超大直徑深水盾構(gòu)隧道人員安全疏散研究

彭佳湄

(中鐵第四勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司，武漢 430063)

公路隧道火災(zāi)由于發(fā)生的不可預(yù)測性，無法完全杜絕。隧道內(nèi)空間狹小，災(zāi)害的發(fā)生通常伴有交通阻塞，若防災(zāi)設(shè)計和疏散救援方式不合理，會造成嚴(yán)重的人員傷亡和財產(chǎn)損失[1]。

通過國內(nèi)外隧道疏散通道設(shè)置情況的調(diào)研表明，隧道防災(zāi)疏散主要通過橫向聯(lián)絡(luò)通道、縱向通道或上下層相互逃生的方式來實現(xiàn)[2-4]。

隨著過江隧道往大直徑、長距離、大水深等發(fā)展，隧道內(nèi)人員安全問題日益突出。然而目前國內(nèi)外對超大直徑長距離隧道的安全疏散方案較少，為確保隧道的安全和正常運(yùn)營，本文以南京和燕路過江通道工程(南段)為例，探討長大公路盾構(gòu)隧道的防災(zāi)救援設(shè)計。

1 工程概況

南京和燕路過江通道工程(南段)全長約5.725公里，采用隧道方式穿越長江主江，按雙向六車道城市快速路標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)，設(shè)計速度為80公里/小時。

圖1 平面設(shè)計圖

隧道地質(zhì)條件復(fù)雜、水壓高、建設(shè)環(huán)境敏感，過江段盾構(gòu)管片外徑14.5米，內(nèi)徑13.3米，系國內(nèi)超大直徑盾構(gòu)首次一次穿越強(qiáng)透水砂層、土巖復(fù)合地層、全斷面硬巖層、巖溶地層和區(qū)域斷裂等多種復(fù)雜地質(zhì)條件組合的水下隧道，且是國內(nèi)水壓最高的超大直徑水下盾構(gòu)隧道。

設(shè)計初步采用在行駛前進(jìn)方向隧道左側(cè)路緣帶及防撞側(cè)石處，縱向交叉設(shè)置樓梯和滑道的疏散方式。該種疏散口設(shè)計可同時解決人員疏散和消防救援需求，疏散滑道作為疏散樓梯在蓋板壓住情況下的補(bǔ)充，形成了人員快速、安全疏散和結(jié)構(gòu)經(jīng)濟(jì)性的融合。

圖2 盾構(gòu)橫斷面設(shè)計圖(逃生樓梯)

圖3 盾構(gòu)橫斷面設(shè)計圖(逃生滑道)

2 人員安全疏散參數(shù)

綜合本項目工程可行性研究報告以及《中華人民共和國道路交通安全法》等法律法規(guī)要求，可知高峰時隧道內(nèi)的人員載荷量計算如下式所示：

隧道內(nèi)人員載荷=(貨車比例×貨車載客量+客車比例×客車載客量+貨車比例×貨車載客量)×總車輛數(shù)

計算得出盾構(gòu)段發(fā)生火災(zāi)時的人員載荷如表1。

表1 火災(zāi)工況的人員載荷

針對不同人員在樓梯間的疏散速度[5-6]，考慮到中西方人員不同的差異，在取值時給予一定的保守估計，不同類型人員的疏散速度取值范圍及形體特征尺寸如表2所示。

表2 人員疏散速度和形體特征

3 人員疏散時間

火災(zāi)發(fā)生之后，除火源附近區(qū)域的人員外，其他人員一般情況下不會馬上開始疏散。根據(jù)研究，人員的疏散時間一般包括幾段離散的時間間隔，大致可簡化為報警時間、響應(yīng)時間和疏散行走時間三個階段[7]，可用下式表示：

TRSET=TA+TR+TM

(1)

式(1)中：TA—報警時間(s)，是指從火災(zāi)發(fā)生到火災(zāi)報警系統(tǒng)報警的這段時間。本隧道中設(shè)有火災(zāi)自動報警系統(tǒng)，能夠及時發(fā)現(xiàn)火災(zāi)。本文將火災(zāi)報警時間保守的設(shè)為60 s[8]。

TR—響應(yīng)時間(s)，是指從火災(zāi)自動報警系統(tǒng)報警到人員開始疏散為止的這段時間。本項目建筑內(nèi)設(shè)有聲音廣播系統(tǒng)，火災(zāi)報警方式屬于W1類型，按各種用途的建筑物采用不同火災(zāi)報警系統(tǒng)的人員響應(yīng)時間，其時間應(yīng)小于2 min[9]。本文將人員響應(yīng)時間保守的設(shè)為120 s。

TM—疏散行走時間(s)。一般情況下，TM即為軟件模擬所得時間。

4 盾構(gòu)段人員安全疏散工況

本項目盾構(gòu)段隧道內(nèi)的人員在火災(zāi)場景下，采用疏散樓梯和疏散滑梯交叉布置的疏散方式，如圖4所示。分別選取疏散滑梯與疏散樓梯間距為60 m、80 m兩種布置方案，比較不同疏散間距對疏散時間的影響。疏散過程中人員不能跨火源進(jìn)行疏散；在本項目中考慮疏散的最不利工況，即火源恰好發(fā)生在中心位置的情況。

圖4 盾構(gòu)段疏散樓梯和疏散滑梯交叉布置圖

在隧道的疏散過程中，隧道坡度普遍較小，對于人員的影響較其他因素而言較小，故在進(jìn)行人員疏散參數(shù)研究過程中，主要考慮隧道側(cè)邊的疏散滑梯和樓梯的設(shè)置間距、疏散滑梯或樓梯的通行率這兩個因素。

根據(jù)《公路隧道交通工程設(shè)計規(guī)范》(JTG/T D71—2004)及研究資料，盾構(gòu)段人員安全疏散的具體工況設(shè)置如表3所示。

表3 盾構(gòu)段人員安全疏散工況表

5 安全疏散結(jié)果分析

綜合工程特性及人員安全疏散參數(shù)等因素，建立出各個疏散場景的PathFinder模型，如圖5-圖6所示。

圖5 疏散模型效果圖

圖6 盾構(gòu)隧道內(nèi)人員疏散整體模型圖

通過對隧道內(nèi)人員安全疏散進(jìn)行數(shù)值模擬計算，可以得出人員安全疏散行走時間，如表4所示。

從表4得出，逃生滑梯與樓梯在人員逃生方面功能相同，兩者交叉布置時通行能力滿足人員疏散的要求；滑梯和樓梯布置間距越小，人員疏散所用時間越短；當(dāng)在此基礎(chǔ)上增加車行橫通道時，疏散時間略小于無橫通道的情況，作用有限。

綜合考慮火災(zāi)場景下的人員疏散行走時間、火災(zāi)報警時間以及火災(zāi)報警信號發(fā)出后的人員響應(yīng)時間，最后可得到各場景的必需安全疏散時間，如表5所示。

在南京和燕路過江通道工程(南段)各位置處發(fā)生大型火災(zāi)時，若以合理的煙控方案進(jìn)行煙氣組織，都能保證隧道內(nèi)火源上游2 m高處各參數(shù)的可用安全疏散時間都超過1 800 s；通過隧道內(nèi)可用安全疏散時間與必需安全疏散時間進(jìn)行對比，可以得到隧道內(nèi)疏散設(shè)施的合理關(guān)鍵參數(shù)。

盾構(gòu)段可用安全疏散時間與必需安全疏散時間對比表具體如表6所示。

表4 人員安全疏散行走時間

表5 人員疏散必需安全疏散時間

表6 隧道內(nèi)可用安全疏散時間與必需安全疏散時間對比分析表

6 結(jié)論

針對超大直徑深水盾構(gòu)隧道，本文提出了盾構(gòu)段采用樓梯和滑梯相間布置的方式來疏散人群。通過對人員的疏散模擬分析，并與火災(zāi)煙氣模擬計算結(jié)果進(jìn)行比較，可以得到如下結(jié)論：

1)在各個坡度下，在合理的煙控方案下，盾構(gòu)段利用橫通道、樓梯和滑梯交叉布置進(jìn)行人員疏散，當(dāng)樓梯及滑梯布置間距60 m時，人員必需安全疏散時間最小為535 s，少于1 800 s，僅從人員疏散時間方面考慮，均能夠滿足人員安全疏散的要求。

2)當(dāng)樓梯及滑梯布置間距為80 m時，人員必需安全疏散時間最小為668 s，相比60 m間距的方案必需疏散時間增加24.8%。

3)盾構(gòu)段增設(shè)一處車行橫通道后，樓梯及滑梯間距60 m和80 m兩種情況下，必須疏散時間分別為521 s和630 s，與未設(shè)橫通道相比疏散時間分別縮短 2.6%和 5.7%，效果有限。

4)依據(jù)公路隧道相關(guān)設(shè)計規(guī)范，參考水下隧道設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，本隧道應(yīng)進(jìn)行人行橫通道。但由于本隧道橫通道采用暗挖法施工，施工空間較小，施工難度大，橫通道處防水質(zhì)量難以保證。而且本工程盾構(gòu)穿越地層主要為粉細(xì)砂，且局部液化，橫通道與主隧道連接處受力集中且剛度相差較大，當(dāng)受到外部作用后(地震、不均勻沉降)，容易引起結(jié)構(gòu)開裂、漏水等風(fēng)險。如參照以上兩個規(guī)范在江底設(shè)置橫向聯(lián)絡(luò)通道，施工條件惡劣，施工風(fēng)險極大，稍有不慎就會造成災(zāi)難性后果。

綜上所述，盾構(gòu)段采用疏散樓梯和疏散滑梯交叉布置作為輔助疏散，當(dāng)疏散滑梯和樓梯布置間距為60 m時，可以滿足安全疏散的需要。