譚宜瑋，劉叔灼，陳俊生

(1.華南理工大學(xué) 土木與交通學(xué)院，廣東 廣州 510641；2.華南理工大學(xué) 土木與交通學(xué)院 亞熱帶建筑科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 510640)

隨著綜合管廊建設(shè)在各大城市的不斷進(jìn)行，不影響城市市容和擁有較好經(jīng)濟(jì)效益的盾構(gòu)工法管廊很好地滿足了城市施工的復(fù)雜要求[1]。但相較于已經(jīng)成熟的施工設(shè)計(jì)，盾構(gòu)管廊的后期運(yùn)維問題卻缺乏規(guī)范性的指導(dǎo)[2]。

關(guān)于管廊災(zāi)后人員逃生研究，翟越等[3]開展了綜合管廊火災(zāi)風(fēng)險和人員疏散的數(shù)值模擬研究。徐志勝等[4]運(yùn)用FDS(fire dynamics simulator)和Pathfinder軟件分別得出了管廊電力艙端部和中部發(fā)生火災(zāi)時的人員逃生情況。Seike等[5]進(jìn)行了在煙氣環(huán)境下的隧道人員安全逃生實(shí)驗(yàn)。譚妍[6]通過Monte Carlo法與數(shù)值模擬研究了軌道隧道不同風(fēng)險區(qū)域人員死亡概率。王琛琛[7]運(yùn)用Monte Carlo法，得到隧道最不利點(diǎn)列車火災(zāi)情況下人員必需疏散時間樣本。奚學(xué)東等[8]根據(jù)煙氣臨界溫度建立了公路隧道人員可用安全疏散時間預(yù)測模型。郭雄[9]運(yùn)用數(shù)值模擬方法以及Agent-base連續(xù)性模型對綜合管廊人員疏散進(jìn)行研究。Lemaire等[10]在第二個荷比盧聯(lián)盟隧道進(jìn)行了14次全規(guī)?；馂?zāi)試驗(yàn)，得到了發(fā)生火災(zāi)下的不同人員行為模式及概率分布情況。Carvel等[11]運(yùn)用貝葉斯理論對隧道火災(zāi)進(jìn)行分析。宗燕燕[12]利用PyroSim火災(zāi)軟件和Pathfinder軟件來對綜合管廊施工中的火災(zāi)事故進(jìn)行仿真模擬。尚琳等[13]分析了綜合管廊中不同能見度和煙氣對人員安全疏散時間的影響。呂勇[14]采用Andres Noren的隧道火災(zāi)人員疏散試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)，對公路隧道不同火災(zāi)規(guī)模下的人員逃生進(jìn)行了研究。

總結(jié)前人的研究成果，發(fā)現(xiàn)管廊人員疏散研究大多集中于明、暗挖短距離管廊，針對盾構(gòu)管廊的研究較少，且成果多為人員逃生與否，未考慮人員逃生的不確定性。本研究依托廣州市天河智慧城盾構(gòu)段綜合管廊項(xiàng)目，在充分考慮管廊人員逃生特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，對隧道災(zāi)后人員逃生行為概率模型進(jìn)行了優(yōu)化，引入了疏散可靠度概念，通過對火災(zāi)模型建模，數(shù)值分析軟件的隨機(jī)模擬，得出了盾構(gòu)管廊的災(zāi)后人員逃生可靠度，從概率角度描述了管廊人員的災(zāi)后疏散結(jié)果。針對此問題，本文截取盾構(gòu)管廊后期運(yùn)維問題中的管廊災(zāi)后人員安全疏散內(nèi)容進(jìn)行研究，以期為日后盾構(gòu)管廊運(yùn)維規(guī)范的編制提供參考。

1 研究方法

1.1 疏散可靠度

在結(jié)構(gòu)工程中，可靠度又稱為可靠性，指的是結(jié)構(gòu)在規(guī)定的時間、規(guī)定的條件下完成預(yù)定功能的能力[15]，當(dāng)以概率來度量時稱為可靠度。當(dāng)研究內(nèi)容由結(jié)構(gòu)的安全承載轉(zhuǎn)移到盾構(gòu)管廊內(nèi)的人員安全疏散研究中時，可靠度指的是在廊內(nèi)發(fā)生火災(zāi)時檢修人員能夠安全逃生的概率。

人員安全逃生的概率由管廊發(fā)生火災(zāi)時的可用安全疏散時間Taset和人員逃生的必須安全疏散時間Trset決定，人員安全疏散概率為P=P(Taset-Trset>0)[16]，此處人員安全疏散概率即為人員安全疏散可靠度。

Monte Carlo法是常用的計(jì)算可靠度的方法，該方法基于大數(shù)定律，通過計(jì)算機(jī)輔助生成隨機(jī)數(shù)，并利用隨機(jī)數(shù)來模擬真實(shí)的隨機(jī)結(jié)果。由功能函數(shù)生成功能函數(shù)值即必須安全疏散時間Trset，與可用安全疏散時間Taset比較，超過可用安全疏散時間即視為逃生失敗，失敗次數(shù)與總模擬次數(shù)的比值近似為逃生失敗概率，當(dāng)模擬次數(shù)趨近于無窮大時，逃生概率即趨近于真實(shí)結(jié)果。

功能函數(shù)Z=g(X1，X2，…，Xn)，X1、X2、…、Xn為相互獨(dú)立的隨機(jī)變量，已知Xi所服從的概率分布，將每個變量都進(jìn)行N次相同的服從其分布的隨機(jī)抽樣，得到由Ri列向量(Xi1，Xi2，…，Xin)T所組成的矩陣數(shù)表Z：

將矩陣中的每一列元素分別代入功能函數(shù)，得出逃生失敗的總次數(shù)Nf，則逃生失敗概率可表示為：

1.2 研究步驟

本次研究使用PyroSim軟件進(jìn)行盾構(gòu)管廊火災(zāi)建模，得出盾構(gòu)管廊火災(zāi)特性的相關(guān)參數(shù)，以在一側(cè)防火門附近發(fā)生火災(zāi)為最不利工況，使用防火門或者中隔板處CO濃度限度為指標(biāo)(CO是所有火災(zāi)煙氣中最主要的致死性氣體, 也是唯一被證實(shí)造成火災(zāi)中人員大量死亡的氣體[17])，從火災(zāi)發(fā)生到CO濃度達(dá)到人體安全限度的時間為可用安全疏散時間Taset。

人員必須安全疏散時間借由荷蘭Benelux隧道實(shí)驗(yàn)結(jié)果建立疏散模型[10]。在一個防火區(qū)間內(nèi)，通過Matlab編寫程序模擬得出人員疏散時間隨機(jī)數(shù)，再由Monte Carlo法建立功能方程，通過Matlab得出的隨機(jī)變數(shù)，以火災(zāi)數(shù)值模擬軟件得到的可用安全疏散時間Taset為一定值，進(jìn)行每次隨機(jī)模擬的人員安全類別判斷，進(jìn)而得出盾構(gòu)管廊內(nèi)發(fā)生火災(zāi)時的人員安全疏散可靠度，即疏散概率。

人員的必須安全疏散時間由察覺火災(zāi)跡象時間tfeel、確認(rèn)火災(zāi)時間tsure和人員逃離時間tmove三部分組成，即Trset=tfeel+tsure+tmove。但考慮到實(shí)際情況中，進(jìn)入盾構(gòu)管廊內(nèi)的都為專業(yè)的檢修人員，且定期的安全疏散演練也為檢修人員在發(fā)生火災(zāi)時做出正確的決策做出了保障，對火災(zāi)發(fā)生的敏感性較為統(tǒng)一，并且做到即察即走?；谏鲜銮闆r，對概率模型進(jìn)行優(yōu)化。研究步驟流程圖見圖1。

圖1 研究步驟流程圖Fig.1 Flow chart of the research procedure

1.3 依托項(xiàng)目

本研究依托于廣州市天河智慧城地下綜合管廊工程。天河智慧城地下綜合管廊總長約19 390 m，因科韻路、科翔路至華觀路無明挖施工條件，采用非開挖盾構(gòu)法施工，盾構(gòu)段長8 620 m，為圓形斷面，外徑6 m，內(nèi)徑5.4 m，豎井間距為600～1 000 m，分為上下兩艙，上半部分為電力艙，入廊管線為阻燃的高壓電力電纜(220 kV、110 kV)，下半部分為綜合艙，內(nèi)設(shè)有供水主管(DN1000)、通信干線。管廊斷面如圖2所示。

圖2 盾構(gòu)管廊典型斷面圖Fig.2 Typical section view of a shield tunnel

2 火災(zāi)模型的建立以及可用安全疏散時間的計(jì)算

2.1 火災(zāi)模型

圖3 盾構(gòu)管廊模型Fig.3 Model diagram of the shield tunnel

2.1.1 模擬參數(shù)設(shè)置

模擬采用網(wǎng)格尺寸為0.4 m×0.4 m×0.2 m的四邊形網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，網(wǎng)格總數(shù)為135 000。以對人員疏散最不利的火源位置為設(shè)計(jì)工況，即火源位于Y=200(即防火門附近)中間底層電纜下方，考慮到電纜材料(導(dǎo)體為銅芯，絕緣材料為聚乙烯，護(hù)套材料為聚氯乙烯)發(fā)生火災(zāi)的規(guī)模以及參考文獻(xiàn)[17]，火源功率總量設(shè)置為2 300 kW，面積為0.4 m×0.4 m。與火源有關(guān)的相關(guān)參數(shù)：環(huán)境空氣密度為1.205 kg/m3，環(huán)境空氣比熱容為1.005 kJ/(kg·K)，環(huán)境濕度為273 K，重力加速度取9.81 m/s2。模擬時間為火災(zāi)發(fā)生后的10 min內(nèi)，即持續(xù)時間為600 s。電纜采用聚氯乙烯電纜，熱釋放速率為265 kw/m2，密度為1 380 kg/m3，比熱容為1.289 kJ/(kg·K)，電導(dǎo)率為0.192 W/(m·K)。

2.1.2 測點(diǎn)設(shè)置

如圖4所示，在人眼特征高度1.6 m處，沿管廊縱向每隔25 m設(shè)置CO濃度測量設(shè)備，得到管廊的CO濃度縱向分布規(guī)律。

圖4 CO濃度測點(diǎn)布置圖Fig.4 Layout of CO concentration measuring location

2.2 可用安全疏散時間的計(jì)算

2.2.1 計(jì)算方法

通過PyroSim軟件模擬出最不利的情況即火災(zāi)發(fā)生在一側(cè)防火門附近，管廊內(nèi)CO體積分?jǐn)?shù)分布。

從火災(zāi)發(fā)生開始到防火門或者中隔板處CO分布開始超過人體在環(huán)境中承受的安全范圍(空氣中CO體積分?jǐn)?shù)超過0.08%時，將會使人產(chǎn)生眼花、痙攣的癥狀，并且在2～3 h死亡，本文以CO體積分?jǐn)?shù)0.1%作為人體的安全濃度界限[9])的這段時間，即為可用安全疏散時間Taset。

2.2.2 可用安全疏散時間

根據(jù)模擬結(jié)果，火災(zāi)開始大約404 s后，防火門附近或者中隔板附近的CO體積分?jǐn)?shù)達(dá)到0.1%，即可用疏散時間Taset約為404 s。防火門CO體積分?jǐn)?shù)變化情況如圖5所示。

圖5 布置在背離火源的防火門附近的測點(diǎn)CO體積分?jǐn)?shù)隨時間變化圖Fig.5 Graph of CO concentration variation over time at the measuring location located near the fire door that is away from the fire source

3疏散模型的建立及必須安全疏散時間的抽樣模擬

3.1 疏散模型

3.1.1 火災(zāi)下人員疏散行為概率模型

荷蘭Benelux隧道實(shí)驗(yàn)中將火災(zāi)環(huán)境下人員的不同疏散行為進(jìn)行了概率統(tǒng)計(jì)分析，劃分了以下六組不同的疏散概率行為[6，10]。詳見表1～2。

表1 疏散行為分組表Table 1 Evacuation behavior grouping

表2 疏散行為概率分布表Table 2 Evacuation behavior probability distribution

3.1.2 模擬工況設(shè)置

人員的必須安全疏散時間由察覺火災(zāi)跡象時間tfeel、確認(rèn)火災(zāi)時間tsure和人員逃離時間tmove三部分組成，即Trset=tfeel+tsure+tmove。模擬分設(shè)兩工況，均在200 m的一個防火區(qū)間內(nèi)進(jìn)行：工況1為正常情況下普通人員疏散逃生模擬；考慮到能夠進(jìn)入管廊艙內(nèi)的都為檢修人員，且平時無其他閑雜人員進(jìn)入，在日常的安全教育及疏散演練下，檢修人員感知火災(zāi)發(fā)生的敏感性較為統(tǒng)一，日常的訓(xùn)練也能使檢修人員在面臨危險時及時疏散逃生，故將察覺火災(zāi)跡象時間tfeel簡化為常量，且忽略確認(rèn)火災(zāi)時間tsure，基于此，對概率模型進(jìn)行優(yōu)化，分設(shè)工況2、3、4，如表3、4所示，工況2、3、4也更符合受到合格火災(zāi)逃生培訓(xùn)的檢修人員在火災(zāi)疏散中的表現(xiàn)。

表3 疏散模擬工況設(shè)置表Table 3 Evacuation simulation condition setting

表4 工況2、3、4察覺時間設(shè)置表Table 4 Detection time setting for working conditions 2, 3 and 4 單位：s

3.2 不同疏散時間的概率分布

3.2.1 察覺火災(zāi)時間

管廊內(nèi)人員察覺火災(zāi)有兩種群體行為：(1)在火災(zāi)報(bào)警前即察覺，察覺火災(zāi)時間服從Normal分布或Gumbel分布；(2)在火災(zāi)報(bào)警后察覺，察覺火災(zāi)時間服從Gev分布。

察覺火災(zāi)時間Tfeel各分組行為的概率分布為：tfeel(1、2)=Normal(41.6，17.1)，tfeel(3、4)=Gumbel(28.8，155)，tfeel(5、6)=Gev(-0.22，19.91，33.08)。

3.2.2 確認(rèn)火災(zāi)時間

管廊內(nèi)人員確認(rèn)火災(zāi)同樣有兩種群體行為：(1)在火災(zāi)報(bào)警前即察覺，直接逃離或確認(rèn)火災(zāi)時間服從Normal分布；(2)在火災(zāi)報(bào)警后察覺，直接逃離或確認(rèn)火災(zāi)時間服從Gev分布。

確認(rèn)火災(zāi)時間Tsure各分組行為的概率分布為：tsure(2、4)=Normal(151，81)，tsure(6)=Gev(-0.44，6.13，8.42)。

3.2.3 人員逃離時間

管廊內(nèi)人員距離防火門的長度L與人員的逃離速度V之比即為人員逃離時間，計(jì)算如下式所示：

tmove=L/V

(1)

式中L、V均為由Matlab生成的服從各自概率分布的隨機(jī)數(shù)，V為逃生速度，其概率分布為V=Gumb(0.443 1，1.118 5)，L為人員距離防火門位置，上文中一個防火分區(qū)長度為200 m，其概率分布為L=rand(0，200)。

3.3 疏散時間模擬樣本及可靠度計(jì)算

3.3.1 不同疏散時間模擬樣本

通過 Matlab 編程計(jì)算進(jìn)行隨機(jī)抽樣模擬，每組行為隨機(jī)模擬人數(shù)設(shè)為1 000，每組行為的疏散模擬總時間為察覺時間tfeel、確認(rèn)時間tsure和逃離時間tmove之和，程序模擬得出不同概率行為不同分布的隨機(jī)抽樣樣本，如圖6所示。

圖6 不同疏散時間模擬樣本圖Fig.6 Simulation sample diagram of different evacuation times

圖6(續(xù))

3.3.2 工況1人員疏散總時間及可靠度計(jì)算

人員必須安全疏散時間Trset=tfeel+tsure+tmove，按照不同分組的人群疏散行為，將各不同時間進(jìn)行組合，得到工況1的人員疏散總時間，如圖7所示，工況1必須安全疏散時間與可用安全疏散時間Taset=404 s的對比如圖8所示。

圖7 工況1人員疏散總時間樣本圖 Fig.7 Sample diagram of total evacuation time of working condition 1

圖8 工況1時間對比圖 Fig.8 Time comparison diagram of working condition 1

由人員逃生的概率計(jì)算公式P=P(Taset-Trset>0)，進(jìn)行多次模擬得出工況1普通人員的疏散可靠度約為0.889 4，人員疏散失敗的概率約為11.06%。

3.3.3 工況2、3、4人員疏散總時間及可靠度計(jì)算

工況2、3、4的人員疏散總時間分別如圖9所示，工況2、3、4必須安全疏散時間與可用安全疏散時間Taset=404 s的對比分別如圖10所示。

圖9 工況2、3、4人員疏散總時間樣本圖Fig.9 Sample diagram of total evacuation time of working conditions 2,3 and 4

圖10 工況2、3、4時間對比圖Fig.10 Time comparison diagram of working conditions 2,3 and 4

由人員逃生的概率計(jì)算公式P=P(Taset-Trset>0)，進(jìn)行多次模擬得出工況2、3、4檢修人員的疏散可靠度分別約為0.988 3、0.994 2、0.995 3，疏散失敗概率分別約為1.17%、0.58%、0.47%，詳見表5。

表5 各工況疏散可靠度對比表Table 5 Comparison of evacuation reliability under various working conditions

通過Monte Carlo法得到大量樣本的必須安全疏散時間，并考慮到檢修人員的實(shí)際情況，與PyroSim軟件模擬得到的可用安全疏散時間進(jìn)行比較，并進(jìn)行數(shù)理統(tǒng)計(jì)得到結(jié)論：當(dāng)火災(zāi)發(fā)生時，在一個200 m防火區(qū)間內(nèi)，普通人員的疏散可靠度約為0.889，檢修人員的疏散可靠度約為0.99，趨近于1，且由工況1與工況2、3、4對比，日常的疏散演習(xí)和安全規(guī)范手冊等控制手段能顯著提高疏散可靠度。

4 結(jié)語

使用PyroSim火災(zāi)模擬軟件和Matlab數(shù)值分析軟件，將優(yōu)化的隧道人員疏散概率模型應(yīng)用于管廊人員疏散研究中，從概率角度通過Monte Carlo方法計(jì)算出了疏散可靠度，得出主要結(jié)論如下：(1)通過工況1和優(yōu)化過概率模型的工況2、3、4，得出在一個防火區(qū)間內(nèi)普通人員的疏散可靠度約為0.889，檢修人員的疏散可靠度約為0.99，趨近于1；(2)工況1與工況2、3、4對比，說明在實(shí)際情況中，日常的疏散演習(xí)和安全規(guī)范手冊等控制手段能夠?qū)z修人員的安全提供極大的保障；(3)工況2、3、4說明，隨著人員安全素質(zhì)的提高，遇到危險后“化險為夷”的可能性越大，在日后的管廊運(yùn)維過程中，需重視這類的預(yù)防措施。研究考慮了人員疏散過程中的隨機(jī)性因素，引入了概率與隨機(jī)性分析，從更為科學(xué)的角度研究了此類問題，希望能為未來盾構(gòu)管廊運(yùn)維規(guī)范的編制提供幫助。