水下明挖隧道防護(hù)門設(shè)置對(duì)疏散救援影響研究

趙超峰

(中鐵第五勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司 北京市 102600)

0 引言

鐵路隧道防災(zāi)救援問(wèn)題是關(guān)注的重點(diǎn)，尤其在水下鐵路隧道受到水體的制約，很難修建斜豎井進(jìn)行防災(zāi)救援。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)隧道中人員疏散的問(wèn)題進(jìn)行了大量研究。王明年等[1]利用仿真軟件，對(duì)不同橫通道間距、橫通道寬度和站臺(tái)寬度等參數(shù)下的人員疏散時(shí)間進(jìn)行計(jì)算，給出鐵路隧道緊急救援站疏散設(shè)施設(shè)計(jì)參數(shù)建議值；謝勇濤等[2]對(duì)緊急救援站的長(zhǎng)度、橫通道設(shè)置的數(shù)量以及站臺(tái)寬度、高度等參數(shù)給出了簡(jiǎn)單建議值;李琦等[3]，針對(duì)人員疏散全過(guò)程的試驗(yàn)和數(shù)值模擬研究，得到列車在長(zhǎng)大鐵路隧道內(nèi)發(fā)生火災(zāi)時(shí)人員疏散的時(shí)間和速度值；周偉[4]利用行人仿真軟件對(duì)太湖隧道進(jìn)行了火災(zāi)條件下人員疏散行為的數(shù)值模擬，得出縱向間距80m和300m的疏散橫通道對(duì)應(yīng)的人員疏散逃生時(shí)間為10.5min和13.5min，驗(yàn)證了太湖隧道橫通道設(shè)置間距125m這一方案的合理性;馬偉斌等[5]從施工和運(yùn)營(yíng)2個(gè)方面闡述鐵路長(zhǎng)大隧道防災(zāi)疏散救援技術(shù)體系，提出救援總體原則。

目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者主要針對(duì)特長(zhǎng)隧道的救援站長(zhǎng)度、橫向聯(lián)絡(luò)通道、站臺(tái)開展研究，對(duì)特長(zhǎng)明挖隧道救援站防護(hù)門設(shè)置對(duì)疏散救援的影響研究較少。以某明挖雙洞單線水下特長(zhǎng)隧道救援站為研究對(duì)象，運(yùn)用人員疏散模擬軟件Pathfinder對(duì)救援站不同防護(hù)門寬度、間距條件下的人員疏散情況進(jìn)行研究，確定救援站防護(hù)門的設(shè)計(jì)思路及方法，不僅可以保證事故列車?？吭诰o急救援站時(shí)人員疏散的安全，也可以控制緊急救援站的建設(shè)成本，對(duì)鐵路隧道緊急救援站的設(shè)計(jì)具有指導(dǎo)作用。

1 數(shù)值模擬

1.1 模型建立

Pathfinder仿真工程軟件是一種基于人員疏散和移動(dòng)模擬系統(tǒng)，可模擬正常與緊急狀況下人員疏散情況。Pathfinder 軟件通過(guò)對(duì)行人各項(xiàng)參數(shù)定義，行人行為根據(jù)疏散環(huán)境變化作出響應(yīng)，以選擇最優(yōu)疏散路徑。

以某明挖水下特長(zhǎng)隧道為研究對(duì)象，通過(guò)人員疏散模擬軟件Pathfinder建立數(shù)值仿真模型。隧道長(zhǎng)度約39km，為明挖雙洞單線隧道，隧道中部設(shè)置一座緊急救援站，長(zhǎng)度為450m，用于人員疏散救援。

1.2 明挖法救援站模型

根據(jù)國(guó)內(nèi)外典型隧道緊急救援站的設(shè)置情況，本次模擬針對(duì)了以下條件：

(1)模擬火災(zāi)的客運(yùn)列車車型全長(zhǎng)399.27m，寬3.257m，高3.89m。共16節(jié)車廂，車門寬0.73m，全車定員1015人，超員20%時(shí)可達(dá)1218人。按照實(shí)際比例對(duì)每節(jié)車廂進(jìn)行建模，按照具體的人員荷載設(shè)置相應(yīng)的人員參數(shù)。

(2)疏散模擬時(shí)，選定整列列車，置于救援站中部，模擬救援站長(zhǎng)度為450m。雙洞單線隧道中，人員由著火列車通過(guò)防護(hù)門穿過(guò)待避空間，疏散至對(duì)側(cè)隧道，則認(rèn)為人員已進(jìn)入安全區(qū)域。

(3)雙洞單線隧道中待避空間長(zhǎng)450m、寬10m。

(4)根據(jù)救援站的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，針對(duì)以下結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行模擬分析：

①防護(hù)門間距的影響。模擬分析了防護(hù)門間距為50m和60m時(shí)，人員疏散時(shí)間及防護(hù)門口的人員密度變化。

②防護(hù)門寬度的影響。模擬分析了防護(hù)門寬度為2.0m、2.3m、2.6m時(shí)，人員疏散時(shí)間及防護(hù)門口的人員密度變化。

1.3 人員參數(shù)設(shè)置

人員特性會(huì)對(duì)應(yīng)急疏散結(jié)果產(chǎn)生直接影響，包括人員性別、年齡、認(rèn)知程度等。模擬軟件雖然可實(shí)現(xiàn)對(duì)每個(gè)個(gè)體的屬性設(shè)置，但逐一設(shè)置并不具有普適性意義，保證仿真結(jié)果貼近實(shí)際的有效做法就是對(duì)人員以類別劃分，進(jìn)行特性設(shè)置，選擇以人員年齡和性別來(lái)進(jìn)行劃分。根據(jù)年齡將人員劃分為三類：兒童、成年人、老年人。再將人員組成中占比較高、步速差異受性別因素較大的成年人群體細(xì)分，最終仿真環(huán)境中將人員分為兒童、成年男性、成年女性、老年人四大類，如表1所示。

表1 人員疏散特征值

1.4 工況設(shè)置

雙洞單線隧道中，明挖法區(qū)間隧道內(nèi)的救援站，需研究防護(hù)門間距與防護(hù)門寬度兩個(gè)參數(shù)。防護(hù)門間距50m和60m；防護(hù)門寬度取2.0m、2.3m、2.6m。防護(hù)門間距及寬度工況設(shè)置如表2所示。

表2 防護(hù)門間距及寬度工況表

2 疏散模擬結(jié)果分析

雙洞單線隧道救援站平面圖及疏散路徑如圖1所示。為充分考慮人員的安全，數(shù)值模擬中，人員疏散至對(duì)側(cè)疏散站臺(tái)才算疏散完成。

圖1 雙洞單線隧道救援站人員疏散路徑

人員疏散路徑為：列車停靠緊急救援站→車上人員疏散至救援站站臺(tái)→通過(guò)防護(hù)門→進(jìn)入待避空間→通過(guò)防護(hù)門→進(jìn)入對(duì)側(cè)隧道的疏散站臺(tái)→等待救援車輛疏散。

防護(hù)門間距及防護(hù)門寬度變化對(duì)人員安全疏散的影響結(jié)果如表3所示。不同防護(hù)門寬度下，人員疏散時(shí)間的變化如圖2所示。防護(hù)門間距50m，未考慮煙氣時(shí)，人員密度變化如圖3所示。防護(hù)門間距50m，考慮煙氣時(shí)，人員密度變化如圖4所示。防護(hù)門間距60m，未考慮煙氣時(shí)，人員密度變化如圖5所示。防護(hù)門間距60m，考慮煙氣時(shí)，人員密度變化如圖6所示。

由表3和圖2可知，在同一防護(hù)門寬度下，未考慮煙氣時(shí)，防護(hù)門間距為50m和60m時(shí)，人員總體疏散時(shí)間基本一致；考慮煙氣時(shí)，防護(hù)門間距為50m時(shí)的疏散時(shí)間明顯比防護(hù)門間距為60m時(shí)的疏散時(shí)間短，防護(hù)門間距為60m時(shí)，人員疏散最長(zhǎng)時(shí)間為235s。未考慮煙氣情況下，防護(hù)門間距為50m和60m時(shí)，人員疏散的總體時(shí)間基本不隨防護(hù)門寬度的增大而減?。豢紤]煙氣情況下，防護(hù)門間距為50m和60m時(shí)，人員疏散的總體時(shí)間隨著防護(hù)門寬度的增加呈單調(diào)遞減趨勢(shì)。

表3 不同防護(hù)門間距及寬度下人員疏散時(shí)間表

圖2 不同防護(hù)門寬度下，人員疏散時(shí)間的變化

圖3 防護(hù)門間距50m，未考慮煙氣時(shí)，人員密度變化

圖4 防護(hù)門間距50m，考慮煙氣時(shí)，人員密度變化

圖5 防護(hù)門間距60m，未考慮煙氣時(shí)，人員密度變化

圖6 防護(hù)門間距60m，考慮煙氣時(shí)，人員密度變化

由圖3可知，防護(hù)門寬度為2.0m時(shí)，防護(hù)門口的人員密度大于防護(hù)門寬度為2.3m和2.6m時(shí)防護(hù)門口的人員密度，說(shuō)明防護(hù)門寬度為2.0m時(shí)，防護(hù)門口存在輕微堵塞。防護(hù)門寬度為2.3m時(shí)，防護(hù)門口人員密度最大值僅為1.4人/m2，此時(shí)防護(hù)門口的擁擠程度在可接收范圍內(nèi)，即發(fā)生人員踩踏事故的概率極小。由防護(hù)門間距50m，考慮煙氣時(shí)人員密度變化圖(圖4)可知，隨著防護(hù)門寬度的增加，防護(hù)門口處的人員密度逐漸減小。防護(hù)門寬度為2.0m時(shí)，防護(hù)門口人員密度最大值為2.3人/m2；防護(hù)門寬度為2.3m時(shí)，防護(hù)門口人員密度最大值為1.7人/m2；防護(hù)門寬度為2.6m時(shí)，防護(hù)門口人員密度最大值為1.3人/m2。由圖5可知，防護(hù)門寬2.0m時(shí)，防護(hù)門口人員密度最大，最大值為3.0人/m2；防護(hù)門寬度為2.3m和2.6m時(shí)，防護(hù)門口人員密度基本一致，最大值為1.5人/m2。由圖6可知，隨著防護(hù)門寬度的增加，防護(hù)門口處的人員密度逐漸減小。防護(hù)門寬度為2.0m時(shí)，防護(hù)門口人員密度最大值為3.3人/m2；防護(hù)門寬度為2.3m時(shí)，防護(hù)門口人員密度最大值為3.0人/m2；防護(hù)門寬度為2.6m時(shí)，防護(hù)門口人員密度最大值為2.5人/m2。

防護(hù)門間距越小，人員總疏散時(shí)間越短，但防護(hù)門間距為60m時(shí)，在考慮煙氣的情況下，人員全部疏散完成的時(shí)間不足4min，完全滿足《鐵路隧道防災(zāi)救援工程設(shè)計(jì)規(guī)范》(TB 10020-2017)中規(guī)定人員6min內(nèi)全部疏散完成的要求。因此，防護(hù)門間距取50m和60m均可。綜合考慮防護(hù)門間距為50m、60m以及是否考慮煙氣的情況，防護(hù)門寬度不應(yīng)小于2.3m。

3 結(jié)論

運(yùn)用Pathfinder軟件對(duì)某明挖水下特長(zhǎng)隧道的人員疏散進(jìn)行了模擬研究，分析了救援站防護(hù)門寬度、防護(hù)門間距對(duì)人員安全疏散的影響，結(jié)論如下：

(1)未考慮煙氣時(shí)，防護(hù)門間距為50m和60m時(shí)，人員總體疏散時(shí)間基本一致；考慮煙氣時(shí)，防護(hù)門間距為50m時(shí)的疏散時(shí)間比防護(hù)門間距為60m時(shí)的疏散時(shí)間短。

(2)明挖雙洞單線隧道，取防護(hù)門間距為50m，防護(hù)門寬度2m，站臺(tái)寬度為2.3m時(shí)的疏散時(shí)間225s作為必須安全疏散時(shí)間的參考工況，考慮到最不利情況并考慮一定安全系數(shù)，本隧道人員疏散必需安全疏散時(shí)間可取為290s。