湖底雙層超大直徑盾構(gòu)隧道火災(zāi)人員疏散分析*

李森生

(1.水下隧道技術(shù)國(guó)家地方聯(lián)合工程研究中心，湖北 武漢 430063；2.中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，湖北 武漢 430063)

0 引言

城市水下雙層隧道可充分利用隧道內(nèi)部空間，節(jié)省城市地下空間資源，是隧道建設(shè)重要方式。但為充分利用空間，水下雙層隧道多在大斷面內(nèi)設(shè)置共用疏散樓梯，且隧道通往地面的通道少、空間局限性大，火災(zāi)發(fā)生時(shí)對(duì)人員疏散安全提出更高的要求。

學(xué)者針對(duì)隧道疏散口間距開展研究：張培紅等[1]通過分析公路隧道火災(zāi)時(shí)不同縱向逃生樓梯間距對(duì)人員疏散的安全性，得到縱向疏散的逃生樓梯間距最大不宜超過100 m；奚學(xué)東等[2]利用數(shù)值模擬及公式法對(duì)比不同縱向疏散口間距對(duì)人員疏散時(shí)間的影響，建議隧道疏散口間距設(shè)置為100 m；沈卓恒等[3]分析不同滑梯口間距對(duì)人員縱向疏散時(shí)間的影響，最后確定滑梯間距為80 m時(shí)滿足疏散要求；李婷等[4]分析影響疏散的疏散樓梯結(jié)構(gòu)參數(shù)，得出疏散樓梯的間距與整體疏散時(shí)間成線性關(guān)系；付維綱等[5]分析水下盾構(gòu)隧道不同疏散門間距下列車人員的疏散時(shí)間，驗(yàn)證了疏散口間距設(shè)計(jì)為100 m的合理性；張奧宇等[6]通過分析水下盾構(gòu)隧道疏散滑梯不同間距下人員疏散運(yùn)動(dòng)時(shí)間，得到間距為80 m時(shí)滑梯的綜合利用率最佳。現(xiàn)有研究多針對(duì)單層隧道自上而下單一縱向疏散模式下的疏散口間距對(duì)人員疏散時(shí)間的影響，缺乏對(duì)湖底雙層超大直徑隧道共用疏散樓梯，包含自上而下和自下而上2種疏散模式的疏散樓梯間距及相應(yīng)利用效率、通過率對(duì)人員疏散安全性的相關(guān)研究。

因此，本文以目前世界規(guī)模最大的城市湖底、雙層超大直徑隧道-兩湖隧道為研究對(duì)象，針對(duì)更不利疏散模式(即下層公路隧道火災(zāi)時(shí)人員自下而上疏散)，分析不同樓梯間距對(duì)人員疏散時(shí)間的影響，及不同樓梯間距對(duì)各疏散樓梯的人員利用效率和通過率的影響。研究結(jié)果可為湖底雙層隧道工程疏散樓梯間距設(shè)計(jì)和人員安全管理提供理論依據(jù)。

1 隧道排煙與疏散設(shè)施設(shè)計(jì)

兩湖隧道工程(東湖段)北起秦園路，南至珞喻路，秦園路接主線隧道長(zhǎng)6 071 m，湖底盾構(gòu)段長(zhǎng)3 055 m。兩湖隧道為單管雙向4車道隧道，將大斷面盾構(gòu)隧道分為上下雙層，如圖1所示。隧道為一類城市水下隧道，只通行小汽車。

圖1 盾構(gòu)隧道排煙疏散方案斷面Fig.1 Section of smoke exhaust and evacuation scheme of shield tunnel

為實(shí)現(xiàn)湖底雙層隧道火災(zāi)工況下的人員疏散，隧道上下2層通過寬度為0.8 m的疏散樓梯相連，上下層隧道互為疏散通道，事故隧道層人員可通過疏散樓梯上行或下行進(jìn)入非事故隧道層進(jìn)行疏散。考慮下層人員疏散過程相對(duì)上層人員疏散過程更加復(fù)雜，本文針對(duì)下層隧道人員疏散進(jìn)行研究分析。下層隧道為側(cè)部重點(diǎn)排煙，在隧道一側(cè)墻壁縱向間距60 m設(shè)置排煙口。為研究不同疏散樓梯間距對(duì)人員疏散的影響，對(duì)100，120，150 m的疏散樓梯間距進(jìn)行人員安全疏散分析。

2 隧道火災(zāi)場(chǎng)景設(shè)計(jì)及模型建立

2.1 人員安全疏散準(zhǔn)則

火災(zāi)中保證隧道內(nèi)人員安全疏散的關(guān)鍵為必需安全疏散時(shí)間TRSET必須小于可用安全疏散時(shí)間TASET[7]，如式(1)所示：

TRSET

(1)

式中：TRSET包含報(bào)警時(shí)間Talarm、響應(yīng)時(shí)間Tresponse和人員疏散行走時(shí)間Tmove，如式(2)所示：

TRSET=Talarm+Tresponse+1.2Tmove

(2)

在實(shí)際疏散過程中，由于隧道環(huán)境和人員疏散環(huán)境的影響，人員存在不確定性，需對(duì)行走時(shí)間考慮一定的安全補(bǔ)償，故將人員疏散安全系數(shù)取為1.2。隧道內(nèi)設(shè)有火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)、應(yīng)急廣播系統(tǒng)和監(jiān)控系統(tǒng)等，將火災(zāi)報(bào)警時(shí)間設(shè)為60 s；考慮人員受教育程度、反應(yīng)能力、心理素質(zhì)等因素[8]，將人員疏散響應(yīng)時(shí)間保守確定為120 s。

2.2 火災(zāi)煙氣模型及人員疏散模型設(shè)計(jì)

本文采用集中排煙的公路隧道，煙氣在隧道內(nèi)蔓延長(zhǎng)度不宜超過300 m[9]，可利用FDS建立長(zhǎng)度為800 m的隧道火災(zāi)煙氣模擬計(jì)算模型?；馂?zāi)場(chǎng)景考慮最危險(xiǎn)情況，即火源點(diǎn)位于模擬段中間。由于隧道凈空較低，隧道內(nèi)發(fā)生火災(zāi)時(shí)，火災(zāi)車輛會(huì)對(duì)其相鄰車輛產(chǎn)生大量輻射熱，若相鄰車輛的臨界輻射熱通量小于其受到的輻射熱，火災(zāi)車輛會(huì)引燃相鄰車輛，使火災(zāi)規(guī)模擴(kuò)大[10]。在隧道火災(zāi)事故中，車輛相撞(包括碰撞和追尾)為主要事故類型[11-12]，兩湖隧道單層為2車道且僅通行小汽車，車速較慢為50 km/h，發(fā)生多輛車(≥3輛)碰撞追尾的可能性較小，故取車輛碰撞發(fā)生火災(zāi)同時(shí)引燃相鄰車輛，造成3輛車發(fā)生火災(zāi)的最不利情況。根據(jù)世界道路協(xié)會(huì)(PIARC)及相關(guān)規(guī)范推薦值，單輛小汽車最大火災(zāi)熱釋放速率為5 MW，則3輛小汽車發(fā)生火災(zāi)的最大熱釋放速率為15 MW，所以本文設(shè)計(jì)火災(zāi)規(guī)模為15 MW[13-14]?；鹪撮L(zhǎng)×寬×高為5.5 m×2 m×0 m，排煙量Ve=90 m3/s，排煙口間距l(xiāng)0=60 m，排煙口面積4 m×1 m，火災(zāi)情況下開啟火源附近6個(gè)排煙口，排煙區(qū)段300 m，著火后120 s排煙風(fēng)機(jī)開始啟動(dòng)，180 s達(dá)到全速。

利用Pathfinder模擬人員疏散，火災(zāi)時(shí)隧道內(nèi)報(bào)警系統(tǒng)、排煙系統(tǒng)、照明系統(tǒng)及疏散設(shè)施均有效，不同疏散場(chǎng)景設(shè)置見表1。行車狀況及火源位置均考慮最不利情況，隧道內(nèi)局部堵塞時(shí)，取車速為10 km/h[14]，約2.8 m/s，故考慮前后車輛間距為3 m。隧道內(nèi)小客車長(zhǎng)×寬×高為4.5 m×1.8 m×2 m，載客量6人[15-16]?！豆匪淼涝O(shè)計(jì)規(guī)范 第二冊(cè) 交通工程與附屬設(shè)施》(JTG D70/2—2014)[17]規(guī)定長(zhǎng)度大于1 000 m的隧道，阻滯段宜按每車道長(zhǎng)度為1 000 m計(jì)算，因此取火災(zāi)附近1 000 m的疏散人數(shù)進(jìn)行計(jì)算，車輛總數(shù)為266 輛，考慮車輛滿載的不利情況，滯留人數(shù)為1 596 人。

表1 公路隧道火災(zāi)疏散場(chǎng)景Table 1 Fire evacuation scenes of highway tunnel

參照《2019年國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展統(tǒng)計(jì)公報(bào)》[18]，將人員構(gòu)成及比例設(shè)定為男性36%、女性35%、兒童17%、老人12%。根據(jù)美國(guó)NFPA130規(guī)范[19]、英國(guó)SFPE Handbook《消防工程手冊(cè)》[20]以及《地鐵安全疏散規(guī)范》(GB/T 33668—2017)[21]中建議人員行走速度和形體特征，得到不同人員類型的疏散速度取值，見表2。

表2 人員疏散速度和形體特性Table 2 Characteristics of personnel evacuation speeds and shapes

3 模擬計(jì)算結(jié)果分析

3.1 火災(zāi)模擬分析

利用FDS計(jì)算隧道內(nèi)火災(zāi)情況下煙氣蔓延、能見度以及溫度分布情況。根據(jù)《中國(guó)消防手冊(cè) 第三卷 消防規(guī)劃·公共消防設(shè)施·建筑防火設(shè)計(jì)》確定可用安全疏散時(shí)間判定標(biāo)準(zhǔn)為隧道內(nèi)特征高度2 m處煙氣溫度不超過60 ℃，可視度不小于10 m。

重點(diǎn)排煙系統(tǒng)中，火災(zāi)產(chǎn)生的高溫?zé)煔饪刂圃诨鹪锤浇艧焻^(qū)域內(nèi)，即為安全[22]。不同時(shí)間隧道縱斷面溫度分布如圖2所示。由圖2可知，高溫?zé)煔庀蛩淼纼蓚?cè)擴(kuò)散，煙氣溫度逐漸降低并在火源遠(yuǎn)端發(fā)生沉降；隧道內(nèi)高溫?zé)煔馐冀K維持在火源附近隧道上部區(qū)域，導(dǎo)致此區(qū)域溫度高于60 ℃，隧道下部區(qū)域和距火源較遠(yuǎn)位置的溫度始終低于60 ℃。以靠近疏散樓梯側(cè)車道中線2 m清晰高度處的溫度作為判據(jù)，不同火災(zāi)發(fā)展時(shí)間下溫度隨距離的變化曲線如圖3所示。由圖3可知，火災(zāi)時(shí)間為300 s時(shí)，溫度大于60 ℃的初始位置在距火源兩側(cè)10 m范圍；火災(zāi)發(fā)展至900，1 200 s時(shí)，溫度隨時(shí)間變化曲線基本重合，溫度大于60 ℃的初始位置在距火源兩側(cè)110 m范圍，滿足T≤60 ℃的安全疏散準(zhǔn)則。因此，從煙氣溫度控制角度可知，可用安全疏散時(shí)間TASET≥1 200 s。

圖2 不同時(shí)間隧道縱斷面溫度分布Fig.2 Temperature distribution of tunnel longitudinal section at different time

圖3 不同火災(zāi)發(fā)展時(shí)間下溫度隨距離的變化曲線Fig.3 Variation curves of temperature with distance under different fire development time

不同火災(zāi)發(fā)展時(shí)間下隧道縱斷面能見度分布如圖4所示。由圖4可知，隨燃燒時(shí)間增長(zhǎng)(300～1 200 s)，2 m清晰高度處能見度逐漸降低。當(dāng)火災(zāi)發(fā)展至1 200 s時(shí)，除火源位置外能見度不低于10 m，滿足能見度不小于10 m的安全疏散準(zhǔn)則。因此，從能見度角度可知，可用安全疏散時(shí)間TASET≥1 200 s。

圖4 不同火災(zāi)發(fā)展時(shí)間下的能見度分布Fig.4 Visibility distribution under different fire development time

溫度、能見度指標(biāo)判據(jù)下的可用安全疏散時(shí)間TASET≥1 200 s。《道路隧道設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》(DG/TJ 08-2033—2017)[14]規(guī)定：在正常運(yùn)營(yíng)階段發(fā)生火災(zāi)，當(dāng)通風(fēng)、消防等系統(tǒng)工作正常時(shí)，隧道內(nèi)乘行人員安全疏散時(shí)間一般在15 min以內(nèi)；當(dāng)隧道內(nèi)設(shè)有重點(diǎn)排煙系統(tǒng)時(shí)，安全疏散時(shí)間可適當(dāng)放寬至20 min。因本隧道采用重點(diǎn)排煙系統(tǒng)，結(jié)合火災(zāi)模擬結(jié)果確定可用安全疏散時(shí)間TASET=1 200 s。

3.2 人員疏散仿真計(jì)算分析

1)疏散時(shí)間分析

不同疏散樓梯間距時(shí)不同時(shí)刻人員疏散情況如圖5所示。由圖5可知，當(dāng)疏散樓梯間距分別為100，120，150 m時(shí)，對(duì)應(yīng)人員疏散時(shí)間為291.5，347，436.3 s。對(duì)于不同疏散樓梯間距，在疏散開始時(shí)刻，人員迅速移至距離最近疏散樓梯口；疏散進(jìn)行一段時(shí)間后，各疏散樓梯口擁堵嚴(yán)重(擁堵范圍約10 m)，嚴(yán)重?fù)矶聲r(shí)間分別持續(xù)125，165，250 s后，擁堵范圍減小，距離火源點(diǎn)較遠(yuǎn)的疏散樓梯口基本已經(jīng)疏散完畢，靠近火源點(diǎn)的疏散樓梯口仍處于排隊(duì)狀態(tài)，直到隧道內(nèi)人員疏散完畢。

圖5 不同疏散樓梯間距時(shí)不同時(shí)刻人員疏散情況Fig.5 Personnel evacuation situation at different time under different evacuation staircase spacing

2)疏散樓梯利用效率及平均通過率

當(dāng)隧道內(nèi)疏散樓梯間距為100，120，150 m時(shí)，疏散樓梯由左向右依次順序標(biāo)記1#、2#、3#、4#、5#、6#、7#、8#、9#、10#。

不同疏散場(chǎng)景各疏散樓梯累積人數(shù)和疏散樓梯口平均通過率曲線如圖6～7所示?；鹪袋c(diǎn)正對(duì)的疏散樓梯不能用于疏散，無疏散記錄；距離火源最近的疏散樓梯利用效率最高。

圖6 疏散樓梯累積疏散人數(shù)隨時(shí)間變化曲線Fig.6 Curves of cumulative number of evacuated personnel through evacuation staircase with time

圖7 不同疏散樓梯間距下的平均通過率Fig.7 Average passing rates of evacuation staircase in different evacuation scenes

當(dāng)疏散樓梯間距為100 m時(shí)，匯集在疏散樓梯7#的人員相對(duì)最多，所用疏散時(shí)間相對(duì)最長(zhǎng)，其余疏散樓梯利用效率基本一致。各疏散樓梯口平均通過率均接近0.80 人/s，上下波動(dòng)幅度小，疏散過程中人員分布較均衡，疏散效果最佳。

疏散樓梯間距為120 m時(shí)，各疏散樓梯的利用效率隨疏散樓梯與火源距離的增大而穩(wěn)定降低，呈對(duì)稱分布狀態(tài)。各疏散樓梯口平均通過率約0.79人/s，上下波動(dòng)幅度較小，疏散過程中人員分布較規(guī)律。

疏散樓梯間距為150 m時(shí)，疏散樓梯3#和5#利用效率較高，其余疏散樓梯利用效率無明顯規(guī)律。各疏散樓梯口平均通過率約0.77人/s，上下波動(dòng)幅度較大，疏散過程中人員分布不均衡。

在不同疏散樓梯間距，人員對(duì)樓梯的利用效率相差較大，通過率相差較小?？紤]疏散樓梯的利用效率和平均通過率，當(dāng)疏散樓梯間距為100，120 m時(shí)疏散效果更佳。

結(jié)合圖5～7可知，人員選擇距離自己最近的疏散樓梯口進(jìn)行疏散，但火源正對(duì)疏散樓梯口時(shí)，該疏散樓梯不能用于疏散，導(dǎo)致火源附近的2個(gè)疏散樓梯擁堵情況嚴(yán)重，各疏散樓梯利用率不均衡，建議優(yōu)化隧道內(nèi)應(yīng)急廣播系統(tǒng)，火災(zāi)后定時(shí)播報(bào)，引導(dǎo)火源附近疏散樓梯口人員向其他相對(duì)暢通的樓梯進(jìn)行疏散，緩解擁堵情況，提高其他疏散樓梯的利用率，減少人員疏散時(shí)間。

3.3 人員安全疏散判定

將Tmove代入式(2)得到必需安全疏散時(shí)間TRSET，結(jié)果見表3。對(duì)比人員可用安全疏散時(shí)間TASET與必需安全疏散時(shí)間TRSET發(fā)現(xiàn)，下層隧道盾構(gòu)段發(fā)生火災(zāi)時(shí)，利用疏散樓梯進(jìn)入隧道結(jié)構(gòu)的上層疏散通道進(jìn)行人員疏散是安全可行的；盾構(gòu)段疏散口間距在100，120，150 m時(shí)，均能滿足疏散安全要求，但間距越小，疏散樓梯設(shè)置數(shù)量越多，其施工成本越高；因此，從安全和運(yùn)行成本綜合考慮，當(dāng)隧道疏散口間距設(shè)為120 m時(shí)，滿足人員安全疏散和標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定“上下層車道之間設(shè)置封閉樓梯間，樓梯間距不大于120 m”[14]的要求。

表3 必需安全疏散時(shí)間計(jì)算結(jié)果Table 3 Calculation results of required safe evacuation time

4 結(jié)論

1)兩湖雙層超大直徑盾構(gòu)隧道采用側(cè)部重點(diǎn)排煙，考慮不利情況即火災(zāi)規(guī)模為15 MW時(shí)，由隧道內(nèi)不同環(huán)境控制指標(biāo)判據(jù)和相關(guān)規(guī)范確定人員可用安全疏散時(shí)間TASET為1 200 s。

2)火源正對(duì)疏散樓梯口處，當(dāng)疏散樓梯間距為100，120，150 m時(shí)，人員疏散均滿足安全疏散需求，且疏散樓梯間距越小，人員疏散時(shí)間越短；當(dāng)疏散樓梯間距為100，120 m時(shí)，各疏散樓梯的利用效率相對(duì)穩(wěn)定，通過率波動(dòng)幅度較小，且疏散樓梯平均通過率分別為0.80，0.79人/s。因此，綜合考慮安全性、利用率和運(yùn)行成本，推薦疏散樓梯間距為120 m。

3)比較不同樓梯間距下各疏散樓梯的擁堵程度及利用率，建議優(yōu)化隧道內(nèi)應(yīng)急廣播系統(tǒng)，及時(shí)有效播報(bào)疏散引導(dǎo)信息、疏散人群，以緩解火源附近樓梯口的疏散壓力，提高其他疏散樓梯的利用率，減少人員疏散時(shí)間。