明挖城市地下道路外部豎向疏散通道對隧道內(nèi)人員疏散的影響分析

李智 郝云峰 王霞 王珂珂

1.北京市首都公路發(fā)展集團有限公司 100161

2.北京科技大學(xué)土木與資源工程學(xué)院 100083

3.北京市市政工程設(shè)計研究總院有限公司 100082

4.中鐵工程設(shè)計咨詢集團有限公司 北京 100055

引言

隨著城市地下道路建設(shè)在全國交通部署中占有地位越來越重要，地下隧道數(shù)量不斷增加，如何保障城市地下道路在火災(zāi)或其他突發(fā)情況下人員疏散的安全性是目前急需解決的問題。部分學(xué)者開展了城市地下道路人員疏散的研究，劉寬等［1］對在建的某城市越江隧道采用橫通道和疏散滑梯的效果進行了模擬分析，結(jié)果表明高密度人群情況下，僅采用人行橫通道的疏散時間短于僅采用疏散滑梯，而中低密度時二者疏散等效；王霞［2］對城市地下道路采用單獨橫、縱向聯(lián)絡(luò)通道、橫縱向并用聯(lián)絡(luò)通道和同洞上下逃生四種方式進行分析，給出了各類通道寬度和間距的建議值。甘廷霞等［3］對某海底隧道疏散樓梯間距進行了模擬分析，給出建議的疏散樓梯間距為80m。宮偉軍［4］對城市隧道不同火災(zāi)場景下人員安全疏散所需時間進行了模擬分析?，F(xiàn)有隧道人員疏散研究重點關(guān)注隧道主體內(nèi)部人員逃生至安全區(qū)的過程，但對隧道主體外部的逃生結(jié)構(gòu)，如明挖隧道豎向逃生通道的前室、逃生樓梯等，對于隧道主體人員疏散過程，尤其是隧道口聚集人群的疏散過程的定量影響缺乏認識。而實際上，當(dāng)外部疏散結(jié)構(gòu)較為狹窄時，將對隧道主體洞口聚集人群的疏散造成影響，導(dǎo)致人員在隧道主體的總疏散時間變長，危險性增加。本文基于某實際工程明挖隧道疏散結(jié)構(gòu)，利用Pathfinder軟件對隧道外部疏散結(jié)構(gòu)對于隧道主體人員疏散過程的影響進行模擬分析，相關(guān)結(jié)果預(yù)期為可靠預(yù)測隧道疏散過程和優(yōu)化設(shè)計隧道主體外部疏散結(jié)構(gòu)提供指導(dǎo)。

1 工程介紹

北京某明挖城市地下道路隧道全長6.2km，雙向六車道，可通行大小貨車和客車，全程無匝道，單孔建筑限界寬度為12.25m，隧道橫斷面見圖1a。本工程人員疏散結(jié)構(gòu)設(shè)計為人行橫通道加豎向疏散通道，其中，豎向疏散樓梯處的結(jié)構(gòu)見圖1b。豎向疏散通道由疏散門、前室、前室門、樓梯、樓梯間平臺構(gòu)成，疏散門寬度為2m，前室門為1m，樓梯寬度為1.3m，樓梯平臺深度為1.5m。前室功能為阻隔隧道內(nèi)煙氣進入疏散樓梯，避免影響人員疏散。當(dāng)火災(zāi)發(fā)生時，人員首先在隧道內(nèi)部主體段逃生，之后人群聚集到各疏散洞口，排隊緩慢逃離，當(dāng)人穿過洞口后，即進入豎向疏散通道的前室，通過前室門、疏散樓梯，最終逃生至地面。本文重點針對選取500m平直段隧道進行研究，該隧道段中間包含一個豎向疏散通道結(jié)構(gòu)，由于重點關(guān)注隧道主體段外部逃生結(jié)構(gòu)對隧道內(nèi)部人員逃生過程的影響，因此，僅建立隧道主體外部的豎向疏散通道結(jié)構(gòu)，而忽略人行橫通道。

圖1 明挖隧道結(jié)構(gòu)Fig.1 Open trench tunnel structure

2 模擬工況與模擬方法

2.1 隧道車輛及人員設(shè)置

城市地下道路發(fā)生火災(zāi)時勢必會造成隧道內(nèi)交通堵塞，滯留車輛會影響人員疏散，同時各類車輛數(shù)量決定疏散人員總?cè)藬?shù)。車輛布置采用最不利工況，即車輛充滿隧道，人員隨機分布在隧道內(nèi)，根據(jù)本工程預(yù)計的遠景車輛流量及比例，依據(jù)《中華人民共和國道路交通法》確定不同類型客車載客人數(shù)，經(jīng)計算隧道內(nèi)總?cè)藬?shù)為1200人，隧道內(nèi)車輛布置見表1。建立的疏散隧道幾何模型見圖2。

圖2 隧道及豎向疏散通道幾何模型Fig.2 Geometrical model of tunnel and vertical evacuation passage

表1 隧道內(nèi)車輛參數(shù)設(shè)置Tab.1 Vehicle parameters in tunnel

2.2 工況設(shè)置

重點針對前室門寬度、疏散樓梯寬度、休息平臺深度三個變量的影響開展研究，模擬工況見表2。其中工況1不設(shè)置豎向疏散通道結(jié)構(gòu)，作為其余工況的對比基準(zhǔn)，反映現(xiàn)有疏散模擬僅建立隧道主體段時的人員逃生情況；通過工況2與工況1對比分析外部豎向疏散通道結(jié)構(gòu)存在時對隧道主體段人員逃生過程的影響；工況2～5對比分析前室門寬度對隧道主體段人員逃生的影響；工況2、6、7對比分析樓梯寬度對隧道主體段人員逃生的影響；工況2、8、9對比分析休息平臺寬度對隧道主體段人員逃生的影響。通過上述9個工況的設(shè)計，揭示在考慮不同的外部豎向疏散結(jié)構(gòu)變量情況下，人員在隧道主體段的真實逃生過程，與僅考慮隧道主體段模擬而忽略外部逃生結(jié)構(gòu)時的逃生過程的差別。

表2 模擬工況設(shè)置Tab.2 Working conditions

世界道路協(xié)會建議隧道火災(zāi)時人員逃生速度為0.5m／s～1.5m／s之間［5］，并根據(jù)不同年齡人員行動能力不同，設(shè)定不同的人員行走速度比例，見表3。

表3 人員行走速度比例Tab.3 Proportion of personnel walking speed

2.3 模擬方法

采用基于Agent模型的Pathfinder軟件進行人員疏散模擬，Agent模型能夠通過和環(huán)境以及Agent之間的交互調(diào)整自身行為并實現(xiàn)目的，相比于元胞自動機、社會力模型能更好預(yù)測復(fù)雜的人員行為。人員運動模式選擇Steering模式，可實現(xiàn)按規(guī)劃路徑前進、與他人或墻壁保持距離、避免與他人或墻壁碰撞、經(jīng)過通道、轉(zhuǎn)彎等行為。人員的行動由成本函數(shù)控制，每個行為產(chǎn)生的成本在0到1之間，人員按成本最小方向行動［6］。通過將工況1的模擬結(jié)果與經(jīng)典的Togawa經(jīng)驗公式［7，8］的計算結(jié)果進行對比，檢驗疏散模擬方法的可靠性。利用Pathfinder模擬的人員疏散總時間為470s，而利用Togawa經(jīng)驗公式（1）進行計算，人通過疏散口流量C為1.3人／m·s，W為疏散門寬度2m，由于人員在隧道內(nèi)隨機分布，取距離Lmin約為1m，人員速度V取平均值1.2m／s，計算得疏散時間tmove為462.4s，二者偏差為1.6%（相對于經(jīng)驗公式結(jié)果）。兩種方法預(yù)測疏散時間的一致性表明，Pathfinder對疏散的預(yù)測具有可信性。

式中：N為隧道內(nèi)總?cè)藬?shù)；C為人通過疏散口的流量；W為疏散門有效寬度；Lmin為人員距出口最近距離；V為人員運動速度。

3 結(jié)果分析與討論

3.1 不同前室門寬度的影響

隧道人員疏散過程常分為兩階段：第一階段為人員在隧道內(nèi)疏散，通過疏散出口進入豎向疏散通道，即為進入安全區(qū)，該階段為關(guān)鍵階段；第二階段為人員經(jīng)由豎向疏散通道到達地面。不同前室門寬度下模擬結(jié)果見圖3和表4。前室門人員通行速度為前室門斷面上人員疏散平均速度，樓梯人員通行速度為在樓梯某一斷面上人員疏散平均速度。

表4 不同前室門寬度影響Tab.4 Influence of different front chamber door widths

圖3 不同前室門寬的人員疏散情況（疏散時間500s）Fig.3 Evacuation situation of different front room door widths（500s）

當(dāng)不考慮隧道主體外部結(jié)構(gòu)時（工況1），人員在隧道內(nèi)的疏散時間為470s（第一階段），當(dāng)存在隧道主體外部豎向疏散通道結(jié)構(gòu)時，在無前室門情況下（工況2，即前室人員疏散阻力?。谝浑A段也達到1140s（表1），是無隧道外部結(jié)構(gòu)的2.43倍，因此，外部豎向疏散結(jié)構(gòu)對第一階段逃生過程影響顯著，尤其當(dāng)實際隧道主體內(nèi)各豎向通道疏散口疏散人數(shù)眾多時，忽略外部結(jié)構(gòu)進行建模預(yù)測，將導(dǎo)致第一階段疏散時間預(yù)測值顯著偏小。忽略外部結(jié)構(gòu)與否引起的預(yù)測偏差，既表明模擬預(yù)測時應(yīng)盡可能考慮外部結(jié)構(gòu)的影響，也表明外部疏散結(jié)構(gòu)需進行優(yōu)化，以減少對第一階段疏散的不良影響。

前室門寬度對第一階段的疏散會產(chǎn)生一定程度的影響。由圖3a可見，當(dāng)前室門寬1m時，人員在前室門前形成聚集，前室門對人員行進造成阻礙，引起前室門人員通行速度（0.96人／s）、樓梯人員通行速度（0.93人／s）、樓梯人員密度均小于其他前室門寬度工況，前方人員行進受阻礙，進而減緩了人員通過隧道主體段洞口的疏散過程，導(dǎo)致第一階段時間為1210s，比無前室門時多了70s，但從時間增量看，該影響較小。當(dāng)前室門加寬至1.5m時，對人員的阻礙變小，從圖3b可見更多人員通過前室，此時疏散樓梯的人員通行速度達到最大（0.97人／s），在樓梯處形成聚集，第一階段疏散時間降低為1138s。當(dāng)進一步增加前室門寬至2m及不設(shè)置前室門時（圖3c、d），寬度的增加對人員的疏散過程已影響不顯著，前室門人員通行速度（0.99人／s）、樓梯人員通行速度（0.97人／s）均不再改變，第一階段時間也保持在1140s左右。

3.2 不同樓梯寬度的影響

不同樓梯寬度下模擬結(jié)果見圖4和表5。

圖4 人員位于疏散樓梯疏散情況（疏散時間500s）Fig.4 Personnel located in the evacuation staircase evacuation situation（500s）

表5 不同樓梯寬度疏散結(jié)果Tab.5 Evacuation results of different stair widths

當(dāng)樓梯寬度為1m時（圖4a），較窄的樓梯限制了人員通行（0.65人／s），樓梯的阻力顯著限制了隧道內(nèi)的人員疏散，導(dǎo)致第一階段時間很長（1755s）。當(dāng)樓梯寬度提升至1.3m（圖4b）時，人員在疏散樓梯上形成前后錯位的通行模式，人員通行速度有較大提升，為0.97人／s，人員在樓梯通行能力的增強，減小了對隧道內(nèi)部人員疏散的阻礙，第一階段時間降低至1140s，與樓梯寬度為1m時相比，降幅35%，降幅很高。當(dāng)樓梯寬度進一步提升至1.6m（圖4c），人員在疏散樓梯上基本可形成兩人并行的通行模式，人員通行速度升高到1.2人／s，對隧道內(nèi)部人員疏散的阻礙作用進一步降低，第一階段時間進一步降低至930s，降幅47%。因此，外部豎向通道的樓梯寬度對隧道主體段的疏散過程影響很大，增加樓梯寬度可顯著降低第一階段的疏散時間，提升人員逃生的安全性。

3.3 不同平臺深度的影響

不同樓梯休息平臺深度下模擬結(jié)果見圖5和表6。

表6 不同休息平臺寬度疏散結(jié)果Tab.6 Evacuation results of different rest platform widths

當(dāng)休息平臺深度為1m時（圖5a），平臺上僅能容納兩人前后交錯通行，較為擁擠，導(dǎo)致樓梯人員行進速度變緩，通行速度為0.87人／s，第一階段時間為1296s。當(dāng)平臺深度提升至1.5m時（圖5b），休息平臺上可同時容納兩人并行，樓梯通行速度提升至0.97人／s，第一階段時間降低至1140s，降幅12%。當(dāng)休息平臺深度提升至2m時（圖5c），由于平臺更深，但人員通行速度未有提升，保持在0.97人／s，第一階段時間基本不變。因此，當(dāng)平臺深度不低于1.5m時，對于隧道內(nèi)部人員疏散影響很小。

分析表明，前室門寬、樓梯寬、休息平臺寬等隧道主體外部的逃生結(jié)構(gòu)各因素均會影響隧道內(nèi)部的人員疏散過程，有些因素當(dāng)增加到一定值之后，將不再對隧道內(nèi)部疏散產(chǎn)生進一步的不利影響，因此，在設(shè)計中不應(yīng)過分增加這些因素的值，以免增加建設(shè)成本。本次研究針對500m隧道段1200人開展研究，所設(shè)計的人員規(guī)模較大，實際在進行各實際隧道工程模擬評估時，也應(yīng)注意，當(dāng)隧道人員規(guī)模較小，或疏散通道數(shù)更多，引起每個豎向疏散通道承擔(dān)的人員數(shù)量顯著低于本文研究人數(shù)時，隧道外部結(jié)構(gòu)對隧道內(nèi)部人員疏散的總時間會降低，由此，對第一階段逃生時間的影響會有一定程度的減少，這在實際模擬評估時應(yīng)予以考慮?？傊ㄟ^本文研究可知，隧道外部結(jié)構(gòu)對隧道內(nèi)部的人員疏散會產(chǎn)生影響，尤其當(dāng)樓梯寬度設(shè)計不足時，影響很大，增加了人員的逃生危險性，需要在隧道疏散模擬中注重外部結(jié)構(gòu)的影響。

4 結(jié)論

本文利用pathfinder軟件對明挖隧道外部豎向疏散通道的前室門寬度、樓梯寬度、樓梯休息平臺深度三個因素對隧道主體段人員疏散過程的影響進行研究，主要結(jié)論如下：

1.與不考慮隧外部結(jié)構(gòu)相比，考慮隧道主體外部豎向疏散通道結(jié)構(gòu)時預(yù)測的隧道內(nèi)部人員疏散時間（即第一階段，人員逃至安全區(qū)）提高至2.43倍，影響顯著，尤其在疏散人數(shù)眾多時，應(yīng)考慮隧道外部結(jié)構(gòu)的影響；

2.外部豎向疏散通道的前室門寬度低于1m時，會對隧道內(nèi)部疏散造成一定程度的影響，建議前室門寬度不低于1.5m；疏散樓梯寬度增加顯著降低對隧道內(nèi)部疏散的影響，相比于樓梯寬度1m時，寬度增加至1.6m時，可降低高達47%，條件允許時應(yīng)盡量增加疏散樓梯寬度；休息平臺深度低于1m時，會對隧道內(nèi)部疏散造成一定程度的影響，建議平臺深度不低于1.5m。