張德成 ZHANG De-cheng；蒲勇PU Yong；沈航 SHEN Hang；蔣克軍 JIANG Ke-jun

（①昆明理工大學(xué)土木工程學(xué)院工程力學(xué)系，昆明 650500；②南充市政府投資非經(jīng)營性項目代建中心，南充 637000）

（①Department of Engineering Mechanics,College of Civil Engineering,Kunming University of Science and Technology，Kunming 650500，China；②Nanchong Government-investment and Non-operational Projects Center，Nanchong 637000，China）

公路隧道火災(zāi)時安全疏散通道研究

張德成①②ZHANG De-cheng；蒲勇②PU Yong；沈航②SHEN Hang；蔣克軍②JIANG Ke-jun

（①昆明理工大學(xué)土木工程學(xué)院工程力學(xué)系，昆明 650500；②南充市政府投資非經(jīng)營性項目代建中心，南充 637000）

（①Department of Engineering Mechanics,College of Civil Engineering,Kunming University of Science and Technology，Kunming 650500，China；②Nanchong Government-investment and Non-operational Projects Center，Nanchong 637000，China）

為了保證災(zāi)害發(fā)生時人員的安全疏散，隧道安全疏散通道的合理布局至關(guān)重要。首先收集了國內(nèi)外49座公路隧道案例，統(tǒng)計分析了公路隧道常用的安全疏散方式以及它們的特點和適用范圍；針對公路隧道最常用的橫通道疏散方式，深入分析了橫通道間距分布區(qū)間、發(fā)展趨勢以及與隧道長度之間的關(guān)系。在案列統(tǒng)計分析的基礎(chǔ)上，以某水下公路隧道為例，進(jìn)行了安全疏散通道設(shè)計并采用Building Exodus軟件驗證了其合理性。本文研究成果為公路隧道安全疏散通道的合理確定提供了參考依據(jù)和借鑒。

隧道；火災(zāi)；安全疏散；橫通道；數(shù)值模擬

0 引言

近年來隨著國家加強(qiáng)對基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的投入，我國交通建設(shè)事業(yè)取得了迅猛的發(fā)展，我國隧道工程建設(shè)與科研都取得了長足的進(jìn)步。目前，我國已經(jīng)成為世界上隧道工程數(shù)量最多、最復(fù)雜、發(fā)展最快的國家。統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明[1]，截止2012年底，我國已建成運營的公路隧道達(dá)10022座，總里程接近8052.7公里。大量公路隧道的建設(shè)為經(jīng)濟(jì)發(fā)展、人民生產(chǎn)生活帶來便利的同時，也對隧道安全工作提出了更高的要求，特別是隧道火災(zāi)時人員疏散的安全性問題。由火災(zāi)導(dǎo)致的公路隧道運營安全事故屢見不鮮，部分事故還造成了大量的人員傷亡[2]。安全疏散通道作為火災(zāi)事故時人員的逃生通道，其合理布局設(shè)計至關(guān)重要，也需要展開進(jìn)一步的深入研究[3～7]。本文首先收集國內(nèi)外大量公路隧道疏散設(shè)計案例，總結(jié)分析了公路隧道目前常用的逃生疏散方式以及它們的優(yōu)缺點；針對最常用的橫通道疏散方式，深入分析其間距分布區(qū)間、發(fā)展趨勢及與隧道長度之間的關(guān)系。在統(tǒng)計分析的基礎(chǔ)上，對某水下公路隧道疏散方式進(jìn)行了設(shè)計，并通過疏散仿真手段模擬災(zāi)害場景，計算逃生時間，分析驗證疏散方式的合理性。

1 公路隧道常用疏散逃生方式分析

為了獲得公路隧道常用的疏散逃生方式，統(tǒng)計分析國內(nèi)外文獻(xiàn)，共獲得49例國內(nèi)外公路隧道有效案例。統(tǒng)計分析結(jié)果表明，目前國內(nèi)外公路隧道通常采用的逃生方式主要有以下幾種：①將雙管隧道間的橫通道作為逃生救援通道；②在隧道車道板下設(shè)置逃生通道；③將服務(wù)隧道作為逃生救援通道；④將隧道之間的管廊作為逃生救援通道。不同逃生方式示意具體見圖1。

以上常用的四種逃生方式各有其特點及適用條件。總體上，采用服務(wù)隧道的通行能力最佳，不過由于工程造價高，而且多應(yīng)用于硬巖地區(qū)，應(yīng)用限制較大；隧道聯(lián)絡(luò)橫通道的疏散能力較強(qiáng)，不過，開橫通道對原隧道結(jié)構(gòu)的受力不利，施工中已發(fā)生事故，地質(zhì)條件較差的情況下應(yīng)慎重選擇；隨著隧道直徑增大與雙層隧道應(yīng)用，原本受隧道直徑所制約的車道板下式通道的疏散能力也得到改善，而且其施工難度低、建造成本低，逐漸被大量應(yīng)用在大直徑隧道設(shè)計中；對于沉管法及明挖隧道，可事先就在隧道兩孔間設(shè)置管廊，放置管線的同時用作逃生通道，疏散時可直接沿著管廊逃向地面，或通過橫通道經(jīng)由管廊到達(dá)鄰近隧道。

在收集的49例國內(nèi)外公路隧道案例中，只采用橫通道逃生方式的隧道占大多數(shù)，達(dá)到33條，僅僅采用車道板下逃生或僅僅采用服務(wù)隧道逃生的隧道分別有2條和5條，而將多種逃生方式相結(jié)合的隧道有9條。在采用組合逃生方式的隧道中，有3條隧道使用了橫通道+服務(wù)隧道的模式，有6條隧道使用了橫通道+車道板下逃生模式。可以看出，目前絕大部分的隧道所采用的疏散逃生方式均為橫通道方式，即在發(fā)生火災(zāi)時，人員利用橫向聯(lián)絡(luò)通道進(jìn)入另一主隧道的安全區(qū)。

2 橫通道設(shè)置間距統(tǒng)計分析

2.1 橫通道間距分布區(qū)間 針對只采用橫通道逃生方式的33條隧道展開深入分析可知，橫通道的間距不盡相同，最短的有90m，最長的有1600m。將橫通道間距L劃分為100m 以下，100m～200m，200m～300m，300m～400m，400m～500m和500m及以上幾個不同區(qū)段進(jìn)行統(tǒng)計，得到統(tǒng)計結(jié)果見圖3。從圖3中可以看出，橫通道設(shè)置間距多在200米到500米之間，這部分隧道共有28條，占總體的84.8%。這與《公路隧道設(shè)計規(guī)范》[8]中規(guī)定的“人行通道的設(shè)置間距可取250m，并不大于500m”相一致。

2.2 隧道長度對橫通道間距影響 將只采用橫通道逃生方式的33條隧道按長度分為兩部分，其中長度小于6km隧道有16條，長度大于6km隧道有17條，它們各自的橫通道間距統(tǒng)計如圖4所示?？梢钥闯?，隨著隧道長度的增加，橫通道間距設(shè)置傾向于使用較短的距離。

2.3 橫通道間距發(fā)展趨勢 在33條只采用橫通道逃生方式的隧道中，橫通道間距大于500米的共有4條隧道，其中只有1條是在2000年之后修建的。同時，其他14條2000年之后修建的隧道中，橫通道間距平均為310米，而2000年前修建的隧道的橫通道間距平均為480米。這些都說明隨著經(jīng)濟(jì)技術(shù)水平的提高，公路隧道橫通道間距逐步趨于合理性的減小，以更好地滿足逃生安全要求。分析原因，這是由于隨著時間的推移，隧道的內(nèi)行車量變大，人員密度逐漸增大，因此為了保證人員的安全疏散，橫通道間距逐漸趨于減小。

3 某隧道逃生疏散通道設(shè)計

3.1 工程概況 某水下公路隧道設(shè)計時速為100km/h，穿越水域段長約10km，水域面寬約9.3km，水深約2m～3m。隧道擬采用明挖法進(jìn)行施工。隧道全長11000m，其中暗埋段10060m。在隧道中部設(shè)計1座直徑為75m、面積4000m2的風(fēng)亭用于通風(fēng)。該隧道采用雙向六車道、雙孔一管廊設(shè)計。管廊寬4.5m，上部排煙，中部安裝設(shè)備、下部給排水消防管道。單孔寬16.75m，3條行車道，1條緊急停車帶。

3.2 橫通道間距設(shè)計 根據(jù)已有公路隧道常用的逃生通道方式以及它們的自身特點及適用范圍，結(jié)合明挖法隧道的特殊結(jié)構(gòu)形式，確定橫通道逃生為該隧道最適用的逃生方式，橫通道寬度取1.8m[8]。兩孔車道間每隔一定距離設(shè)一個橫通道，當(dāng)一孔隧道內(nèi)發(fā)生火災(zāi)事故時，人員可由橫通道進(jìn)入安全逃生通道，至另一孔車道層迅速疏散至地面。

根據(jù)上一節(jié)的案例統(tǒng)計分析結(jié)果可知，國內(nèi)外公路隧道的人行橫通道間距主要分布在250-500m之間，同時，我國《公路隧道設(shè)計規(guī)范》[9]將聯(lián)絡(luò)通道間距設(shè)置的推薦值取在250-500m之間，《道路隧道設(shè)計規(guī)范》[8]規(guī)定雙孔隧道設(shè)置的橫向人行通道的間距或隧道通向人行疏散通道的間距不宜大于250m。

考慮到本工程的施工方法為圍堰明挖法，在保證施工安全的前提下應(yīng)適當(dāng)縮小橫通道間距，提高人員逃生及疏散能力，因此建議本工程橫通道間距取為100m-250m。

3.3 橫通道間距合理性驗證 分析不同災(zāi)害場景下隧道內(nèi)發(fā)生突發(fā)事件后，隧道內(nèi)人群緊急逃生行為，即從事故隧道經(jīng)由橫通道到達(dá)鄰近隧道的過程。分析中利用Building Exodus軟件對疏散行為進(jìn)行仿真，考慮人與人、人與火以及人與結(jié)構(gòu)之間的交互作用，分析隧道在運營期發(fā)生火災(zāi)時人員疏散的安全性。為了論證橫通道的合理間距，計算中分別取橫通道間距為100m、120m、150m、200m和250m。

3.3.1 疏散行為仿真原則 針對隧道內(nèi)的安全疏散問題，根據(jù)研究對象的不同，目前，主要分兩種模式進(jìn)行研究[10]：一是以隧道內(nèi)交通的主體——車輛為研究對象，將車作為疏散分析過程中的最小單元，即一輛車為一單元，進(jìn)行研究；二是以人為研究對象，把人看作是疏散過程中的最小單元進(jìn)行研究。公路隧道運營中往往會采取兩種模式同時進(jìn)行疏散，由于本部分重點是對人員安全疏散進(jìn)行研究，因此，將采用第二種方法，即對公路隧道運營期的人員安全疏散問題進(jìn)行分析。

火災(zāi)工程學(xué)對人員疏散的要求是[11]：當(dāng)火災(zāi)發(fā)展到對人體構(gòu)成危險時刻之前，將人員疏散至安全場所。

依據(jù)《道路隧道設(shè)計規(guī)范》[8]：火災(zāi)工況時，隧道內(nèi)乘行人員的安全疏散時間宜小于15min。當(dāng)設(shè)有重點排煙系統(tǒng)和泡沫——水噴霧滅火聯(lián)用系統(tǒng)時，安全疏散時間可適當(dāng)放寬至20min。

3.3.2 仿真場景 以最不利情況考慮，隧道火災(zāi)發(fā)生在橫通道B處，如圖5所示，則橫通道B不可用于疏散逃生，應(yīng)保證處于火災(zāi)下游的車輛可以繼續(xù)安全行駛，直至人員安全離開隧道；處于火災(zāi)上游的人員，由于受火災(zāi)的影響，不能以車輛為單位實現(xiàn)快速的疏散，將不得不棄車從最近的橫通道逃生，因此，該部分人群為火災(zāi)場景下最危險人群。

3.3.3 人員構(gòu)成及行走速度 運營公路隧道內(nèi)人員構(gòu)成復(fù)雜，根據(jù)業(yè)主提供的車種預(yù)測結(jié)果，在2015年～2040年間，該通道車種比例變化幅度很小，這種微小變化對人員安全疏散的模擬仿真影響可以忽略。確定車型比例及乘客數(shù)量預(yù)測結(jié)果如表1所示，人員構(gòu)成如表2所示。

表1 車型比例及乘客數(shù)量預(yù)測結(jié)果

表2 人員構(gòu)成表

人員的行走速度分為6個等級，分別為快走、行走、跳躍、爬行、上樓、下樓。具體取用數(shù)值如下[10]：快速行走速度為1.2～1.5m/s；行走速度為快速行走速度的90%，為1.08～1.35m/s；跳躍速度為快速行走速度的80%，為0.96～1.2m/s；爬行速度為快去行走速度的20%，為0.24～0.3m/s。根據(jù)人員的性別年齡不同，其行走速度也不相同。

3.3.4 人員占用面積 目前對于人員的模型采用人員所占空間進(jìn)行分析，軟件中[5]認(rèn)為單個人員占用一個節(jié)點，即0.5m×0.5m。人員的身高根據(jù)不同的年齡、不同的性別在1.5～2.0m之間隨機(jī)產(chǎn)生。

3.3.5 連接通道口人流速度 人員疏散分析的計算中，平面疏散的人員流動系數(shù)一般可取為1.33人/s/m，則1.8m寬的疏散通道流量為1.33×1.8m=2.4人/s（相當(dāng)于兩個成人、一個小孩）。

3.3.6 疏散人數(shù)及人員分布 疏散人數(shù)主要由隧道內(nèi)的車間距及車類型來決定，根據(jù)相關(guān)要求[5]，計算中取車間距為1.5m，車類型按表1選取。所有人員采用隨機(jī)分布的形式分別布置在不同類型的車輛內(nèi)。

3.3.7 幾何模型 根據(jù)隧道設(shè)計資料及前期分析，建立長度分別為 200m、240m、300m、400m和 500m，寬為16.5m的幾何模型。模型長度為2倍橫通道間距，目的是考慮火災(zāi)發(fā)生處的最不利以及最擁擠逃生條件。模型內(nèi)有3個橫通道，其中1個橫通道處因發(fā)生災(zāi)害無法用于疏散，每個橫通道可同時通過3人。圖6為橫通道間距100m的疏散逃生模型，模型長度為200m，其中，深色部分表示座位，即有人區(qū)域，淺色部分為逃生可利用空間。

3.3.8 結(jié)果分析 圖7為橫通道間距100m疏散過程中的人群密度圖，由圖可以看出位于中間部位的橫通道聚集了更多的人群，疏散壓力較大，成為了逃生控制因素。圖8所示為橫通道間距100m疏散人流的路徑圖，由于大客車載有較多數(shù)量的乘客，由大客車到各個橫通道的疏散通道成為了人員疏散的主要路徑。其余間距橫通道的分析結(jié)果也表明，中間橫通道依然是最主要的逃生出口，而人群的逃生路徑更傾向于先靠向橫通道一側(cè)，然后再尋找最近出口。

表3為不同橫通道間距情況下逃生時間?！兜缆匪淼涝O(shè)計規(guī)范》[8]中規(guī)定“火災(zāi)工況時，隧道內(nèi)乘行人員的安全疏散時間宜小于15min”，可見橫通道間距在250m時仍可滿足要求，但已經(jīng)瀕臨臨界值。該隧道工程采用的是明挖法，縮小橫通道間距并不會對施工和隧道結(jié)構(gòu)帶來較大風(fēng)險，反而可以提高逃生時的安全性能，因此建議本工程橫通道間距取為100m-150m。

表3 不同橫通道間距下的逃生時間

4 結(jié)論

①目前水下公路隧道常用的疏散逃生方式主要有將雙管隧道間的橫通道作為逃生救援通道、在隧道車道板下設(shè)置逃生通道、將服務(wù)隧道作為逃生救援通道和將隧道之間的管廊作為逃生救援通道四種。其中，橫通道逃生方式最為常用。②隨著隧道長度的增加和修建時間的推移，公路隧道橫通道間距趨于減小。③結(jié)合具體案例展示了安全疏散通道設(shè)計整個過程，并采用Building Exodus軟件對逃生疏散通道設(shè)計的合理性進(jìn)行了驗證，這為類似工程的逃生疏散通道設(shè)計提供了參考。④分析結(jié)果表明，火災(zāi)時中間橫通道是最主要的逃生出口，而人群的逃生路徑傾向于先靠向橫通道一側(cè)，然后再尋找最近出口。⑤疏散逃生通道設(shè)計是一項復(fù)雜的工作，下一步需要綜合考慮疏散逃生的安全性和工程經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行安全疏散通道的設(shè)計。

圖6 疏散逃生模型（橫通道間距100m）

圖7 人群密度圖（橫通道間距100m）

圖8 人流路徑圖（橫通道間距100m）

[1]中華人民共和國交通運輸部.2012年公路水路交通運輸行業(yè)發(fā)展統(tǒng)計公報[R].2013.

[2]葉永峰.長大公路隧道運營安全動態(tài)評價及預(yù)警體系研究[D].同濟(jì)大學(xué)，2009.

[3]喻波，楊高尚，彭立敏等.隧道火災(zāi)時人員安全疏散的模擬研究[J].中南公路工程,2006,30(1):158-166.

[4]王華牢，劉學(xué)增，馬小君.長大公路隧道火災(zāi)安全疏散研究[J].公路交通科技,2011,27(11):83-87.

[5]李削云，馬險峰，王軍淞.公路隧道火災(zāi)逃生疏散研究[J].中國安全科學(xué)學(xué)報，2011,21（5）：66-71.

[6]李桂萍，朱春，張旭.火災(zāi)場景下公路隧道人員疏散安全評估[J].地下空間與工程學(xué)報，2011,10（7）：1485-1494.

[7]張進(jìn)華，楊高尚，彭立敏等.隧道火災(zāi)時人員安全疏散的模擬研究[J].隧道建設(shè),2007，27(5):9-13.

[8]DG/TJ08-2033-2008，道路隧道設(shè)計規(guī)范[S].上海：上海人民出版社，2008.

[9]JTG D70-2004，公路隧道設(shè)計規(guī)范[S].北京:人民交通出版社,2004.

[10]姚聰璞.基于風(fēng)險分析的上海長江隧道逃生通道設(shè)計研究[D].同濟(jì)大學(xué)，2008.

[11]高峻，謝寶超，徐志超.杭州過江隧道火災(zāi)時人員安全疏散研究[J].防災(zāi)減災(zāi)工程學(xué)報，2007,27（2）：159-164.

Research on Safe Evacuation of Road Tunnel under Fire

It is important to choose reasonable safe evacuation channels to make sure personnel security.The common safe evacuation ways and their chrematistics and scope of application are attained by statistical analysis of 49 tunnels.For the cross channel,the commonly used evacuation method for road tunnel,the distribution range and development trend of its gap,and its relationship with tunnel length are analyzed.Based on the case analysis,the safe evacuation method for a subaqueous road tunnel is designed,and its rationality is proved by using the"Building Exodus".It provides reference for the design of safe evacuation methods of road tunnels.

tunnel；fire；safe evacuation；cross channel；numerical simulation

張德成（1983-），男，四川南充人，博士研究生，工程力學(xué)專業(yè)，研究方向為滑坡預(yù)報。

U45

A

1006-4311（2014）13-0089-04