓慢，易造成严重后果。全国范围内曾多次发生水侵地铁车站的重大事故和财产损失。例如，2021年，郑州市极端暴雨导致严重城市内涝，洪水冲毁挡水墙灌入地铁隧道，造成重大人员伤亡；2022年，杭州市金沙湖公园下沉广场发生管涌，导致杭州地铁1号线金沙湖站站台被淹，湖水流入隧道导致多个地铁车站停运。此外，为了土地的集约化利用、优化城市功能布局和提升城市区域品质,近年以来城市地下空间系统呈现复杂化发展趋势，与物业开发区域相连通的地铁车站越来越常见。该结构具有更加复杂多样的结构和通道，将会形成更多复杂的洪水入侵路径，增加地铁车站的洪水内涝脆弱性。由于以往事故案例中出入口挡水设施难以完全防御极端暴雨所导致的较大水头洪水入侵，因此，研究地铁系统在挡水设施失效情况下的洪水入侵过程，有利于提高城市地下空间的综合防灾减灾能力。

目前一般采用室内试验和数值模拟方法对地铁车站洪涝灾害开展研究。室内试验方面，ISHIGAKI等以日本京都市中心城区为原型，试验分析了城市地面洪水从多个入口入侵地下空间网络的洪水漫延过程和洪水水流特征。ISHIGAKI等针对洪灾疏散中的典型状况，试验分析洪灾时人员沿阶梯上行以及推开门的临界条件。申若竹以天津市一在建车站为原型构建洪水入侵试验模型，试验分析了多种工况下地铁车站特征点水深与时间的关系曲线。多位学者试验分析了地下空间内涝灾害中人员撤离的影响因素。数值模拟方面，TODA等提出基于求解浅水波方程的“蓄水池”模型来模拟地下空间洪水漫延。莫伟丽基于标准k-ε模型和VOF模型，以杭州市一拟建地铁站为原型进行模拟，分析洪水入侵不同阶段中地铁车站的安全区域。徐苏容等基于二维-非恒定流理论，构建了城市洪水模拟模型，基于郑州市地铁5号环线的建筑工程分布特征并综合考虑地表与地下雨洪汇流特点，计算了地铁5号线沿途洪水风险点对应于不同洪水频率的淹没水深。另外，多位学者针对性地模拟分析了洪水在阶梯上的流动规律。上述研究扩展了对地下空间洪水入侵过程的理解与认识，但主要集中于洪水入侵地下空间系统的理论模型与洪水空间分布情况，而对于洪水入侵复杂地铁车站灾害中入侵洪水高度、危险区域分布规律和人员疏散路径的关联性讨论的还较少。因此，本文以典型复杂地铁车站南宁市轨道交通明秀路站为工程背景，模拟计算不同工况下，洪水入侵流动规律和危险区域分布情况，进而探讨了人员疏散路径，并综合防淹门开启工况隧道的洪水流入量，为地铁车站防洪减灾提供参考。

1.1 地铁车站概况

以南宁轨道交通明秀路站为工程背景，该车站为南宁轨道交通2号线与5号线换乘车站。南宁市整体属盆地地形，年均降雨量大，且水资源丰富，易发生强降雨灾害并引发城市内涝，根据现场调查报告得知该车站地表路面易发生积水。百年一遇洪淹计算水位76.95 m, 高于研究地铁车站地面高程75.84 m, 具有较大的洪淹风险，该地铁车站出入口处设置有3阶台阶共0.45 m(见图1),所以在百年一遇洪淹条件下，入侵洪水高度为0.66 m。车站主体结构由2号线二层地下岛式站台车站与5号线三层地下岛式站台车站组成，呈“L”型换乘，共设有9个出入口和5个应急安全通道(见图2),每个出入口设有三级阶梯平台和挡水板插槽。地铁车站5号线部分包括下沉广场及大面积地下物业开发层，易发生洪水侵入事故的通道众多，建筑结构和水侵路径复杂。

图1 车站站口照片

图2 车站平面

1.2 模型构建

本文研究内容聚焦于地铁车站内洪水流动过程，重点在于对水流自由液面的捕获，常用VOF(Volume of Fluid)方法。该方法通过求解一套动量方程和连续方程模拟两种或多种流体的运动，追踪每种流体所占的体积，以此来确定自由液面，已广泛用于明渠、水坝、阀、泵等领域的研究。针对本研究中的气液二相流模型，VOF模型的核心思想为：在每个单元中，水和空气的体积分数α之和为1,即

式中，αw为水的体积分数；αa为空气的体积分数。若αw=1,表明该单元充满水；若αw=0,则该单元充满空气；若0<αw<1,则该单元必然包含水和空气的自由液面。

本文将体积分数αw=0.5的等值面视为水流的自由界面。

本文研究对象为大型地铁换乘车站中的流场分布，洪水流动中的湍流细节不是研究的重点，于是使用耗资较少，周期较短的RANS (Reynolds-averaged Navier-Stokes) 方程方法求解。并且考虑立柱等复杂结构的影响，流场中水流流态复杂、流线弯曲程度大，故湍流方程采用RNG (renormalization group) k-ε模型。

通过数值计算方法建立地铁车站运营区域空间，即乘客可能到达区域的三维几何模型(见图3)和网格划分(见图4),入口上部边界设定为气相压力边界，以保证模型空气内外部交界面上的气压始终为标准大气压。入口下部边界以入侵洪水高度为边界高度，设为液相速度边界，入口速度设定依据ISHIGAKI等通过实际尺寸阶梯模型的洪水入侵试验给出的单宽入侵流量与入侵洪水高度关系式转换得到

式中，v为入口流速(m/s);q为单宽入侵流量(m2/s);h为入侵洪水高度(m)。

图3 几何模型

图4 车站网格划分

模拟防淹门开启工况时，隧道两端设定为压力出口边界；模拟防淹门关闭工况时，隧道两端设定为墙边界。

1.3 工况设置

当地面积水较浅时，出入口处挡水板能够进行防御，且入侵车站的事故危害较小，因此，本文分别模拟66 cm(百年一遇)、50 cm和30 cm不同入侵洪水高度入侵研究地铁车站的情况。根据不同的入侵洪水高度条件和防淹门启闭状态，设置共5个数值模拟工况，如表1所列。

2.1 不同工况水侵过程

洪水入侵车站时，由于入侵洪水量受地面入侵洪水高度控制，因此，在车站内部漫流和积聚的速度随着入侵洪水高度的升高而加快。在开启防淹门的工况中，洪水经过地铁车站空间从两侧的隧道中流出，当洪水的入侵流量与流出流量相等时，洪水在车站内部的淹没区域和积水深度将保持平衡。分别模拟并监测了66 cm(百年一遇)和50 cm两种高入侵洪水高度工况洪水入侵过程(见图5),可见，66 cm入侵洪水高度工况中，洪水入侵的前期漫流速度较快[见图5(a)—(d)]。当入侵过程稳定后两个工况中洪水滞留情况主要出现在5号线车站物业层以及站口服务用房方向的站厅层区域，并且66 cm入侵洪水高度工况的总体积水程度更加严重[见图5(e)(f)]。

图5 防淹门开启状态下入侵洪水高度66 cm和50 cm工况地铁车站洪水浸没区域

相比于开启防淹门，在关闭防淹门工况中，洪水入侵的前期过程区别较小，但随着洪水在隧道中不断积累，地铁车站上层的洪水逐渐难以向下层流动，导致车站其他区域也发生了严重的积累(见图6),对车站人员疏散和设备撤离产生重大威胁。本文分别模拟和监测了66 cm(百年一遇)、50 cm和30 cm三种入侵洪水高度情况下，防淹门开启状态洪水入侵过程中2号线站台层、2号线站厅层、5号线站台层、5号线站厅层、5号线物业层重要上下行通道等位置的水位变化情况(见图7),绘制各工况各区域的水位平均变化值(见图8)。图8标明各层监测点平均积水水深增长速度超过10 cm/min的拐点，相对应的时间点认为是地铁车站各层快速积水的临界时间点。并通过监测洪水在各层间的流量，可以看出由上层流入下层的洪水体积率均经历了增加、稳定和减少阶段(见图9),其中的减少阶段意味着洪水更多地被滞留于上层区域，引起上层区域水位激增；同时，越高的入侵洪水高度，地铁车站各层发生洪水水位激增的时间就越提前，相对应的人员疏散就越危险。另外，在三种工况模拟中洪水水位激增的顺序均为5号线站台层→2号线站台层→5号线站厅层→2号线站厅层→5号线物业层(见表2),人员和设备撤离时可依据此顺序。

图6 防淹门关闭工况中第12.5 min时刻洪水淹没范围

图7 地铁车站各层水位监测点位置示意

图8 防淹门关闭状态车站各层洪水平均积水水深变化

图9 66 cm工况地铁车站上层空间流入下层空间洪水体积流量变化

2.2 隐患分析

根据《地铁设计规范》(GB 50157—2013)规定，车站的设计应保证从站台上的最远点到安全地点的疏散在6 min 或更短时间内完成。假设人员响应时间为 30 s, 全部人员则应在 330 s 内疏散至车站地面出口。将各工况中在洪水入侵330 s内监测点平均积水高度超过50 cm的区域视为人员疏散的危险区域，汇总于表3。

不同于一般的地铁车站，地铁与物业开发相结合的复杂车站中的物业层往往有较多的出入口通道，因此，物业开发区域的暴雨内涝脆弱性较高。本文所研究的地铁车站5号线地下一层预留大面积的物业开发区，是发生洪水入侵后最主要的洪水滞留部分。以防淹门开启状态下百年一遇入侵洪水高度洪水入侵车站工况为例，在物业层中每隔20～30 m设置一个水深监测点，共9个监测点(见图10),监测并绘制积水水深与时间关系图(见图11)。洪水入侵的1.0～3.5 min内，物业层总体积水速度快，2—9号监测点水深超过50 cm, 平均增长速度达到18 cm/min。洪水入侵约6 min后，监测点积水水深将趋于稳定。其中，1—7号监测点最终稳定水深约为60～70 cm, 8号、9号监测点最终稳定水深高于95 cm, 行人已难以行进，需要就地等待救援。由于8号、9号监测点附近，即图10中右侧区域有较多的出入口通道，沿着图10中x轴正方向，监测点水深深度总体呈逐渐升高趋势，发生积水的时间呈逐渐提前趋势。物业层人员撤离方向宜选择图10中x负方向，应当优先撤离位于图10橙色区域的人员。另外，洪水入侵3 min后，5号线站厅站台层人员不宜向物业层撤离。

图10 物业层监测点位置

图11 物业层各监测点积水深度变化

以防淹门关闭状态下百年一遇入侵洪水高度洪水入侵车站工况为例，分别监测由换乘通道流入流出5号线、2号线车站的洪水体积流量(见图12)。整体上，洪水入侵的前7 min内，由于2号线站厅层先出现积水，且处于高位，洪水先由2号线站厅层流经换乘通道进入5号线站厅层；之后，5号线站厅层水深上升迅速，并超过换乘通道积水深，洪水由5号线站厅层流入换乘通道，洪水入侵的第7～11 min内，换乘车站内洪水急剧滞留积聚；洪水入侵的第11 min后，换乘通道内的洪水流入水深增长相对较慢的2号线站厅层；洪水入侵的第15 min后，换乘车站和5号线站厅层几乎被洪水完全充满。2号线与5号线车站之间洪水交换多，换乘通道入口处水流较快，且换乘通道撤离路径较长，在《地铁设计规范》(GB 50157—2013)中同样指出地下换乘车站的换乘通道不应作为安全出口，所有人员撤离时不应选择通过换乘通道。

图12 换乘通道两侧流入流出洪水体积流量变化

从以上分析可知，开启防淹门有利于地铁车站入侵洪水的排出和车站人员疏散。但洪水进入隧道，可能在隧道内积聚，威胁到区间内人员和列车安全，甚至可能流入其他车站导致更加严重的灾害。并且由于30 cm以下的低入侵洪水高度的洪水入侵不会产生大范围的人员疏散危险区域(见表3),本文模拟监测了66 cm和50 cm高入侵洪水高度工况下洪水经由地铁车站流入2号线和5号线隧道的体积流量(见图13)。

图13 车站模型洪水流入流出体积流量关系

在百年一遇入侵洪水高度情况下，洪水入侵地铁车站的前10 min内共有4.372×105 m3洪水流入隧道，其中有1.360×105 m3洪水流入2号线隧道，3.012×105 m3洪水流入5号线隧道。10 min后车站洪水流出与流入体积流量趋于平衡，即64.769×103 m3/s体积流量，为控制洪水在隧道中的积聚，隧道抽排量应当高于该体积流量。在50 cm入侵洪水高度情况下，洪水入侵地铁车站的前10 min内共有2.656×105 m3洪水流入隧道，其中有1.295×105 m3洪水流入2号线隧道，1.361×105 m3洪水流入5号线隧道。10 min后车站洪水流出与流入体积流量趋于平衡，即41.29×103 m3/s体积流量，为控制洪水在隧道中的积聚，隧道抽排量应当高于该体积流量。因此，当地面积水较高且流入隧道的洪水可控时可开启防淹门，以减少洪水在地铁车站内的滞留。

本文采用RANS方法求解湍流模型，采用VOF模型追踪洪水与空气的交界自由面，即车站内洪水的自由水面。该方法相比于直接求解湍流模型方法，在能够计算分析洪水在车站内的流动分布规律的同时，计算更加快速且耗资更少，适用于地铁车站等大型洪淹模型求解。

本文模拟计算在洪水淹没和流动规律上具有一定准确性，与类似地铁车站模型洪水淹没试验和数值模拟案例研究结果规律相近。针对不同防淹门启闭状态各层洪水的水深增长规律，与申若竹在较高洪水入侵单宽条件下的洪水入侵车站室内试验的监测结果规律相近：在防淹门开启时各层水深将会先增加后逐渐平衡，防淹门关闭时各层水深则会在一段时间后快速增加。本文计算结果中，带拐角的出入口通道和车站内部通道的水流分布规律与莫伟丽模拟计算结果相近。

本文研究模型中对现实问题进行了一定程度的简化，并且主要聚焦于洪水入侵初期人员应急逃生的工程问题，未考虑隧道内强排设施对流入隧道的洪水流量的影响。今后可以依据该结果探究洪水入侵车站事故后，地铁车站的排水措施和方案。

(1)在不同入侵洪水高度入侵工况对比中，洪水在车站内部漫流和积聚的速度随着地面入侵洪水高度的升高而加快。当入侵水位较低时，车站内各区域空间的积水时间将会延后。

(2)在防淹门开启的两种工况中，洪水滞留情况主要出现在5号线车站物业层以及站口服务用房方向的站厅层区域；在防淹门关闭的三种工况中，洪水在隧道中不断积累，地铁车站上层的洪水逐渐难以向下层流动，导致其他区域也发生了严重的积累，并在各区域平均洪水水位监测中出现激增现象。洪水水位激增的顺序均为5号线站台层→2号线站台层→5号线站厅层→2号线站厅层→5号线物业层，人员和设备撤离时可依据此顺序。

(3)分别监测研究了66 cm和50 cm两种入侵洪水高度工况中，洪水经由地铁车站流入2号线和5号线隧道的洪水流量，为控制洪水在隧道中的积聚，隧道抽排量应高于体积流量，并可适时将防淹门关闭以减少车站洪水对地铁系统的危害。

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