李智 郝云峰 王霞 王珂珂

1.北京市首都公路發(fā)展集團(tuán)有限公司 100161

2.北京科技大學(xué)土木與資源工程學(xué)院 100083

3.北京市市政工程設(shè)計(jì)研究總院有限公司 100082

4.中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司 北京 100055

引言

隨著城市地下道路建設(shè)在全國交通部署中占有地位越來越重要，地下隧道數(shù)量不斷增加，如何保障城市地下道路在火災(zāi)或其他突發(fā)情況下人員疏散的安全性是目前急需解決的問題。部分學(xué)者開展了城市地下道路人員疏散的研究，劉寬等［1］對在建的某城市越江隧道采用橫通道和疏散滑梯的效果進(jìn)行了模擬分析，結(jié)果表明高密度人群情況下，僅采用人行橫通道的疏散時(shí)間短于僅采用疏散滑梯，而中低密度時(shí)二者疏散等效；王霞［2］對城市地下道路采用單獨(dú)橫、縱向聯(lián)絡(luò)通道、橫縱向并用聯(lián)絡(luò)通道和同洞上下逃生四種方式進(jìn)行分析，給出了各類通道寬度和間距的建議值。甘廷霞等［3］對某海底隧道疏散樓梯間距進(jìn)行了模擬分析，給出建議的疏散樓梯間距為80m。宮偉軍［4］對城市隧道不同火災(zāi)場景下人員安全疏散所需時(shí)間進(jìn)行了模擬分析?，F(xiàn)有隧道人員疏散研究重點(diǎn)關(guān)注隧道主體內(nèi)部人員逃生至安全區(qū)的過程，但對隧道主體外部的逃生結(jié)構(gòu)，如明挖隧道豎向逃生通道的前室、逃生樓梯等，對于隧道主體人員疏散過程，尤其是隧道口聚集人群的疏散過程的定量影響缺乏認(rèn)識(shí)。而實(shí)際上，當(dāng)外部疏散結(jié)構(gòu)較為狹窄時(shí)，將對隧道主體洞口聚集人群的疏散造成影響，導(dǎo)致人員在隧道主體的總疏散時(shí)間變長，危險(xiǎn)性增加。本文基于某實(shí)際工程明挖隧道疏散結(jié)構(gòu)，利用Pathfinder軟件對隧道外部疏散結(jié)構(gòu)對于隧道主體人員疏散過程的影響進(jìn)行模擬分析，相關(guān)結(jié)果預(yù)期為可靠預(yù)測隧道疏散過程和優(yōu)化設(shè)計(jì)隧道主體外部疏散結(jié)構(gòu)提供指導(dǎo)。

1 工程介紹

北京某明挖城市地下道路隧道全長6.2km，雙向六車道，可通行大小貨車和客車，全程無匝道，單孔建筑限界寬度為12.25m，隧道橫斷面見圖1a。本工程人員疏散結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為人行橫通道加豎向疏散通道，其中，豎向疏散樓梯處的結(jié)構(gòu)見圖1b。豎向疏散通道由疏散門、前室、前室門、樓梯、樓梯間平臺(tái)構(gòu)成，疏散門寬度為2m，前室門為1m，樓梯寬度為1.3m，樓梯平臺(tái)深度為1.5m。前室功能為阻隔隧道內(nèi)煙氣進(jìn)入疏散樓梯，避免影響人員疏散。當(dāng)火災(zāi)發(fā)生時(shí)，人員首先在隧道內(nèi)部主體段逃生，之后人群聚集到各疏散洞口，排隊(duì)緩慢逃離，當(dāng)人穿過洞口后，即進(jìn)入豎向疏散通道的前室，通過前室門、疏散樓梯，最終逃生至地面。本文重點(diǎn)針對選取500m平直段隧道進(jìn)行研究，該隧道段中間包含一個(gè)豎向疏散通道結(jié)構(gòu)，由于重點(diǎn)關(guān)注隧道主體段外部逃生結(jié)構(gòu)對隧道內(nèi)部人員逃生過程的影響，因此，僅建立隧道主體外部的豎向疏散通道結(jié)構(gòu)，而忽略人行橫通道。

圖1 明挖隧道結(jié)構(gòu)Fig.1 Open trench tunnel structure

2 模擬工況與模擬方法

2.1 隧道車輛及人員設(shè)置

城市地下道路發(fā)生火災(zāi)時(shí)勢必會(huì)造成隧道內(nèi)交通堵塞，滯留車輛會(huì)影響人員疏散，同時(shí)各類車輛數(shù)量決定疏散人員總?cè)藬?shù)。車輛布置采用最不利工況，即車輛充滿隧道，人員隨機(jī)分布在隧道內(nèi)，根據(jù)本工程預(yù)計(jì)的遠(yuǎn)景車輛流量及比例，依據(jù)《中華人民共和國道路交通法》確定不同類型客車載客人數(shù)，經(jīng)計(jì)算隧道內(nèi)總?cè)藬?shù)為1200人，隧道內(nèi)車輛布置見表1。建立的疏散隧道幾何模型見圖2。

圖2 隧道及豎向疏散通道幾何模型Fig.2 Geometrical model of tunnel and vertical evacuation passage

表1 隧道內(nèi)車輛參數(shù)設(shè)置Tab.1 Vehicle parameters in tunnel

2.2 工況設(shè)置

重點(diǎn)針對前室門寬度、疏散樓梯寬度、休息平臺(tái)深度三個(gè)變量的影響開展研究，模擬工況見表2。其中工況1不設(shè)置豎向疏散通道結(jié)構(gòu)，作為其余工況的對比基準(zhǔn)，反映現(xiàn)有疏散模擬僅建立隧道主體段時(shí)的人員逃生情況；通過工況2與工況1對比分析外部豎向疏散通道結(jié)構(gòu)存在時(shí)對隧道主體段人員逃生過程的影響；工況2～5對比分析前室門寬度對隧道主體段人員逃生的影響；工況2、6、7對比分析樓梯寬度對隧道主體段人員逃生的影響；工況2、8、9對比分析休息平臺(tái)寬度對隧道主體段人員逃生的影響。通過上述9個(gè)工況的設(shè)計(jì)，揭示在考慮不同的外部豎向疏散結(jié)構(gòu)變量情況下，人員在隧道主體段的真實(shí)逃生過程，與僅考慮隧道主體段模擬而忽略外部逃生結(jié)構(gòu)時(shí)的逃生過程的差別。

表2 模擬工況設(shè)置Tab.2 Working conditions

世界道路協(xié)會(huì)建議隧道火災(zāi)時(shí)人員逃生速度為0.5m／s～1.5m／s之間［5］，并根據(jù)不同年齡人員行動(dòng)能力不同，設(shè)定不同的人員行走速度比例，見表3。

表3 人員行走速度比例Tab.3 Proportion of personnel walking speed

2.3 模擬方法

采用基于Agent模型的Pathfinder軟件進(jìn)行人員疏散模擬，Agent模型能夠通過和環(huán)境以及Agent之間的交互調(diào)整自身行為并實(shí)現(xiàn)目的，相比于元胞自動(dòng)機(jī)、社會(huì)力模型能更好預(yù)測復(fù)雜的人員行為。人員運(yùn)動(dòng)模式選擇Steering模式，可實(shí)現(xiàn)按規(guī)劃路徑前進(jìn)、與他人或墻壁保持距離、避免與他人或墻壁碰撞、經(jīng)過通道、轉(zhuǎn)彎等行為。人員的行動(dòng)由成本函數(shù)控制，每個(gè)行為產(chǎn)生的成本在0到1之間，人員按成本最小方向行動(dòng)［6］。通過將工況1的模擬結(jié)果與經(jīng)典的Togawa經(jīng)驗(yàn)公式［7，8］的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對比，檢驗(yàn)疏散模擬方法的可靠性。利用Pathfinder模擬的人員疏散總時(shí)間為470s，而利用Togawa經(jīng)驗(yàn)公式（1）進(jìn)行計(jì)算，人通過疏散口流量C為1.3人／m·s，W為疏散門寬度2m，由于人員在隧道內(nèi)隨機(jī)分布，取距離Lmin約為1m，人員速度V取平均值1.2m／s，計(jì)算得疏散時(shí)間tmove為462.4s，二者偏差為1.6%（相對于經(jīng)驗(yàn)公式結(jié)果）。兩種方法預(yù)測疏散時(shí)間的一致性表明，Pathfinder對疏散的預(yù)測具有可信性。

式中：N為隧道內(nèi)總?cè)藬?shù)；C為人通過疏散口的流量；W為疏散門有效寬度；Lmin為人員距出口最近距離；V為人員運(yùn)動(dòng)速度。

3 結(jié)果分析與討論

3.1 不同前室門寬度的影響

隧道人員疏散過程常分為兩階段：第一階段為人員在隧道內(nèi)疏散，通過疏散出口進(jìn)入豎向疏散通道，即為進(jìn)入安全區(qū)，該階段為關(guān)鍵階段；第二階段為人員經(jīng)由豎向疏散通道到達(dá)地面。不同前室門寬度下模擬結(jié)果見圖3和表4。前室門人員通行速度為前室門斷面上人員疏散平均速度，樓梯人員通行速度為在樓梯某一斷面上人員疏散平均速度。

表4 不同前室門寬度影響Tab.4 Influence of different front chamber door widths

圖3 不同前室門寬的人員疏散情況（疏散時(shí)間500s）Fig.3 Evacuation situation of different front room door widths（500s）

當(dāng)不考慮隧道主體外部結(jié)構(gòu)時(shí)（工況1），人員在隧道內(nèi)的疏散時(shí)間為470s（第一階段），當(dāng)存在隧道主體外部豎向疏散通道結(jié)構(gòu)時(shí)，在無前室門情況下（工況2，即前室人員疏散阻力?。谝浑A段也達(dá)到1140s（表1），是無隧道外部結(jié)構(gòu)的2.43倍，因此，外部豎向疏散結(jié)構(gòu)對第一階段逃生過程影響顯著，尤其當(dāng)實(shí)際隧道主體內(nèi)各豎向通道疏散口疏散人數(shù)眾多時(shí)，忽略外部結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模預(yù)測，將導(dǎo)致第一階段疏散時(shí)間預(yù)測值顯著偏小。忽略外部結(jié)構(gòu)與否引起的預(yù)測偏差，既表明模擬預(yù)測時(shí)應(yīng)盡可能考慮外部結(jié)構(gòu)的影響，也表明外部疏散結(jié)構(gòu)需進(jìn)行優(yōu)化，以減少對第一階段疏散的不良影響。

前室門寬度對第一階段的疏散會(huì)產(chǎn)生一定程度的影響。由圖3a可見，當(dāng)前室門寬1m時(shí)，人員在前室門前形成聚集，前室門對人員行進(jìn)造成阻礙，引起前室門人員通行速度（0.96人／s）、樓梯人員通行速度（0.93人／s）、樓梯人員密度均小于其他前室門寬度工況，前方人員行進(jìn)受阻礙，進(jìn)而減緩了人員通過隧道主體段洞口的疏散過程，導(dǎo)致第一階段時(shí)間為1210s，比無前室門時(shí)多了70s，但從時(shí)間增量看，該影響較小。當(dāng)前室門加寬至1.5m時(shí)，對人員的阻礙變小，從圖3b可見更多人員通過前室，此時(shí)疏散樓梯的人員通行速度達(dá)到最大（0.97人／s），在樓梯處形成聚集，第一階段疏散時(shí)間降低為1138s。當(dāng)進(jìn)一步增加前室門寬至2m及不設(shè)置前室門時(shí)（圖3c、d），寬度的增加對人員的疏散過程已影響不顯著，前室門人員通行速度（0.99人／s）、樓梯人員通行速度（0.97人／s）均不再改變，第一階段時(shí)間也保持在1140s左右。

3.2 不同樓梯寬度的影響

不同樓梯寬度下模擬結(jié)果見圖4和表5。

圖4 人員位于疏散樓梯疏散情況（疏散時(shí)間500s）Fig.4 Personnel located in the evacuation staircase evacuation situation（500s）

表5 不同樓梯寬度疏散結(jié)果Tab.5 Evacuation results of different stair widths

當(dāng)樓梯寬度為1m時(shí)（圖4a），較窄的樓梯限制了人員通行（0.65人／s），樓梯的阻力顯著限制了隧道內(nèi)的人員疏散，導(dǎo)致第一階段時(shí)間很長（1755s）。當(dāng)樓梯寬度提升至1.3m（圖4b）時(shí)，人員在疏散樓梯上形成前后錯(cuò)位的通行模式，人員通行速度有較大提升，為0.97人／s，人員在樓梯通行能力的增強(qiáng)，減小了對隧道內(nèi)部人員疏散的阻礙，第一階段時(shí)間降低至1140s，與樓梯寬度為1m時(shí)相比，降幅35%，降幅很高。當(dāng)樓梯寬度進(jìn)一步提升至1.6m（圖4c），人員在疏散樓梯上基本可形成兩人并行的通行模式，人員通行速度升高到1.2人／s，對隧道內(nèi)部人員疏散的阻礙作用進(jìn)一步降低，第一階段時(shí)間進(jìn)一步降低至930s，降幅47%。因此，外部豎向通道的樓梯寬度對隧道主體段的疏散過程影響很大，增加樓梯寬度可顯著降低第一階段的疏散時(shí)間，提升人員逃生的安全性。

3.3 不同平臺(tái)深度的影響

不同樓梯休息平臺(tái)深度下模擬結(jié)果見圖5和表6。

表6 不同休息平臺(tái)寬度疏散結(jié)果Tab.6 Evacuation results of different rest platform widths

當(dāng)休息平臺(tái)深度為1m時(shí)（圖5a），平臺(tái)上僅能容納兩人前后交錯(cuò)通行，較為擁擠，導(dǎo)致樓梯人員行進(jìn)速度變緩，通行速度為0.87人／s，第一階段時(shí)間為1296s。當(dāng)平臺(tái)深度提升至1.5m時(shí)（圖5b），休息平臺(tái)上可同時(shí)容納兩人并行，樓梯通行速度提升至0.97人／s，第一階段時(shí)間降低至1140s，降幅12%。當(dāng)休息平臺(tái)深度提升至2m時(shí)（圖5c），由于平臺(tái)更深，但人員通行速度未有提升，保持在0.97人／s，第一階段時(shí)間基本不變。因此，當(dāng)平臺(tái)深度不低于1.5m時(shí)，對于隧道內(nèi)部人員疏散影響很小。

分析表明，前室門寬、樓梯寬、休息平臺(tái)寬等隧道主體外部的逃生結(jié)構(gòu)各因素均會(huì)影響隧道內(nèi)部的人員疏散過程，有些因素當(dāng)增加到一定值之后，將不再對隧道內(nèi)部疏散產(chǎn)生進(jìn)一步的不利影響，因此，在設(shè)計(jì)中不應(yīng)過分增加這些因素的值，以免增加建設(shè)成本。本次研究針對500m隧道段1200人開展研究，所設(shè)計(jì)的人員規(guī)模較大，實(shí)際在進(jìn)行各實(shí)際隧道工程模擬評(píng)估時(shí)，也應(yīng)注意，當(dāng)隧道人員規(guī)模較小，或疏散通道數(shù)更多，引起每個(gè)豎向疏散通道承擔(dān)的人員數(shù)量顯著低于本文研究人數(shù)時(shí)，隧道外部結(jié)構(gòu)對隧道內(nèi)部人員疏散的總時(shí)間會(huì)降低，由此，對第一階段逃生時(shí)間的影響會(huì)有一定程度的減少，這在實(shí)際模擬評(píng)估時(shí)應(yīng)予以考慮?？傊ㄟ^本文研究可知，隧道外部結(jié)構(gòu)對隧道內(nèi)部的人員疏散會(huì)產(chǎn)生影響，尤其當(dāng)樓梯寬度設(shè)計(jì)不足時(shí)，影響很大，增加了人員的逃生危險(xiǎn)性，需要在隧道疏散模擬中注重外部結(jié)構(gòu)的影響。

4 結(jié)論

本文利用pathfinder軟件對明挖隧道外部豎向疏散通道的前室門寬度、樓梯寬度、樓梯休息平臺(tái)深度三個(gè)因素對隧道主體段人員疏散過程的影響進(jìn)行研究，主要結(jié)論如下：

1.與不考慮隧外部結(jié)構(gòu)相比，考慮隧道主體外部豎向疏散通道結(jié)構(gòu)時(shí)預(yù)測的隧道內(nèi)部人員疏散時(shí)間（即第一階段，人員逃至安全區(qū)）提高至2.43倍，影響顯著，尤其在疏散人數(shù)眾多時(shí)，應(yīng)考慮隧道外部結(jié)構(gòu)的影響；

2.外部豎向疏散通道的前室門寬度低于1m時(shí)，會(huì)對隧道內(nèi)部疏散造成一定程度的影響，建議前室門寬度不低于1.5m；疏散樓梯寬度增加顯著降低對隧道內(nèi)部疏散的影響，相比于樓梯寬度1m時(shí)，寬度增加至1.6m時(shí)，可降低高達(dá)47%，條件允許時(shí)應(yīng)盡量增加疏散樓梯寬度；休息平臺(tái)深度低于1m時(shí)，會(huì)對隧道內(nèi)部疏散造成一定程度的影響，建議平臺(tái)深度不低于1.5m。