黃文攝， 王 涵， 祁倩倩

(1.深中通道管理中心， 廣東 中山 528400； 2．重慶交通大學(xué) 土木工程學(xué)院， 重慶 400074)

沉管隧道具有結(jié)構(gòu)狹長(zhǎng)、空間小及近似密閉的特點(diǎn)[1]。發(fā)生火災(zāi)時(shí)，隧道內(nèi)煙氣高溫有毒、擴(kuò)散快、能見度低，現(xiàn)場(chǎng)疏散、救援困難，車輛與人員難以有效規(guī)避，極易造成二次交通事故。起火時(shí)隧道臨時(shí)關(guān)閉，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)損害隧道結(jié)構(gòu)物及附屬設(shè)施。因此，隧道起火事故既造成了經(jīng)濟(jì)損失，又常伴隨交通擁堵和較大的社會(huì)影響。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者相繼對(duì)隧道火災(zāi)救援開展了相關(guān)研究。陳建忠[2]提出了公路隧道火災(zāi)救援框架；薄淇友、王玉等[3-4]分別總結(jié)了公路隧道火災(zāi)特點(diǎn)、救援難點(diǎn)并給出了相應(yīng)對(duì)策；杜承勇[5-6]研究了越江隧道火災(zāi)救援處置對(duì)策；劉海龍[7]采用CFD模擬沉管隧道火災(zāi)場(chǎng)景，研究了隧道溫度場(chǎng)和煙霧場(chǎng)中溫度、有毒氣體濃度等達(dá)到危險(xiǎn)值的時(shí)間；Li等[8]通過(guò)試驗(yàn)研究了隧道火災(zāi)溫度衰減與煙霧控制，結(jié)果表明多點(diǎn)排煙和縱向通風(fēng)相結(jié)合的方式有助于隧道控?zé)?；?guó)內(nèi)部分研究機(jī)構(gòu)依托實(shí)際項(xiàng)目研究了沉管隧道火災(zāi)煙氣蔓延和火災(zāi)救援分析[9-13]。目前研究主要針對(duì)普通公路隧道，且對(duì)于人員疏散研究較多，對(duì)于深中通道等超大斷面海底特長(zhǎng)沉管隧道的人員疏散及應(yīng)急救援研究較少。

本文依托深圳至中山跨江通道(深中通道)項(xiàng)目，通過(guò)Pathfinder和FDS(Fire Dynamics Simulator)模擬分析沉管隧道發(fā)生火災(zāi)時(shí)人員的救援疏散及救援路線，提出沉管隧道火災(zāi)應(yīng)急救援策略，為沉管隧道火災(zāi)救援提供必要的技術(shù)依據(jù)。

1 項(xiàng)目概況

深中通道項(xiàng)目路線全長(zhǎng)約24 km，海底隧道長(zhǎng)6.8 km，其中沉管段長(zhǎng)5.035 km，其地理位置如圖1所示。項(xiàng)目為雙向8車道特長(zhǎng)海底公路隧道，具有交通量大、大貨車比例高、主線隧道與機(jī)場(chǎng)互通立交多次分合流、橋隧轉(zhuǎn)換縱坡大等特點(diǎn)，隧道火災(zāi)逃生救援要求高。隧道內(nèi)縱坡較大，匝道段曲率半徑小，交通負(fù)荷大。海底隧道運(yùn)營(yíng)安全及防災(zāi)救援問(wèn)題突出，一旦發(fā)生火災(zāi)，隧道排煙疏散和救援難度極大。

圖1 深中通道地理位置

2 沉管隧道火災(zāi)人員疏散出口模擬分析

2.1 火災(zāi)場(chǎng)景設(shè)計(jì)

深中通道為客運(yùn)城市道路隧道，以小客車為主(遠(yuǎn)期小客車和中巴的比例高達(dá)94%)。根據(jù)美國(guó)國(guó)家防火協(xié)會(huì)(NFPA)、國(guó)際道路協(xié)會(huì)隧道委員會(huì)(PIARC)的相關(guān)推薦值，結(jié)合國(guó)內(nèi)以客運(yùn)為主的城市道路隧道選用火災(zāi)規(guī)模的調(diào)查結(jié)果，參考港珠澳大橋沉管隧道工程，設(shè)計(jì)選用50 MW的火災(zāi)熱釋放率作為設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)。采用FDS軟件模擬分析隧道火災(zāi)煙霧蔓延過(guò)程?？紤]到火災(zāi)運(yùn)動(dòng)范圍及模型計(jì)算量，建立長(zhǎng)度500 m的計(jì)算模型，如圖2所示。計(jì)算模型斷面按隧道實(shí)際斷面全尺寸設(shè)置，單孔凈寬18.3 m，凈高7.6 m。火源位置位于隧道縱向中部，即隧道長(zhǎng)度方向y=250 m處，面積為8 m×2.5 m，高度為4 m，模擬一輛大型貨車著火。網(wǎng)格大小0.5 m×0.5 m×0.25 m，在火源附近對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行適當(dāng)加密，模型網(wǎng)格總數(shù)約320萬(wàn)。

圖2 沉管隧道火災(zāi)計(jì)算模型平面

2.2 人員疏散場(chǎng)景設(shè)計(jì)

采用Pathfinder軟件模擬人員疏散運(yùn)動(dòng)的時(shí)間?？紤]隧道內(nèi)發(fā)生交通事故，后車追尾碰撞引發(fā)火災(zāi)?？紤]火災(zāi)時(shí)人員疏散的最不利情況，即隧道內(nèi)車輛阻塞，同時(shí)發(fā)生火災(zāi)，人員緊急疏散。模型計(jì)算長(zhǎng)度500 m，車輛堵塞距離500 m，計(jì)算模型如圖3、圖4所示。

圖3 隧道火災(zāi)人員疏散計(jì)算模型(車輛分布)

圖4 隧道火災(zāi)人員疏散計(jì)算模型(人員分布)

考慮隧道內(nèi)全部車道均阻塞，車輛根據(jù)《公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》(JTG B01—2014)規(guī)定的車輛外輪廓尺寸進(jìn)行取值。如果阻塞車輛之間間距按3 m考慮，根據(jù)工可報(bào)告預(yù)測(cè)交通量車型比，確定各類車輛數(shù)量，經(jīng)換算后假設(shè)平均每輛車長(zhǎng)7 m，每車平均11人，在500 m隧道中最不利工況下，隧道內(nèi)的人員數(shù)量為(500/10)×11×4=2 200人。經(jīng)計(jì)算，確定隧道內(nèi)受阻塞需疏散人數(shù)如表1所示。根據(jù)文獻(xiàn)調(diào)研及相關(guān)工程客流觀測(cè)數(shù)據(jù)，人員組成及移動(dòng)速度：小孩占比8%，移動(dòng)速度0.9 m/s；老人占比15%，移動(dòng)速度0.9 m/s；中青年男性占比42%，移動(dòng)速度1.2 m/s；中青年女性占比35%，移動(dòng)速度1.1 m/s。通過(guò)Pathfinder軟件計(jì)算不同疏散出口間距及寬度情況下人員安全疏散必需時(shí)間，如表2所示。

表1 隧道火災(zāi)疏散人數(shù)計(jì)算

表2 不同疏散出口間距及寬度時(shí)人員安全疏散必需時(shí)間

從表2疏散時(shí)間看，隨著安全疏散出口間距的增加，隧道人員安全疏散必需時(shí)間(RSET)也相應(yīng)增加。理論上，在火災(zāi)規(guī)模50 MW、安全疏散通道間距為100 m時(shí)，隧道人員安全疏散必需時(shí)間滿足基本疏散需求?？紤]施工周期和成本，沉管隧道內(nèi)安全疏散通道間距設(shè)置為81 m或84 m。

3 車輛救援交通仿真分析

通過(guò)微觀交通仿真軟件Vissim建立深中通道海底沉管隧道主線隧道及匝道隧道，區(qū)域分界以交通合流點(diǎn)終點(diǎn)和交通分流點(diǎn)起點(diǎn)為界線，沉管隧道主線部分用M-1、M-2、M-3、M-4表示，匝道部分用R-1、R-2、R-3、R-4表示，如圖5～圖8所示。

隧道內(nèi)發(fā)生火災(zāi)時(shí)，關(guān)閉隧道，隧道洞口交通信號(hào)燈顯示禁行狀態(tài)。同時(shí)，東、西人工島救援車輛逆向沿救援路線行駛，下面以發(fā)生在匝道區(qū)域的火災(zāi)位置進(jìn)行分析。

1) 若火災(zāi)發(fā)生在R-1區(qū)域內(nèi)

當(dāng)救援車輛以60 km/h沿疏散及救援路線(圖5)行駛，主線清空社會(huì)車輛至少需要355 s，逆向救援力量(以西人工島為主)和順向救援力量(以東人工島救援/三圍廣場(chǎng)救援站為主)到達(dá)事故點(diǎn)的理論時(shí)間分別不少于1 343 s和385 s(順向救援力量能否及時(shí)抵達(dá)事故現(xiàn)場(chǎng)需視上游交通狀況、車輛排隊(duì)長(zhǎng)度而定)。由于發(fā)生火災(zāi)后至實(shí)施交通管控期間，仍有車輛進(jìn)入隧道，且隧道內(nèi)車輛行駛至事故區(qū)有一段時(shí)間，在此時(shí)間內(nèi)計(jì)算車輛排隊(duì)長(zhǎng)度。火災(zāi)發(fā)生74 s內(nèi)事故點(diǎn)上游車輛排隊(duì)長(zhǎng)度為63 m，上游人員疏散需要有效地通風(fēng)排煙策略以保證安全。

2) 若火災(zāi)發(fā)生在R-2區(qū)域內(nèi)

當(dāng)救援車輛以60 km/h沿疏散及救援路線(圖6)行駛，主線清空社會(huì)車輛至少需要355 s，逆向救援力量(以西人工島為主)和順向救援力量(以東人工島救援/三圍廣場(chǎng)救援站為主)到達(dá)事故點(diǎn)的理論時(shí)間分別不少于1 423 s和303 s(順向救援力量能否及時(shí)抵達(dá)事故現(xiàn)場(chǎng)需視上游交通狀況、車輛排隊(duì)長(zhǎng)度而定)。火災(zāi)發(fā)生89 s內(nèi)事故點(diǎn)上游匝道段車輛排隊(duì)長(zhǎng)度為11 m，上游人員疏散撤離需要有效的通風(fēng)排煙策略以保證安全。

3) 若火災(zāi)發(fā)生在R-3區(qū)域邊界

當(dāng)救援車輛以60 km/h沿疏散及救援路線(圖7)行駛，匝道事故點(diǎn)下游清空社會(huì)車輛平均需要145 s，逆向救援力量(以東人工島為主)和順向救援力量(以西人工島救援/三圍廣場(chǎng)救援站為主)到達(dá)事故點(diǎn)的理論時(shí)間分別不少于497 s和571 s(順向救援力量能否及時(shí)抵達(dá)事故現(xiàn)場(chǎng)需視上游交通狀況、車輛排隊(duì)長(zhǎng)度而定)?；馂?zāi)發(fā)生260 s內(nèi)事故點(diǎn)上游匝道段車輛排隊(duì)長(zhǎng)度為85 m，上游人員疏散撤離需要有效地通風(fēng)排煙策略以保證安全。

4) 若火災(zāi)發(fā)生在R-4區(qū)域內(nèi)

當(dāng)救援車輛以60 km/h沿疏散及救援路線(圖8)行駛，匝道事故點(diǎn)下游清空社會(huì)車輛平均需要20 s，逆向救援力量(以東人工島為主)和順向救援力量(以西人工島救援/三圍廣場(chǎng)救援站為主)到達(dá)事故點(diǎn)的理論時(shí)間分別不少于164 s和352 s(順向救援力量能否及時(shí)抵達(dá)事故現(xiàn)場(chǎng)需視上游交通狀況、車輛排隊(duì)長(zhǎng)度而定)?；馂?zāi)發(fā)生270 s內(nèi)事故點(diǎn)上游匝道段車輛排隊(duì)長(zhǎng)度為102 m，上游人員疏散撤離需要有效的通風(fēng)排煙策略以保證安全。

(a) 影響范圍較大區(qū)域

圖6 R-2區(qū)內(nèi)救援疏散示意

(a) 影響范圍較小區(qū)域

圖8 R-4區(qū)內(nèi)救援疏散示意

4 火災(zāi)應(yīng)急救援策略

4.1 救援站及其應(yīng)急物資配置

按照規(guī)范[14-15]對(duì)地下道路火災(zāi)事故應(yīng)急救援時(shí)間規(guī)定，最佳救援時(shí)間為5 min～15 min。深中通道沉管隧道長(zhǎng)約6.8 km，西人工島救援站設(shè)置在西人工島回轉(zhuǎn)車道附近，東人工島救援站設(shè)置在H匝道附近，救援站布局如圖5(a)所示，若隧道內(nèi)發(fā)生火災(zāi)，逆向救援車輛按車速60 km/h，順向救援車輛按30 km/h行進(jìn)，最長(zhǎng)救援時(shí)間不超過(guò)5 min,可滿足救援相關(guān)時(shí)間要求。西人工島和東人工島救援站應(yīng)急物資配置如表3所示。

表3 救援站應(yīng)急物資

4.2 深中通道應(yīng)急組織體系

根據(jù)應(yīng)急指揮中心的調(diào)配權(quán)限和各部門在應(yīng)急情況下的主要職責(zé)，發(fā)生火災(zāi)事故時(shí)，在管理中心設(shè)置應(yīng)急指揮部，由應(yīng)急指揮部統(tǒng)一指揮，調(diào)配路政、交警、醫(yī)院、消防和其他救援力量等資源，以便快速有效投入救援。深中通道火災(zāi)事故組織指揮體系如圖9所示。

圖9 火災(zāi)事故組織指揮體系

4.3 火災(zāi)應(yīng)急救援預(yù)案

深中通道沉管隧道屬于封閉空間，回車空間有限、光線條件較差、空氣質(zhì)量較低、環(huán)境噪音較大，火災(zāi)產(chǎn)生的高溫與濃煙以及所引發(fā)的交通中斷、交通堵塞、交通延誤，將對(duì)人民生命財(cái)產(chǎn)和交通運(yùn)輸體系產(chǎn)生重大影響。按同一隧道在同一時(shí)間內(nèi)發(fā)生一起火災(zāi)的情況分別制定交通救援、人員疏散逃生、滅火救援及通風(fēng)排煙和醫(yī)療救護(hù)預(yù)案。

4.3.1 交通救援

1) 隧道洞口

沉管隧道內(nèi)發(fā)生火災(zāi)，不論火災(zāi)事件級(jí)別，均關(guān)閉隧道。隧道洞口交通信號(hào)燈均顯示“紅色”，同時(shí)洞外可變情報(bào)板顯示“前方隧道發(fā)生火災(zāi)，車輛禁止進(jìn)入”。著火隧道上游隧道內(nèi)可變情報(bào)板及洞外可變情報(bào)板顯示“前方隧道發(fā)生火災(zāi)，請(qǐng)車輛靠右停靠，從左側(cè)安全門疏散！”。

2) 著火隧道內(nèi)交通控制

著火隧道下游車輛正常駛出隧道，車輛駛離后，各車道指示器全部改成“紅色”。著火位置附近車輛若可以通過(guò)，則優(yōu)先通過(guò)；若無(wú)法通過(guò)，則靠外側(cè)車道緊急停車。著火位置上游所有車道指示器顯示“紅色”；情報(bào)板提示“前方隧道發(fā)生火災(zāi)，請(qǐng)車輛靠右停靠，從左側(cè)安全門疏散！”,隧道應(yīng)急廣播提示駕乘人員從左側(cè)安全門疏散。

3) 非著火隧道內(nèi)交通控制

非著火隧道內(nèi)將引導(dǎo)社會(huì)車輛從中間及外側(cè)行車道駛離隧道，內(nèi)側(cè)行車道用于非著火隧道下游車輛救援使用。非著火隧道內(nèi)的內(nèi)側(cè)行車道車道指示器由原來(lái)的“綠色”改變成“紅色”，背面的“紅叉”改變成“綠色”，外側(cè)行車道及中間行車道的車道指示器顏色保持不變。洞內(nèi)社會(huì)車輛駛離后，各車道指示器正面及背面全部改成“紅色”，僅供救援車輛通行。洞內(nèi)情報(bào)板可顯示“對(duì)向隧道發(fā)生火災(zāi)，內(nèi)側(cè)車道關(guān)閉，請(qǐng)謹(jǐn)慎駕駛！”。

4.3.2 人員疏散逃生

人員安全疏散的黃金時(shí)間僅有濃煙出現(xiàn)前的幾分鐘。逃離時(shí)間由3部分組成，即報(bào)警時(shí)間、人員響應(yīng)時(shí)間和疏散行程時(shí)間。針對(duì)火災(zāi)發(fā)生位置的不同，火災(zāi)工況下的疏散逃生方式通常有3種方式：棄車逃生、駕車逃生和混合逃生。

深中通道沉管隧道長(zhǎng)度約6.8 km，雙向8車道技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，采用兩孔一管廊的斷面型式，并未設(shè)置車行橫洞，而是間隔81 m和84 m設(shè)置安全門，考慮到隧道為超長(zhǎng)海底隧道，疏散距離長(zhǎng)，救援難度大，因此，火源下游車輛盡快駛出隧道，火源上游由于車輛擁堵，人員疏散逃生應(yīng)采用棄車逃生的方式，盡快逃生至安全區(qū)域。

4.3.3 滅火救援及通風(fēng)排煙

火災(zāi)事故發(fā)生時(shí)，深中通道內(nèi)東、西人工島救援站消防救援車可快速趕赴現(xiàn)場(chǎng)，附近三圍互通救援站配備大型消防車輛，適時(shí)增援。由于深中通道隧道內(nèi)無(wú)車行橫通道且通風(fēng)采用橫向聯(lián)絡(luò)排煙道頂部排煙方式，因此，消防救援車輛優(yōu)先選擇從著火隧道入口處進(jìn)入隧道及待下游車輛疏散完畢后逆向進(jìn)入隧道。對(duì)于非著火隧道可視情況選擇順向或逆向進(jìn)入(封閉內(nèi)側(cè)車道)，起到一定的增援作用。

4.3.4 醫(yī)療救護(hù)

深中通道東、西人工島均設(shè)醫(yī)療小組，火災(zāi)事故發(fā)生時(shí)，醫(yī)療小組首先前往事故點(diǎn)進(jìn)行救護(hù)。另外，隧道離深圳地區(qū)較近，附近醫(yī)療救援隊(duì)在接到事故通報(bào)后，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況召集相關(guān)醫(yī)護(hù)人員，準(zhǔn)備救護(hù)器材，確認(rèn)病床數(shù)量等，做好支援準(zhǔn)備。嚴(yán)重傷員優(yōu)先送至深圳地區(qū)的醫(yī)院救治，同時(shí)統(tǒng)計(jì)送至醫(yī)院的人數(shù)清冊(cè)報(bào)告應(yīng)急指揮中心，做好災(zāi)后處理工作。

5 結(jié)論

1) 深中通道屬于超大斷面特長(zhǎng)海底沉管隧道，疏散距離長(zhǎng)，救援難度大，應(yīng)急救援宜根據(jù)火災(zāi)發(fā)生不同位置制定救援疏散路線。

2) 通過(guò)對(duì)深中通道海底沉管隧道發(fā)生火災(zāi)時(shí)的理論分析和模型仿真計(jì)算，按同一隧道在同一時(shí)間內(nèi)發(fā)生一起火災(zāi)的情況分別制定交通救援、人員疏散逃生及醫(yī)療救護(hù)相關(guān)預(yù)案。

3) 應(yīng)急救援的研究可為深中通道工程運(yùn)營(yíng)期間的安全保障尤其是火災(zāi)工況下人員疏散與車輛救援提供參考。