李森生

(1.水下隧道技術(shù)國家地方聯(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)生時對人員疏散安全提出更高的要求。

學(xué)者針對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)時不同縱向逃生樓梯間距對人員疏散的安全性，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)值模擬及公式法對比不同縱向疏散口間距對人員疏散時間的影響，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人員縱向疏散時間的影響，最后確定滑梯間距為80 m時滿足疏散要求；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間，驗(yàn)證了疏散口間距設(shè)計為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)動時間，得到間距為80 m時滑梯的綜合利用率最佳?，F(xiàn)有研究多針對單層隧道自上而下單一縱向疏散模式下的疏散口間距對人員疏散時間的影響，缺乏對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-兩湖隧道為研究對象，針對更不利疏散模式(即下層公路隧道火災(zāi)時人員自下而上疏散)，分析不同樓梯間距對人員疏散時間的影響，及不同樓梯間距對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

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6 071 m，湖底盾構(gòu)段長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?？紤]下層人員疏散過程相對上層人員疏散過程更加復(fù)雜，本文針對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人員疏散的影響，對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)場景設(shè)計及模型建立

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間TRSET必須小于可用安全疏散時間TASET[7]，如式(1)所示：

TRSET

(1)

式中：TRSET包含報警時間Talarm、響應(yīng)時間Tresponse和人員疏散行走時間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，需對行走時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)自動報警系統(tǒng)、應(yīng)急廣播系統(tǒng)和監(jiān)控系統(tǒng)等，將火災(zāi)報警時間設(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

本文采用集中排煙的公路隧道，煙氣在隧道內(nèi)蔓延長度不宜超過300 m[9]，可利用FDS建立長度為800 m的隧道火災(zāi)煙氣模擬計算模型?；馂?zāi)場景考慮最危險情況，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，火災(zāi)車輛會對其相鄰車輛產(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(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)計火災(zāi)規(guī)模為15 MW[13-14]?；鹪撮L×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，180 s達(dá)到全速。

利用Pathfinder模擬人員疏散，火災(zāi)時隧道內(nèi)報警系統(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，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×寬×高為4.5 m×1.8 m×2 m，載客量6人[15-16]?！豆匪淼涝O(shè)計規(guī)范 第二冊 交通工程與附屬設(shè)施》(JTG D70/2—2014)[17]規(guī)定長度大于1 000 m的隧道，阻滯段宜按每車道長度為1 000 m計算，因此取火災(zāi)附近1 000 m的疏散人數(shù)進(jìn)行計算，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)疏散場景Table 1 Fire evacuation scenes of highway tunnel

參照《2019年國民經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展統(tǒng)計公報》[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NFPA130規(guī)范[19]、英國SFPE Handbook《消防工程手冊》[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 模擬計算結(jié)果分析

3.1 火災(zāi)模擬分析

利用FDS計算隧道內(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)《中國消防手冊 第三卷 消防規(guī)劃·公共消防設(shè)施·建筑防火設(shè)計》確定可用安全疏散時間判定標(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)時間為300 s時，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，溫度隨時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，可用安全疏散時間TASET≥1 200 s。

圖2 不同時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，隨燃燒時間增長(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，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，可用安全疏散時間TASET≥1 200 s。

圖4 不同火災(zāi)發(fā)展時間下的能見度分布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間TASET≥1 200 s?！兜缆匪淼涝O(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》(DG/TJ 08-2033—2017)[14]規(guī)定：在正常運(yùn)營階段發(fā)生火災(zāi)，當(dāng)通風(fēng)、消防等系統(tǒng)工作正常時，隧道內(nèi)乘行人員安全疏散時間一般在15 min以內(nèi)；當(dāng)隧道內(nèi)設(shè)有重點(diǎn)排煙系統(tǒng)時，安全疏散時間可適當(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間TASET=1 200 s。

3.2 人員疏散仿真計算分析

1)疏散時間分析

不同疏散樓梯間距時不同時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，對應(yīng)人員疏散時間為291.5，347，436.3 s。對于不同疏散樓梯間距，在疏散開始時刻，人員迅速移至距離最近疏散樓梯口；疏散進(jìn)行一段時間后，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不同時刻人員疏散情況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，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，匯集在疏散樓梯7#的人員相對最多，所用疏散時間相對最長，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，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，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，人員對樓梯的利用效率相差較大，通過率相差較小。考慮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，但火源正對疏散樓梯口時，該疏散樓梯不能用于疏散，導(dǎo)致火源附近的2個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)后定時播報，引導(dǎo)火源附近疏散樓梯口人員向其他相對暢通的樓梯進(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間TRSET，結(jié)果見表3。對比人員可用安全疏散時間TASET與必需安全疏散時間TRSET發(fā)現(xiàn)，下層隧道盾構(gòu)段發(fā)生火災(zāi)時，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，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，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 必需安全疏散時間計算結(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，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間TASET為1 200 s。

2)火源正對疏散樓梯口處，當(dāng)疏散樓梯間距為100，120，150 m時，人員疏散均滿足安全疏散需求，且疏散樓梯間距越小，人員疏散時間越短；當(dāng)疏散樓梯間距為100，120 m時，各疏散樓梯的利用效率相對穩(wěn)定，通過率波動幅度較小，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)，及時有效播報疏散引導(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，減少人員疏散時間。