公路隧道火災時安全疏散通道研究

張德成 ZHANG De-cheng；蒲勇PU Yong；沈航 SHEN Hang；蔣克軍 JIANG Ke-jun

（①昆明理工大學土木工程學院工程力學系，昆明 650500；②南充市政府投資非經營性項目代建中心，南充 637000）

（①Department of Engineering Mechanics,College of Civil Engineering,Kunming University of Science and Technology，Kunming 650500，China；②Nanchong Government-investment and Non-operational Projects Center，Nanchong 637000，China）

公路隧道火災時安全疏散通道研究

張德成①②ZHANG De-cheng；蒲勇②PU Yong；沈航②SHEN Hang；蔣克軍②JIANG Ke-jun

（①昆明理工大學土木工程學院工程力學系，昆明 650500；②南充市政府投資非經營性項目代建中心，南充 637000）

（①Department of Engineering Mechanics,College of Civil Engineering,Kunming University of Science and Technology，Kunming 650500，China；②Nanchong Government-investment and Non-operational Projects Center，Nanchong 637000，China）

為了保證災害發生時人員的安全疏散，隧道安全疏散通道的合理布局至關重要。首先收集了國內外49座公路隧道案例，統計分析了公路隧道常用的安全疏散方式以及它們的特點和適用范圍；針對公路隧道最常用的橫通道疏散方式，深入分析了橫通道間距分布區間、發展趨勢以及與隧道長度之間的關系。在案列統計分析的基礎上，以某水下公路隧道為例，進行了安全疏散通道設計并采用Building Exodus軟件驗證了其合理性。本文研究成果為公路隧道安全疏散通道的合理確定提供了參考依據和借鑒。

隧道；火災；安全疏散；橫通道；數值模擬

0 引言

近年來隨著國家加強對基礎設施建設的投入，我國交通建設事業取得了迅猛的發展，我國隧道工程建設與科研都取得了長足的進步。目前，我國已經成為世界上隧道工程數量最多、最復雜、發展最快的國家。統計數據表明[1]，截止2012年底，我國已建成運營的公路隧道達10022座，總里程接近8052.7公里。大量公路隧道的建設為經濟發展、人民生產生活帶來便利的同時，也對隧道安全工作提出了更高的要求，特別是隧道火災時人員疏散的安全性問題。由火災導致的公路隧道運營安全事故屢見不鮮，部分事故還造成了大量的人員傷亡[2]。安全疏散通道作為火災事故時人員的逃生通道，其合理布局設計至關重要，也需要展開進一步的深入研究[3～7]。本文首先收集國內外大量公路隧道疏散設計案例，總結分析了公路隧道目前常用的逃生疏散方式以及它們的優缺點；針對最常用的橫通道疏散方式，深入分析其間距分布區間、發展趨勢及與隧道長度之間的關系。在統計分析的基礎上，對某水下公路隧道疏散方式進行了設計，并通過疏散仿真手段模擬災害場景，計算逃生時間，分析驗證疏散方式的合理性。

1 公路隧道常用疏散逃生方式分析

為了獲得公路隧道常用的疏散逃生方式，統計分析國內外文獻，共獲得49例國內外公路隧道有效案例。統計分析結果表明，目前國內外公路隧道通常采用的逃生方式主要有以下幾種：①將雙管隧道間的橫通道作為逃生救援通道；②在隧道車道板下設置逃生通道；③將服務隧道作為逃生救援通道；④將隧道之間的管廊作為逃生救援通道。不同逃生方式示意具體見圖1。

以上常用的四種逃生方式各有其特點及適用條件。總體上，采用服務隧道的通行能力最佳，不過由于工程造價高，而且多應用于硬巖地區，應用限制較大；隧道聯絡橫通道的疏散能力較強，不過，開橫通道對原隧道結構的受力不利，施工中已發生事故，地質條件較差的情況下應慎重選擇；隨著隧道直徑增大與雙層隧道應用，原本受隧道直徑所制約的車道板下式通道的疏散能力也得到改善，而且其施工難度低、建造成本低，逐漸被大量應用在大直徑隧道設計中；對于沉管法及明挖隧道，可事先就在隧道兩孔間設置管廊，放置管線的同時用作逃生通道，疏散時可直接沿著管廊逃向地面，或通過橫通道經由管廊到達鄰近隧道。

在收集的49例國內外公路隧道案例中，只采用橫通道逃生方式的隧道占大多數，達到33條，僅僅采用車道板下逃生或僅僅采用服務隧道逃生的隧道分別有2條和5條，而將多種逃生方式相結合的隧道有9條。在采用組合逃生方式的隧道中，有3條隧道使用了橫通道+服務隧道的模式，有6條隧道使用了橫通道+車道板下逃生模式。可以看出，目前絕大部分的隧道所采用的疏散逃生方式均為橫通道方式，即在發生火災時，人員利用橫向聯絡通道進入另一主隧道的安全區。

2 橫通道設置間距統計分析

2.1 橫通道間距分布區間 針對只采用橫通道逃生方式的33條隧道展開深入分析可知，橫通道的間距不盡相同，最短的有90m，最長的有1600m。將橫通道間距L劃分為100m 以下，100m～200m，200m～300m，300m～400m，400m～500m和500m及以上幾個不同區段進行統計，得到統計結果見圖3。從圖3中可以看出，橫通道設置間距多在200米到500米之間，這部分隧道共有28條，占總體的84.8%。這與《公路隧道設計規范》[8]中規定的“人行通道的設置間距可取250m，并不大于500m”相一致。

2.2 隧道長度對橫通道間距影響 將只采用橫通道逃生方式的33條隧道按長度分為兩部分，其中長度小于6km隧道有16條，長度大于6km隧道有17條，它們各自的橫通道間距統計如圖4所示。可以看出，隨著隧道長度的增加，橫通道間距設置傾向于使用較短的距離。

2.3 橫通道間距發展趨勢 在33條只采用橫通道逃生方式的隧道中，橫通道間距大于500米的共有4條隧道，其中只有1條是在2000年之后修建的。同時，其他14條2000年之后修建的隧道中，橫通道間距平均為310米，而2000年前修建的隧道的橫通道間距平均為480米。這些都說明隨著經濟技術水平的提高，公路隧道橫通道間距逐步趨于合理性的減小，以更好地滿足逃生安全要求。分析原因，這是由于隨著時間的推移，隧道的內行車量變大，人員密度逐漸增大，因此為了保證人員的安全疏散，橫通道間距逐漸趨于減小。

3 某隧道逃生疏散通道設計

3.1 工程概況 某水下公路隧道設計時速為100km/h，穿越水域段長約10km，水域面寬約9.3km，水深約2m～3m。隧道擬采用明挖法進行施工。隧道全長11000m，其中暗埋段10060m。在隧道中部設計1座直徑為75m、面積4000m2的風亭用于通風。該隧道采用雙向六車道、雙孔一管廊設計。管廊寬4.5m，上部排煙，中部安裝設備、下部給排水消防管道。單孔寬16.75m，3條行車道，1條緊急停車帶。

3.2 橫通道間距設計 根據已有公路隧道常用的逃生通道方式以及它們的自身特點及適用范圍，結合明挖法隧道的特殊結構形式，確定橫通道逃生為該隧道最適用的逃生方式，橫通道寬度取1.8m[8]。兩孔車道間每隔一定距離設一個橫通道，當一孔隧道內發生火災事故時，人員可由橫通道進入安全逃生通道，至另一孔車道層迅速疏散至地面。

根據上一節的案例統計分析結果可知，國內外公路隧道的人行橫通道間距主要分布在250-500m之間，同時，我國《公路隧道設計規范》[9]將聯絡通道間距設置的推薦值取在250-500m之間，《道路隧道設計規范》[8]規定雙孔隧道設置的橫向人行通道的間距或隧道通向人行疏散通道的間距不宜大于250m。

考慮到本工程的施工方法為圍堰明挖法，在保證施工安全的前提下應適當縮小橫通道間距，提高人員逃生及疏散能力，因此建議本工程橫通道間距取為100m-250m。

3.3 橫通道間距合理性驗證 分析不同災害場景下隧道內發生突發事件后，隧道內人群緊急逃生行為，即從事故隧道經由橫通道到達鄰近隧道的過程。分析中利用Building Exodus軟件對疏散行為進行仿真，考慮人與人、人與火以及人與結構之間的交互作用，分析隧道在運營期發生火災時人員疏散的安全性。為了論證橫通道的合理間距，計算中分別取橫通道間距為100m、120m、150m、200m和250m。

3.3.1 疏散行為仿真原則 針對隧道內的安全疏散問題，根據研究對象的不同，目前，主要分兩種模式進行研究[10]：一是以隧道內交通的主體——車輛為研究對象，將車作為疏散分析過程中的最小單元，即一輛車為一單元，進行研究；二是以人為研究對象，把人看作是疏散過程中的最小單元進行研究。公路隧道運營中往往會采取兩種模式同時進行疏散，由于本部分重點是對人員安全疏散進行研究，因此，將采用第二種方法，即對公路隧道運營期的人員安全疏散問題進行分析。

火災工程學對人員疏散的要求是[11]：當火災發展到對人體構成危險時刻之前，將人員疏散至安全場所。

依據《道路隧道設計規范》[8]：火災工況時，隧道內乘行人員的安全疏散時間宜小于15min。當設有重點排煙系統和泡沫——水噴霧滅火聯用系統時，安全疏散時間可適當放寬至20min。

3.3.2 仿真場景 以最不利情況考慮，隧道火災發生在橫通道B處，如圖5所示，則橫通道B不可用于疏散逃生，應保證處于火災下游的車輛可以繼續安全行駛，直至人員安全離開隧道；處于火災上游的人員，由于受火災的影響，不能以車輛為單位實現快速的疏散，將不得不棄車從最近的橫通道逃生，因此，該部分人群為火災場景下最危險人群。

3.3.3 人員構成及行走速度 運營公路隧道內人員構成復雜，根據業主提供的車種預測結果，在2015年～2040年間，該通道車種比例變化幅度很小，這種微小變化對人員安全疏散的模擬仿真影響可以忽略。確定車型比例及乘客數量預測結果如表1所示，人員構成如表2所示。

表1 車型比例及乘客數量預測結果

表2 人員構成表

人員的行走速度分為6個等級，分別為快走、行走、跳躍、爬行、上樓、下樓。具體取用數值如下[10]：快速行走速度為1.2～1.5m/s；行走速度為快速行走速度的90%，為1.08～1.35m/s；跳躍速度為快速行走速度的80%，為0.96～1.2m/s；爬行速度為快去行走速度的20%，為0.24～0.3m/s。根據人員的性別年齡不同，其行走速度也不相同。

3.3.4 人員占用面積 目前對于人員的模型采用人員所占空間進行分析，軟件中[5]認為單個人員占用一個節點，即0.5m×0.5m。人員的身高根據不同的年齡、不同的性別在1.5～2.0m之間隨機產生。

3.3.5 連接通道口人流速度 人員疏散分析的計算中，平面疏散的人員流動系數一般可取為1.33人/s/m，則1.8m寬的疏散通道流量為1.33×1.8m=2.4人/s（相當于兩個成人、一個小孩）。

3.3.6 疏散人數及人員分布 疏散人數主要由隧道內的車間距及車類型來決定，根據相關要求[5]，計算中取車間距為1.5m，車類型按表1選取。所有人員采用隨機分布的形式分別布置在不同類型的車輛內。

3.3.7 幾何模型 根據隧道設計資料及前期分析，建立長度分別為 200m、240m、300m、400m和 500m，寬為16.5m的幾何模型。模型長度為2倍橫通道間距，目的是考慮火災發生處的最不利以及最擁擠逃生條件。模型內有3個橫通道，其中1個橫通道處因發生災害無法用于疏散，每個橫通道可同時通過3人。圖6為橫通道間距100m的疏散逃生模型，模型長度為200m，其中，深色部分表示座位，即有人區域，淺色部分為逃生可利用空間。

3.3.8 結果分析 圖7為橫通道間距100m疏散過程中的人群密度圖，由圖可以看出位于中間部位的橫通道聚集了更多的人群，疏散壓力較大，成為了逃生控制因素。圖8所示為橫通道間距100m疏散人流的路徑圖，由于大客車載有較多數量的乘客，由大客車到各個橫通道的疏散通道成為了人員疏散的主要路徑。其余間距橫通道的分析結果也表明，中間橫通道依然是最主要的逃生出口，而人群的逃生路徑更傾向于先靠向橫通道一側，然后再尋找最近出口。

表3為不同橫通道間距情況下逃生時間。《道路隧道設計規范》[8]中規定“火災工況時，隧道內乘行人員的安全疏散時間宜小于15min”，可見橫通道間距在250m時仍可滿足要求，但已經瀕臨臨界值。該隧道工程采用的是明挖法，縮小橫通道間距并不會對施工和隧道結構帶來較大風險，反而可以提高逃生時的安全性能，因此建議本工程橫通道間距取為100m-150m。

表3 不同橫通道間距下的逃生時間

4 結論

①目前水下公路隧道常用的疏散逃生方式主要有將雙管隧道間的橫通道作為逃生救援通道、在隧道車道板下設置逃生通道、將服務隧道作為逃生救援通道和將隧道之間的管廊作為逃生救援通道四種。其中，橫通道逃生方式最為常用。②隨著隧道長度的增加和修建時間的推移，公路隧道橫通道間距趨于減小。③結合具體案例展示了安全疏散通道設計整個過程，并采用Building Exodus軟件對逃生疏散通道設計的合理性進行了驗證，這為類似工程的逃生疏散通道設計提供了參考。④分析結果表明，火災時中間橫通道是最主要的逃生出口，而人群的逃生路徑傾向于先靠向橫通道一側，然后再尋找最近出口。⑤疏散逃生通道設計是一項復雜的工作，下一步需要綜合考慮疏散逃生的安全性和工程經濟性進行安全疏散通道的設計。

圖6 疏散逃生模型（橫通道間距100m）

圖7 人群密度圖（橫通道間距100m）

圖8 人流路徑圖（橫通道間距100m）

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[5]李削云，馬險峰，王軍淞.公路隧道火災逃生疏散研究[J].中國安全科學學報，2011,21（5）：66-71.

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[9]JTG D70-2004，公路隧道設計規范[S].北京:人民交通出版社,2004.

[10]姚聰璞.基于風險分析的上海長江隧道逃生通道設計研究[D].同濟大學，2008.

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Research on Safe Evacuation of Road Tunnel under Fire

It is important to choose reasonable safe evacuation channels to make sure personnel security.The common safe evacuation ways and their chrematistics and scope of application are attained by statistical analysis of 49 tunnels.For the cross channel,the commonly used evacuation method for road tunnel,the distribution range and development trend of its gap,and its relationship with tunnel length are analyzed.Based on the case analysis,the safe evacuation method for a subaqueous road tunnel is designed,and its rationality is proved by using the"Building Exodus".It provides reference for the design of safe evacuation methods of road tunnels.

tunnel；fire；safe evacuation；cross channel；numerical simulation

張德成（1983-），男，四川南充人，博士研究生，工程力學專業，研究方向為滑坡預報。

U45

A

1006-4311（2014）13-0089-04