水下盾構隧道橫通道設置對疏散救援影響研究*

付凱

（中鐵第五勘察設計院集團有限公司，北京 102600）

0 引言

隨著社會經濟發(fā)展和隧道建設技術進步，出現了一大批特長水下隧道，有效解決了跨越江海的交通問題，提升了交通便利度，提高了人民生活質量。但由于水下特長隧道的特殊性，也對隧道火災疏散救援提出了嚴峻挑戰(zhàn)。

目前，國內外專家學者對長大隧道火災疏散救援開展了相關研究，如劉赪［1］對比分析了國內外特長隧道的防災疏散救援策略，提出了適合我國特長隧道單、雙洞設計模式的建議；LI Y Z等［2］通過理論分析和模型試驗研究了防火門幾何形狀、熱釋放率、火源位置、阻塞率、通風條件對救援站橫通道臨界風速的影響；王峰等［3］采用網絡通風計算方法深入分析了不同防災通風方案下各橫通道內風流分布規(guī)律；王明年等［4-5］對隧道防災救援技術進行了綜述，同時對緊急救援站人員疏散設施設計參數進行了研究；謝寶超等［6］對客運專線隧道火災疏散方案開展了相關研究；蔣堯等［7］對不同火源位置、防護門處風速條件下特長鐵路隧道緊急救援站火災煙氣蔓延特性進行了研究；李國良等［8］對高海拔隧道緊急救援站疏散救援技術開展了相關研究；ZHOU Y L等［9］建立了縮尺模型，研究火源位置、防護尺寸以及隧道堵塞率等因素對橫通道臨界風速的影響；于麗等［10］基于水力模型計算方法建立了鐵路隧道緊急救援站人員疏散理論計算公式及修正系數；孫海富［11］對緊急救援站的橫通道設置數量、風機布置以及防災設備控制系統(tǒng)進行了研究；羅章波［12］在調研的基礎上對緊急救援站長度、橫通道設置數量及間距等參數進行了研究。

上述專家學者的研究成果主要是采用各種研究方法對緊急救援站設計參數的單一變量進行分析比較，未綜合考慮多個參數變量對疏散救援的影響程度。本文以某大直徑盾構水下特長隧道為研究對象，運用人員疏散模擬軟件Pathfinder進行建模，對隧道橫通道間距、寬度及防護門寬度進行多變量多工況排列組合模擬仿真，分析不同變量組合對人員疏散情況的綜合影響，為解決工程實際問題提供必要的理論依據。

1 數值模擬

1.1 模型建立

Pathfinder是由美國Thunderhead Engineering公司研發(fā)的一套直觀、易用的新型智能人員緊急疏散逃生評估軟件，利用計算機圖形仿真和游戲角色領域的技術，對多個群體中的個體運動都進行圖形化虛擬演練，從而可以確定個體在災難發(fā)生時的逃生路徑和逃生時間。

本文以某大直徑盾構水下特長隧道為研究對象，通過人員疏散模擬軟件Pathfinder建立數值仿真模型，如圖1所示。隧道長度約39 km，直徑約11 m，為盾構雙洞單線隧道，隧道中部設置一座加密橫通道型緊急救援站，長度為450 m，用于人員疏散救援。

圖1 雙洞單線盾構隧道橫斷面

本次模擬火災的全車定員1 015人，超員20%時可達1 218人。按照實際比例對每節(jié)車廂進行建模，按照具體的人員荷載設置相應的人員參數。人員類型根據年齡、性別及步行速度分為兒童、成年男性、成年女性、老年人，人員疏散速度設置為正態(tài)分布。疏散模擬時，選定整列列車置于救援站中部，模擬救援站長度為450 m，橫通道長度設置為20 m，人員由著火列車疏散至橫通道端部則認為人員已進入安全區(qū)域。隧道火災時人員疏散特征值如表1所示。

表1 人員疏散特征值

1.2 工況設置

從人員疏散層面來看，橫通道間距越小，寬度越大，疏散能力越強，越有利于人員疏散。從工程設計角度出發(fā)，橫通道的間距及寬度直接影響工程造價。因此，需將2個因素進行綜合分析，在緊急救援站站臺寬度不變的條件下，研究不同間距和寬度的組合如何影響人員疏散時間。為避免防護門寬度對疏散結果的影響，在建立模型時，始終使防護門寬度與橫通道寬度保持一致。

在人員疏散過程中，橫通道寬度和防護門寬度哪個才是影響疏散時間的主要因素，或者是共同作用于人員疏散過程還有待研究。因此，需對橫通道寬度以及防護門寬度進行組合分析，研究不同組合工況對人員疏散時間的影響。

2 疏散模擬結果分析

2.1 橫通道寬度與間距組合對疏散結果的影響

不同橫通道寬度與間距組合工況下人員疏散時間如表2所示。

表2 不同橫通道寬度與間距下的人員疏散時間

由于理論公式適用于能見度大于10 m時的疏散時間計算，即在數值模擬中對應未考慮煙氣情況下的疏散時間，由表1可以看出兩者數據吻合較好，驗證了疏散模擬結果的正確性。

未考慮煙氣的情況下，不同橫通道寬度時人員疏散時間變化如圖2所示?？紤]煙氣的情況下，不同橫通道寬度時人員疏散時間變化如圖3所示。未考慮煙氣的情況下，不同橫通道間距時人員疏散時間變化如圖4所示?？紤]煙氣的情況下，不同橫通道間距時人員疏散時間變化如圖5所示。

圖2 未考慮煙氣時，不同橫通道寬度人員疏散時間變化

圖3 考慮煙氣時，不同橫通道寬度人員疏散時間變化

圖4 未考慮煙氣時，不同橫通道間距人員疏散時間變化

圖5 考慮煙氣時，不同橫通道間距人員疏散時間變化

由圖2、圖3可知，未考慮煙氣時，同一橫通道間距下，隨著橫通道寬度的增加，人員疏散時間趨于穩(wěn)定，且橫通道間距為40、50、60 m時，人員疏散時間均在120 s左右?？紤]煙氣時，同一橫通道間距下，隨著橫通道寬度的增加，人員疏散時間變化不大。

由圖4、圖5可知，未考慮煙氣時，當橫通道寬度為2.5、3.0 m時，隨著橫通道間距的增加，疏散時間小幅緩慢增加；當橫通道寬度為3.5~4.5 m時，隨著橫通道間距的增加，人員疏散時間呈現窄幅振蕩?？紤]煙氣時，當橫通道寬度為2.5、3.0 m時，橫通道間距為40、50 m時的疏散時間變化不大，橫通道間距增加至60 m時的疏散時間明顯增加；當橫通道寬度為3.5~4.5 m時，隨著橫通道間距的增加，人員疏散時間呈現緩慢上升趨勢。

綜上所述，根據人員疏散模擬結果，結合考慮煙氣情況下人員疏散總時間，橫通道間距為40、50 m時的橫通道寬度應大于3.0 m，橫通道間距為60 m時的橫通道寬度應大于4 m；在兼顧人員安全及工程投資的條件下，橫通道間距取60 m，橫通道寬度取4.5 m。

2.2 橫通道寬度與防護門寬度組合對疏散結果的影響

不同橫通道寬度與防護門寬度組合工況下人員疏散時間如表3所示。

表3 不同橫通道寬度及防護門寬度下人員疏散時間

不同橫通道寬度及防護門寬度下人員疏散時間變化如圖6所示。未考慮煙氣情況下，防護門與橫通道同寬時，不同防護門寬度下防護門通行能力如圖7所示。未考慮煙氣情況下，防護門寬度為2.0 m時，不同橫通道寬度下防護門通行能力如圖8所示。

圖6 不同橫通道寬度及防護門寬度人員疏散時間變化

圖7 未考慮煙氣情況下，防護門與橫通道同寬時，不同防護門寬度下防護門通行能力

圖8 未考慮煙氣情況，防護門寬度為2.0 m時，不同橫通道寬度下防護門通行能力

由圖6可知，無論是否考慮煙氣，不同橫通道寬度下，防護門寬度為2.0 m時人員疏散時間比防護門與橫通道同寬時要長，說明防護門寬度在一定程度上限制了橫通道的有效利用。

由圖7可知，隨著防護門和橫通道寬度的增加，防護門通行能力逐漸增大。當防護門和橫通道寬度為2.0 m時，防護門的通行能力最?。环雷o門和橫通道寬度為3.0、3.5 m時，防護門的通行能力基本一致；說明繼續(xù)增加防護門及橫通道寬度并不能提高防護門的通行能力。

由圖8可知，防護門寬度固定為2.0 m時，各橫通道寬度下防護門通行能力基本一致，說明此時限制人員疏散的因素是防護門寬度，即使橫通道寬度很大，對人員疏散產生的影響也很小。

綜上所述，當防護門寬度較小時，即使橫通道寬度很大，人員疏散也會受到限制，且橫通道口都存在堵塞現象；當防護門寬度與橫通道寬度一致時，橫通道寬度是限制人員快速、安全疏散的主要因素；當橫通道及防護門寬度增加至一定值時，橫通道寬度及防護門寬度不再是限制人員疏散的主要因素。

3 結論

本文運用Pathfinder軟件對某大直徑盾構水下特長隧道的人員疏散進行了模擬研究，通過人員疏散時間和人員密度2個判據來分析人員是否能安全疏散，并將理論計算與數值模擬結果進行對比，得出既能滿足人員安全疏散的要求，又能減少工程造價的參數設置方案。同時分析了疏散橫通道間距、寬度以及防護門寬度三者對人員安全疏散的綜合影響，主要結論有以下幾點：

1）疏散橫通道間距、寬度以及防護門寬度三者對人員安全疏散具有綜合影響，在不同工況下三者的影響程度不同。當防護門寬度與橫通道寬度相同時，其二者較橫通道間距因素對人員安全疏散有更大的影響；當防護門寬度小于橫通道寬度且防護門寬度較小時，防護門寬度是制約人員疏散的最關鍵因素；當防護門寬度和橫通道寬度大于一定值時，橫通道的間距是唯一影響人員安全疏散的因素。

2）綜合各種工況的疏散結果，同時考慮到工程投資，建議取橫通道間距為60 m、橫通道寬度為4.5 m、站臺寬度為2.3 m時的疏散時間232 s作為必需安全疏散時間的參考工況，考慮一定安全系數，本隧道人員疏散必需安全疏散時間可取為300 s。