湖底雙層超大直徑盾構隧道火災人員疏散分析*

李森生

(1.水下隧道技術國家地方聯合工程研究中心，湖北 武漢 430063；2.中鐵第四勘察設計院集團有限公司，湖北 武漢 430063)

0 引言

城市水下雙層隧道可充分利用隧道內部空間，節省城市地下空間資源，是隧道建設重要方式。但為充分利用空間，水下雙層隧道多在大斷面內設置共用疏散樓梯，且隧道通往地面的通道少、空間局限性大，火災發生時對人員疏散安全提出更高的要求。

學者針對隧道疏散口間距開展研究：張培紅等[1]通過分析公路隧道火災時不同縱向逃生樓梯間距對人員疏散的安全性，得到縱向疏散的逃生樓梯間距最大不宜超過100 m；奚學東等[2]利用數值模擬及公式法對比不同縱向疏散口間距對人員疏散時間的影響，建議隧道疏散口間距設置為100 m；沈卓恒等[3]分析不同滑梯口間距對人員縱向疏散時間的影響，最后確定滑梯間距為80 m時滿足疏散要求；李婷等[4]分析影響疏散的疏散樓梯結構參數，得出疏散樓梯的間距與整體疏散時間成線性關系；付維綱等[5]分析水下盾構隧道不同疏散門間距下列車人員的疏散時間，驗證了疏散口間距設計為100 m的合理性；張奧宇等[6]通過分析水下盾構隧道疏散滑梯不同間距下人員疏散運動時間，得到間距為80 m時滑梯的綜合利用率最佳。現有研究多針對單層隧道自上而下單一縱向疏散模式下的疏散口間距對人員疏散時間的影響，缺乏對湖底雙層超大直徑隧道共用疏散樓梯，包含自上而下和自下而上2種疏散模式的疏散樓梯間距及相應利用效率、通過率對人員疏散安全性的相關研究。

因此，本文以目前世界規模最大的城市湖底、雙層超大直徑隧道-兩湖隧道為研究對象，針對更不利疏散模式(即下層公路隧道火災時人員自下而上疏散)，分析不同樓梯間距對人員疏散時間的影響，及不同樓梯間距對各疏散樓梯的人員利用效率和通過率的影響。研究結果可為湖底雙層隧道工程疏散樓梯間距設計和人員安全管理提供理論依據。

1 隧道排煙與疏散設施設計

兩湖隧道工程(東湖段)北起秦園路，南至珞喻路，秦園路接主線隧道長6 071 m，湖底盾構段長3 055 m。兩湖隧道為單管雙向4車道隧道，將大斷面盾構隧道分為上下雙層，如圖1所示。隧道為一類城市水下隧道，只通行小汽車。

圖1 盾構隧道排煙疏散方案斷面Fig.1 Section of smoke exhaust and evacuation scheme of shield tunnel

為實現湖底雙層隧道火災工況下的人員疏散，隧道上下2層通過寬度為0.8 m的疏散樓梯相連，上下層隧道互為疏散通道，事故隧道層人員可通過疏散樓梯上行或下行進入非事故隧道層進行疏散。考慮下層人員疏散過程相對上層人員疏散過程更加復雜，本文針對下層隧道人員疏散進行研究分析。下層隧道為側部重點排煙，在隧道一側墻壁縱向間距60 m設置排煙口。為研究不同疏散樓梯間距對人員疏散的影響，對100，120，150 m的疏散樓梯間距進行人員安全疏散分析。

2 隧道火災場景設計及模型建立

2.1 人員安全疏散準則

火災中保證隧道內人員安全疏散的關鍵為必需安全疏散時間TRSET必須小于可用安全疏散時間TASET[7]，如式(1)所示：

TRSET

(1)

式中：TRSET包含報警時間Talarm、響應時間Tresponse和人員疏散行走時間Tmove，如式(2)所示：

TRSET=Talarm+Tresponse+1.2Tmove

(2)

在實際疏散過程中，由于隧道環境和人員疏散環境的影響，人員存在不確定性，需對行走時間考慮一定的安全補償，故將人員疏散安全系數取為1.2。隧道內設有火災自動報警系統、應急廣播系統和監控系統等，將火災報警時間設為60 s；考慮人員受教育程度、反應能力、心理素質等因素[8]，將人員疏散響應時間保守確定為120 s。

2.2 火災煙氣模型及人員疏散模型設計

本文采用集中排煙的公路隧道，煙氣在隧道內蔓延長度不宜超過300 m[9]，可利用FDS建立長度為800 m的隧道火災煙氣模擬計算模型。火災場景考慮最危險情況，即火源點位于模擬段中間。由于隧道凈空較低，隧道內發生火災時，火災車輛會對其相鄰車輛產生大量輻射熱，若相鄰車輛的臨界輻射熱通量小于其受到的輻射熱，火災車輛會引燃相鄰車輛，使火災規模擴大[10]。在隧道火災事故中，車輛相撞(包括碰撞和追尾)為主要事故類型[11-12]，兩湖隧道單層為2車道且僅通行小汽車，車速較慢為50 km/h，發生多輛車(≥3輛)碰撞追尾的可能性較小，故取車輛碰撞發生火災同時引燃相鄰車輛，造成3輛車發生火災的最不利情況。根據世界道路協會(PIARC)及相關規范推薦值，單輛小汽車最大火災熱釋放速率為5 MW，則3輛小汽車發生火災的最大熱釋放速率為15 MW，所以本文設計火災規模為15 MW[13-14]。火源長×寬×高為5.5 m×2 m×0 m，排煙量Ve=90 m3/s，排煙口間距l0=60 m，排煙口面積4 m×1 m，火災情況下開啟火源附近6個排煙口，排煙區段300 m，著火后120 s排煙風機開始啟動，180 s達到全速。

利用Pathfinder模擬人員疏散，火災時隧道內報警系統、排煙系統、照明系統及疏散設施均有效，不同疏散場景設置見表1。行車狀況及火源位置均考慮最不利情況，隧道內局部堵塞時，取車速為10 km/h[14]，約2.8 m/s，故考慮前后車輛間距為3 m。隧道內小客車長×寬×高為4.5 m×1.8 m×2 m，載客量6人[15-16]。《公路隧道設計規范 第二冊 交通工程與附屬設施》(JTG D70/2—2014)[17]規定長度大于1 000 m的隧道，阻滯段宜按每車道長度為1 000 m計算，因此取火災附近1 000 m的疏散人數進行計算，車輛總數為266 輛，考慮車輛滿載的不利情況，滯留人數為1 596 人。

表1 公路隧道火災疏散場景Table 1 Fire evacuation scenes of highway tunnel

參照《2019年國民經濟和社會發展統計公報》[18]，將人員構成及比例設定為男性36%、女性35%、兒童17%、老人12%。根據美國NFPA130規范[19]、英國SFPE Handbook《消防工程手冊》[20]以及《地鐵安全疏散規范》(GB/T 33668—2017)[21]中建議人員行走速度和形體特征，得到不同人員類型的疏散速度取值，見表2。

表2 人員疏散速度和形體特性Table 2 Characteristics of personnel evacuation speeds and shapes

3 模擬計算結果分析

3.1 火災模擬分析

利用FDS計算隧道內火災情況下煙氣蔓延、能見度以及溫度分布情況。根據《中國消防手冊 第三卷 消防規劃·公共消防設施·建筑防火設計》確定可用安全疏散時間判定標準為隧道內特征高度2 m處煙氣溫度不超過60 ℃，可視度不小于10 m。

重點排煙系統中，火災產生的高溫煙氣控制在火源附近排煙區域內，即為安全[22]。不同時間隧道縱斷面溫度分布如圖2所示。由圖2可知，高溫煙氣向隧道兩側擴散，煙氣溫度逐漸降低并在火源遠端發生沉降；隧道內高溫煙氣始終維持在火源附近隧道上部區域，導致此區域溫度高于60 ℃，隧道下部區域和距火源較遠位置的溫度始終低于60 ℃。以靠近疏散樓梯側車道中線2 m清晰高度處的溫度作為判據，不同火災發展時間下溫度隨距離的變化曲線如圖3所示。由圖3可知，火災時間為300 s時，溫度大于60 ℃的初始位置在距火源兩側10 m范圍；火災發展至900，1 200 s時，溫度隨時間變化曲線基本重合，溫度大于60 ℃的初始位置在距火源兩側110 m范圍，滿足T≤60 ℃的安全疏散準則。因此，從煙氣溫度控制角度可知，可用安全疏散時間TASET≥1 200 s。

圖2 不同時間隧道縱斷面溫度分布Fig.2 Temperature distribution of tunnel longitudinal section at different time

圖3 不同火災發展時間下溫度隨距離的變化曲線Fig.3 Variation curves of temperature with distance under different fire development time

不同火災發展時間下隧道縱斷面能見度分布如圖4所示。由圖4可知，隨燃燒時間增長(300～1 200 s)，2 m清晰高度處能見度逐漸降低。當火災發展至1 200 s時，除火源位置外能見度不低于10 m，滿足能見度不小于10 m的安全疏散準則。因此，從能見度角度可知，可用安全疏散時間TASET≥1 200 s。

圖4 不同火災發展時間下的能見度分布Fig.4 Visibility distribution under different fire development time

溫度、能見度指標判據下的可用安全疏散時間TASET≥1 200 s。《道路隧道設計標準》(DG/TJ 08-2033—2017)[14]規定：在正常運營階段發生火災，當通風、消防等系統工作正常時，隧道內乘行人員安全疏散時間一般在15 min以內；當隧道內設有重點排煙系統時，安全疏散時間可適當放寬至20 min。因本隧道采用重點排煙系統，結合火災模擬結果確定可用安全疏散時間TASET=1 200 s。

3.2 人員疏散仿真計算分析

1)疏散時間分析

不同疏散樓梯間距時不同時刻人員疏散情況如圖5所示。由圖5可知，當疏散樓梯間距分別為100，120，150 m時，對應人員疏散時間為291.5，347，436.3 s。對于不同疏散樓梯間距，在疏散開始時刻，人員迅速移至距離最近疏散樓梯口；疏散進行一段時間后，各疏散樓梯口擁堵嚴重(擁堵范圍約10 m)，嚴重擁堵時間分別持續125，165，250 s后，擁堵范圍減小，距離火源點較遠的疏散樓梯口基本已經疏散完畢，靠近火源點的疏散樓梯口仍處于排隊狀態，直到隧道內人員疏散完畢。

圖5 不同疏散樓梯間距時不同時刻人員疏散情況Fig.5 Personnel evacuation situation at different time under different evacuation staircase spacing

2)疏散樓梯利用效率及平均通過率

當隧道內疏散樓梯間距為100，120，150 m時，疏散樓梯由左向右依次順序標記1#、2#、3#、4#、5#、6#、7#、8#、9#、10#。

不同疏散場景各疏散樓梯累積人數和疏散樓梯口平均通過率曲線如圖6～7所示。火源點正對的疏散樓梯不能用于疏散，無疏散記錄；距離火源最近的疏散樓梯利用效率最高。

圖6 疏散樓梯累積疏散人數隨時間變化曲線Fig.6 Curves of cumulative number of evacuated personnel through evacuation staircase with time

圖7 不同疏散樓梯間距下的平均通過率Fig.7 Average passing rates of evacuation staircase in different evacuation scenes

當疏散樓梯間距為100 m時，匯集在疏散樓梯7#的人員相對最多，所用疏散時間相對最長，其余疏散樓梯利用效率基本一致。各疏散樓梯口平均通過率均接近0.80 人/s，上下波動幅度小，疏散過程中人員分布較均衡，疏散效果最佳。

疏散樓梯間距為120 m時，各疏散樓梯的利用效率隨疏散樓梯與火源距離的增大而穩定降低，呈對稱分布狀態。各疏散樓梯口平均通過率約0.79人/s，上下波動幅度較小，疏散過程中人員分布較規律。

疏散樓梯間距為150 m時，疏散樓梯3#和5#利用效率較高，其余疏散樓梯利用效率無明顯規律。各疏散樓梯口平均通過率約0.77人/s，上下波動幅度較大，疏散過程中人員分布不均衡。

在不同疏散樓梯間距，人員對樓梯的利用效率相差較大，通過率相差較小。考慮疏散樓梯的利用效率和平均通過率，當疏散樓梯間距為100，120 m時疏散效果更佳。

結合圖5～7可知，人員選擇距離自己最近的疏散樓梯口進行疏散，但火源正對疏散樓梯口時，該疏散樓梯不能用于疏散，導致火源附近的2個疏散樓梯擁堵情況嚴重，各疏散樓梯利用率不均衡，建議優化隧道內應急廣播系統，火災后定時播報，引導火源附近疏散樓梯口人員向其他相對暢通的樓梯進行疏散，緩解擁堵情況，提高其他疏散樓梯的利用率，減少人員疏散時間。

3.3 人員安全疏散判定

將Tmove代入式(2)得到必需安全疏散時間TRSET，結果見表3。對比人員可用安全疏散時間TASET與必需安全疏散時間TRSET發現，下層隧道盾構段發生火災時，利用疏散樓梯進入隧道結構的上層疏散通道進行人員疏散是安全可行的；盾構段疏散口間距在100，120，150 m時，均能滿足疏散安全要求，但間距越小，疏散樓梯設置數量越多，其施工成本越高；因此，從安全和運行成本綜合考慮，當隧道疏散口間距設為120 m時，滿足人員安全疏散和標準中規定“上下層車道之間設置封閉樓梯間，樓梯間距不大于120 m”[14]的要求。

表3 必需安全疏散時間計算結果Table 3 Calculation results of required safe evacuation time

4 結論

1)兩湖雙層超大直徑盾構隧道采用側部重點排煙，考慮不利情況即火災規模為15 MW時，由隧道內不同環境控制指標判據和相關規范確定人員可用安全疏散時間TASET為1 200 s。

2)火源正對疏散樓梯口處，當疏散樓梯間距為100，120，150 m時，人員疏散均滿足安全疏散需求，且疏散樓梯間距越小，人員疏散時間越短；當疏散樓梯間距為100，120 m時，各疏散樓梯的利用效率相對穩定，通過率波動幅度較小，且疏散樓梯平均通過率分別為0.80，0.79人/s。因此，綜合考慮安全性、利用率和運行成本，推薦疏散樓梯間距為120 m。

3)比較不同樓梯間距下各疏散樓梯的擁堵程度及利用率，建議優化隧道內應急廣播系統，及時有效播報疏散引導信息、疏散人群，以緩解火源附近樓梯口的疏散壓力，提高其他疏散樓梯的利用率，減少人員疏散時間。