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(shí)間、高溫?zé)煔獾挠绊?、隧道橫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(shí)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(tái)，研究了人員在緊急逃生和正常情況行走時(shí)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(shí)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(gè)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(gè)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(shí)間步長設(shè)為0.025 s，模擬限制時(shí)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(shí)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(shí)，對應(yīng)疏散時(shí)間為15、30、60 s時(shí)的人員分布如圖3—5所示?？芍?當(dāng)樓梯間距為60 m時(shí)，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(shí)，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(shí)間為15 s

(b) 疏散時(shí)間為30 s

(c) 疏散時(shí)間為60 s圖3 樓梯間距為60 m時(shí)人員分布

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

(a) 疏散時(shí)間為15 s

(b) 疏散時(shí)間為30 s

(c) 疏散時(shí)間為60 s圖4 樓梯間距為80 m時(shí)人員分布

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

(a) 疏散時(shí)間為15 s

(b) 疏散時(shí)間為30 s

(c) 疏散時(shí)間為60 s

圖5樓梯間距為100 m時(shí)人員分布

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

各時(shí)段疏散總?cè)藬?shù)如表4所示。當(dāng)疏散剛開始時(shí)，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(shí)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(shí)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(shí)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(shí)間，當(dāng)與滑梯實(shí)際疏散時(shí)間相同時(shí)，此時(shí)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(shí)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(hào)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(hào)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(shí)，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(shí)，最大出口通過率已接近3； 當(dāng)間距為100 m時(shí)，各滑梯整體通過率相對比較大，此時(shí)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(shí)，整體通過率維持在0.8，當(dāng)滑梯間距為80 m時(shí)，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(shí)，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(shí)間關(guān)系如圖8所示。由圖8可知： 當(dāng)滑梯間距為60 m時(shí)，同一時(shí)刻疏散人員最多，疏散速度最快，間距為80 m時(shí)次之，間距為100 m時(shí)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(huì)導(dǎo)致疏散時(shí)間過長，人員暴露于危險(xiǎn)環(huán)境的時(shí)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(shí)間對比如表6所示。在相同條件下，樓梯疏散時(shí)間比滑梯時(shí)間長，間距范圍為60～90 m時(shí)，隨著2種疏散方式間距的增大，疏散時(shí)間也在增大，其中間距為60～70 m時(shí)疏散時(shí)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(shí)，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(shí)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(shí)間如圖10所示，可知： 當(dāng)樓梯間距為60 m時(shí)，隨著人行橫通道間距的增大疏散時(shí)間越來越短，此時(shí)較短的人行橫通道間距會(huì)加劇人員疏散的擁堵； 當(dāng)樓梯間距為80 m時(shí)，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(shí)，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(shí)，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(shí)，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(shí)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(shí)(重點(diǎn)排煙失效情況)，即縱向排煙，此時(shí)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(shí)的排煙方式為半橫向重點(diǎn)排煙(同時(shí)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(shí)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(huì)充滿整個(gè)下游區(qū)域，當(dāng)下游發(fā)生堵塞時(shí)，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(shí)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(shí)間的研究，僅依靠樓梯的模式所耗費(fèi)的疏散時(shí)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(shí)間(RSET)。結(jié)合上文對可用安全疏散時(shí)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(shí)開啟上下游排煙口，此時(shí)RSET曲線均在ASET曲線以下，不受火災(zāi)威脅。不開啟排煙口時(shí)，不安全的范圍在火災(zāi)下游，當(dāng)樓梯間距為60、80、100 m時(shí)，不安全范圍分別為200、200、400 m； 只開啟下游排煙閥時(shí)，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(shí)，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(shí)，應(yīng)優(yōu)先選擇同時(shí)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(shí)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(shí)，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(shí)，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(shí)間比滑梯時(shí)間長，隨著2種疏散工具間距的增大，疏散時(shí)間也在增大，其中間距為60～70 m時(shí)疏散時(shí)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(shí)，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(shí)應(yīng)該優(yōu)先考慮同時(shí)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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