高速鐵路超大直徑水下盾構(gòu)隧道防災(zāi)疏散救援研究

馮天煒

(中國鐵路設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司,天津 300308)

引言

隨著我國城市化進(jìn)程的加速發(fā)展,地下空間的利用越來越頻繁,水下隧道工程技術(shù)也得到了快速發(fā)展,截至2020年年底,我國共修建245座水下隧道[1]。水下隧道具有不侵占航道凈空、不受氣候條件影響、可全天候通車且對生態(tài)環(huán)境干擾小等特點(diǎn)[2],修建優(yōu)勢越來越突出。水下隧道快速發(fā)展的同時也對防災(zāi)疏散安全提出了許多新的問題,相對于山嶺隧道,水下隧道無條件設(shè)置橫洞、斜井、平行導(dǎo)坑等作為輔助疏散通道及通風(fēng)單元,相對于城市隧道,水下隧道的長度更長,通向地面的緊急出口數(shù)量更少,導(dǎo)致隧道內(nèi)人員疏散更加集中,救援條件更為不利。對于單洞雙線水下隧道,無法采用加密橫通道的方式提高疏散效率,只能通過底部疏散廊道進(jìn)行疏散[3]。因此,研究如何科學(xué)利用其軌下口形結(jié)構(gòu)內(nèi)部空間進(jìn)行疏散和救援是十分必要的。

國內(nèi)外學(xué)者在隧道的防災(zāi)疏散方面開展了大量研究,王明年等[4-8]開展了多項(xiàng)專題研究,對鐵路隧道防災(zāi)疏散救援設(shè)計(jì)理念、土建設(shè)施、排煙控制、人員疏散救援等進(jìn)行了系統(tǒng)研究,為高速鐵路隧道防災(zāi)疏散救援工程提供借鑒;劉雨竹等[9]依托甬舟鐵路金塘海底隧道,對火災(zāi)情況下盾構(gòu)隧道豎向疏散通道采用滑梯的可行性進(jìn)行研究,并提出了疏散滑梯的最優(yōu)線形;施曉群[10]以長大鐵路水下隧道為研究對象,對火災(zāi)荷載分布、人員疏散行為特征及過程進(jìn)行研究,通過定量計(jì)算通風(fēng)臨界風(fēng)速及安全疏散所需時間,并提出了水下隧道消防安全的措施及應(yīng)急救援策略;鄧敏等[2]以某水下公路隧道工程為背景,對火災(zāi)情況下不同疏散口間距的疏散時間進(jìn)行對比分析并提出了最優(yōu)值;方銀鋼等[11]以上海長江隧道工程為背景,對疏散排煙系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)值模擬研究,并提出火災(zāi)時的疏散救援相關(guān)措施和建議;曾艷華等[12]依托媽灣跨海盾構(gòu)隧道,研究樓梯、滑梯、橫通道+樓梯3種疏散模式對人員疏散的影響,提出各疏散模式最佳疏散口間距與適用范圍;王夢琦等[13]以某海底特長公路隧道工程為實(shí)例,對火災(zāi)工況下豎向疏散和橫豎向疏散相結(jié)合的兩種方式進(jìn)行對比分析。

現(xiàn)有學(xué)者對水下隧道研究多集中在公路隧道領(lǐng)域[14-18],鐵路隧道領(lǐng)域研究相對較少,且防災(zāi)救援疏散及相關(guān)措施的研究多針對于火災(zāi)情況,并未結(jié)合水下隧道工程概況,綜合考慮隧道防災(zāi)疏散原則,對具體的疏散方案及相關(guān)參數(shù)開展研究。因此,以崇太長江隧道為依托,通過運(yùn)規(guī)組織對火災(zāi)工況下列車?？课恢眠M(jìn)行分析,明確隧道工程的防災(zāi)疏散原則,并結(jié)合隧道土建工程,提出防災(zāi)疏散方案,并采用疏散仿真模擬,對各疏散方案進(jìn)行對比評價,確定合理的軌下疏散口間距、最優(yōu)的疏散方案及避難所設(shè)計(jì)方案,為雙線鐵路特長水下隧道防災(zāi)疏散救援提供借鑒。

1 工程概況

崇太長江隧道線路在太倉七丫口入地,穿過長江南支南堤后,進(jìn)入水域?qū)掗煹拈L江水下,通過長江南支水域,并穿過南支北堤后,在崇明島萬安村附近出洞。隧道進(jìn)口位于江蘇省蘇州市太倉市,距離太倉站約13.35 km,隧道出口位于上海市崇明區(qū),距離崇明站約2.36 km,平面示意如圖1所示。隧道起訖里程DK47+550～DK61+770,全長14.22 km,其中下穿長江段約10.5 km,采用盾構(gòu)法施工,襯砌結(jié)構(gòu)型式為預(yù)制鋼筋混凝土管片+現(xiàn)澆鋼筋混凝土內(nèi)襯。管片外徑14.8 m,內(nèi)徑13.5 m,厚650 mm,幅寬2.0 m;內(nèi)襯外徑13.5 m,內(nèi)徑12.9 m,厚300 mm,隧道工法段落劃分示意如圖2所示。

圖1 崇太長江隧道平面示意Fig.1 The schematic diagram of the Chongming-Taicang Yangtze River Tunnel

圖2 崇太長江隧道段落劃分示意(單位:m)Fig.2 The schematic diagram of the construction method of the Chongming-Taicang Yangtze River Tunnel (unit: m)

2 防災(zāi)救援疏散設(shè)計(jì)原則

2.1 火災(zāi)列車停靠位置研究

根據(jù)現(xiàn)行TB10020—2017《鐵路隧道防災(zāi)疏散救援工程設(shè)計(jì)規(guī)范》[19],隧道工程防災(zāi)疏散救援總體設(shè)計(jì)原則應(yīng)滿足下述要求:列車在隧道內(nèi)發(fā)生火災(zāi)時,應(yīng)控制列車駛出隧道并進(jìn)行疏散,當(dāng)列車不能駛出隧道,應(yīng)控制列車?？吭诰o急救援站進(jìn)行疏散和救援?；馂?zāi)事故發(fā)生后殘余能力受控車型為動車組,發(fā)生火災(zāi)后喪失動力比例最大的動車組為4M+4T,動力損失1/4與1/2時,對應(yīng)的列車剩余運(yùn)行能力分別相當(dāng)于3M+5T與2M+6T。根據(jù)本工程運(yùn)規(guī)組織及規(guī)范要求,對不同運(yùn)行工況、著火點(diǎn)位置及動力損失的工況下,火災(zāi)列車的可能?？课恢眠M(jìn)行分析,具體工況見表1。

表1 列車火災(zāi)故障時?？课恢梅治龉rTab.1 The analysis condition of stopping position of the train fire failure

根據(jù)計(jì)算結(jié)果,火災(zāi)列車在殘余動力運(yùn)行下,太倉至崇明方向的運(yùn)行列車均可?？吭诔缑髡?崇明至太倉方向的運(yùn)行列車均可?？吭谔珎}站,不會發(fā)生火災(zāi)列車在隧道內(nèi)?？康那闆r,因此,本隧道工程的防災(zāi)疏散救援僅針對列車故障工況進(jìn)行分析。

2.2 防災(zāi)救援設(shè)計(jì)原則

根據(jù)現(xiàn)行規(guī)范[19]要求,結(jié)合列車在太倉站—崇明站區(qū)間發(fā)生火災(zāi)情況下?？课恢梅治鼋Y(jié)果,確定崇太長江隧道防災(zāi)疏散救援設(shè)計(jì)原則。

(1)隧道防災(zāi)疏散救援工程設(shè)計(jì)遵循“以人為本,安全疏散,自救為主,方便救援”的原則。

(2)列車在隧道內(nèi)發(fā)生火災(zāi)或著火列車經(jīng)過隧道時,應(yīng)控制列車駛出隧道并?？吭诔缑髡净蛱珎}站進(jìn)行疏散和救援。

(3)崇太長江隧道水下盾構(gòu)段長度超過10 km且不具備設(shè)置緊急出口的條件,考慮利用盾構(gòu)段底部空間作為疏散通道或避難所,同時應(yīng)配置滿足人員疏散安全的通風(fēng)設(shè)施。

3 防災(zāi)疏散救援方案對比分析

3.1 防災(zāi)疏散救援方案

根據(jù)現(xiàn)行規(guī)范[19]的要求,長度10 km及以上的單洞隧道,應(yīng)在洞身段設(shè)置不少于1處緊急出口或避難所。長江隧道由明挖段與盾構(gòu)段組成,盾構(gòu)段由3個豎井分割為兩個段落,根據(jù)洞身緊急出口數(shù)量的不同分為3個疏散方案:方案一,2號豎井作為緊急出口;方案二,2號與3號豎井作為緊急出口;方案三,1號、2號與3號豎井均作為緊急出口。各防災(zāi)疏散方案分別如圖3～圖5所示。

圖3 方案一防災(zāi)疏散示意(單位:m)Fig.3 The disaster prevention and evacuation diagram of plan 1 (unit: m)

圖4 方案二防災(zāi)疏散示意(單位:m)Fig.4 The disaster prevention and evacuation diagram of plan 2 (unit: m)

圖5 方案三防災(zāi)疏散示意(單位:m)Fig.5 The disaster prevention and evacuation diagram of plan 3 (unit: m)

3.2 計(jì)算方法及參數(shù)

防災(zāi)疏散方案模擬采用Pathfinder人員疏散軟件,分析時選用Steering模式,即考慮真實(shí)因素,使用路徑規(guī)劃、指導(dǎo)機(jī)制、碰撞處理相結(jié)合控制人員運(yùn)動,個體行動自由,碰撞時自動避讓,較為真實(shí)地反映復(fù)雜通道內(nèi)的待疏散人流速度以及疏散時間,計(jì)算模型如圖6所示。

圖6 防災(zāi)疏散方案計(jì)算模型Fig.6 The calculation model of disaster prevention and evacuation plan

計(jì)算模型以16編組動車組列車為對象進(jìn)行分析,列車總長400 m,考慮超載及乘務(wù)人員后為1 495人(計(jì)算時取整按1 500人考慮),人員組成比例見表2,疏散通道尺寸見表3。

表2 疏散人員組成及數(shù)量Tab.2 The composition and number of evacuees

表3 疏散通道尺寸參數(shù) m×mTab.3 The dimensions of evacuation channel

疏散人員的行走速度主要與人員類型與地面平坦度有關(guān)。計(jì)算分析時,假定洞內(nèi)照明條件為5 lx[20],軌面疏散為人員在不平坦地面無煙條件下行走,軌下疏散為人員在平坦地面無煙條件下行走,疏散行走速度見表4[19-21]。

表4 疏散人員速度參數(shù) m/sTab.4 The speed parameters of evacuees

3.3 軌面疏散口間距合理值研究

軌面疏散口設(shè)置于盾構(gòu)段,用于連接軌面疏散通道與軌下疏散廊道。當(dāng)采用軌下疏散廊道時,人員疏散路徑為:車上人員→下車至行車道層救援通道→沿救援通道繞過事故列車→跨過軌道進(jìn)入隧道中線→沿樓梯道進(jìn)入軌下疏散廊道→沿廊道進(jìn)入兩端工作井→沿工作井出地面。從疏散路徑可以看出,軌面疏散口間距將對人員疏散時間產(chǎn)生影響,影響疏散效率。因此,防災(zāi)疏散方案對比分析前,應(yīng)先對軌下疏散口間距的合理值進(jìn)行確定。

根據(jù)現(xiàn)行規(guī)范[19]要求,盾構(gòu)隧道豎向通道沿隧道長度方向的間距不宜大于200 m。本次研究結(jié)合類似工程情況,針對200,150,100,75,50 m等常用的5種疏散口間距,以安全疏散時間與擁堵時間作為計(jì)算指標(biāo)進(jìn)行對比分析,計(jì)算結(jié)果如圖7所示。

圖7 不同軌面疏散口間距疏散時間Fig.7 The time of different evacuation opening distance

由圖7可知,安全疏散時間隨軌面疏散口間距的增大呈增長趨勢,當(dāng)間距超過100 m時,各工況疏散時間差別較小;擁堵時間隨軌面疏散口間距增大呈增長趨勢,疏散口間距<75 m時,不會發(fā)生擁堵,故確定軌面疏散口間距的最優(yōu)值為75 m。

3.4 疏散方案對比研究

在軌下疏散口間距為75 m的條件下,以疏散時間作為指標(biāo)對各疏散方案進(jìn)行對比分析。疏散時間計(jì)算原則如下。(1)軌面疏散的疏散時間以事故列車停止人員疏散開始,至最后一人疏散至隧道進(jìn)口、出口或緊急出口為止,為安全疏散時間。(2)軌下疏散的疏散時間包括兩部分:一是從事故列車停止人員疏散開始,至最后一人進(jìn)入軌下廊道內(nèi)為止,為安全疏散時間;二是從最后一人進(jìn)入軌下廊道開始至最后一人疏散至隧道進(jìn)口、出口或緊急出口為止,為廊道走行時間(不含豎井內(nèi)豎向疏散時間),各方案疏散時間模擬結(jié)果分別見表5～表7。

表5 疏散方案一模擬計(jì)算結(jié)果Tab.5 The simulated calculation results of the disaster prevention and evacuation of plan 1

表6 疏散方案二模擬計(jì)算結(jié)果Tab.6 The simulated calculation results of the disaster prevention and evacuation of plan 2

根據(jù)表5～表7,方案一采用軌面疏散的方式,疏散控制段落為2號豎井～出口段,最大疏散距離為5.84 km,控制疏散時間為10 668.3 s。

相對于方案一,方案二中2號～3號豎井盾構(gòu)段采用軌面+軌下疏散方案,安全疏散時間716.5 s,廊道走行時間為8 085.8 s;疏散控制段落為進(jìn)口～2號豎井段,最大疏散距離為1.27 km,控制疏散時間為3 291.5 s,較方案一降低69%。

相對于方案二,方案三中1號～2號豎井盾構(gòu)段采用軌面+軌下疏散方案,安全疏散時間716.5 s,廊道走行時間為1 613.8 s;疏散控制段落為進(jìn)口～1號豎井段,最大疏散距離為0.32 km,控制疏散時間為1 667 s,較方案二降低49%,較方案一降低84%。

綜合對比分析,方案三中疏散控制時間及各段落的疏散時間均為最短,同時考慮到3種方案所對應(yīng)的土建工程配套均相同,僅在防災(zāi)救援設(shè)施方面有所差異,對工程投資影響較小。因此,確定方案三為推薦方案。

根據(jù)上述計(jì)算分析,采用軌下疏散時,最長走行距離約5.61 km,廊道走行時間為8 085.8 s,約2.25 h,走行距離與疏散時間均較長,不利于疏散過程中的安全,故考慮利用軌下空間設(shè)置避難所作為待避空間。

4 避難所設(shè)計(jì)及救援方案

4.1 避難所設(shè)計(jì)

根據(jù)現(xiàn)行規(guī)范[19]的要求,避難所設(shè)計(jì)應(yīng)滿足如下要求:(1)長度10 km及以上的單洞隧道,應(yīng)在洞身段設(shè)置不少于1處緊急出口或避難所;(2)設(shè)置避難所的輔助坑道斷面凈空尺寸不宜<4.0 m×5.0 m(寬×高);(3)避難所內(nèi)應(yīng)設(shè)置待避區(qū),待避面積不宜<0.5 m2/人。

根據(jù)崇太長江隧道盾構(gòu)段橫斷面設(shè)計(jì)方案,軌下空間凈空尺寸為4.0 m×2.5 m(寬×高),雖達(dá)不到規(guī)范中凈空高度的要求,但可滿足人員通行和待避。根據(jù)計(jì)算結(jié)果,避難所長度330 m/處,具體布設(shè)方案如圖8、圖9所示。隧道范圍內(nèi)共設(shè)置4處,其中1號～2號豎井盾構(gòu)區(qū)間中部1處,2號～3號豎井盾構(gòu)區(qū)間設(shè)置3處,具體設(shè)置里程見表8,布設(shè)平面如圖10所示。

表8 避難所設(shè)置里程Tab.8 The locations of the evacuation shelters

圖8 避難所設(shè)計(jì)方案橫斷面(單位:mm)Fig.8 The cross section of the evacuation shelter design scheme(unit: mm)

圖9 避難所設(shè)計(jì)方案平面(單位:mm)Fig.9 The plan of the evacuation shelter design scheme(unit: mm)

圖10 隧道避難所布設(shè)平面(單位:m)Fig.10 The layout plan of the evacuation shelters in tunnel (unit: m)

4.2 隧道救援

根據(jù)圖10可知,避難所間及其與緊急出口的最小距離約950 m,最大距離約3 000 m。綜合分析,隧道內(nèi)采用定點(diǎn)救援方式,各段落救援方案具體如下。

(1)故障列車停靠在隧道進(jìn)口～1號豎井之間時,疏散人員沿線路兩側(cè)的救援通道通過隧道進(jìn)口到達(dá)洞外。

(2)故障列車停靠在1號～2號豎井之間時,疏散人員沿線路兩側(cè)救援通道進(jìn)入軌下疏散廊道,行至避難所1處待避,軌面救援列車于避難所1處進(jìn)行定點(diǎn)救援。

(3)故障列車?？吭?號～3號豎井之間時,疏散人員沿線路兩側(cè)救援通道進(jìn)入軌下疏散廊道,按就近原則,選擇避難所2、3、4進(jìn)行待避,軌面救援列車根據(jù)人員待避情況進(jìn)行定點(diǎn)救援。

(4)故障列車停在3號豎井～隧道出口之間時,走行距離較短,乘客可沿線路兩側(cè)的救援通道通過隧道出口到達(dá)洞外。

5 結(jié)論

通過對高速鐵路超大直徑水下盾構(gòu)隧道防災(zāi)疏散救援研究,得到以下結(jié)論。

(1)當(dāng)火災(zāi)列車在殘余動力運(yùn)行下不發(fā)生在隧道內(nèi)?？康那闆r時,隧道工程的防災(zāi)疏散救援可僅針對列車故障工況進(jìn)行分析。

(2)隨著軌面疏散口間距增大,安全疏散時間與擁堵時間均呈增長趨勢,當(dāng)疏散口間距超過100 m時,疏散時間差別較小;疏散口間距<75 m時,不會發(fā)生擁堵;建議軌下疏散口最優(yōu)間距為75 m。

(3)從疏散時間與工程投資角度分析,方案三控制疏散時間為1 667 s,較方案二降低49%,較方案一降低84%,緊急出口數(shù)量增加,可有效降低疏散控制時間,應(yīng)結(jié)合土建工程,通過投資效果分析,確定推薦疏散方案。

(4)人員走行距離與時間均較長,不利于疏散過程中的安全,利用軌下空間設(shè)置避難所作為待避空間,避難所參數(shù)為330 m×4.0 m×2.5 m(長×寬×高)。

(5)基于避難所布設(shè)方案,隧道救援采用定點(diǎn)救援方式,疏散人員應(yīng)按照就近原則選擇避難所待避,并根據(jù)待避情況進(jìn)行軌面救援。