張奧宇， 鄧敏， 胡彥杰

(1.中交第二公路勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，湖北 武漢 430056； 2.武漢中交交通工程有限責(zé)任公司)

1 前言

水下隧道的建設(shè)具有不影響通航、節(jié)約寶貴的地面建設(shè)用地、緩解周圍橋梁等設(shè)施的交通壓力等優(yōu)點(diǎn)。與一般山嶺隧道相比，水下隧道往往沒有可以利用的橫洞、斜井、豎井及平行導(dǎo)坑作為輔助疏散通道及通風(fēng)單元，隧道內(nèi)防災(zāi)救援問題更加突出；相比較城市隧道，公路水下隧道長度更長，與地面連接的出入口更少，需要疏散的人員更加集中，更容易發(fā)生人員擁擠的現(xiàn)象。

目前關(guān)于長隧道人員疏散路線的設(shè)計(jì)尚沒有一個(gè)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，需要結(jié)合隧道通風(fēng)排煙設(shè)施及隧道實(shí)際土建現(xiàn)場條件綜合考慮決定。目前國內(nèi)外關(guān)于隧道人員逃生救援已經(jīng)做了較多的研究。張先富結(jié)合媽海灣過江通道工程分工況分別分析了單層盾構(gòu)隧道疏散和雙層盾構(gòu)隧道疏散的時(shí)間，給出了媽海灣隧道最佳疏散模式及疏散滑梯設(shè)置間距；姜獻(xiàn)民等針對(duì)隧道發(fā)生火災(zāi)時(shí)人員恐慌心理造成的慌不擇路，設(shè)計(jì)了一種公路隧道智能疏散照明指示系統(tǒng)，將消防疏散由靜態(tài)“就近指示逃生”轉(zhuǎn)化為動(dòng)態(tài)遠(yuǎn)離火災(zāi)“安全引導(dǎo)逃生”；屈建榮等結(jié)合Crane修正模型和FED死亡模型分別評(píng)價(jià)溫度和CO對(duì)人員的影響，給火災(zāi)可用安全疏散時(shí)間的確定提出了一種新的思路；鄧敏等針對(duì)單洞雙層盾構(gòu)隧道分析了隧道疏散通道的疏散能力，并結(jié)合相關(guān)行業(yè)規(guī)范驗(yàn)證了6 min黃金疏散準(zhǔn)則；方正等對(duì)隧道人員疏散方法進(jìn)行了綜合分析，指出了各種隧道疏散方式的優(yōu)缺點(diǎn)和適用條件，得出了中國水下隧道采用的下沉式滑道間距；高俊等分析了杭州過江通道火災(zāi)時(shí)人員安全疏散的影響因素，得到了人員疏散通道的設(shè)置參數(shù)，給水下隧道的消防設(shè)計(jì)提供了參考。目前在國外主要是土木工程與消防工程跨學(xué)科研究火災(zāi)人員疏散，主要研究領(lǐng)域是房屋建筑；Ruggiero Lovreglio等提出了疏散模型中人員不確定性的量化方法，同時(shí)將BIM、VR、AR等用來評(píng)價(jià)疏散過程中人員的心理變化和疏散知識(shí)教育方面的應(yīng)用；Enrico Ronchi等運(yùn)用目前主流的疏散模型軟件結(jié)合實(shí)際工程進(jìn)行人員疏散仿真分析，對(duì)比了不同疏散模型結(jié)果的異同，同時(shí)給出了造成這種異同的原因。

但是目前關(guān)于海外復(fù)雜交通條件下(貨車比例高、交通量大)隧道疏散問題尚無經(jīng)驗(yàn)可循，需要結(jié)合當(dāng)?shù)厝巳禾匦约敖煌髑闆r采取隧道火災(zāi)性能化設(shè)計(jì)方法來進(jìn)行研究。該文以孟加拉國吉大港卡納普里隧道為工程依托，利用Pathfinder建立隧道人員疏散仿真模型，研究不同疏散模式下人員必須安全疏散時(shí)間，以期為海外水下雙洞盾構(gòu)隧道防災(zāi)救援策略的制定提供依據(jù)。

2 工程概況及人員車輛估算

孟加拉國吉大港卡納普隧道為雙管單層盾構(gòu)隧道，隧道全長3 400 m，其中盾構(gòu)段長度2 450 m，雙向四車道。隧道橫斷面布置圖見圖1。為了滿足隧道發(fā)生火災(zāi)時(shí)的逃生救援要求，在隧道盾構(gòu)段同時(shí)設(shè)置3處橫通道和人員疏散滑梯以滿足防災(zāi)救援的要求，詳細(xì)布置見圖2。受困人員將通過疏散滑梯和相鄰橫通道進(jìn)行逃生。根據(jù)國際道路協(xié)會(huì)(PIARC)的建議和公路隧道通風(fēng)設(shè)計(jì)細(xì)則的相關(guān)規(guī)定，隧道內(nèi)火災(zāi)規(guī)模設(shè)置為30 MW。該文將考慮隧道內(nèi)一處位置發(fā)生火災(zāi)情況下隧道內(nèi)的人員疏散。

圖1 隧道橫斷面示意圖(單位：mm)

圖2 橫通道布置示意圖

待疏散人員的數(shù)量是整個(gè)疏散過程中很重要的設(shè)計(jì)參數(shù)，而影響隧道火災(zāi)疏散人數(shù)的影響因素主要包括：① 火災(zāi)的規(guī)模，火災(zāi)的影響距離(與隧道橫通道布置情況有關(guān))；② 影響范圍內(nèi)的車輛數(shù)；③ 隧道內(nèi)各種車型車輛的比例；④ 各種車輛的最大載人數(shù)。

通過對(duì)孟加拉國吉大港當(dāng)?shù)亟煌窟M(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析得出車型比例分布情況見表1。交通量按遠(yuǎn)期交通量(2035年)進(jìn)行考慮。

隧道內(nèi)車輛間距取1.5 m。隧道內(nèi)火災(zāi)發(fā)生位置在橫通道2時(shí)為最不利情況，此時(shí)人員不能利用橫通道2進(jìn)行逃生，疏散距離最長為橫通道2到橫通道3的距離為700 m。此時(shí)結(jié)合車輛長度和疏散區(qū)間長度即可確定隧道內(nèi)車輛數(shù)的具體分布情況，假設(shè)隧道內(nèi)所有車輛均為滿載，即小客車4人，中客車7人，大客車45人，其他均為2人。通過計(jì)算可以得出700 m區(qū)間共疏散人數(shù)為816人。

表1 隧道內(nèi)車型比例及車型尺寸

3 人員疏散場景設(shè)計(jì)

按照最不利原則考慮，火災(zāi)位于橫通道2處，人員只能通過火源上游橫通道3和疏散滑梯進(jìn)行逃生，且疏散過程中認(rèn)為人員進(jìn)入沿線的3處橫通道和位于隧道下方的疏散通道就說明疏散成功。人員行為具有隨機(jī)性和從眾性，人員將通過滑梯進(jìn)入疏散通道進(jìn)行逃生。該文將分別考慮不同疏散滑梯間距和滑梯參數(shù)分析得出疏散滑梯的最優(yōu)參數(shù)。由于Pathfinder中對(duì)于滑梯默認(rèn)處理為對(duì)人員行動(dòng)速度無影響，不符合實(shí)際情況。該文借鑒前人的研究經(jīng)驗(yàn)，對(duì)人在滑梯上的運(yùn)動(dòng)行為采用多段勻加速直線運(yùn)動(dòng)進(jìn)行簡化，如圖3所示。

圖3 滑梯簡化示意圖(單位：mm)

從圖3中可以看出：將人從滑梯滑下的過程分為兩段勻加速直線運(yùn)動(dòng)，橫向距離分別為S1和S2，坡度傾角分別為θ1和θ2，兩段的加速度分別為a1和a2，μ為靜摩擦系數(shù)，g為重力加速度，t1為滑行第一階段所用的時(shí)間，t2為滑行第二階段所用的時(shí)間，v1為第一階段滑行完人所具有的速度，v2為第二階段滑行完人所具有的速度。結(jié)合隧道內(nèi)橫斷面實(shí)際情況，取值如下：S1=1 m，S2=1.5 m，θ1=48°，θ2=25°，g=9.8 m/s2，μ=0.4，分別計(jì)算兩端的加速度如下：

a1=gsinθ1-gμcosθ1=4.66 m/s2

(1)

a2=gsinθ2-gμcosθ2=0.59 m/s2

(2)

(3)

v1=a1t1=2.50 m/s

(4)

(5)

(6)

t=t1+t2=1.15 s

(7)

考慮到人員在進(jìn)入滑梯時(shí)預(yù)備動(dòng)作的時(shí)間以及滑行后起身的時(shí)間，統(tǒng)一假定為5 s。故每個(gè)人通過滑梯進(jìn)行疏散的時(shí)間是6.15 s?；輰挾仍O(shè)置為0.5 m，保證滑梯一次只能疏散一個(gè)人。在每一個(gè)疏散滑梯口處設(shè)置wait邊界條件，即每個(gè)人在疏散滑梯口等待6.15 s，保證每次滑梯疏散時(shí)只有一個(gè)人。該文通過建立不同疏散滑梯間距的Pathfinder模型計(jì)算人員疏散時(shí)間，根據(jù)中國相關(guān)項(xiàng)目的經(jīng)驗(yàn)以及規(guī)范的要求(中國之前項(xiàng)目大多采取了80 m間距)，采取了60、80、100 m共3種疏散橫通道間距進(jìn)行分析，疏散場景設(shè)置情況見表2。

表2 隧道火災(zāi)疏散場景

Pathfinder建立的模型如圖4所示。人員速度分布采用正態(tài)分布，最大速度1.8 m/s，最小速度0.6 m/s，標(biāo)準(zhǔn)差為0.2。

圖4 隧道內(nèi)人員疏散模型示意圖

4 分析與討論

根據(jù)隧道內(nèi)人員疏散的安全準(zhǔn)則，可用安全疏散時(shí)間(ASET)必須超過需要的安全疏散時(shí)間(REST)，如果滿足此條件，就可以認(rèn)為疏散方案成功可行。即：

ASET(Available Safe Egress Time)>RSET(Required Safe Egress Time)

(8)

必須安全疏散時(shí)間RSET是指從起火時(shí)刻到人員疏散到安全區(qū)域的時(shí)間。緊急情況下的RSET包括火災(zāi)探測器報(bào)警時(shí)間(talarm)、預(yù)動(dòng)作時(shí)間(tpre)和人員疏散運(yùn)動(dòng)時(shí)間(tmove)。

RSET=talarm+tpre+tmove

(9)

其中根據(jù)隧道內(nèi)安裝的火災(zāi)報(bào)警裝置的情況結(jié)合前人的研究經(jīng)驗(yàn)，將探測報(bào)警時(shí)間設(shè)置為60 s。根據(jù)DGJ 08-88-2006《建筑防排煙技術(shù)規(guī)程》中的各種用途的建筑內(nèi)采用不同火災(zāi)廣播系統(tǒng)時(shí)的人員預(yù)動(dòng)作時(shí)間，將人員的預(yù)動(dòng)作時(shí)間取為60 s。

根據(jù)不同的疏散滑梯間距，通過建立Pathfinder模型，獲得了不同場景的疏散運(yùn)動(dòng)時(shí)間。下面分別對(duì)隧道內(nèi)每種疏散場景進(jìn)行分析。

疏散場景1、2、3分別為遠(yuǎn)期交通量情況下，選取隧道內(nèi)橫通道2到橫通道3之間區(qū)間為研究對(duì)象，長度為700 m，疏散滑梯間距分別為60、80、100 m的情況進(jìn)行疏散。數(shù)值模型計(jì)算的時(shí)間是人員從隧道內(nèi)隨機(jī)位置移動(dòng)到疏散滑梯口和橫通道所用的時(shí)間?？偟氖枭r(shí)間如圖5所示。

由圖5可知：

(1) 工況1疏散運(yùn)動(dòng)時(shí)間共計(jì)554 s，加上120 s預(yù)疏散時(shí)間，必須安全疏散時(shí)間為674 s。工況1的平均疏散時(shí)間為197.2 s，疏散時(shí)間的標(biāo)準(zhǔn)差為140.1。疏散距離方面，最大疏散距離為158 m，標(biāo)準(zhǔn)差為29.9 m。

(2) 工況2疏散運(yùn)動(dòng)時(shí)間共計(jì)748 s，加上120 s預(yù)疏散時(shí)間，必須安全疏散時(shí)間為868 s。工況2的平均疏散時(shí)間為199.8 s，疏散時(shí)間的標(biāo)準(zhǔn)差為146.2。疏散距離方面，最大疏散距離為192.3 m，標(biāo)準(zhǔn)差為36.8 m。

(3) 工況3疏散運(yùn)動(dòng)時(shí)間共計(jì)907.4 s，加上120 s預(yù)疏散時(shí)間，必須安全疏散時(shí)間為1 027.4 s。疏散時(shí)間接近17 min，根據(jù)公路水下隧道設(shè)計(jì)細(xì)則(試行稿)的說法，人員疏散時(shí)間不得大于15 min，故此種工況無法滿足人員逃生救援的需求。工況3的平均疏散時(shí)間為314.5 s，疏散時(shí)間的標(biāo)準(zhǔn)差為249.7 s。疏散距離方面，人員最大疏散距離為254.6 m，標(biāo)準(zhǔn)差為43.8 s。

(a) 疏散場景1(工況1)

(b) 疏散場景2(工況2)

(c) 疏散場景3(工況3) 圖5 人員疏散運(yùn)動(dòng)時(shí)間

各工況下必須安全疏散時(shí)間匯總見表3。

表3 各工況必須安全疏散時(shí)間匯總

由表3可知：相對(duì)于工況1和2，當(dāng)疏散滑梯間距為60 m時(shí)，疏散時(shí)間最小，但是相比較工況2，疏散時(shí)間減少幅度不大；而工況2各疏散滑梯的疏散人流較工況1更加平均，疏散滑梯的整體利用率較高。結(jié)合工程成本，采用工況2可以在滿足防災(zāi)救援要求的情況下，節(jié)約工程造價(jià)。

按照目前《公路水下隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》第13.9.2條：火災(zāi)工況下水下隧道人員安全疏散時(shí)間應(yīng)小于15 min，設(shè)置有專用排煙道和泡沫噴霧設(shè)施時(shí)，安全疏散時(shí)間可放寬至20 min。該隧道設(shè)計(jì)火災(zāi)規(guī)模為30 MW，按照規(guī)范的要求沒有設(shè)置泡沫噴霧設(shè)施，故人員安全疏散時(shí)間應(yīng)小于15 min，即900 s。結(jié)合規(guī)范情況可以表明：工況3難以滿足安全需求，工況1和工況2滿足安全需求。針對(duì)工況1、2，軟件生成的結(jié)果文件中可以整理出人員疏散的相關(guān)信息。表4、5分別為工況1、2情況下平均人流量變化情況。

表4 疏散滑梯間距為60 m時(shí)疏散參數(shù)

續(xù)表5

從表4、5可以看出：當(dāng)疏散滑梯間距為60 m時(shí)，橫通道的平均人流量為0.96，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其他疏散滑梯的平均人流量0.14，這說明此工況下，人員疏散主要依賴橫通道；當(dāng)疏散滑梯間距為80 m時(shí)，橫通道的平均人流量為0.59，相比較60 m的工況，與其他疏散口的平均人流量差距在減小，疏散相較于60 m工況更為“平均”?？梢?，橫通道疏散能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于疏散滑梯，今后進(jìn)一步的研究在于如何在傳統(tǒng)滑梯設(shè)計(jì)上進(jìn)行改進(jìn)，提高疏散滑梯的疏散能力，減少公路水下隧道目前對(duì)于橫通道的依賴程度。

水下隧道橫通道建設(shè)風(fēng)險(xiǎn)高，故防災(zāi)救援的設(shè)計(jì)思路主要是減少橫通道數(shù)量，使用輔助疏散設(shè)施進(jìn)行疏散。目前由于孟加拉隧道斷面尺寸有限，初步設(shè)計(jì)方案采取了滑梯方案，滑梯由于人員等待時(shí)間的原因，疏散能力上反而不如樓梯，故有必要結(jié)合疏散仿真進(jìn)一步分析確定。

5 結(jié)論

圍繞隧道內(nèi)的人員疏散滑梯間距開展了仿真模擬研究，結(jié)合人員預(yù)疏散時(shí)間，通過設(shè)置3種不同疏散滑梯間距工況來研究最佳間距。結(jié)果表明:

(1) 疏散滑梯間距為100 m時(shí)，不滿足人員疏散安全需求。

(2) 將疏散滑梯間距設(shè)置為80 m時(shí)，人員可以進(jìn)行有效疏散；當(dāng)減小滑梯疏散間距到60 m時(shí)，總的疏散時(shí)間減小幅度不大，疏散口的人流量表明疏散口的利用效率不高。故建議疏散滑梯設(shè)置間距為80 m。

(3) 由于吉大港隧道位于海外地區(qū)，有必要進(jìn)行人員疏散方面的安全教育，增強(qiáng)人們的安全意識(shí)；同時(shí)后期應(yīng)結(jié)合當(dāng)?shù)貙?shí)際情況(人員年齡組成、性別比例等)，制定出符合當(dāng)?shù)厍闆r的人員疏散方案，有條件的可以在孟加拉當(dāng)?shù)剡M(jìn)行人員疏散演練以驗(yàn)證疏散仿真試驗(yàn)結(jié)果。