超長水下公路隧道安全通道內人員疏散研究★

王 威

(中鐵第五勘察設計院集團有限公司，北京 102600)

我國水下隧道建設近年來迅速發展，大量超長水下公路隧道在構建城市交通網中發揮了重要作用。隨著環保理念逐漸深入人心，水下公路隧道因其獨特優勢已成為當今跨越江河湖海的重要選擇。同時，由于超長水下公路隧道環境封閉，隧道內發生火災將嚴重威脅人員的安全，對隧道內人員疏散救援也提出了嚴峻挑戰[1]。

國內外學者相繼對超長水下公路隧道火災疏散救援開展了相關研究，田峰等[2]對長大過海區間隧道進行人員疏散模擬分析，分析了過海隧道防災救援設施設置、人員疏散方案等問題。石彬彬[3]采用FDS和Pathfinder對城市多匝道隧道的火災和人員疏散數值模擬，研究煙氣溫度、濃度和速度場以確定通風風速的影響，并計算隧道人員疏散所需最短時間，并結合火災計算結果確定合理逃生路線。姜璐[4]對某750 m雙洞隧道利用FDS+EVAC功能進行數值模擬分析，并從疏散時間角度分析，提出了隧道人行橫通道間距、通風排煙方式和探測報警系統的優化分析方案。Ciro等[5]針對意大利的長為1.2 km雙向彎曲公路隧道進行通過STEPS人員疏散仿真計算軟件對車輛擁堵情況下人員疏散過程進行分析。Caliendo等[6]針對公路隧道內不同火災場景下的煙氣與人員疏散進行了模擬，分析了隧道內火災溫度場及安全通道間距設置對疏散時間的影響。總結發現，對于隧道火災與人員疏散安全的研究，目前最常用的方法是數值模擬分析，且研究集中在火災發生后隧道內人員從車內疏散至安全通道內的影響(以下簡稱此疏散階段為“第一階段”)，對于人員進入安全通道后如何進一步遠離著火點進行有序疏散，最終逃離至相鄰的非著火隧道或就近的防煙樓梯直通地面(以下簡稱此疏散階段為“第二階段”)，從而避免因聚集在安全門處或堵塞在安全通道內的變電所處而影響后續人員進入安全通道，保證人員在安全通道內的疏散過程順暢有序，關于此方面的研究鮮有文獻提及。

隧道安全通道內會根據各專業需求設置照明變電所、風機變電所、泵房控制室等房間。發生火災時，隧道車行洞人員通過安全門進入安全通道并繼續完全疏散至相鄰隧道或者通過防煙樓梯間直通地面。因此，對影響安全通道內人員疏散的相關因素進行研究，保證安全通道內的人員疏散時順暢有序、不擁堵，是保障隧道人員安全疏散全過程中的重要環節。

本文以蘇州某超長水下公路隧道為研究對象，運用人員疏散模擬軟件Pathfinder對不同安全通道內變電所布置、安全門間距、變電所側最小安全疏散寬度條件下，安全通道內人員疏散情況進行仿真研究，為解決工程實際問題提供必要的理論依據。

1 計算模型

1.1 工程概況

該隧道水下段長約9 km，按雙向六車道標準設計，隧道橫斷面采用兩孔一廊結構，兩側孔為車行隧洞，中間管廊下部為人員疏散安全通道。隧道單孔寬17.45 m，沿隧道長度方向每隔一定間距設置安全門，隧道建筑平面(局部)如圖1所示。

1.2 模型建立

為了使研究具有更廣泛的適用性，依據JTG/T D70/2-02—2014公路隧道通風設計細則3.3.2條規定[7]，選取疏散場景為：隧道內交通阻滯工況下發生火災，隧道阻滯長度按長度為1 km，車輛間距設置為1 m[8]，建立人員疏散模型如圖2所示。

仿真模型中設定隧道著火點位于車輛阻滯段中間位置，人員荷載按照隧道車行洞內車輛滿載率100%(2 360人)進行設置，人員類型根據年齡、性別及步行速度分為兒童、成年男性、成年女性、老年人四大類。表1為隧道火災時人員疏散特征值[9]。

表1 人員疏散特征值

1.3 工況設置

1)既有規范尚未對安全通道內變電所的布置(以下簡稱“安全門與變電所間距”，指變電所與疏散路徑上最近的安全門之間的距離)進行明確規定。為探究變電所布置對安全通道內人員疏散的影響，分別取安全門與變電所間距w為20 m，40 m，60 m。變電所布置模擬工況見表2。

表2 變電所布置工況及模擬時間表

2)為探究安全門間距對安全通道內人員疏散的影響進行研究，選取安全門間距為80 m，100 m，120 m的情況對安全通道內人員疏散進行組合分析。安全門間距模擬工況見表3。

表3 安全門間距工況及模擬時間表

3)由于安全通道內變電所處疏散寬度最小，最容易發生人員擁堵，為探究疏散寬度對安全通道內人員疏散的影響，結合工程調研數據，分別取變電所側疏散寬度為2 m，2.5 m，2.8 m，3 m。變電所側疏散寬度模擬工況見表4。

表4 變電所側疏散寬度工況及模擬時間表

2 計算結果與分析

2.1 變電所布置對安全通道內人員疏散的影響

各工況下變電所布置工況模擬時間及人員擁堵時間如表2所示。圖3～圖5是在變電所側疏散寬度為2 m，安全門與變電所間距變化時，人員疏散模擬時間T分別為100 s，250 s，350 s時，變電所附近的人員分布圖。

從表2可以看出變電所側疏散寬度一定時，安全門與變電所間距逐漸增大時，疏散時間僅有20 s～40 s的差異，相對于疏散模擬總時間(第一階段+第二階段)影響微弱。

由于人員在安全通道疏散階段，變電所側疏散寬度最小，人員密度最大，因此選用變電所附近的人員分布進行分析最具代表性，可直觀反映人員在安全通道內疏散時的擁堵情況。對變電所側疏散寬度為2 m、安全門與變電所間距變化時，同一時刻變電所附近人員分布(如圖3～圖5所示)進行分析。

在T=100 s時，隧道內的人員沒有疏散完畢，尚有部分人員未進入安全通道內，此時安全通道內人員數量正在逐步增長，變電所附近沒有產生擁堵現象，且各疏散工況下，變電所附近的人員分布情況基本一致。

在T=250 s時，隧道內的人員已經疏散完畢，隧道內全部人員進入安全通道內，此時安全通道內人員數量達到最大值，變電所附近因為疏散寬度有限，造成人員擁堵，且各疏散工況下，變電所附近的人員分布情況基本一致。

在T=350 s時，雖然安全通道內人員數量仍是最大值，但是隨著時間的延續，絕大部分人員已經從變電所處通過，變電所附近沒有產生擁堵現象，且各疏散工況下，變電所附近的人員分布情況基本一致。

可以看出，同一時刻，在20 m～60 m范圍內，隨著變電所與安全門間距的增加，變電所附近的人員分布基本一致。

對變電所側疏散寬度分別為2.5 m，3 m，安全門與變電所間距變化時，同一時刻變電所附近人員分布規律與2 m寬度下情況一致，即：變電所與安全門間距對安全通道內的人員疏散影響微弱，故其模擬結果云圖不再逐一列出。

2.2 安全門間距對安全通道內人員疏散的影響

各工況下變電所布置工況模擬時間及人員擁堵情況如表3所示。

變電所側疏散寬度2 m，同一時間、不同安全門間距時，變電所附近安全通道的人員分布情況如圖6～圖8所示。

從表3可以看出變電所側疏散寬度一定時，安全門間距逐漸增大時，疏散時間僅有20 s～30 s的差異，相對于疏散模擬總時間(第一階段+第二階段)影響微弱。

由圖6～圖8可以看出，變電所側疏散寬度2 m情況下，T=100 s時，變電所附近安全通道內人員分布圖可發現，人員未發生擁堵，且安全門間距對安全通道內人員疏散影響不大。隨著時間的增長，T=250 s，T=350 s時，安全通道內人員發生了擁堵，雖然各疏散工況下，同一時刻的擁堵程度不同，但是100 s～350 s時間段內，安全通道內人員疏散的整體趨勢一致，均為擁堵逐漸加重。同時可以看出，不同安全門間距對安全通道內人員疏散幾乎沒有影響。

變電所側疏散寬度2.5 m，3 m情況下，安全門之間間距變化時，安全通道內人員擁堵程度有所緩解，且同一時刻變電所附近人員分布規律與2 m寬度下情況一致，即：安全門間距對安全通道內的人員疏散影響微弱，故其云圖不再逐一列出。

2.3 變電所側疏散寬度對安全通道內人員疏散的影響

各工況下變電所側疏散寬度工況模擬時間及人員擁堵時間如表4所示。安全口與變電所間距20 m，同一時間、不同變電所側疏散寬度工況下，變電所附近安全通道的人員分布情況如圖9～圖11所示。

圖9～圖11是在安全口與變電所間距為20 m時，變電所側疏散寬度變化時，T分別為100 s，250 s，350 s時，變電所附近的人員分布圖。

通過對圖9～圖11進行分析，可以看出：

在T=100 s時，隧道內的人員沒有疏散完畢，尚有部分人員未進入安全通道內，此時安全通道內人員數量正在逐步增長，不同的變電所側疏散寬度下，變電所附近未產生擁堵。

在T=250 s時，隧道內的人員已經疏散完畢，隧道內全部人員進入安全通道內，此時安全通道內人員數量達到最大值。當變電所側寬度k=2 m時，變電所附近產生嚴重擁堵；當變電所側寬度k=2.5 m時，變電所附近有輕微擁堵發生；當變電所側寬度k=2.8 m/3.0 m時，變電所附近沒有擁堵發生。

在T=350 s時，雖然安全通道內人員數量仍是最大值，但是隨著時間的延續，絕大部分人員已經從變電所處通過，變電所附近沒有產生擁堵現象。

可以看出，同一時刻，在20 m～40 m范圍內，隨著變電所與安全門間距的增加，變電所附近的人員分布基本一致。

安全口與變電所間距為40 m時，可以發現同樣的規律，故其模擬結果云圖不再逐一列出。

可見，變電所側疏散寬度k=2 m時安全通道內擁堵程度最嚴重；k=2.5 m可以很大程度緩解擁堵，擁堵時間僅有30 s，相較于k=2 m工況，擁堵時間減少了184 s，降低了86%；k=2.8 m及k=3 m工況安全通道內基本不擁堵。因此，變電所側疏散寬度越大，安全通道內人員發生擁堵的程度越低，人員疏散時間越短。

變電所側疏散寬度也不是越大越好，寬度越大占用安全通道空間越大，變電所布置空間越小。綜合考慮變電所寬度需求及土建成本，建議安全通道內變電所側疏散寬度取2.5 m，既能滿足人員在安全通道內疏散需求，又可避免人員在安全通道內長時間擁堵，影響隧道內剩余人員疏散。

3 結論

本文運用Pathfinder軟件對某超長水下公路隧道的人員疏散進行了模擬研究，主要結論有以下幾點：

1)安全通道內變電所的布置、安全門間距對人員在安全通道內的疏散過程影響微弱，實際工程中，在二者設置不受限的情況下，建議安全通道內變電所的布置、安全門間距分別選取20 m，100 m，盡量縮短人員在安全通道內疏散過程中的擁堵時間。

2)不同變電所側疏散寬度對人員在安全通道內的疏散有很大影響，寬度越大越利于疏散，但是寬度太大會影響變電所布置空間，綜合考慮變電所寬度需求及土建成本，建議安全通道內變電所側疏散寬度取2.5 m，既能滿足人員在安全通道內疏散需求，又可避免人員在安全通道內長時間擁堵，影響隧道內剩余人員疏散。