市域快速軌道交通水底盾構隧道防災救援實例分析

茍長飛，蔣 穎，杜運國，王朝亮，李 博

(1.溫州市鐵路與軌道交通投資集團有限公司，浙江溫州 325000；2.中國市政工程中南設計研究總院有限公司，武漢 430000；3.溫州大學，浙江溫州 325000)

市域快速軌道交通是一種主要服務于城市郊區(qū)和周邊新城、城鎮(zhèn)與中心城區(qū)聯(lián)系，并具有通勤客運服務功能的中、長距離的大運量城市軌道交通系統(tǒng)，簡稱市域快軌[1]，也稱市域鐵路[2]。隨著我國城鎮(zhèn)化建設的不斷推進，為適應中心城區(qū)與周邊組團城鎮(zhèn)化發(fā)展需求，迫切需要建設市域快軌引導和支撐城市發(fā)展。市域快軌作為一種新興的城市軌道交通系統(tǒng)，其車輛、限界、防災要求與地鐵、輕軌等常規(guī)城市軌道交通不盡相同。市域快軌線路敷設方式雖以高架和地面線為主，但因其服務范圍廣和受通道資源影響，有時難免需要以隧道形式穿越大江大河。

近年來，業(yè)內學者針對水底隧道防災救援研究較多，包括疏散通道設置及疏散方式[3-5]、逃生方案與安全疏散判定準則[6]、煙氣蔓延控制與通風排煙設計[7-14]、防災救援移動監(jiān)控與報警系統(tǒng)[15-16]等方面，但針對市域快軌水底隧道防災救援的研究幾近空白。本文依托溫州市域鐵路S2線一期工程甌江北口隧道，對市域快速軌道交通水底盾構隧道防災救援進行實例分析。

1 工程概況

溫州市域鐵路S2線一期工程起于溫州樂清市城東街道下塘站，止于溫州瑞安市人民路站，線路全長63.63 km，采用國鐵制式，實現(xiàn)城市軌道交通功能。甌江北口隧道位于S2線黃華站—機場站區(qū)間，建筑長度4819.28 m，采用盾構法、明挖法、礦山法施工，見圖1。其中江中盾構段2664.6 m，江南始發(fā)井140.4 m，江北接收井40 m；暗埋段755 m；礦山段630 m；敞開段589.28 m。甌江北口隧道盾構段穿越地層主要為淤泥和黏土，存在淺層天然氣不良地質問題。

2 疏散方式

2.1 常見疏散方式

隧道常見的疏散方式可以分為單獨設置服務隧道疏散、雙洞隧道互為疏散隧道、隧道內部疏散3種模式，見表1。

圖1 甌江北口隧道示意

表1 隧道疏散方式對比

(1)單獨設置服務隧道

單獨設置服務隧道模式是指在主隧道附近單獨設置一條平行于主隧道的隧道作為服務隧道[7]，見圖2，服務隧道可作為主隧道發(fā)生災害時的逃生通道。這種疏散模式，需單獨修建一條隧道，工程造價較高，經濟性差。在鉆爆法施工中，為探明地質條件或進行施工通風，常設置平行導坑，在運營時則可以利用平導作為服務隧道，在發(fā)生火災時，作為疏散通道。單獨設置服務隧道的疏散方式在長大海底隧道中應用較多，如英法海底隧道、日本青函隧道、丹麥大海峽隧道等。設置服務隧道有利于海底隧道的施工和運營管理[17]。

圖2 單獨設置服務隧道

(2)雙洞隧道互為疏散隧道

雙洞隧道互為疏散隧道模式，是通過多個橫通道將兩個主隧道連接起來，使兩隧道互為服務隧道，一條隧道發(fā)生火災時可向另一條隧道疏散受災人員，見圖3。這種疏散模式，無需單獨修建1條隧道，只需修建若干橫通道連接主隧道，經濟性較好，應用廣泛。國內大部分地鐵隧道，瑞士圣哥達山底鐵路隧道、丹麥斯多貝爾特大海峽隧道、西班牙達拉馬隧道等采用這種疏散模式。橫通道開挖存在一定風險，地層條件惡劣時開挖風險很高，易使接口部位產生局部附加應力和變形，開裂漏水，地層軟弱、不均時尤為明顯。

圖3 雙洞隧道互為疏散隧道

(3)隧道內部疏散

與前兩種模式相比，隧道內部疏散不開挖橫通道，具有更好經濟性；且主隧道不開口，不產生附加應力和變形。隧道內部疏散模式包括設置專用疏散通道和隧道內雙向互通式疏散(上下層或左右側)兩種。

①隧道內專用疏散通道可設置在行車道以下或一側，見圖4。隧道內每隔一定間距設置緊急出口、滑行坡道或樓梯，與逃生通道連通。發(fā)生火災時，人員可從緊急出口進入到專用逃生通道，并沿逃生通道進入塔井或隧道兩端工作井逃生。這種方式疏散方式近幾年應用較多。

圖4 隧道內設置專用逃生通道(單位：mm)

②大斷面隧道可通過上下層隔離或左右側隔離雙向交通，見圖5。上下層可通過緊急出口和逃生樓梯聯(lián)通；左右側可通過在中隔墻上設置逃生門聯(lián)通。這種疏散方式應用較廣，獅子洋隧道、益田路隧道、京津城際鐵路至于家堡地下延伸線均采用這種疏散方式。

2.2 隧道斷面與疏散方式

單獨設置服務隧道，工程投資大，不適用于本項目。雙洞隧道互為疏散隧道，需要開挖橫通道。本隧址在軟土地區(qū)，盾構段橫通道施工期及運營期風險均較大，不宜采用。

綜合比較，采用單洞雙線方案相比于單洞單線設橫通道開挖風險較小，且主隧道不開口，不會產生附加應力和變形。

單洞雙線在隧道內部疏散方案可細化為設置中隔墻的單洞雙線方案和無中隔墻的單洞雙線方案兩種，見圖6。兩種方案橫斷面對比見表2。

圖5 隧道內左右側互通疏散

圖6 甌江北口隧道盾構段橫斷面

(1)設置中隔墻的單洞雙線方案

設置中隔墻的單洞雙線方案采用橫向與縱向結合的逃生救援方式，即在上層兩車道孔間設置縱向疏散平臺，根據(jù)國鐵及地鐵設計規(guī)范要求，結合安全疏散時間計算結果，沿縱向每隔300 m設置橫向聯(lián)通口，實現(xiàn)兩孔間互通。另外沿縱向每隔600 m距離設置一處寬1.0 m的疏散樓梯，連接軌道層和疏散通道，實現(xiàn)上下層間的互通。疏散通道平時作為隧道用檢修通道，火災時作為輸送救援人員的疏散通道。一旦有災害發(fā)生，可通過軌道層的疏散平臺直接從事故隧道通過樓梯到達下部疏散通道，沿縱向疏散逃生。

(2)無中隔墻的單洞雙線方案

對于單洞雙線不帶中墻盾構方案的防災救援方式為：盾構段利用軌道層下部富余空間設置縱向疏散通道，疏散平臺和疏散通道兩端與盾構工作井連接，通過盾構工作井內部的樓梯到達地面。疏散通道平時作為隧道用檢修通道，火災時作為輸送救援人員的疏散通道。一旦有災害發(fā)生，可通過軌道層的疏散平臺直接從事故隧道通過樓梯到達下部疏散通道，沿縱向疏散逃生。

因市域快軌需實現(xiàn)城市軌道交通功能，并滿足地鐵消防要求，且方案1具有防災疏散能力更強，更靈活的特點，結合溫州深厚軟土地層條件，考慮列車振動對運營期沉降影響，甌江北口隧道采用設置中隔墻的單洞雙線方案，如圖7所示。

圖7 甌江北口隧道盾構橫斷面示意(單位：mm)

表2 橫斷面對比

2.3 疏散方案

甌江北口隧道為黃華站—靈昆站的區(qū)間隧道，兩段接高架站，長度不足5 km，隧道火災時，列車應盡可能駛出隧道或駛入前方車站。當列車在區(qū)間隧道內著火不能行駛到前方車站時，區(qū)間隧道應采用“縱向疏散平臺+橫向疏散通道”疏散方案。

火災時列車首先應盡可能駛出地下線或駛入前方車站，在地下線以外或前方車站組織疏散乘客和利用前方車站的消防設施滅火和排煙；當列車在區(qū)間隧道內著火不能行駛到前方車站時，區(qū)間隧道設計如下疏散方案。

(1)縱向疏散平臺

為了讓乘客盡快離開事故列車，在區(qū)間隧道兩線間沿縱向設置貫通疏散平臺，其凈寬一般不小于800 mm，距軌面高1 100 mm(地鐵規(guī)范要求一般情況下疏散平臺凈寬不小于700 mm，困難條件下不小于550 mm)；江中盾構段同時利用下層富余空腔設置第二縱向疏散通道，在隧道兩線間按不大于600 m間距設置一處向下疏散的密閉樓梯，通往下層逃生廊道。廊道與南北兩岸的工作井連通，工作井內設置直通地面的疏散樓梯。

(2)橫向疏散通道

利用兩隧道間互為疏散通道。在隧道兩線間中隔墻上按不大于300 m間距(地鐵規(guī)范要求不大于600 m間距)設置1處橫向疏散通道，在橫向通道上設甲級防火門。

進出口明挖暗埋段發(fā)生火災時，車輛疏散路徑：火災前部車輛繼續(xù)行駛出隧道，火災后部車輛緊急制動，并根據(jù)需要，利用車站站端渡線，就地反向返回。人員疏散路徑：經過左右線之間的防火門進入另外一個隧道疏散或直接從洞口疏散。消防人員進入路徑：由于距洞口較近，消防人員可以從火災點上游洞口直接進入或從另一條無火災隧道通過中隔墻防火門進入火災隧道。排煙路徑：從進出口洞口排煙或靠近火災的工作井排煙。

盾構段發(fā)生火災時，人員疏散路徑：盾構段內人員可通過橫向聯(lián)絡口疏散到另一孔隧道內，利用疏散平臺進行縱向疏散，或者沿著向下的疏散密閉樓梯通往下層逃生廊道，根據(jù)疏散指示方向進入相應的工作井內，通過工作井樓梯疏散至地面。消防人員進入路徑：從火災點上游洞口或工作井進入或從另一條無火災隧道通過中隔墻防火門進入火災隧道。排煙路徑：利用工作井內風機縱向排煙。

3 火災蔓延數(shù)值模擬

3.1 模型建立

本次模擬設計采用NIST開發(fā)的FDS軟件進行火災發(fā)展和煙氣蔓延的定量分析，該軟件是公認的由政府權威機構開發(fā)的軟件，使用大渦流流體力學模型處理火場流體的紊態(tài)流動，已廣泛應用于性能化防火設計分析工作中。

本模擬選用了隧道火災最不利情況(當列車停靠在靠近中部聯(lián)絡通道位置，并且火災發(fā)生在列車中部時對應的火災通風排煙模式為該區(qū)間隧道的最復雜模式)作為火災工況進行模擬計算。在火災模擬計算時采用如下假設。

(1)假設火源：將燃燒的火焰處理為一個熱源，不考慮火災燃燒過程中的化學反應和煙氣成分的變化。發(fā)生火災時，火災初期發(fā)展規(guī)律用t2快速增長火表示，當火災達到最大熱釋放速率時，將保持不變直到模擬時間結束。

(2)熱煙氣運動是浮力驅動下的流動，浮力影響采用Boussinesq假設，隧道內空氣氣流和煙氣遵循理想氣體狀態(tài)方程。

(3)由于隧道壁面的溫度較低，輻射影響程度較小，故不計輻射傳熱的影響的模擬結果偏于保守，所以模擬按絕熱過程計算。

(4)不計煙氣的壓縮性，假設煙氣和空氣的熱物理性質相同，忽略熱擴散、粘性擴散和壓力功等對煙氣流動的影響。

根據(jù)隧道結構圖，利用FDS前處理建模軟件Pyrosim2010建立隧道全尺寸模型，如圖8所示。

圖8 隧道FDS模型

為了保證網格的精確解析，使用Multi-Mesh方法，在流動和熱交換迅速的區(qū)域采用局部網格加密，對著火附近區(qū)域、隧道分別設置Mesh和網格解析大小，有效地減少計算時間消耗。考慮人員采取低姿疏散，F(xiàn)DS模擬在1.6 m高度處測試點布置熱電偶。

火災網格設置為0.5 m×0.2 m×0.2 m，疏散網格設置為0.2 m×0.2 m×2.0 m，不考慮列車運行活塞風的影響和列車形狀對煙氣蔓延的影響，火源分別位于區(qū)間隧道中部和靠近進口段/出口段一端，對隧道作適當簡化，按照1∶1建立模型。

3.2 模擬工況

分別模擬甌江北口隧道有中隔墻方案的3種工況，如表3所示。

表3 火災蔓延數(shù)值模擬工況

3.3 模擬結果

(1)煙霧蔓延分析(煙氣、溫度、可見度)

工況1著火點位于盾構隧道中部，隧道內處于無風狀態(tài)，隧道斷面各時刻煙氣分布云圖、溫度分布云圖、可見度分布云見圖9。由圖9(a)可見，關閉風機，隧道內煙氣向兩端隧道和頂端排煙風道迅速蔓延，且沉降明顯。隨著時間推移，隧道內的煙氣逐漸向頂端排煙風道擴散。由圖9(b)可見，關閉風機，隧道內溫度升高，其中火源上方溫度最高，隨著煙氣的擴散致使高溫區(qū)迅速向隧道兩端傳播。由圖9(c)可見，關閉風機，隨著煙氣的擴散致使隧道內可見度明顯降低，在火災發(fā)生20 min之后，煙氣在隧道內彌漫嚴重。

圖9 工況1火災煙霧蔓延分布

工況2著火點位于盾構隧道中部，開啟全部風機進行機械排煙，隧道斷面各時刻煙氣分布云圖、溫度分布云圖、可見度分布云見圖10。由圖10(a)可見，隧道內煙氣向兩端隧道蔓延且沉降。由于火災初期開啟風機，大部分煙氣沿軌頂風道排出，行車區(qū)間內煙氣僅擴散了約隧道長度的1/10。煙氣向進/出口隧道方向蔓延緩慢，并在15 min后維持在一定范圍不再擴散，此時行車區(qū)間幾乎沒有煙氣。由圖10(b)可見，火災發(fā)生后隧道內溫度升高，其中火源上方溫度最高，高溫區(qū)隨著煙氣的擴散而擴散。由于火災初期開啟風機，大部分煙氣沿出口洞口排出，所以高溫區(qū)向進口隧道方向蔓延緩慢，并在15 min后維持在一定范圍不再擴散。由圖10(c)可見，隨著煙氣的擴散致使隧道內可見度降低。開啟風機，大部分煙氣沿出口洞口排出，進口段隧道內煙氣在15 min后維持在一定范圍不再擴散。

圖10 工況2火災煙霧蔓延分布

工況3著火點位于隧道出口段，隧道內處于無風狀態(tài)，隧道斷面各時刻煙氣分布云圖、溫度分布云圖、可見度分布云圖見圖11。

由圖11(a)可見，關閉風機，隧道內煙氣向兩端隧道迅速蔓延，且沉降明顯。由于火災位于隧道出口段，煙氣可由洞口及時排出，所以出口段隧道煙氣堆積，煙氣沉降現(xiàn)象相對較好。

由圖11(b)可見，關閉風機，隧道內溫度升高，其中火源上方溫度最高，隨著煙氣的擴散致使高溫區(qū)迅速向隧道兩端傳播。由于火災位于隧道出口段，煙氣可由洞口及時排出，所以出口段隧道溫度升高相對盾構段較慢。

由圖11(c)可見，關閉風機，隨著煙氣的擴散致使隧道內可見度明顯降低。在火災初期，由于隧道出口段斷面積比盾構段小，所以煙氣在出口段沉降較快；火災后期，由于火災位于隧道出口段，煙氣可由洞口及時排出，所以出口段隧道可見度下降變緩。

圖11 工況3火災煙霧蔓延分布

(2)可用安全疏散時間

根據(jù)煙氣在隧道內的蔓延情況，得到可用的人員安全疏散時間(ASET)，如圖12所示。

圖12 安全疏散時間與距離火源位置關系

由圖12可見，盾構隧道中部發(fā)生火災，關閉射流風機在自然排煙的情況下，距離火源100 m以內，安全疏散時間隨著遠離火源而逐漸呈線性增加；距離火源100～300 m，安全疏散時間相對穩(wěn)定，基本維持在14～15 min；距離火源300 m以上，安全疏散時間隨著遠離火源而急劇增加。盾構隧道中部發(fā)生火災，開啟全部風機進行機械排煙的情況下，距離火源100 m以內，安全疏散時間隨著遠離火源而逐漸呈線性增加，且略大于自然排煙情況下，與自然排煙情況下的差距也逐漸增加；距離火源100～300 m，安全疏散時間明顯比自然排煙情況下長。可見，開啟風機可使排煙效果得到明顯提高，有利于人員安全疏散。

4 結語

甌江北口隧道工程采用設置中隔墻的單洞雙線方案。當列車在區(qū)間隧道內著火不能行駛到前方車站時，區(qū)間隧道應采用“縱向疏散平臺+橫向疏散通道”疏散方案。隧道中部起火時，關閉風機自然通風情況下，隧道內煙氣向兩端隧道和頂端排煙風道迅速蔓延，開啟風機機械排煙情況下，隧道內煙氣蔓延緩慢。隧道內發(fā)生火災時，開啟風機可使排煙效果得到明顯提高，有利于人員安全疏散。