摘 要 ：在隧道工程建設(shè)過程中，巖體崩落等安全事故屬于常見的危險(xiǎn)情況。為能夠綜合考慮到巖體坍塌這類動(dòng)態(tài)危險(xiǎn)障礙物對(duì)隧道內(nèi)施工人員應(yīng)急疏散的影響，選取某高原地區(qū)鐵路隧道工程作為研究對(duì)象，運(yùn)用元胞自動(dòng)機(jī)理論（CA）構(gòu)建了隧道內(nèi)人員與動(dòng)態(tài)危險(xiǎn)障礙物（如落石）軌跡交互模型，并研發(fā)了巖體崩落時(shí)的人員疏散模擬方法。在此基礎(chǔ)上，對(duì)隧道內(nèi)不同巖體崩落災(zāi)害等級(jí)和范圍下的應(yīng)急疏散過程進(jìn)行了分級(jí)分段的數(shù)值模擬和討論。結(jié)果表明：開發(fā)的數(shù)值模擬方法能夠準(zhǔn)確地模擬出不同災(zāi)害等級(jí)下人群在巖體崩落時(shí)的疏散過程和傷亡情況；根據(jù)模擬結(jié)果可知，當(dāng)發(fā)生同一等級(jí)的巖體崩落事故時(shí)，隨著災(zāi)害范圍的擴(kuò)大，受傷人數(shù)增加，整體疏散速度變慢，從而導(dǎo)致疏散時(shí)間延長(zhǎng)；同時(shí)，災(zāi)害等級(jí)也是影響施工人員安全的主要因素，災(zāi)害等級(jí)越高，坍塌巖塊的密度越大，從而增加了臨災(zāi)群體受傷和死亡的概率。該疏散模型為隧道災(zāi)害條件下施工人員應(yīng)急疏散提供了參考依據(jù)。 "關(guān)鍵詞 ：隧道施工；巖體崩落災(zāi)害；元胞自動(dòng)機(jī)；應(yīng)急疏散

中圖分類號(hào)：X 947

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號(hào)： 1672 - 9315（2024）02 - 0319 - 09

DOI ：10.13800/j.cnki.xakjdxxb.2024.0212 "開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

Simulation method of construction personnel evacuation

under tunnel rock caving disaster

ZHAI Yue，ZHANG Yumo，QU Lu，DU Jing

（School of Geology Engineering and Geomatics，Chang’an University，Xi’an 710054，China） "Abstract ：

In the process of tunnel construction，safety accidents such as rock caving are common dangerous situations.In order to comprehensively consider the impact of dynamic dangerous obstacles such as rock collapse on the emergency evacuation of construction personnel in the tunnel，this study selected a railway tunnel project in a plateau area as the research object，used cellular automata theory（CA）to build a trajectory interaction model between personnel and dynamic dangerous obstacles（such as rock fall）in the tunnel，and developed a personnel evacuation simulation method when rock collapse occurred.On the basis of this，the numerical simulation of and the discussion about the emergency evacuation process under different disaster levels and ranges of rock mass collapse in the tunnel were carried out.The results show that the numerical simulation method developed in this paper can accurately simulate the evacuation process and casualties under different disaster levels.According to the simulation results，when a rock mass collapse accident of the same level occurs，with the expansion of the disaster scope，the number of injured people increases，and the overall evacuation speed slows down，resulting in a prolonged evacuation time.At the same time，the disaster level is also the main factor affecting the safety of construction personnel.The higher the disaster level，the greater the density of collapsed rock blocks，thus increasing the probability of injury and death of disaster prone groups.The evacuation model provides a reference for emergency evacuation of construction personnel under tunnel disaster conditions. "Key words ：tunnel construction；rock collapse disaster；cellular automata；emergency evacuation

0 引 言

21世紀(jì)是隧道建設(shè)和地下空間利用大發(fā)展的時(shí)代。中國正在建設(shè)的隧道越來越趨向于深埋超長(zhǎng)工程[1]。正在施工或即將施工的高海拔地下隧道大多具有距離遠(yuǎn)、埋深大、地溫高和地質(zhì)條件復(fù)雜等特點(diǎn)[2]，并且由于高海拔地區(qū)惡劣的環(huán)境地質(zhì)條件和復(fù)雜的氣候條件，隧道施工過程中極易出現(xiàn)巖爆崩塌、高地溫、突水突泥和軟巖大變形等工程地質(zhì)災(zāi)害耦合問題[3]。由此可見隧道工程建設(shè)是一項(xiàng)高風(fēng)險(xiǎn)的工程項(xiàng)目，存在多種不確定性因素。由于此工程的施工環(huán)境極為封閉，隧道內(nèi)危險(xiǎn)因素極多，疏散通道有限，所以一旦隧道內(nèi)發(fā)生安全事故，不宜逃生與救援，往往會(huì)造成嚴(yán)重的 人員傷亡，同時(shí)也會(huì)給國家?guī)碇卮蟮慕?jīng)濟(jì)損失[4]。

國內(nèi)外學(xué)者針對(duì)隧道施工安全及疏散問題開展了大量研究。美國麻省理工學(xué)院EINSTEINH H在1974年最先提出了隧道工程風(fēng)險(xiǎn)分析的特點(diǎn)和應(yīng)遵循的理念，并在1998年從計(jì)算機(jī)輔助決策方面建立了隧道風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)的輔助決策系統(tǒng)[5]。

BRUSSAARD L A等對(duì)單向和雙向長(zhǎng)隧道進(jìn)行了分析，運(yùn)用VTI模型計(jì)算危險(xiǎn)物品運(yùn)送發(fā)生事故的頻率，并通過模擬運(yùn)輸危險(xiǎn)物品在隧道中發(fā)生災(zāi)害，分析出災(zāi)害事件的結(jié)果，為決策者提供了隧道內(nèi)設(shè)施和災(zāi)害交互影響的比重信息[6]；HELIOVAARA等對(duì)行人的疏散行為和疏散出口的選擇進(jìn)行試驗(yàn)研究后，發(fā)現(xiàn)當(dāng)存在2個(gè)不對(duì)稱出口時(shí)，疏散者難以憑借自身判斷做出最佳的疏散出口選擇[7]；HAGHANI M等通過研究發(fā)現(xiàn)，在正常情況下，疏散效果的主要影響因素是疏散者與疏散出口之間的距離，而在應(yīng)急情況下，疏散效果的主要影響因素是疏散出口的人員密度[8]；ELZIET等在疏散仿真模擬研究中發(fā)現(xiàn)了團(tuán)體效應(yīng)對(duì)疏散效率有影響，其中疏散時(shí)間與疏散者中的平均團(tuán)體規(guī)模呈正比趨勢(shì)[9]；楊高尚等以特長(zhǎng)公路隧道為研究對(duì)象，通過研究人員疏散橫通道設(shè)置情況，為隧道內(nèi)人員疏散及應(yīng)急體系的建立提供了理論基礎(chǔ)[6]；丁浩等主要研究隧道發(fā)生交通事故時(shí)，不同階段的應(yīng)急救援對(duì)救援速度產(chǎn)生的影響因素[11]；彭偉等通過FDS對(duì)特定長(zhǎng)度的公路隧道中不同火源功率下的人員疏散進(jìn)行了模擬，并針對(duì)該情景尋求了適當(dāng)?shù)目責(zé)煵呗院褪枭⑴e措[12]；蘆興敏等以敦格鐵路（敦煌—格爾木）高原高海拔隧道工程為背景，通過計(jì)算在火災(zāi)不利場(chǎng)景下的人員疏散時(shí)間，驗(yàn)證了緊急救援站疏散救援通道設(shè)計(jì)的可靠性，提出了針對(duì)隧道內(nèi)車輛火災(zāi)的應(yīng)急處理方案和人員安全快速疏散策略[13]；崔鵬等評(píng)估了急上高原人員的運(yùn)動(dòng)能力，并得出了急上高原人員在不同海拔下的疏散速度折減公式和高海拔鐵路隧道人員疏散的基礎(chǔ)參數(shù)。這為高海拔鐵"路隧道人員疏散的理論分析和設(shè)計(jì)提供了數(shù)據(jù)支持[14]。

基于以上對(duì)國內(nèi)外相關(guān)的研究分析，可以看出目前關(guān)于應(yīng)急疏散與逃生的研究中能夠綜合考慮危險(xiǎn)環(huán)境、動(dòng)態(tài)危險(xiǎn)障礙物對(duì)隧道內(nèi)施工人員影響的應(yīng)急疏散研究較少。這表明在隧道施工中，還需要進(jìn)一步研究和完善應(yīng)急疏散與逃生的策略，以確保施工人員的安全。因此，利用元胞自動(dòng)機(jī)理論，在鐵路實(shí)際工程的基礎(chǔ)上針對(duì)高海拔隧道巖爆、崩塌等巖石崩落的動(dòng)態(tài)危險(xiǎn)障礙物災(zāi)害下的人員應(yīng)急疏散進(jìn)行模擬仿真研究，實(shí)現(xiàn)典型隧道災(zāi)害疏散場(chǎng)景模擬，為隧道實(shí)際工程應(yīng)急"疏散方案的論證及優(yōu)化提供了理論依據(jù)和科學(xué)支撐。

1 人與動(dòng)態(tài)危險(xiǎn)障礙物應(yīng)急疏散模型建立

1.1 元胞自動(dòng)機(jī)特點(diǎn)在應(yīng)急疏散研究中，如果利用實(shí)際觀測(cè)、調(diào)查的方式等進(jìn)行較大規(guī)模應(yīng)急模疏散研究，在成本過高的同時(shí)容易出現(xiàn)安全問題，造成不必要的傷亡[15]。因此，應(yīng)急疏散領(lǐng)域的研究主要是建立仿真模型進(jìn)行疏散模擬。目前現(xiàn)有的應(yīng)急疏散仿真模型可以分為宏觀、微觀與淺微觀3種[16]。淺微觀模型中元胞自動(dòng)機(jī)模型在應(yīng)急疏散方面應(yīng)用最為廣泛[17]。元胞自動(dòng)機(jī)模型自定義性強(qiáng)、運(yùn)算速度快、空間擴(kuò)展性大，同時(shí)作為時(shí)間與空間均離散的淺微觀模型，在疏散模擬中可以將不同疏散人員的特征展現(xiàn)出來，并且能以少量的參數(shù)和簡(jiǎn)單建模，真實(shí)地模擬外界環(huán)境對(duì)場(chǎng)景中疏散人員的微觀影響[18]。選擇正方形格子作為模擬元胞空間，元胞自身的狀態(tài)會(huì)根據(jù)元胞鄰居的狀態(tài)和數(shù)量而更新，具體公式為

S t+1 i=f（ S t i， S t N）

（1）

式中 "S t i為元胞i在時(shí)刻t的狀態(tài)； S t N為元胞i在時(shí)刻t周圍鄰居狀態(tài)的集合；f為自定義規(guī)則； S t+1 i為元胞i在下一時(shí)刻（t+1）的狀態(tài)。

1.2 疏散模型構(gòu)建當(dāng)災(zāi)害發(fā)生時(shí)，深埋隧道中的高地溫和低含氧量等環(huán)境因素會(huì)對(duì)人體感知產(chǎn)生影響，還可能影響臨災(zāi)人員的心理狀態(tài)，并導(dǎo)致疏散決策上的偏差。為了更準(zhǔn)確地模擬實(shí)際情況，將4種臨災(zāi)人員疏散行為特點(diǎn)（避害行為、搶前行為、就近逃生行為和慣性行為）與3種疏散心理特點(diǎn)（恐慌心理、從眾心理和沖動(dòng)心理）相結(jié)合，采用大小為0.4"m×0.4 m的元胞對(duì)模擬場(chǎng)景進(jìn)行了網(wǎng)格化劃分[19]。

1.2.1 疏散出口選擇模型

疏散者選擇的疏散出口主要考慮2個(gè)方面，人員所在位置與出口之間的距離和出口區(qū)域范圍內(nèi)的人員密度。通常疏散者會(huì)優(yōu)先選擇更安全、離出口更近的位置移動(dòng)[20]。如果居住者要向出口i移動(dòng)，就有必要考慮P i-r（距離）和P i-d（密度）之間的相互作用。在基本的元胞自動(dòng)機(jī)模型中，其選擇的概率為

P i= αP i-r+βP i-d

α+β

（2）

式中

α= 1 n

∑n i=1

1-

r in R （1）

k α，

β= 1 n

∑n i=1

1-

d in D （1）

k β。其中，k α用于強(qiáng)調(diào)空間距離的重要性，而k β則用于強(qiáng)調(diào)人員密度的重要性[21]，r i為位置與出口i之間的距離，m。

1.2.2 行人移動(dòng)模型

在疏散過程中，臨災(zāi)人員通常會(huì)盡快離開受災(zāi)區(qū)域，文中假定疏散人員為身體健康的中青年男性，并假定疏散開始時(shí)，所有人員的起始速度相同，為v=1.8 m ·s-1[22]。疏散者的移動(dòng)過程分為以下4個(gè)步驟。1）在下一個(gè)時(shí)間步，疏散人員會(huì)選擇周圍8個(gè)元胞中距離出口最近的一個(gè)作為移動(dòng)目標(biāo)，如圖1所示；2）疏散者會(huì)選擇距離當(dāng)前位置更接近出口的移動(dòng)目標(biāo)；3）如果多個(gè)疏散者同時(shí)選擇了同一個(gè)元胞作為移動(dòng)目標(biāo)，則該元胞會(huì)被隨機(jī)分配給其中一個(gè)疏散者，其他疏散者則會(huì)停留在原地，直到下一個(gè)時(shí)間步；4）每個(gè)疏散者都會(huì)在新的時(shí)間步更新自己的位置，并選擇一個(gè)新的移動(dòng)目標(biāo)。

1.2.3 障礙物模型

施工隧道內(nèi)動(dòng)態(tài)危險(xiǎn)障礙物指的是在隧道建設(shè)或施工過程中可能移動(dòng)、出現(xiàn)或發(fā)生的危險(xiǎn)物體或情況。這些障礙物通常具有不穩(wěn)定性、不可預(yù)測(cè)性和可移動(dòng)性，對(duì)施工人員和設(shè)備的安全產(chǎn)生潛在的威脅。在模擬場(chǎng)景中設(shè)置了大小不一的障礙物，且動(dòng)態(tài)障礙物的位置是隨機(jī)分布的，但不考慮巖石崩落的滾動(dòng)效果。在疏散開始后，如果疏散人員失去了疏散能力，他們將無法繼續(xù)疏散。此外，已失去疏散能力的疏散人員和出現(xiàn)過的動(dòng)態(tài)障礙物都會(huì)被視為1個(gè)靜態(tài)障礙物，并占用1個(gè)元胞。障礙物的影響范圍D s表達(dá)式為

（x s-r s）2+（y s-r s）2=D s

（3）

式中 x s和y s分別為障礙物核心元胞的x坐標(biāo)和y坐標(biāo)；r s為障礙物半徑，m。

選擇正態(tài)分布函數(shù)來構(gòu)建動(dòng)態(tài)危險(xiǎn)障礙物與時(shí)間的關(guān)系，其概率密度函數(shù)為

f（t）= 1 "2π σ

exp

-

（t-μ）2 2σ2

（4）

式中 μ為動(dòng)態(tài)危險(xiǎn)障礙物出現(xiàn)的期望時(shí)間，文中取t/2；σ為動(dòng)態(tài)危險(xiǎn)障礙物出現(xiàn)時(shí)間的標(biāo)準(zhǔn)差。

1.2.4 人與障礙物交互模型

在疏散過程中，隨著時(shí)間的推移，疏散人員的疏散路徑上會(huì)不斷出現(xiàn)大小不一的障礙物，這些障礙物會(huì)威脅到疏散人員的生命"安全，從而影響疏"散效果。將生產(chǎn)安全事故傷亡分為輕傷和重傷2類，當(dāng)障礙物出現(xiàn)在被疏散人員占用的元胞時(shí)，需要根據(jù)障礙物的邊長(zhǎng)l i來判斷其對(duì)疏散人"員的影響。設(shè)障礙物砸中疏散人員頭部的概率為P i。

因此，當(dāng)動(dòng)態(tài)危險(xiǎn)障礙物出現(xiàn)在疏散人員所在位置，對(duì)疏散者與動(dòng)態(tài)危險(xiǎn)障礙物交互時(shí)的受傷情況劃分見表1；當(dāng)動(dòng)態(tài)危險(xiǎn)障礙物出現(xiàn)在疏散人員鄰域位置，對(duì)疏散者與動(dòng)態(tài)危險(xiǎn)障礙物交互時(shí)的受傷情況劃分見表2。

2 模型應(yīng)用與分析

2.1 場(chǎng)景設(shè)計(jì)將模擬場(chǎng)景設(shè)為某高原地區(qū)鐵路隧道工程，以《鐵路隧道防災(zāi)疏散救援工程設(shè)計(jì)規(guī)范》（TB10020—2017）[23]中平原地區(qū)青壯年男性的緊急疏散速度1.8 m ·s-1作為基礎(chǔ)參數(shù)，高海拔地區(qū)施工人員的勞動(dòng)能力比平原地區(qū)降低40%～50%，跑步能力下降75%～80%[24]，因此設(shè)置速度折減后施工人員的疏散速度為1.314 m ·s-1。隧道總長(zhǎng)約為400 m，根據(jù)隧道橫截面設(shè)計(jì)，設(shè)置隧道寬為10.2 m。隧道施工擬采用高為10.2m 的敞開式TBM機(jī)進(jìn)行施工。根據(jù)實(shí)際工況，在模擬中將儀器設(shè)備和施工材料分別設(shè)置為10 m×1 m、4 m×4 m和6 m×3 m的3種不同大小的靜態(tài)障礙物。

2.2 工況設(shè)計(jì)在現(xiàn)有的研究中，大部分研究只針對(duì)巖爆、坍塌災(zāi)害的發(fā)生機(jī)理進(jìn)行研究，很少有學(xué)者將巖爆、坍塌災(zāi)害下的石塊大小進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。根據(jù)以往對(duì)某高析地區(qū)隧道強(qiáng)烈?guī)r爆的數(shù)值模擬結(jié)果，對(duì)巖爆破碎塊體產(chǎn)生數(shù)量與時(shí)間的關(guān)系進(jìn)行擬合，得到關(guān)于強(qiáng)烈?guī)r爆等級(jí)下石塊的參數(shù)及比例，如圖2所示。根據(jù)《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》（TB10003—2016）[25]中將巖爆分為輕微、中等、強(qiáng)烈三等級(jí)，各等級(jí)障礙物數(shù)量與時(shí)間關(guān)系如圖3所示。通過查閱大量資料，對(duì)以往巖爆、坍塌事故案例進(jìn)行梳理（表3），最終選擇15，30 m及50 m的災(zāi)害范圍。

對(duì)上述確定的3個(gè)災(zāi)害范圍分別在3個(gè)不同等級(jí)下進(jìn)行交叉模擬。當(dāng)疏散者逃離災(zāi)害范圍超過10 m即認(rèn)為逃生成功，如圖4所示。根據(jù)一般隧道施工班組制，TBM機(jī)工作一班20人，其他各工種施工人數(shù)不超過10人[26]，因此設(shè)置疏散總?cè)藬?shù)為50人。

災(zāi)害發(fā)生后，場(chǎng)景內(nèi)的臨災(zāi)人員向出口迅速移動(dòng)，若在疏散路徑中的障礙物較大，人員繞行；若障礙物較小，保持原有路線繼續(xù)移動(dòng)；若障礙物和人的時(shí)間空間重合，則疏散人員有概率受傷或"失去疏散能力。將模擬結(jié)果以顏色作為區(qū)分疏散"人員狀態(tài)的標(biāo)志，不同狀態(tài)疏散者示意圖如圖5所示。

3 模擬結(jié)果及分析

3.1 疏散過程分析采用Matlab作為模擬工具，建立隧道內(nèi)人與"動(dòng)態(tài)危險(xiǎn)障礙物交互應(yīng)急疏散模型，對(duì)上文設(shè)計(jì)的9種不同工況進(jìn)行仿真模擬，輸出的模擬結(jié)果包括場(chǎng)景中受傷、疏散失敗人數(shù)及疏散時(shí)間，并展示出可視化的模擬動(dòng)畫。以30 m中等災(zāi)害下應(yīng)急疏散模擬過程展示為例，通過圖6可以直觀得到不同時(shí)刻人員疏散情況。當(dāng)Ｔ＝0 s時(shí)，所有施工人員隨機(jī)分布在隧道內(nèi)；假定隧道內(nèi)圍巖開始有輕微爆裂和剝離，并且伴有少量彈射，施工人員需要快速向疏散出口移動(dòng)，疏散開始；當(dāng)Ｔ＝24.0 s時(shí)，施工人員已開始向疏散出口移動(dòng)，距離疏散出口較近的施工人員疏散成功，距離疏散出口較遠(yuǎn)的施工人員受傷率增加。此時(shí)，輕傷10人、重傷14人，總受傷人數(shù)24人，死亡1人；當(dāng)Ｔ＝48.0 s時(shí)，隧道內(nèi)圍巖爆裂、剝離現(xiàn)象較為嚴(yán)重，部分輕傷疏散者轉(zhuǎn)為重傷疏散者，這使得輕傷人數(shù)減少，重傷人數(shù)增多；當(dāng)T＝84.6 s時(shí)，隧道內(nèi)圍巖爆裂、剝離現(xiàn)象嚴(yán)重，彈射量增多，破壞范圍明顯。此時(shí)，疏散結(jié)束，成功疏散49人，其中輕傷8人、重傷19人，總受傷人數(shù)27人，占總疏散者的54%，疏散失敗1人，占總疏散人數(shù)的2%。

3.2 不同災(zāi)害范圍下模擬結(jié)果分析

3.2.1 災(zāi)害范圍與疏散時(shí)間將不同災(zāi)害范圍的疏散時(shí)間進(jìn)行對(duì)比，如圖7所示。當(dāng)災(zāi)害等級(jí)為輕微等級(jí)時(shí)，災(zāi)害范圍15，30，50 m所用疏散時(shí)間分別為48，84，114 s；當(dāng)災(zāi)害等級(jí)為中等等級(jí)時(shí)，災(zāi)害范圍15，30，50 m所用疏散時(shí)間分別為52.8，84.9，109.5 s；當(dāng)災(zāi)害等級(jí)為強(qiáng)烈等級(jí)時(shí)，災(zāi)害范圍15，30，50 m所用疏散時(shí)間分別為53.1，78，110.4 s。從圖7可以看出，在相同的災(zāi)害等級(jí)下，15 m災(zāi)害范圍所需的疏散時(shí)間最短，而50 m災(zāi)害范圍所需的疏散時(shí)間最長(zhǎng)。這表明在更大的范圍內(nèi)，受傷人數(shù)會(huì)增多，從而導(dǎo)致疏散速度降低，疏散時(shí)間增加，人員成功疏散率降低。

3.2.2 災(zāi)害范圍與受傷率將不同災(zāi)害范圍的受傷率進(jìn)行對(duì)比，如圖8所示。當(dāng)災(zāi)害等級(jí)為輕微等級(jí)時(shí)，災(zāi)害范圍15，30，50 m的受傷率分別為30％、52%、56%；當(dāng)災(zāi)害等級(jí)為中等等級(jí)時(shí)，災(zāi)害范圍15，30，50 m的受傷率為36%、52%、64%；當(dāng)災(zāi)害等級(jí)為強(qiáng)烈等級(jí)時(shí)，災(zāi)害范圍15，30，50 m的受傷率為34%、58%、72%。

以中等等級(jí)災(zāi)害為例，不同范圍內(nèi)受傷人數(shù)隨時(shí)間變化的曲線如圖9所示。從圖9可以看出，隨著疏散時(shí)間的增加，受傷人數(shù)也會(huì)增加。在50 m范圍內(nèi)，受傷人數(shù)于60 s后趨于平緩，而在15 m和30 m范圍內(nèi)，受傷人數(shù)于24 s后趨于平緩。此外，50 m范圍的受傷人數(shù)明顯高于15 m和30 m的受傷人數(shù)。這表明在障礙物密度相同的情況下，臨災(zāi)人員停留在危險(xiǎn)區(qū)域內(nèi)的時(shí)間越長(zhǎng)，其受傷的概率就越大。

3.2.3 災(zāi)害范圍與疏散失敗率將不同災(zāi)害范圍的疏散失敗率進(jìn)行對(duì)比，如圖10所示，當(dāng)災(zāi)害等級(jí)為輕微等級(jí)時(shí)，15 m和30 m時(shí)模擬結(jié)果較好，疏散失敗率為0，50 m時(shí)為4%；當(dāng)災(zāi)害等級(jí)為中等等級(jí)時(shí)，災(zāi)害范圍15，30，50 m的疏散失敗率為0，2%，6%。

從圖10可以看出，同一災(zāi)害等級(jí)下50 m范圍的疏散失敗率明顯高于15 m和30 m的疏散失敗率。這表明在災(zāi)害范圍較小時(shí)，每個(gè)臨災(zāi)人員能夠有相對(duì)充分的時(shí)間進(jìn)行安全疏散，但隨著災(zāi)害范圍的擴(kuò)大，臨災(zāi)人員會(huì)長(zhǎng)時(shí)間停留在危險(xiǎn)區(qū)，增加了喪失行動(dòng)能力的概率，則疏散失敗率也不斷增大。

3.3 不同災(zāi)害等級(jí)下疏散模擬結(jié)果分析 3.3.1 不同災(zāi)害等級(jí)對(duì)疏散時(shí)間的影響圖11對(duì)不同災(zāi)害等級(jí)的疏散時(shí)間進(jìn)行了對(duì)比。從圖11可以看出，當(dāng)疏散災(zāi)害范圍相同時(shí)，疏散時(shí)間沒有明顯的變化，這表明疏散時(shí)間與對(duì)應(yīng)的災(zāi)害等級(jí)沒有明顯的相關(guān)性。然而，在30 m和50 m的災(zāi)害范圍下，強(qiáng)烈等級(jí)災(zāi)害的疏散總時(shí)間小于輕微等級(jí)災(zāi)害的疏散總時(shí)間。這表明當(dāng)災(zāi)害范圍較大時(shí)，強(qiáng)烈等級(jí)災(zāi)害下的部分臨災(zāi)人員會(huì)失去行動(dòng)能力，從而使得疏散停止，因此總疏散時(shí)間會(huì)降低。

3.3.2 災(zāi)害等級(jí)與受傷率圖12對(duì)不同災(zāi)害等級(jí)的受傷率進(jìn)行對(duì)比。從圖12可以看出15 m與30 m災(zāi)害范圍下，3種不同等級(jí)災(zāi)害造成的疏散人員受傷率接近。以災(zāi)害范圍30 m為例，不同災(zāi)害等級(jí)受傷人數(shù)隨時(shí)間變化曲線如圖13所示，可以看出，隨著疏散時(shí)間的增加，強(qiáng)烈等級(jí)災(zāi)害受傷人數(shù)明顯高于輕微和中等等級(jí)受傷害人數(shù)。同時(shí)由上文數(shù)據(jù)可知，當(dāng)臨災(zāi)人員在危險(xiǎn)區(qū)停留的時(shí)間增長(zhǎng)，會(huì)導(dǎo)致部分受輕傷者轉(zhuǎn)變?yōu)槭苤貍?，即在不同?zāi)害等級(jí)下臨災(zāi)人員重傷率大于輕傷率。

3.3.3 災(zāi)害等級(jí)與疏散失敗率圖14對(duì)不同災(zāi)害等級(jí)的失敗疏散率進(jìn)行對(duì)比，在同一災(zāi)害范圍下，強(qiáng)烈等級(jí)災(zāi)害等級(jí)的疏散失敗率最高，輕微等級(jí)的災(zāi)害等級(jí)的疏散失敗率最低，同災(zāi)害范圍下的疏散失敗率隨災(zāi)害等級(jí)的升高呈上升趨勢(shì)，這表明災(zāi)害等級(jí)對(duì)疏散失敗率影響極大的影響：當(dāng)災(zāi)害等級(jí)越高，場(chǎng)景內(nèi)出現(xiàn)巖塊的密度越大，臨災(zāi)人員無法順利移動(dòng)至安全區(qū)域，則疏散失敗的概率就越大。

4 結(jié) 論

1）基于元胞自動(dòng)機(jī)理論，開發(fā)了相關(guān)數(shù)值模擬方法，該方法可以準(zhǔn)確地模擬不同災(zāi)害等級(jí)下施工群體在巖體塌落時(shí)的疏散過程和定量傷亡情況。2）隧道內(nèi)巖爆、崩塌等事故災(zāi)害發(fā)生時(shí)，疏散時(shí)間隨著災(zāi)害范圍的增大而增長(zhǎng)，當(dāng)模擬范圍擴(kuò)大到一定程度時(shí)，會(huì)出現(xiàn)部分人員失去行動(dòng)能力，導(dǎo)致疏散停止，所以總疏散時(shí)間會(huì)降低。3）災(zāi)害等級(jí)是高海拔隧道疏散效率的關(guān)鍵因素。災(zāi)害等級(jí)越高，巖塊密度增大，隨著災(zāi)害等級(jí)的升高，場(chǎng)景內(nèi)巖塊密度增大，導(dǎo)致臨災(zāi)人員受傷和死亡的概率增加。因此，建議在隧道施工過程中，考慮設(shè)置可移動(dòng)的應(yīng)急逃生裝置，隨著工作面的推進(jìn)向前移動(dòng)。4）目前主要考慮動(dòng)態(tài)障礙物對(duì)人員的生理和心理影響，未來可研究隧道環(huán)境和災(zāi)害障礙物對(duì)人體生理心理的耦合影響。

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