公路隧道垂直疏散通道設計參數(shù)研究

惠豫川 肖益民 黃浩天p>

公路隧道垂直疏散通道設計參數(shù)研究

惠豫川 肖益民 黃浩天p>

（重慶大學土木工程學院 重慶 400045）

隧道疏散救援研究是當今地下工程領域一個重要的研究方向。為給公路隧道垂直疏散通道的參數(shù)設計提供依據(jù)，針對公路隧道中的滑梯、樓梯這兩種常見垂直疏散通道的寬度、間距等參數(shù)進行了研究。基于人員在隧道中的實際疏散行為、運動速度等因素，考慮人員疏散行動中的反應，運用Pathfinder軟件建立了隧道疏散模型。其中引入了“多米諾骨牌”階段性效應將隧道按照與火災點位置的不同劃分為不同的響應時間區(qū)域。并利用前人的現(xiàn)場疏散實驗數(shù)據(jù)驗證了模型的準確性?？紤]隧道全線堵塞、車輛滿載的極端交通條件及火災發(fā)生在隧道中間一處疏散通道位置的不利情況，研究了滑梯、樓梯不同間距及樓梯不同寬度對人員疏散時間及通過能力的影響。結果表明，樓梯寬度在0.8～1.1m之間每增加0.1m，通過能力增加約0.04人/s；寬度達到1.1m及以上時，每增加0.1m，通過能力增加約0.1人/s。在人員可用安全疏散時間（ASET）設定為8min的條件下，基于最長疏散時間及短暫聚集原則，通過對比分析得到了滑梯的最佳間距，擬合得到了樓梯最佳間距與寬度之間的關系式。此外，從降低建設成本及減小疏散口踐踏等次發(fā)事故發(fā)生概率的角度考慮，相比于減小間距，增大樓梯的寬度更有利于人員的安全疏散。

隧道工程；公路隧道；Pathfinder；垂直疏散；疏散口設計

0 引言

當前國內外公路隧道的主要疏散方式分為水平疏散和垂直疏散，水平疏散通道在緊急情況時可保證人員快速撤離，已成為雙洞公路隧道的主要疏散方式；垂直疏散方式一般應用在隧道的上層通風或車道區(qū)域與下層的安全服務通道或車道區(qū)域之間，多為滑梯或樓梯。

目前，國內外學者對公路隧道中的人員疏散問題已經進行了大量研究。李削云[1]蒼嶺隧道為背景，采用理論與疏散軟件相結合的方式，提出中小規(guī)?；馂那闆r下公路隧道的安全疏散時間應控制在8min之內；向月[2]以公路隧道疏散橫通道為研究對象，對公路隧道疏散橫通道的通過能力進行了研究，提出了公路隧道疏散橫通道人員通行時間的計算方法；Nilsson等[3]開展了某公路隧道內的人員疏散實驗，研究了人員在火災緊急情況下的行為和情緒反應，以及綠色閃光燈是否會對出口的選擇產生影響；Ronchi等[4]研究對比了不同的公路隧道疏散模型，并通過公路隧道的案例，分析了不同模型產生差異的主要因素；Caliendo等[5]建立了彎曲公路隧道的STEPS疏散模型，研究了人員疏散時間的主要影響因子，并指出隧道報警系統(tǒng)的存在會減少大多數(shù)人員的撤離時間。上述研究主要集中于對人員在隧道中的水平運動行為與相關影響因素的考察以及人行橫洞參數(shù)的設置，未涉及垂直疏散通道對人員撤離性能的影響。

文獻[6,7]對公路隧道的垂直疏散方式進行了現(xiàn)場實驗，研究了人員通過垂直通道的疏散行為和疏散性能，并獲得了垂直疏散通道的占用時間、通過能力等基礎性參數(shù)。本文同時考慮人員在隧道中的垂直運動與水平運動行為，建立某二車道公路隧道的Pathfinder疏散模型，并運用前人的疏散實驗數(shù)據(jù)對模型進行驗證。最后以人員安全為判斷依據(jù)，開展不同垂直疏散通道的基礎性參數(shù)研究，以期為類似公路隧道垂直疏散通道的設計及人員疏散誘導提供理論參考。

1 背景及研究方法介紹

1.1 背景介紹

本文以二車道公路隧道為研究背景，該隧道為無信號燈高等級城市快速主干道路，僅限非危險化學品等機動車通行，設計火災規(guī)模為20MW。隧道采用雙洞單向行駛雙車道形式，上層為車行通道，下層為安全服務通道，層間高差3.05m，車行道寬7.8m。工程通風方案為全射流縱向通風，通風排煙方向與行車方向一致，隧道標準橫斷面如圖1所示。

圖1 標準橫斷面結構圖

1.2 人員疏散研究方法

人員疏散的安全判定一般是通過比較可用安全疏散時間ASET與必需安全疏散時間RSET，當ASET＞RSET時，認為人員可安全撤離。

本文考慮隧道人群擁擠的不利情況，參考文獻[1] ，取ASET為8min；RSET通過Pathfinder數(shù)值模擬獲取。緊急情況下的RSET包括火災探測報警時間、人員預動作時間和人員疏散運動時間，通常將前兩項統(tǒng)稱為人員疏散響應時間。引入“多米諾骨牌”階段性效應[8]，按照與火災點位置的不同，以20m的長度將隧道分成不同的響應時間區(qū)域。距離事故最近的區(qū)域，人員主要通過聞到異味或看到火焰和煙氣發(fā)現(xiàn)火災，響應時間設定為30s；其他區(qū)域的人員主要通過火災報警器發(fā)現(xiàn)，考慮60s的火災探測報警時間，預動作時間的平均值依次增加13s，并認為隧道設備完備情況下各區(qū)域的疏散響應時間最多為120s。

2 模型建立及驗證

2.1 疏散模擬基礎參數(shù)

采用Pathfinder軟件進行人員疏散的模擬，本節(jié)主要涉及隧道內車輛的組成與分布、滯留人員的數(shù)量與行為特征的設定及垂直疏散通道的設計。

參考《機動車類型術語和定義》（GA 802- 2014），車輛分布比例及參數(shù)見表1。為增加安全水平，針對隧道全線堵塞的極端交通情況進行研究，設定車輛間距為1m[4]。

表1 車輛參數(shù)設定

據(jù)研究統(tǒng)計[4]，緊急情況下人員在隧道內行走的平均速度為1.25m/s，本文設定為1.0～1.5m/s，人員肩寬45.48cm，模擬采用steering運動模式。

為充分提高隧道的安全水平，假設火災發(fā)生在區(qū)段中間的疏散通道位置，由于火災時火煙向災區(qū)下風向擴散，因此模擬研究范圍為該隧道火災點的下風向區(qū)段，850m長，分別考慮垂直疏散方式為樓梯和滑梯兩種方式。

需要注意的是，軟件無法直接模擬滑梯，需要將滑梯等效為樓梯，如圖2所示。通過設置不同的樓梯梯步高度、寬度來改變通過能力，當其與滑梯通過能力相當時，認為此時樓梯的參數(shù)為滑梯的等效參數(shù)。忽略滑梯坡度的變化，參考部分國內公路隧道的垂直疏散通道參數(shù)[9]，設置等效樓梯坡度為35°，梯步高度分別設定為12cm、14cm、16cm、18cm、20cm、22cm，寬度設定為48cm和50cm。

考慮滑梯口同時只能允許1人通過，將人員在滑梯上的運動過程看作是勻加速運動，運動時間可以通過理論計算得到：

其中：為人員下滑加速度，m/s2；為重力加速度，取為9.81m/s2；為滑梯坡度；為坡面摩擦系數(shù)，取0.4；為坡面長度，m。計算得到人員通過滑梯的滑行時間為2.11s。再考慮人員使用滑梯逃生消耗的準備及從滑梯坐起的時間為5s[9]，得到人員通過滑梯的總時間為7.11s。

圖2 滑梯等效示意圖

本文不嚴格區(qū)分人員的性別、年齡等因素，通過改變人員步行速度來改變運動時間。圖3顯示了樓梯梯步高度為12cm、寬度為50cm時，人員通過樓梯的時間與步行速度之間的關系。計算得到此樓梯參數(shù)下的人員平均下行時間為5.5s，用同樣的方法依次模擬獲得不同樓梯寬度下，各梯步高度與平均下行時間的關系，如圖4所示。從圖4中可以看出，樓梯寬度和梯步高度對人員疏散有顯著影響，具體表現(xiàn)為：樓梯寬度越大，平均疏散時間越短，在同樣的樓梯寬度下，平均疏散時間隨梯步高度的的增加而增加。經過模擬插值，得到滑梯的等效樓梯參數(shù)為坡度35°、梯步高21cm、樓梯寬度48cm。

圖3 人員運動速度與疏散時間的關系

圖4 梯步高對平均下行時間的影響

綜合考慮工程實際并參考類似工程設計，在區(qū)段南側均勻布置垂直疏散口，并根據(jù)《道路隧道設計規(guī)范》（DGTJ08-2033-2008），設置樓梯寬度分別為0.8m、0.9m、1.0m、1.1m、1.2m、1.3m和1.4m，坡度為35°，具體設計工況見表2。

表2 垂直疏散口設計情況

2.2 模型驗證

本文利用Zhang等人[7]在錢江路隧道內進行的垂直通道疏散實驗數(shù)據(jù)對疏散模型進行驗證，表3為模型的驗證結果，可以看出，模擬的各項數(shù)據(jù)與實驗數(shù)據(jù)之間均存在不同程度的誤差，但誤差都在可接受范圍內，可以說明模型的準確性。

表3 模型驗證

此外，滑梯是通過等效為樓梯進行模擬的，等效模型忽略了人員在滑梯上的下滑細節(jié)，如限制了個人的下行速度、增加了同時出現(xiàn)在滑梯上的人數(shù)，但從整體平均通過率的結果對比來看，滑梯等效為樓梯是比較合理的。且在模擬過程中，人員依次通過滑梯口進入滑梯，未出現(xiàn)兩個及以上的人員并排進入滑梯的情況，對于待疏散人數(shù)較多的疏散場景，等效樓梯口的人員排隊疏散狀態(tài)、等待時間等也與滑梯的實際疏散特點相符。

3 結果討論與分析

3.1 滑梯間距對人員疏散的影響

利用Pathfinder的“等待”命令按照表1為各區(qū)域設定相應的疏散響應時間，人員及車輛參照表2隨機布置，隧道待疏散總人數(shù)為2133人。

分別提取滑梯各縱向間距時火災下游第1、3、6三個滑梯的通過率數(shù)據(jù)，如圖5所示。從圖5中可以看出，隨著滑梯間距的增大，人員到達第1個滑梯口的時間逐漸延遲，不同滑梯間距下的人員通過率基本都維持在0.2～0.5人/s。最大通過率沒有明顯差異，依次為0.53人/s、0.52人/s、0.54人/s、0.52人/s、0.53人/s，這主要是因為滑梯的疏散能力限制了人員最大通過率。

表4為不同滑梯間距下的人員疏散情況，可以看出，滑梯的縱向間距對人員平均通過率有很大的影響，隨著間距的增大，平均通過率基本呈上升趨勢。原因為：滑梯間距增大后，人員更多的分布在前往滑梯口的路線上，使得疏散初期的人員處于非擁擠連續(xù)疏散狀態(tài)，疏散速度較快；此后滑梯口附近的聚集人數(shù)逐漸增加，滑梯口堵塞導致通過能力下降，因此滑梯間距的適當增大可以提高人員平均通過率?？梢酝茢啵敾蓍g距增大到一定值時，平均通過率會達到飽和。在設定的“8min”原則下，為滿足隧道極端交通條件下人員的安全疏散要求，建議滑梯的最佳縱向間距設置為45m。

圖5 不同間距下的滑梯通過率（低通濾波處理，頻率=0.035）

表4 不同滑梯間距下的人員疏散時間

3.2 樓梯寬度及間距對人員疏散的影響

分別模擬不同的樓梯寬度及間距下人員的疏散情況，以得到最佳的樓梯參數(shù)，以樓梯寬度為0.8m時為例進行分析，人員疏散情況見表5。

表5 0.8m樓梯寬度下的人員疏散情況

從表5可以看出，在疏散人數(shù)很多時，樓梯的平均通過率與樓梯縱向間距關系不大，這是因為在上述設定的樓梯間距下，人員平均通過率已基本達到飽和。根據(jù)模擬結果，建議0.8m樓梯寬度時的最佳縱向間距設置為75m。所有樓梯工況下的人員平均通過率與樓梯參數(shù)的關系見圖6，各樓梯寬度下的最佳間距及其對應的人員疏散情況見表6。

圖6 樓梯各工況下的平均通過率

表6 各樓梯寬度下的最佳間距及對應疏散情況

從圖6中可以看出，同一樓梯寬度下的人員平均通過率差異很小。隨著樓梯寬度的增大，平均通過率逐漸提高。樓梯寬度在0.8～1.1m之間變化時，平均通過率上升速度較慢，樓梯寬度每增加0.1m，通過能力增加約0.04人/s；樓梯寬度達到1.1m及以上時，平均通過率上升速度明顯變快，每增加0.1m的樓梯寬度，通過能力增加約0.1人/s?？梢苑治觯簶翘菁訉捄?，樓梯上可容納的人數(shù)增加，人員在橫向寬度方向上的擁擠程度減小，下行速度加快，使得通過率提高。樓梯寬度小于1.1m時，隨著樓梯寬度的增加，可容納的人數(shù)雖有增多，但人員擁擠推攘依然是限制通過率的主要因子，導致平均通過率增加較為緩慢；樓梯寬度達到1.1m及以上時，樓梯上的可容納人數(shù)成為決定通過率的主導因素，因此平均通過率的增幅明顯變大。

《道路隧道設計規(guī)范》（DGTJ08-2033-2008）明確規(guī)定：疏散至上（下）通道的樓梯，每秒通過人數(shù)不得大于1人。上述各樓梯工況，除1.4m寬度的平均通過率稍大于1人/s外，其余工況均符合規(guī)范要求。表6顯示，樓梯的最佳縱向間距隨著樓梯寬度的增加逐漸變大。通過回歸分析得到最佳間距（）與樓梯寬度（）的線性回歸方程為：

回歸相關系數(shù)為0.9490，如圖7所示。

采用檢驗法對上述回歸方程進行假設檢驗，取顯著性水平為0.001，有：

則認為線性回歸方程顯著。

還應指出，通過增加疏散樓梯的寬度可以明顯提高人員通過率，增大疏散縱向間距、減少樓梯口數(shù)量，降低建設成本，且能使人員盡可能多地分布在前往樓梯的路上，可在一定程度上緩解樓梯口的堵塞情況，減少踐踏等次發(fā)事故的發(fā)生概率。此外，還可使人員排隊的地點更加遠離火區(qū)，但應注意加大樓梯寬度后需能保證人員安全疏散滿足要求，且樓梯通過率應符合規(guī)范相關規(guī)定。

4 結論

本文采用Pathfinder仿真模擬軟件建立了二車道公路隧道的人員疏散模型，并利用前人的實驗數(shù)據(jù)對模型進行了驗證?？紤]全線堵塞的極端交通情況下，垂直疏散通道的相關設計參數(shù)對人員疏散的影響，主要得出了以下結論：

（2）隨著樓梯寬度的增大，人員平均通過率逐漸提高，但不是嚴格按照直線關系變化。分析人員在樓梯上的疏散行為及主要影響因素，樓梯寬度在0.8～1.1m之間變化時的平均通過率增幅較小，寬度每增加0.1m，通過能力增加約0.04人/s；樓梯寬度達到1.1m及以上時，平均通過率增幅明顯變大，寬度每增加0.1m，通過能力增加約0.1人/s。

（3）在保證隧道人員安全疏散的前提下，為降低建設成本和疏散口踐踏等次發(fā)事故的發(fā)生概率，相較于減小樓梯的間距，增大樓梯的寬度更加合適。

（4）仿真模型建立過程中對滑梯進行了簡化和等效處理，與實際情況有一定的差異。在今后進一步的研究工作中，還需結合滑梯的實際結構特點，綜合考慮垂直疏散通道的設計參數(shù)對人員疏散的影響。

[1] 李削云,馬險峰,王俊淞.公路隧道火災逃生疏散研究[J].中國安全科學學報,2011,21(5):66-71.

[2] 向月.公路隧道疏散橫通道人員通過能力研究[D].成都:西南交通大學,2014.

[3] Nilsson D, Johansson M, Frantzich H. Evacuation Experiment in Road Tunnel: A Study of Human Behavior and Technical Installations[J]. Fire Safety Journal, 2009,44(4):458–468.

[4] Ronchi E, Colonna P, Capote J, et al. The Evaluation of Different Evacuation Models for Assessing Road Tunnel Safety Analysis[J]. Tunneling and Underground Space Technology, 2012,30:74-84.

[5] Caliendo C, Ciambelli P, Guglielmo M L D, et al. Simulation of People Evacuation in the Event of a Road Tunnel Fire[J]. Procedia-Social and Behavioral Sciences, 2012,53:178-188.

[6] 曹應龍.水下大斷面公路隧道人員豎向疏散試驗研究[D].成都:西南交通大學,2016.

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[9] 張先富.媽灣跨海隧道排煙技術及人員疏散研究[D].成都:西南交通大學,2017.

Study on the Design Parameters of Vertical Evacuation Channels for Highway Tunnel

Hui Yuchuan Xiao Yimin Huang Haotian

( School of Civil Engineering, Chongqing University, Chongqing, 400045 )

The research of tunnel evacuation and rescue is an important topic in the field of underground engineering. To provide a foundation for the parameter design of vertical evacuation channels of highway tunnel, had studied the width and spacing aiming at two common vertical evacuation channels, slide and stair. Based on actual evacuation behavior and movement speed of personnel in tunnel, and considering the response in evacuation, Pathfinder software was adopted to establish the tunnel evacuation model. A "domino effect" was introduced to divide the tunnel into different response time zones according to the distance from the fire. And the accuracy of the model was verified by using the data of previous evacuation experiments. Considering the severe traffic conditions of full blockage and full load of vehicles, and the adverse situation of fire occurring in an evacuation channel in the middle of the tunnel, the effects of different spacing of slides and stairs and different width of stairs on evacuation time and pass capacity of personnel were studied. The results show that every 0.1m increase in the width of from 0.8 to 1.1m, the traffic capacity of stairs can bring an increase of approximately 0.04 persons per second; when the width reach 1.1m or above, each 0.1m increase will improve the capacity by about 0.1 persons per second. Under the condition that the available safe evacuation time (ASET) is set at 8min, based on maximum evacuation time and short gathering principle, the optimal spacing of slide is obtained through comparative analysis, and the relational equation between the optimal spacing and width of stairs is obtained by fitting. In addition, from the perspective of reducing the construction cost and the probability of the accident of evacuation exit trample, increasing the width of stairs is more conducive to the safe evacuation of personnel comparing with decreasing the spacing.

Tunnel engineering; Highway tunnel; Pathfinder; Vertical evacuation; Evacuation exits design

U459.2

A

1671-6612（2020）02-157-07

惠豫川（1994-），男，在讀碩士研究生，E-mail：1562379496@qq.com

肖益民（1974-），男，博士，教授，E-mail：xiaoyimin@cqu.edu.cn

2019-05-22