媽灣跨海盾構(gòu)隧道人員疏散模式研究

曾艷華， 李 杰， 彭康夫， 韓 通， 張先富

(1. 西南交通大學(xué)交通隧道工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 四川 成都 610031；2. 中國中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司， 四川 成都 610031)

0 引言

水下盾構(gòu)隧道具有通往地面的通道少、空間狹小和疏散橫通道間距較大的特點(diǎn)[1]，造成緊急情況下的疏散和救援困難。國內(nèi)一些學(xué)者對水下隧道的人員安全疏散條件進(jìn)行了研究，如： 方正等[2]分析了常見的城市水底隧道的人員疏散方式以及相應(yīng)的疏散通道參數(shù)； 徐永等[3]基于改進(jìn)RSET計(jì)算法以及Monte Carlo隨機(jī)數(shù)值試驗(yàn)方法，對不同疏散方案失效概率進(jìn)行分析,得出橫通道方案優(yōu)于縱橫結(jié)合逃生方案的結(jié)果； 李削云等[4]采用經(jīng)驗(yàn)計(jì)算理論和Building EXODUS計(jì)算軟件，從被困人員的安全疏散時間、高溫?zé)煔獾挠绊憽⑺淼罊M通道的利用率以及人員的疏散行為特性出發(fā)，提出安全疏散時間應(yīng)控制在8 min之內(nèi)。公路隧道的人員疏散特點(diǎn)與水下公路隧道具有一定的相似性，在公路隧道的人員疏散方面一些學(xué)者也進(jìn)行了研究，如： 張玉春等[5]建立了公路隧道橫通道疏散實(shí)驗(yàn)平臺，研究了人員在緊急逃生和正常情況行走時不同寬度對人員疏散行為的影響； 陳長坤等[6]對長大公路隧道火災(zāi)安全疏散性能進(jìn)行了研究； 方銀鋼等[7]對上海長江隧道火災(zāi)疏散救援措施進(jìn)行了研究。上述研究主要集中于疏散通道參數(shù)設(shè)置以及特定疏散形式下的安全性分析，而對水下隧道的疏散模式研究較少，且人員逃生的最佳疏散通道參數(shù)以及需用疏散時間(RSET)在不同的疏散模式下也不一致，排煙參數(shù)的安全性也應(yīng)在最不利疏散模式下進(jìn)行驗(yàn)證。

本文基于水下盾構(gòu)隧道不同的疏散模式，結(jié)合人員在火災(zāi)情景下疏散的安全準(zhǔn)則[8]，開展不同疏散模式下疏散通道參數(shù)研究，并驗(yàn)證其安全性，以期為水下隧道人員逃生設(shè)施的設(shè)計(jì)提供參考。

1 人員疏散基礎(chǔ)參數(shù)

采用Pathfinder仿真疏散軟件對水下盾構(gòu)段不同疏散模式下疏散口間距進(jìn)行研究，主要涉及到的基礎(chǔ)參數(shù)有隧道內(nèi)車輛數(shù)量和分布以及疏散人員的組成[9]。

1.1 依托工程

媽灣跨海隧道是深圳市沿江高速月亮灣大道的組成部分，規(guī)劃為城市快速路，設(shè)計(jì)速度為80 km/h，雙向6車道。盾構(gòu)段標(biāo)準(zhǔn)橫斷面車行道寬為12.25 m，隧道全寬31.5 m。隧道組成為“兩端明挖暗埋+中部盾構(gòu)隧道”結(jié)構(gòu)形式，以中部2 300 m盾構(gòu)隧道為對象展開人員疏散研究。本隧道消防設(shè)計(jì)選用滅火器、消火栓系統(tǒng)和泡沫-水噴霧系統(tǒng)相結(jié)合的方案。

1.2 基礎(chǔ)參數(shù)

1.2.1 車輛組成

媽灣跨海隧道靠近疏港碼頭，進(jìn)出車輛以大貨車居多。參照國標(biāo)典型客車類型劃分等級類型標(biāo)準(zhǔn)[10]，對該隧道內(nèi)行駛車輛的車輛情況進(jìn)行劃定，如表1所示。

表1 隧道車輛類別組成Table 1 Composition of tunnel vehicles

結(jié)合資料和隧道中遠(yuǎn)期的交通量設(shè)計(jì)以及隧道主要路口的交通流量情況，得到交通量最大的路口在“聽海大道進(jìn)出口—大鏟灣進(jìn)出口1”處。換算成混合車，按車輛比例建立疏散層模型，1個單元的車輛比例為： 集卡車∶中貨車∶小貨車∶大客車∶小客車=14∶1∶1∶2∶6，如圖1所示。

圖1 單位疏散單元內(nèi)車輛組成Fig. 1 Composition of vehicle in each evacuation unit

1.2.2 疏散人員組成

模型中的人員組成如表2所示，確定了人員身高、臂寬、占比等重要參數(shù)。

表2 疏散人員組成Table 2 Composition of evacuation personnel

1.2.3 疏散人員總數(shù)

根據(jù)1個單元內(nèi)布置車輛的比例以及盾構(gòu)隧道的總長度，得到總單元數(shù)，所有車輛按滿載計(jì)算，得到盾構(gòu)隧道總疏散人數(shù)為2 691人。

1.3 模擬計(jì)算參數(shù)

疏散模擬時間步長設(shè)為0.025 s，模擬限制時間為3 600 s，限制最大人員流率為1.32 pers/(s·m)。選擇碰撞處理機(jī)制，計(jì)算模式為Steering模式[11]，盾構(gòu)隧道內(nèi)人員從疏散層達(dá)到安全層并向行車方向行走10 m處達(dá)到安全狀態(tài)時結(jié)束模擬。

2 水下盾構(gòu)隧道人員疏散研究

2.1 疏散模型

針對單層盾構(gòu)隧道主要依靠滑梯和樓梯進(jìn)行疏散的情況，并參考部分水下隧道的樓梯參數(shù)設(shè)置，模擬設(shè)置疏散層與安全層，樓梯高差為3.75 m，樓梯寬度為0.8 m，坡度為45°，梯步高0.18 m，隧道全長2 300 m。疏散模型如圖2所示。

2.2 樓梯間距對人員疏散的影響

樓梯間距是影響人員疏散最為重要的參數(shù)之一[12]。選取樓梯間距為60、80、100 m，進(jìn)行人員安全疏散模擬，樓梯走向及數(shù)量分布如表3所示。

(b) 正視圖

(c) 俯視圖圖2 盾構(gòu)隧道樓梯及疏散層示意圖Fig. 2 Sketches of stairs and evacuation layers of shield tunnel

表3 不同間距下樓梯設(shè)置數(shù)量Table 3 Numbers of evacuation stair with different spacings

隧道入口處2#、3#樓梯間距為60、80、100 m時，對應(yīng)疏散時間為15、30、60 s時的人員分布如圖3—5所示。可知： 當(dāng)樓梯間距為60 m時，樓梯口發(fā)生人員堵塞情況，易造成人員踩踏事故，對人員疏散的安全性有很大影響。而當(dāng)樓梯間距為80 m和100 m時，疏散層的人員更多地分布在前往樓梯的路上，樓梯口的堵塞情況得到一定程度的緩解。

(a) 疏散時間為15 s

(b) 疏散時間為30 s

(c) 疏散時間為60 s圖3 樓梯間距為60 m時人員分布

Fig. 3 Distribution of evacuation personnel when the spacing of stair of 60 m

(a) 疏散時間為15 s

(b) 疏散時間為30 s

(c) 疏散時間為60 s圖4 樓梯間距為80 m時人員分布

Fig. 4 Distribution of evacuation personnel when the spacing of stair of 80 m

(a) 疏散時間為15 s

(b) 疏散時間為30 s

(c) 疏散時間為60 s

圖5樓梯間距為100 m時人員分布

Fig. 5 Distribution of evacuation personnel when the spacing of stair of 100 m

各時段疏散總?cè)藬?shù)如表4所示。當(dāng)疏散剛開始時，人員大部分在疏散層的路上，隨著疏散進(jìn)程的加快，疏散人數(shù)大幅增加。由表4可知： 當(dāng)樓梯間距為60 m時疏散總?cè)藬?shù)最多，隨著樓梯間距增大，疏散總?cè)藬?shù)呈現(xiàn)下降趨勢。結(jié)合圖3—5所示的模擬結(jié)果，為使得疏散時不發(fā)生人員堵塞且又不影響疏散效率，綜合考慮建議樓梯間距為80 m。

表4各樓梯間距下不同時刻的疏散人數(shù)統(tǒng)計(jì)

Table 4 Statistics of evacuation personnel at different time and with different spacings of stair

樓梯間距/m疏散人數(shù)15s30s60s6001679048001246761000119531

2.3 滑梯間距對人員疏散的影響

因軟件不能直接模擬出滑梯，故將樓梯進(jìn)行參數(shù)折減，進(jìn)而等效模擬出總時間，當(dāng)與滑梯實(shí)際疏散時間相同時，此時樓梯的參數(shù)即為等效滑梯參數(shù)。根據(jù)等效設(shè)置，滑梯參數(shù)如下： 滑梯寬度為0.4 m，梯步高0.08 m，坡度為45°。

對滑梯間距為60、80、100 m時進(jìn)行模擬。分別在隧道入口、中間、出口處各選取2部滑梯進(jìn)行使用率分析，使用率采用各滑梯的入口、出口人員通過率來表示，具體選取樓梯編號如表5所示。要指出的是，因軟件計(jì)算統(tǒng)計(jì)的數(shù)據(jù)量相對較少，對圖形進(jìn)行了低通濾波處理(low-pass filter)，濾波頻率為0.05。

表5 滑梯編號Table 5 Slide number

各滑梯入口和出口的人員通過率如圖6—7所示。從滑梯入口來看，當(dāng)滑梯間距為60 m時，僅隧道出口處的通過率達(dá)到了2以上，其余位置均較低； 當(dāng)間距擴(kuò)大至80 m時，最大出口通過率已接近3； 當(dāng)間距為100 m時，各滑梯整體通過率相對比較大，此時滑梯的整體通過率已得到提高。從滑梯出口來看，當(dāng)間距較小時，整體通過率維持在0.8，當(dāng)滑梯間距為80 m時，隧道中部、隧道出口的通過率得到了顯著提升，最大值達(dá)到了1.86； 當(dāng)間距為100 m時，在隧道入口、隧道出口處的通過率為2.5左右,此滑梯間距下人員逃生的通過率迅速提高。

不同滑梯間距下疏散人數(shù)和疏散時間關(guān)系如圖8所示。由圖8可知： 當(dāng)滑梯間距為60 m時，同一時刻疏散人員最多，疏散速度最快，間距為80 m時次之，間距為100 m時最慢。

(a)間距為60m(b)間距為80m(c)間距為100m

圖6 滑梯入口人員通過率

圖7滑梯出口人員通過率

Fig. 7 Passing rate of evacuation personnel at slide exit

綜合分析結(jié)果可知，較大的滑梯間距更有利于疏散進(jìn)程的平穩(wěn)進(jìn)行，但過大的間距又會導(dǎo)致疏散時間過長，人員暴露于危險環(huán)境的時間增大。故綜合考慮，建議滑梯間距取為60 m。

滑梯和樓梯耗費(fèi)的疏散總時間對比如表6所示。在相同條件下，樓梯疏散時間比滑梯時間長，間距范圍為60～90 m時，隨著2種疏散方式間距的增大，疏散時間也在增大，其中間距為60～70 m時疏散時間增加幅度最大，故在此疏散間距下應(yīng)該主要考慮使用滑梯進(jìn)行疏散。

Fig. 8 Relationships between number of evacuation personnel and evacuation time under different stair spacings

2.4 “橫通道+樓梯”組合間距對人員疏散的影響

在單層盾構(gòu)隧道內(nèi)進(jìn)行人員疏散時，僅僅依靠樓梯不能很好地達(dá)到救援效果，還需要設(shè)置人行橫通道進(jìn)行疏散，此時的救援模式為“人行橫通道+疏散樓梯”，如圖9所示。

圖9 “橫通道+樓梯”模型圖Fig. 9 Model of "cross passage+stair"

“橫通道+樓梯”救援模式下疏散模型的人行橫通道間距分別取為200、240、280 m。不同樓梯間距以及不同人行橫通道間距下人員疏散所需時間如圖10所示，可知： 當(dāng)樓梯間距為60 m時，隨著人行橫通道間距的增大疏散時間越來越短，此時較短的人行橫通道間距會加劇人員疏散的擁堵； 當(dāng)樓梯間距為80 m時，人行橫通道間距對人員疏散的影響有限； 當(dāng)樓梯間距擴(kuò)大至90 m時，240 m的人行橫通道間距能更好地滿足人員疏散的需求。因此，建議當(dāng)樓梯間距為60～80 m時，為防止出現(xiàn)擁堵現(xiàn)象，人行橫通道間距可在240～280 m取值； 當(dāng)樓梯間距為80～90 m時，人行橫通道間距不宜過大，應(yīng)控制為200～240 m。

Fig. 10 Relationship between spacing of "cross passage+stair" evacuation mode and evacuation time

3 安全疏散范圍研究

以單層盾構(gòu)隧道為研究對象，開展不同排煙方式下的安全范圍的研究，主要的判定基準(zhǔn)為人體耐受極限，即溫度60 ℃紅線、CO體積分?jǐn)?shù)、能見度10 m紅線。

3.1 不同排煙方式下可用疏散時間研究

按隧道排煙口狀態(tài)可以分為3種工作狀態(tài)： 1)當(dāng)關(guān)閉排煙口時(重點(diǎn)排煙失效情況)，即縱向排煙，此時的排煙風(fēng)速即為臨界風(fēng)速，控制煙氣沿一端蔓延； 2)開啟火災(zāi)點(diǎn)上下游的排煙口，此時的排煙方式為半橫向重點(diǎn)排煙(同時開啟上下游排煙口)； 3)當(dāng)只開啟下游排煙口，將煙氣控制在下游一定范圍，此時的排煙也稱作半橫向重點(diǎn)排煙(只開啟下游排煙口)。重點(diǎn)排煙失效和只開啟下游排煙口的區(qū)別在于只開啟排煙口能夠?qū)煔饪刂圃谙掠我欢ǚ秶鷥?nèi)，不會充滿整個下游區(qū)域，當(dāng)下游發(fā)生堵塞時，這樣更有利于人員逃生，故其重要性不言而喻。

對不同排煙方式下的最佳風(fēng)速工況進(jìn)行研究，如表7和表8所示，得到了其對應(yīng)的人體耐受極限指標(biāo)，據(jù)此對人眼高度處的溫度60 ℃紅線、CO體積分?jǐn)?shù)300×10-6、能見度10 m紅線3種的前鋒進(jìn)行對比，以蔓延速度最快的指標(biāo)判定可用疏散時間(ASET)。

表7 盾構(gòu)隧道風(fēng)速工況模擬表Table 7 Simulation of wind speed in shield tunnel

表8 開啟不同排煙口下主要影響因素前鋒蔓延距離Table 8 Spreading distance of peak value of main factors under different smoke vent opening strategies

3.2 RSET與ASET對比分析

綜合上述3種疏散模式下人員疏散時間的研究，僅依靠樓梯的模式所耗費(fèi)的疏散時間最長，故本節(jié)以僅依靠樓梯的疏散情景為例，將其作為需用疏散時間(RSET)。結(jié)合上文對可用安全疏散時間(ASET)的研究，3種排煙口開啟策略下ASET與RSET對比如圖10所示。

由圖10可知： 效果最好的是同時開啟上下游排煙口，此時RSET曲線均在ASET曲線以下，不受火災(zāi)威脅。不開啟排煙口時，不安全的范圍在火災(zāi)下游，當(dāng)樓梯間距為60、80、100 m時，不安全范圍分別為200、200、400 m； 只開啟下游排煙閥時，因煙氣被控制在下游，不安全的范圍也在火災(zāi)下游，當(dāng)樓梯間距為60、80、100 m時，不安全范圍分別為0、50、75 m。綜上，當(dāng)隧道發(fā)生火災(zāi)時，應(yīng)優(yōu)先選擇同時開啟上下游排煙口的方式，其次考慮只開啟下游排煙口。

(a)縱向排煙(b)半橫向重點(diǎn)排煙(同時開啟上下游排煙口)(c)半橫向重點(diǎn)排煙(只開啟下游排煙口)

圖11 3種排煙口開啟策略下ASET與RSET對比曲線

Fig. 11 Curves of ASET and RSET under 3 smoke vent opening strategies

4 結(jié)論與討論

1)針對媽灣跨海盾構(gòu)段工程，不同疏散模式下，疏散口間距對人員疏散有影響，建議媽灣跨海隧道盾構(gòu)段疏散樓梯最佳間距設(shè)為80 m，滑梯最佳間距設(shè)為60 m； 在“橫通道+樓梯”組合疏散模式下，當(dāng)樓梯間距為60～80 m時，人行橫通道間距可在240～280 m取值； 當(dāng)樓梯間距為80～90 m時，人行橫通道間距不宜過大，應(yīng)控制為200～240 m。

2)在相同條件下，樓梯的疏散時間比滑梯時間長，隨著2種疏散工具間距的增大，疏散時間也在增大，其中間距為60～70 m時疏散時間增加幅度最大，故在此疏散間距下建議使用滑梯進(jìn)行疏散。

3)隧道發(fā)生火災(zāi)時，開啟不同位置的排煙閥對不安全范圍的位置和大小有較大的影響。綜合考慮，隧道內(nèi)發(fā)生火災(zāi)時應(yīng)該優(yōu)先考慮同時開啟上下游排煙口，其次考慮只開啟下游排煙口。

4)Pathfinder軟件沒有考慮隧道內(nèi)溫度和通風(fēng)情況對人員疏散的影響，而且模型只是對實(shí)際隧道的近似模擬，故與實(shí)際條件相比有一定的誤差，這些需要在后續(xù)工作中進(jìn)一步完善。

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