超長水下公路隧道安全通道內(nèi)人員疏散研究★

王 威

(中鐵第五勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司，北京 102600)

我國水下隧道建設(shè)近年來迅速發(fā)展，大量超長水下公路隧道在構(gòu)建城市交通網(wǎng)中發(fā)揮了重要作用。隨著環(huán)保理念逐漸深入人心，水下公路隧道因其獨特優(yōu)勢已成為當(dāng)今跨越江河湖海的重要選擇。同時，由于超長水下公路隧道環(huán)境封閉，隧道內(nèi)發(fā)生火災(zāi)將嚴(yán)重威脅人員的安全，對隧道內(nèi)人員疏散救援也提出了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)[1]。

國內(nèi)外學(xué)者相繼對超長水下公路隧道火災(zāi)疏散救援開展了相關(guān)研究，田峰等[2]對長大過海區(qū)間隧道進(jìn)行人員疏散模擬分析，分析了過海隧道防災(zāi)救援設(shè)施設(shè)置、人員疏散方案等問題。石彬彬[3]采用FDS和Pathfinder對城市多匝道隧道的火災(zāi)和人員疏散數(shù)值模擬，研究煙氣溫度、濃度和速度場以確定通風(fēng)風(fēng)速的影響，并計算隧道人員疏散所需最短時間，并結(jié)合火災(zāi)計算結(jié)果確定合理逃生路線。姜璐[4]對某750 m雙洞隧道利用FDS+EVAC功能進(jìn)行數(shù)值模擬分析，并從疏散時間角度分析，提出了隧道人行橫通道間距、通風(fēng)排煙方式和探測報警系統(tǒng)的優(yōu)化分析方案。Ciro等[5]針對意大利的長為1.2 km雙向彎曲公路隧道進(jìn)行通過STEPS人員疏散仿真計算軟件對車輛擁堵情況下人員疏散過程進(jìn)行分析。Caliendo等[6]針對公路隧道內(nèi)不同火災(zāi)場景下的煙氣與人員疏散進(jìn)行了模擬，分析了隧道內(nèi)火災(zāi)溫度場及安全通道間距設(shè)置對疏散時間的影響。總結(jié)發(fā)現(xiàn)，對于隧道火災(zāi)與人員疏散安全的研究，目前最常用的方法是數(shù)值模擬分析，且研究集中在火災(zāi)發(fā)生后隧道內(nèi)人員從車內(nèi)疏散至安全通道內(nèi)的影響(以下簡稱此疏散階段為“第一階段”)，對于人員進(jìn)入安全通道后如何進(jìn)一步遠(yuǎn)離著火點進(jìn)行有序疏散，最終逃離至相鄰的非著火隧道或就近的防煙樓梯直通地面(以下簡稱此疏散階段為“第二階段”)，從而避免因聚集在安全門處或堵塞在安全通道內(nèi)的變電所處而影響后續(xù)人員進(jìn)入安全通道，保證人員在安全通道內(nèi)的疏散過程順暢有序，關(guān)于此方面的研究鮮有文獻(xiàn)提及。

隧道安全通道內(nèi)會根據(jù)各專業(yè)需求設(shè)置照明變電所、風(fēng)機(jī)變電所、泵房控制室等房間。發(fā)生火災(zāi)時，隧道車行洞人員通過安全門進(jìn)入安全通道并繼續(xù)完全疏散至相鄰隧道或者通過防煙樓梯間直通地面。因此，對影響安全通道內(nèi)人員疏散的相關(guān)因素進(jìn)行研究，保證安全通道內(nèi)的人員疏散時順暢有序、不擁堵，是保障隧道人員安全疏散全過程中的重要環(huán)節(jié)。

本文以蘇州某超長水下公路隧道為研究對象，運用人員疏散模擬軟件Pathfinder對不同安全通道內(nèi)變電所布置、安全門間距、變電所側(cè)最小安全疏散寬度條件下，安全通道內(nèi)人員疏散情況進(jìn)行仿真研究，為解決工程實際問題提供必要的理論依據(jù)。

1 計算模型

1.1 工程概況

該隧道水下段長約9 km，按雙向六車道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計，隧道橫斷面采用兩孔一廊結(jié)構(gòu)，兩側(cè)孔為車行隧洞，中間管廊下部為人員疏散安全通道。隧道單孔寬17.45 m，沿隧道長度方向每隔一定間距設(shè)置安全門，隧道建筑平面(局部)如圖1所示。

1.2 模型建立

為了使研究具有更廣泛的適用性，依據(jù)JTG/T D70/2-02—2014公路隧道通風(fēng)設(shè)計細(xì)則3.3.2條規(guī)定[7]，選取疏散場景為：隧道內(nèi)交通阻滯工況下發(fā)生火災(zāi)，隧道阻滯長度按長度為1 km，車輛間距設(shè)置為1 m[8]，建立人員疏散模型如圖2所示。

仿真模型中設(shè)定隧道著火點位于車輛阻滯段中間位置，人員荷載按照隧道車行洞內(nèi)車輛滿載率100%(2 360人)進(jìn)行設(shè)置，人員類型根據(jù)年齡、性別及步行速度分為兒童、成年男性、成年女性、老年人四大類。表1為隧道火災(zāi)時人員疏散特征值[9]。

表1 人員疏散特征值

1.3 工況設(shè)置

1)既有規(guī)范尚未對安全通道內(nèi)變電所的布置(以下簡稱“安全門與變電所間距”，指變電所與疏散路徑上最近的安全門之間的距離)進(jìn)行明確規(guī)定。為探究變電所布置對安全通道內(nèi)人員疏散的影響，分別取安全門與變電所間距w為20 m，40 m，60 m。變電所布置模擬工況見表2。

表2 變電所布置工況及模擬時間表

2)為探究安全門間距對安全通道內(nèi)人員疏散的影響進(jìn)行研究，選取安全門間距為80 m，100 m，120 m的情況對安全通道內(nèi)人員疏散進(jìn)行組合分析。安全門間距模擬工況見表3。

表3 安全門間距工況及模擬時間表

3)由于安全通道內(nèi)變電所處疏散寬度最小，最容易發(fā)生人員擁堵，為探究疏散寬度對安全通道內(nèi)人員疏散的影響，結(jié)合工程調(diào)研數(shù)據(jù)，分別取變電所側(cè)疏散寬度為2 m，2.5 m，2.8 m，3 m。變電所側(cè)疏散寬度模擬工況見表4。

表4 變電所側(cè)疏散寬度工況及模擬時間表

2 計算結(jié)果與分析

2.1 變電所布置對安全通道內(nèi)人員疏散的影響

各工況下變電所布置工況模擬時間及人員擁堵時間如表2所示。圖3～圖5是在變電所側(cè)疏散寬度為2 m，安全門與變電所間距變化時，人員疏散模擬時間T分別為100 s，250 s，350 s時，變電所附近的人員分布圖。

從表2可以看出變電所側(cè)疏散寬度一定時，安全門與變電所間距逐漸增大時，疏散時間僅有20 s～40 s的差異，相對于疏散模擬總時間(第一階段+第二階段)影響微弱。

由于人員在安全通道疏散階段，變電所側(cè)疏散寬度最小，人員密度最大，因此選用變電所附近的人員分布進(jìn)行分析最具代表性，可直觀反映人員在安全通道內(nèi)疏散時的擁堵情況。對變電所側(cè)疏散寬度為2 m、安全門與變電所間距變化時，同一時刻變電所附近人員分布(如圖3～圖5所示)進(jìn)行分析。

在T=100 s時，隧道內(nèi)的人員沒有疏散完畢，尚有部分人員未進(jìn)入安全通道內(nèi)，此時安全通道內(nèi)人員數(shù)量正在逐步增長，變電所附近沒有產(chǎn)生擁堵現(xiàn)象，且各疏散工況下，變電所附近的人員分布情況基本一致。

在T=250 s時，隧道內(nèi)的人員已經(jīng)疏散完畢，隧道內(nèi)全部人員進(jìn)入安全通道內(nèi)，此時安全通道內(nèi)人員數(shù)量達(dá)到最大值，變電所附近因為疏散寬度有限，造成人員擁堵，且各疏散工況下，變電所附近的人員分布情況基本一致。

在T=350 s時，雖然安全通道內(nèi)人員數(shù)量仍是最大值，但是隨著時間的延續(xù)，絕大部分人員已經(jīng)從變電所處通過，變電所附近沒有產(chǎn)生擁堵現(xiàn)象，且各疏散工況下，變電所附近的人員分布情況基本一致。

可以看出，同一時刻，在20 m～60 m范圍內(nèi)，隨著變電所與安全門間距的增加，變電所附近的人員分布基本一致。

對變電所側(cè)疏散寬度分別為2.5 m，3 m，安全門與變電所間距變化時，同一時刻變電所附近人員分布規(guī)律與2 m寬度下情況一致，即：變電所與安全門間距對安全通道內(nèi)的人員疏散影響微弱，故其模擬結(jié)果云圖不再逐一列出。

2.2 安全門間距對安全通道內(nèi)人員疏散的影響

各工況下變電所布置工況模擬時間及人員擁堵情況如表3所示。

變電所側(cè)疏散寬度2 m，同一時間、不同安全門間距時，變電所附近安全通道的人員分布情況如圖6～圖8所示。

從表3可以看出變電所側(cè)疏散寬度一定時，安全門間距逐漸增大時，疏散時間僅有20 s～30 s的差異，相對于疏散模擬總時間(第一階段+第二階段)影響微弱。

由圖6～圖8可以看出，變電所側(cè)疏散寬度2 m情況下，T=100 s時，變電所附近安全通道內(nèi)人員分布圖可發(fā)現(xiàn)，人員未發(fā)生擁堵，且安全門間距對安全通道內(nèi)人員疏散影響不大。隨著時間的增長，T=250 s，T=350 s時，安全通道內(nèi)人員發(fā)生了擁堵，雖然各疏散工況下，同一時刻的擁堵程度不同，但是100 s～350 s時間段內(nèi)，安全通道內(nèi)人員疏散的整體趨勢一致，均為擁堵逐漸加重。同時可以看出，不同安全門間距對安全通道內(nèi)人員疏散幾乎沒有影響。

變電所側(cè)疏散寬度2.5 m，3 m情況下，安全門之間間距變化時，安全通道內(nèi)人員擁堵程度有所緩解，且同一時刻變電所附近人員分布規(guī)律與2 m寬度下情況一致，即：安全門間距對安全通道內(nèi)的人員疏散影響微弱，故其云圖不再逐一列出。

2.3 變電所側(cè)疏散寬度對安全通道內(nèi)人員疏散的影響

各工況下變電所側(cè)疏散寬度工況模擬時間及人員擁堵時間如表4所示。安全口與變電所間距20 m，同一時間、不同變電所側(cè)疏散寬度工況下，變電所附近安全通道的人員分布情況如圖9～圖11所示。

圖9～圖11是在安全口與變電所間距為20 m時，變電所側(cè)疏散寬度變化時，T分別為100 s，250 s，350 s時，變電所附近的人員分布圖。

通過對圖9～圖11進(jìn)行分析，可以看出：

在T=100 s時，隧道內(nèi)的人員沒有疏散完畢，尚有部分人員未進(jìn)入安全通道內(nèi)，此時安全通道內(nèi)人員數(shù)量正在逐步增長，不同的變電所側(cè)疏散寬度下，變電所附近未產(chǎn)生擁堵。

在T=250 s時，隧道內(nèi)的人員已經(jīng)疏散完畢，隧道內(nèi)全部人員進(jìn)入安全通道內(nèi)，此時安全通道內(nèi)人員數(shù)量達(dá)到最大值。當(dāng)變電所側(cè)寬度k=2 m時，變電所附近產(chǎn)生嚴(yán)重?fù)矶拢划?dāng)變電所側(cè)寬度k=2.5 m時，變電所附近有輕微擁堵發(fā)生；當(dāng)變電所側(cè)寬度k=2.8 m/3.0 m時，變電所附近沒有擁堵發(fā)生。

在T=350 s時，雖然安全通道內(nèi)人員數(shù)量仍是最大值，但是隨著時間的延續(xù)，絕大部分人員已經(jīng)從變電所處通過，變電所附近沒有產(chǎn)生擁堵現(xiàn)象。

可以看出，同一時刻，在20 m～40 m范圍內(nèi)，隨著變電所與安全門間距的增加，變電所附近的人員分布基本一致。

安全口與變電所間距為40 m時，可以發(fā)現(xiàn)同樣的規(guī)律，故其模擬結(jié)果云圖不再逐一列出。

可見，變電所側(cè)疏散寬度k=2 m時安全通道內(nèi)擁堵程度最嚴(yán)重；k=2.5 m可以很大程度緩解擁堵，擁堵時間僅有30 s，相較于k=2 m工況，擁堵時間減少了184 s，降低了86%；k=2.8 m及k=3 m工況安全通道內(nèi)基本不擁堵。因此，變電所側(cè)疏散寬度越大，安全通道內(nèi)人員發(fā)生擁堵的程度越低，人員疏散時間越短。

變電所側(cè)疏散寬度也不是越大越好，寬度越大占用安全通道空間越大，變電所布置空間越小。綜合考慮變電所寬度需求及土建成本，建議安全通道內(nèi)變電所側(cè)疏散寬度取2.5 m，既能滿足人員在安全通道內(nèi)疏散需求，又可避免人員在安全通道內(nèi)長時間擁堵，影響隧道內(nèi)剩余人員疏散。

3 結(jié)論

本文運用Pathfinder軟件對某超長水下公路隧道的人員疏散進(jìn)行了模擬研究，主要結(jié)論有以下幾點：

1)安全通道內(nèi)變電所的布置、安全門間距對人員在安全通道內(nèi)的疏散過程影響微弱，實際工程中，在二者設(shè)置不受限的情況下，建議安全通道內(nèi)變電所的布置、安全門間距分別選取20 m，100 m，盡量縮短人員在安全通道內(nèi)疏散過程中的擁堵時間。

2)不同變電所側(cè)疏散寬度對人員在安全通道內(nèi)的疏散有很大影響，寬度越大越利于疏散，但是寬度太大會影響變電所布置空間，綜合考慮變電所寬度需求及土建成本，建議安全通道內(nèi)變電所側(cè)疏散寬度取2.5 m，既能滿足人員在安全通道內(nèi)疏散需求，又可避免人員在安全通道內(nèi)長時間擁堵，影響隧道內(nèi)剩余人員疏散。