大跨徑水下特長隧道安全門寬度及間距設(shè)置對人員疏散影響研究

李清瑞

(中鐵第五勘察設(shè)計院集團有限公司 北京市 102600)

0 引言

近年來下穿湖、海等水體隧道工程越來越多。由于隧道內(nèi)比較封閉，發(fā)生火災(zāi)后，對人員生命及財產(chǎn)造成極大威脅。在隧道內(nèi)設(shè)置安全通道，火災(zāi)時為隧道內(nèi)人員疏散提供安全的疏散路徑，全力保障生命安全。

大跨徑水下特長隧道橫斷面一般采用兩孔一管廊的結(jié)構(gòu)，兩側(cè)孔為隧道車行洞，中間管廊。中間管廊上部設(shè)置排煙風道，中部為電纜夾層，下部為安全疏散通道。發(fā)生火災(zāi)時，隧道車行洞內(nèi)人員通過安全防火門進入安全通道，往隧道兩端出口進行疏散。安全門作為救援的主要通道，安全門寬度及間距的設(shè)置對隧道車行洞內(nèi)人員及時疏散起到至關(guān)重要的作用。

國內(nèi)外專家學者對隧道橫通道間距做出了大量研究及探索，并取得了一定的成果。曹校勇等[1]通過數(shù)值模擬分析安全疏散和火災(zāi)擴散過程，對超高海拔特長公路隧道橫通道間距設(shè)置進行研究，并對隧道橫通道間距給出了建議；楊高尚等[2]研究公路隧道的橫通道間距，得到了雪峰山隧道對人員疏散最適宜的橫通道間距；呂鋒等[3]對比分析了錢江隧道明挖段和暗挖段疏散通道的設(shè)置方式及間距；任其亮[4]對特長公路隧道避難聯(lián)絡(luò)通道間距設(shè)置進行研究，提出雪峰山隧道避難聯(lián)絡(luò)通道設(shè)置間距最優(yōu)值；安永林等[5]對特長公路隧道內(nèi)的橫通道間距和車行間距進行研究，提出隧道橫通道最佳間距及隧道內(nèi)車距。

目前國內(nèi)外學者主要針雙洞隧道的橫向聯(lián)絡(luò)通道展開研究，對大跨徑特長明挖隧道中部的安全通道研究較少。大跨徑特長水下隧道安全門寬度及間距應(yīng)如何設(shè)置，既能滿足隧道車行洞內(nèi)人員疏散要求，又能節(jié)約建安費，是這類工程建設(shè)需要重點研究的內(nèi)容。研究對象為江蘇某大跨徑水下特長隧道，運用人員疏散模擬軟件Pathfinder對不同安全門寬度、間距條件下的人員疏散情況進行了研究。

1 數(shù)值模擬

1.1 模型建立

Pathfinder軟件是一套直觀、易用的新型的智能人員緊急疏散逃生評估系統(tǒng)。研究對象為江蘇某大跨徑水下特長隧道，通過人員疏散模擬軟件Pathfinder建立數(shù)值仿真模型。

根據(jù)《公路隧道通風設(shè)計細則》[6](JTG/T D70/2-02—2014)3.3.2條規(guī)定：“對于長度L≤1000m的隧道可不考慮交通阻滯；對于長度L>1000m的隧道，阻滯段宜按每車道長度為1000m計算。為了使研究具有更廣泛的適用性，選取的疏散場景為：隧道內(nèi)交通阻滯(車速為30km/h)發(fā)生火災(zāi)，隧道阻滯長度按1km計；火災(zāi)發(fā)生于阻滯段中間位置，人員疏散時火災(zāi)阻滯區(qū)域1km范圍內(nèi)的安全門全部打開，為了便于研究，在模擬時規(guī)定：逆著行車方向，交通阻滯區(qū)域1km范圍內(nèi)的安全門的編號依次為1#、2#、3#……8#安全門。隧道內(nèi)安全門布置示意圖如圖1所示。

圖1 隧道內(nèi)安全門布置示意圖

建立平面幾何尺寸為1000m×16.7m(長×寬)的隧道模型，將車輛布置在除緊急車道之外的三條車道上，依據(jù)《中華人民共和國道路交通安全法》等交通規(guī)定：大車(中貨車、大貨車、汽車列車、大客車)在外側(cè)的1條行車道行駛，其余車輛在內(nèi)側(cè)2條車道行駛。所建立的物理模型如圖2所示。

圖2 隧道人員疏散物理模型詳圖

根據(jù)最不利工況，所有車輛按照滿載計算確定疏散人數(shù)為2360人，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。研究隧道車行洞內(nèi)所有人員疏散至安全通道所需時間。表1為隧道火災(zāi)時人員疏散特征值。

表1 人員疏散特征值

1.2 工況設(shè)置

隧道車行洞內(nèi)發(fā)生火災(zāi)后，需要對隧道內(nèi)乘客進行緊急疏散，若安全門寬度過小，大量人員在隧道內(nèi)疏散時，人員在安全門處會發(fā)生嚴重擁堵，從而影響人員的通行速度，隧道車行洞人員疏散時間增長。但是，安全門寬度加寬，土建造價也會提高。因此，選擇設(shè)置適當?shù)陌踩T寬度，不但可以滿足人員在隧道車行洞人員安全疏散，同時也能節(jié)約投資。

不同安全門寬度工況表如表2所示。

表2 不同安全門寬度工況表

隧道發(fā)生火災(zāi)后，需要對隧道車行洞內(nèi)乘客進行緊急疏散，若安全門間距過大，同等阻塞長度下的安全門數(shù)量越少，同時一個安全門所承擔的疏散總?cè)藬?shù)增多，造成安全口處人員過多、人員擁擠，從而影響人員的行走速度，增加了隧道車行洞內(nèi)人員疏散時間，人員的安全難以保障。但是，安全口間距過小，造價也會提高。因此選擇設(shè)置適當?shù)陌踩T間距，不但可以滿足隧道車行洞內(nèi)人員安全疏散，同時也能減少建安費。

在人員疏散的過程中，橫通道寬度和防護門寬度哪個是影響疏散時間的主要因素，或是共同作用于人員疏散的過程還有待研究。因此，需對橫通道寬度以及防護門寬度進行組合分析，研究不同組合工況如何影響人員疏散時間。橫通道寬度和防護門寬度的組合工況如表3所示。

表3 不同安全門間距工況表

2 疏散模擬結(jié)果分析

2.1 安全門寬度對隧道車行洞人員疏散時間的影響

不同安全門寬度工況模擬時間如表4所示。

表4 不同安全門寬度工況模擬時間表

不同安全門寬度對隧道車行洞人員疏散時間影響趨勢如圖3所示。

圖3 不同安全門寬度對隧道車行洞人員疏散時間影響

選取幾種典型的模擬結(jié)果，如圖4所示：安全門間距為100m，不同安全門寬度下，TRSET為360s時，1#安全門附近的人員分布圖。

圖4 安全門間距100m，不同安全門寬度下，TRSET=360s時，1#安全門附近的人員分布圖

由圖3及表4可知：同一安全門間距下，安全門寬度由W=1.2m逐漸增加至W=2.1m時，隧道車行洞人員疏散時間逐漸減小；當寬度增大到一定值后，疏散時間變化幅度減小且趨于平穩(wěn)。安全門寬度的取值對人員必需安全疏散時間TRSET影響較大，且安全門間距越大，安全門寬度對疏散時間的影響程度就越大。

由圖4可知：安全門間距L=100m，TRSET為360s時，安全門寬度為W=2.1m、W=1.8m工況下，隧道人員已幾乎全部疏散至安全通道；W=1.5m、W=1.2m工況，1#安全門擁堵情況依然存在。

結(jié)合上述分析，隧道行車洞內(nèi)人員安全疏散的結(jié)論如下：

(1)在安全門間距一定的條件下，人員必需安全疏散時間TRSET隨著安全門寬度改變時呈現(xiàn)的規(guī)律一致，即：隨著安全門寬度的增大均呈現(xiàn)出先大幅減小，當寬度增大到一定值后，疏散時間變化幅度減小且趨于平穩(wěn)。分析原因為：對于超長隧道人員較多，安全門疏散負擔較重。當安全門寬度在1.2～1.8m時，其疏散能力偏小，與超長隧道人員疏散匹配度較差；當安全門寬度在1.8～2.1m時，其疏散能力較好，與超長隧道人員疏散匹配度較好，人員棄車逃生到安全門處擁堵情況得到明顯改善，在此情況下繼續(xù)增加安全門寬度對疏散時間影響有限。

(2)隨著安全門寬度增加，疏散時間減小，當安全門的寬度達到一定時，疏散時間趨于穩(wěn)定，不再減小，一味增加安全門寬度沒有意義，且造成施工難度及建安費的大幅增加，反而不利。

因此，綜合考慮土建成本與人員必需安全疏散時間TRSET，并結(jié)合隧道類型及相關(guān)的規(guī)范要求，建議實際工程中，若隧道為城市隧道，推薦安全門的寬度W取1.8m，既可達到較好的人員疏散效果又能節(jié)約土建建安費；若隧道為公路隧道，推薦安全門的寬度W取2.1m，可達到較好的人員疏散效果，避免安全門寬度進一步增大，造成不必要的建安費投入。

2.2 安全門間距對隧道車行洞人員疏散時間的影響

不同安全門寬度工況模擬時間如表5示。

表5 安全門間距工況模擬時間表

不同安全門寬度對隧道車行洞人員疏散時間影響趨勢如圖5。

圖5 不同安全門間距對隧道車行洞人員疏散時間影響

選取幾種典型的模擬結(jié)果，圖6是在安全門寬W=1.8m，不同安全門間距下，TRSET為360s時，1#安全門附近的人員分布圖。

圖6 安全門寬度1.8m，不同安全門間距下，TRSET=360s時，1#安全門附近的人員分布圖

由圖5及表5可知：安全門寬度為1.2m時，安全門間距由80m增加至100m，隧道車行洞人員疏散時間增加55s；安全門間距由100m增加至120m，疏散時間增加74s；安全門間距由120m增加至150m，疏散時間增加91s。安全門寬度為1.8m工況時模擬結(jié)果類似?？梢?，隨著安全門間距的增加，隧道車行洞人員疏散時間越長；安全門間距超過100m后，隧道車行洞人員疏散時間增加的程度加大；且安全門寬度越小，隨著安全門間距的加大，隧道車行洞人員疏散時間增加的程度更加明顯。

由圖6可知：安全門寬W=1.8m，TRSET為360s時，安全門間距L=80m及L=100m工況，1#安全門均未出現(xiàn)擁堵現(xiàn)象；L=120m工況時，1#安全門擁堵現(xiàn)象較為嚴重；L=150m工況時，1#安全門擁堵情況更嚴重。

綜上所述，分析得到隧道車行洞內(nèi)人員疏散的結(jié)論如下：

(1)安全門間距越大，隧道車行洞人員疏散時間越長；安全門間距越小，隧道車行洞人員疏散時間越短。

上述結(jié)果主要因為安全門間距越大，同等阻塞長度下的安全門數(shù)量越少，即同時一個安全門承擔的疏散人數(shù)增多，人員疏散距離加大，隧道車行洞內(nèi)人員疏散時間越長。同理，安全門間距越小，則相反。

(2)安全門間距越大，1#安全門擁堵時間越長，擁堵程度越高；安全門間距越小，1#安全門擁堵時間越短，擁堵程度大大緩解。

安全門間距為80m時，與間距100m相比，隧道車行洞內(nèi)人員疏散時間、人員擁堵程度降低的不明顯；且安全門間距越小，工程造價會相應(yīng)增加。另外，安全門間距為100m時，基本能滿足隧道車行洞內(nèi)人員安全疏散要求，結(jié)合人員疏散及工程設(shè)計兩方面因素，建議安全門間距采用100m。

因此，綜合考慮土建成本與人員必需安全疏散時間TRSET，并結(jié)合相關(guān)規(guī)范要求，建議實際工程中安全門間距采用100m。

3 結(jié)論

運用Pathfinder軟件對某大跨徑水下特長隧道車行洞的人員疏散進行了模擬研究，主要結(jié)論如下：

(1)安全門寬度對隧道車行洞內(nèi)人員疏散有較大影響，安全門寬度越大，人員疏散時間越短，擁堵程度越小，擁堵時間越短。推薦安全門的寬度W取1.8m或者2.1m，既可達到較好的人員疏散效果又能節(jié)約土建建安費。

(2)安全門間距對隧道車行洞內(nèi)人員疏散有較大影響，安全門間距越大，人員疏散時間越長，擁堵程度越大，擁堵時間越長。綜合考慮土建成本與人員必需安全疏散時間TRSET，并結(jié)合相關(guān)規(guī)范要求，推薦安全門間距采用100m。