盾構(gòu)綜合管廊人員疏散可靠度計(jì)算

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(xiǎn)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(shí)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(xiǎn)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(shí)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(shí)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(gè)荷比盧聯(lián)盟隧道進(jìn)行了14次全規(guī)模火災(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(shí)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(shí)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(shí)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(shí)，可靠度指的是在廊內(nèi)發(fā)生火災(zāi)時(shí)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(shí)的可用安全疏散時(shí)間Taset和人員逃生的必須安全疏散時(shí)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(shí)間Trset，與可用安全疏散時(shí)間Taset比較，超過可用安全疏散時(shí)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(shí)，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(gè)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(shí)間為可用安全疏散時(shí)間Taset。

人員必須安全疏散時(shí)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(gè)防火區(qū)間內(nèi)，通過Matlab編寫程序模擬得出人員疏散時(shí)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(shí)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(shí)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(shí)間由察覺火災(zāi)跡象時(shí)間tfeel、確認(rèn)火災(zāi)時(shí)間tsure和人員逃離時(shí)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(shí)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(shí)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(shí)間為火災(zāi)發(fā)生后的10 min內(nèi)，即持續(xù)時(shí)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(shí)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(shí)，將會(huì)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(shí)間，即為可用安全疏散時(shí)間Taset。

2.2.2 可用安全疏散時(shí)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(shí)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(shí)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(shí)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(shí)間由察覺火災(zāi)跡象時(shí)間tfeel、確認(rèn)火災(zāi)時(shí)間tsure和人員逃離時(shí)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(gè)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(shí)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(xiǎn)時(shí)及時(shí)疏散逃生，故將察覺火災(zāi)跡象時(shí)間tfeel簡化為常量，且忽略確認(rèn)火災(zāi)時(shí)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(shí)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(shí)間的概率分布

3.2.1 察覺火災(zāi)時(shí)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(shí)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(shí)間服從Gev分布。

察覺火災(zāi)時(shí)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(shí)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(shí)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(shí)間服從Gev分布。

確認(rèn)火災(zāi)時(shí)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(shí)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(shí)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(gè)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(shí)間模擬樣本及可靠度計(jì)算

3.3.1 不同疏散時(shí)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(shí)間為察覺時(shí)間tfeel、確認(rèn)時(shí)間tsure和逃離時(shí)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(shí)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(shí)間及可靠度計(jì)算

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

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

圖8 工況1時(shí)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(shí)間及可靠度計(jì)算

工況2、3、4的人員疏散總時(shí)間分別如圖9所示，工況2、3、4必須安全疏散時(shí)間與可用安全疏散時(shí)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(shí)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(shí)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(shí)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(shí)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(shí)，在一個(gè)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(gè)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(xiǎn)后“化險(xiǎn)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。