雙洞盾構(gòu)隧道橫通道與滑梯組合疏散合理間距研究

張奧宇， 鄧敏， 胡彥杰

(1.中交第二公路勘察設計研究院有限公司，湖北 武漢 430056； 2.武漢中交交通工程有限責任公司)

1 前言

水下隧道的建設具有不影響通航、節(jié)約寶貴的地面建設用地、緩解周圍橋梁等設施的交通壓力等優(yōu)點。與一般山嶺隧道相比，水下隧道往往沒有可以利用的橫洞、斜井、豎井及平行導坑作為輔助疏散通道及通風單元，隧道內(nèi)防災救援問題更加突出；相比較城市隧道，公路水下隧道長度更長，與地面連接的出入口更少，需要疏散的人員更加集中，更容易發(fā)生人員擁擠的現(xiàn)象。

目前關(guān)于長隧道人員疏散路線的設計尚沒有一個統(tǒng)一的標準，需要結(jié)合隧道通風排煙設施及隧道實際土建現(xiàn)場條件綜合考慮決定。目前國內(nèi)外關(guān)于隧道人員逃生救援已經(jīng)做了較多的研究。張先富結(jié)合媽海灣過江通道工程分工況分別分析了單層盾構(gòu)隧道疏散和雙層盾構(gòu)隧道疏散的時間，給出了媽海灣隧道最佳疏散模式及疏散滑梯設置間距；姜獻民等針對隧道發(fā)生火災時人員恐慌心理造成的慌不擇路，設計了一種公路隧道智能疏散照明指示系統(tǒng)，將消防疏散由靜態(tài)“就近指示逃生”轉(zhuǎn)化為動態(tài)遠離火災“安全引導逃生”；屈建榮等結(jié)合Crane修正模型和FED死亡模型分別評價溫度和CO對人員的影響，給火災可用安全疏散時間的確定提出了一種新的思路；鄧敏等針對單洞雙層盾構(gòu)隧道分析了隧道疏散通道的疏散能力，并結(jié)合相關(guān)行業(yè)規(guī)范驗證了6 min黃金疏散準則；方正等對隧道人員疏散方法進行了綜合分析，指出了各種隧道疏散方式的優(yōu)缺點和適用條件，得出了中國水下隧道采用的下沉式滑道間距；高俊等分析了杭州過江通道火災時人員安全疏散的影響因素，得到了人員疏散通道的設置參數(shù)，給水下隧道的消防設計提供了參考。目前在國外主要是土木工程與消防工程跨學科研究火災人員疏散，主要研究領(lǐng)域是房屋建筑；Ruggiero Lovreglio等提出了疏散模型中人員不確定性的量化方法，同時將BIM、VR、AR等用來評價疏散過程中人員的心理變化和疏散知識教育方面的應用；Enrico Ronchi等運用目前主流的疏散模型軟件結(jié)合實際工程進行人員疏散仿真分析，對比了不同疏散模型結(jié)果的異同，同時給出了造成這種異同的原因。

但是目前關(guān)于海外復雜交通條件下(貨車比例高、交通量大)隧道疏散問題尚無經(jīng)驗可循，需要結(jié)合當?shù)厝巳禾匦约敖煌髑闆r采取隧道火災性能化設計方法來進行研究。該文以孟加拉國吉大港卡納普里隧道為工程依托，利用Pathfinder建立隧道人員疏散仿真模型，研究不同疏散模式下人員必須安全疏散時間，以期為海外水下雙洞盾構(gòu)隧道防災救援策略的制定提供依據(jù)。

2 工程概況及人員車輛估算

孟加拉國吉大港卡納普隧道為雙管單層盾構(gòu)隧道，隧道全長3 400 m，其中盾構(gòu)段長度2 450 m，雙向四車道。隧道橫斷面布置圖見圖1。為了滿足隧道發(fā)生火災時的逃生救援要求，在隧道盾構(gòu)段同時設置3處橫通道和人員疏散滑梯以滿足防災救援的要求，詳細布置見圖2。受困人員將通過疏散滑梯和相鄰橫通道進行逃生。根據(jù)國際道路協(xié)會(PIARC)的建議和公路隧道通風設計細則的相關(guān)規(guī)定，隧道內(nèi)火災規(guī)模設置為30 MW。該文將考慮隧道內(nèi)一處位置發(fā)生火災情況下隧道內(nèi)的人員疏散。

圖1 隧道橫斷面示意圖(單位：mm)

圖2 橫通道布置示意圖

待疏散人員的數(shù)量是整個疏散過程中很重要的設計參數(shù)，而影響隧道火災疏散人數(shù)的影響因素主要包括：① 火災的規(guī)模，火災的影響距離(與隧道橫通道布置情況有關(guān))；② 影響范圍內(nèi)的車輛數(shù)；③ 隧道內(nèi)各種車型車輛的比例；④ 各種車輛的最大載人數(shù)。

通過對孟加拉國吉大港當?shù)亟煌窟M行統(tǒng)計分析得出車型比例分布情況見表1。交通量按遠期交通量(2035年)進行考慮。

隧道內(nèi)車輛間距取1.5 m。隧道內(nèi)火災發(fā)生位置在橫通道2時為最不利情況，此時人員不能利用橫通道2進行逃生，疏散距離最長為橫通道2到橫通道3的距離為700 m。此時結(jié)合車輛長度和疏散區(qū)間長度即可確定隧道內(nèi)車輛數(shù)的具體分布情況，假設隧道內(nèi)所有車輛均為滿載，即小客車4人，中客車7人，大客車45人，其他均為2人。通過計算可以得出700 m區(qū)間共疏散人數(shù)為816人。

表1 隧道內(nèi)車型比例及車型尺寸

3 人員疏散場景設計

按照最不利原則考慮，火災位于橫通道2處，人員只能通過火源上游橫通道3和疏散滑梯進行逃生，且疏散過程中認為人員進入沿線的3處橫通道和位于隧道下方的疏散通道就說明疏散成功。人員行為具有隨機性和從眾性，人員將通過滑梯進入疏散通道進行逃生。該文將分別考慮不同疏散滑梯間距和滑梯參數(shù)分析得出疏散滑梯的最優(yōu)參數(shù)。由于Pathfinder中對于滑梯默認處理為對人員行動速度無影響，不符合實際情況。該文借鑒前人的研究經(jīng)驗，對人在滑梯上的運動行為采用多段勻加速直線運動進行簡化，如圖3所示。

圖3 滑梯簡化示意圖(單位：mm)

從圖3中可以看出：將人從滑梯滑下的過程分為兩段勻加速直線運動，橫向距離分別為S1和S2，坡度傾角分別為θ1和θ2，兩段的加速度分別為a1和a2，μ為靜摩擦系數(shù)，g為重力加速度，t1為滑行第一階段所用的時間，t2為滑行第二階段所用的時間，v1為第一階段滑行完人所具有的速度，v2為第二階段滑行完人所具有的速度。結(jié)合隧道內(nèi)橫斷面實際情況，取值如下：S1=1 m，S2=1.5 m，θ1=48°，θ2=25°，g=9.8 m/s2，μ=0.4，分別計算兩端的加速度如下：

a1=gsinθ1-gμcosθ1=4.66 m/s2

(1)

a2=gsinθ2-gμcosθ2=0.59 m/s2

(2)

(3)

v1=a1t1=2.50 m/s

(4)

(5)

(6)

t=t1+t2=1.15 s

(7)

考慮到人員在進入滑梯時預備動作的時間以及滑行后起身的時間，統(tǒng)一假定為5 s。故每個人通過滑梯進行疏散的時間是6.15 s?；輰挾仍O置為0.5 m，保證滑梯一次只能疏散一個人。在每一個疏散滑梯口處設置wait邊界條件，即每個人在疏散滑梯口等待6.15 s，保證每次滑梯疏散時只有一個人。該文通過建立不同疏散滑梯間距的Pathfinder模型計算人員疏散時間，根據(jù)中國相關(guān)項目的經(jīng)驗以及規(guī)范的要求(中國之前項目大多采取了80 m間距)，采取了60、80、100 m共3種疏散橫通道間距進行分析，疏散場景設置情況見表2。

表2 隧道火災疏散場景

Pathfinder建立的模型如圖4所示。人員速度分布采用正態(tài)分布，最大速度1.8 m/s，最小速度0.6 m/s，標準差為0.2。

圖4 隧道內(nèi)人員疏散模型示意圖

4 分析與討論

根據(jù)隧道內(nèi)人員疏散的安全準則，可用安全疏散時間(ASET)必須超過需要的安全疏散時間(REST)，如果滿足此條件，就可以認為疏散方案成功可行。即：

ASET(Available Safe Egress Time)>RSET(Required Safe Egress Time)

(8)

必須安全疏散時間RSET是指從起火時刻到人員疏散到安全區(qū)域的時間。緊急情況下的RSET包括火災探測器報警時間(talarm)、預動作時間(tpre)和人員疏散運動時間(tmove)。

RSET=talarm+tpre+tmove

(9)

其中根據(jù)隧道內(nèi)安裝的火災報警裝置的情況結(jié)合前人的研究經(jīng)驗，將探測報警時間設置為60 s。根據(jù)DGJ 08-88-2006《建筑防排煙技術(shù)規(guī)程》中的各種用途的建筑內(nèi)采用不同火災廣播系統(tǒng)時的人員預動作時間，將人員的預動作時間取為60 s。

根據(jù)不同的疏散滑梯間距，通過建立Pathfinder模型，獲得了不同場景的疏散運動時間。下面分別對隧道內(nèi)每種疏散場景進行分析。

疏散場景1、2、3分別為遠期交通量情況下，選取隧道內(nèi)橫通道2到橫通道3之間區(qū)間為研究對象，長度為700 m，疏散滑梯間距分別為60、80、100 m的情況進行疏散。數(shù)值模型計算的時間是人員從隧道內(nèi)隨機位置移動到疏散滑梯口和橫通道所用的時間。總的疏散時間如圖5所示。

由圖5可知：

(1) 工況1疏散運動時間共計554 s，加上120 s預疏散時間，必須安全疏散時間為674 s。工況1的平均疏散時間為197.2 s，疏散時間的標準差為140.1。疏散距離方面，最大疏散距離為158 m，標準差為29.9 m。

(2) 工況2疏散運動時間共計748 s，加上120 s預疏散時間，必須安全疏散時間為868 s。工況2的平均疏散時間為199.8 s，疏散時間的標準差為146.2。疏散距離方面，最大疏散距離為192.3 m，標準差為36.8 m。

(3) 工況3疏散運動時間共計907.4 s，加上120 s預疏散時間，必須安全疏散時間為1 027.4 s。疏散時間接近17 min，根據(jù)公路水下隧道設計細則(試行稿)的說法，人員疏散時間不得大于15 min，故此種工況無法滿足人員逃生救援的需求。工況3的平均疏散時間為314.5 s，疏散時間的標準差為249.7 s。疏散距離方面，人員最大疏散距離為254.6 m，標準差為43.8 s。

(a) 疏散場景1(工況1)

(b) 疏散場景2(工況2)

(c) 疏散場景3(工況3) 圖5 人員疏散運動時間

各工況下必須安全疏散時間匯總見表3。

表3 各工況必須安全疏散時間匯總

由表3可知：相對于工況1和2，當疏散滑梯間距為60 m時，疏散時間最小，但是相比較工況2，疏散時間減少幅度不大；而工況2各疏散滑梯的疏散人流較工況1更加平均，疏散滑梯的整體利用率較高。結(jié)合工程成本，采用工況2可以在滿足防災救援要求的情況下，節(jié)約工程造價。

按照目前《公路水下隧道設計規(guī)范》第13.9.2條：火災工況下水下隧道人員安全疏散時間應小于15 min，設置有專用排煙道和泡沫噴霧設施時，安全疏散時間可放寬至20 min。該隧道設計火災規(guī)模為30 MW，按照規(guī)范的要求沒有設置泡沫噴霧設施，故人員安全疏散時間應小于15 min，即900 s。結(jié)合規(guī)范情況可以表明：工況3難以滿足安全需求，工況1和工況2滿足安全需求。針對工況1、2，軟件生成的結(jié)果文件中可以整理出人員疏散的相關(guān)信息。表4、5分別為工況1、2情況下平均人流量變化情況。

表4 疏散滑梯間距為60 m時疏散參數(shù)

續(xù)表5

從表4、5可以看出：當疏散滑梯間距為60 m時，橫通道的平均人流量為0.96，遠遠大于其他疏散滑梯的平均人流量0.14，這說明此工況下，人員疏散主要依賴橫通道；當疏散滑梯間距為80 m時，橫通道的平均人流量為0.59，相比較60 m的工況，與其他疏散口的平均人流量差距在減小，疏散相較于60 m工況更為“平均”?？梢姡瑱M通道疏散能力遠遠大于疏散滑梯，今后進一步的研究在于如何在傳統(tǒng)滑梯設計上進行改進，提高疏散滑梯的疏散能力，減少公路水下隧道目前對于橫通道的依賴程度。

水下隧道橫通道建設風險高，故防災救援的設計思路主要是減少橫通道數(shù)量，使用輔助疏散設施進行疏散。目前由于孟加拉隧道斷面尺寸有限，初步設計方案采取了滑梯方案，滑梯由于人員等待時間的原因，疏散能力上反而不如樓梯，故有必要結(jié)合疏散仿真進一步分析確定。

5 結(jié)論

圍繞隧道內(nèi)的人員疏散滑梯間距開展了仿真模擬研究，結(jié)合人員預疏散時間，通過設置3種不同疏散滑梯間距工況來研究最佳間距。結(jié)果表明:

(1) 疏散滑梯間距為100 m時，不滿足人員疏散安全需求。

(2) 將疏散滑梯間距設置為80 m時，人員可以進行有效疏散；當減小滑梯疏散間距到60 m時，總的疏散時間減小幅度不大，疏散口的人流量表明疏散口的利用效率不高。故建議疏散滑梯設置間距為80 m。

(3) 由于吉大港隧道位于海外地區(qū)，有必要進行人員疏散方面的安全教育，增強人們的安全意識；同時后期應結(jié)合當?shù)貙嶋H情況(人員年齡組成、性別比例等)，制定出符合當?shù)厍闆r的人員疏散方案，有條件的可以在孟加拉當?shù)剡M行人員疏散演練以驗證疏散仿真試驗結(jié)果。