馬燕平, 鄭學林*, 臧建彬

(1.上海海事大學商船學院，上海 201306；2.同濟大學機械與能源工程學院，上海 201804)

近年來，隨著中國高速公路建設迅猛發(fā)展，盾構隧道越來越多，為解決城市有效用地不足、交通擁堵等問題,出現(xiàn)了很多雙層超大直徑(大于14 m)盾構隧道。盾構隧道由于結構長而封閉，且安全出口少，一旦發(fā)生事故，人員疏散困難，尤其是近十多年發(fā)生的隧道火災事故，不僅提醒人們安全出行的必要性，還應注重隧道發(fā)生火災，人員如何逃生疏散，對于建設方來說如何設計合理的安全有效的逃生模式是重中之重。目前，對于雙層盾構隧道一般采用橫通道、上下層疏散樓梯、縱向疏散、避難室等疏散方式[1]。中外城市道路隧道上下層互為逃生方式工程案例[1-4]：世界上首條雙層隧道法國 A86 公路隧道是開拓利用城市地下空間的雙層盾構結構一個范例，盾構段每隔200 m設置避難所和上下層聯(lián)絡樓梯間；中國首條雙管、雙層盾構法隧道-上海復興東路隧道采用橫向通道與上下層疏散樓梯相結合的逃生方式；上海上中路越江隧道以及上海外灘隧道，每隔100 m設置上下層疏散樓梯；上海軍工路隧道每隔80 m設置逃生樓梯；南京緯三路隧道每隔64 m設置逃生樓梯；揚州瘦西湖隧道共設12組逃生樓梯。

中外一些學者采用數(shù)值模擬、實驗演練、虛擬現(xiàn)實技術對隧道人員疏散進行研究：李削云等[5]最先以蒼嶺隧道為例，通過理論計算和模擬軟件building EXODUS 相結合研究中小規(guī)模火災情況下隧道人員疏散行為特性進行研究，得出人員在安全疏散時間以及提出隧道救援逃生建議，降低人員傷亡的可能性。金潤國等[6]首次利用火災動力學模擬器(fire dynamics simulation，F(xiàn)DS)和Pathfinder在建筑火災與人員疏散中應用，為Pathfinder在隧道人員疏散奠定基礎；Ronchi等[7]以西班牙Lantueno隧道為例，分別研究比較了三種疏散模型軟件(FDS+Evac, STEPS, Pathfinder)和防火學會提供的分析計算工程師(SFPE)手冊，得到的疏散時間之間的模型沒有顯著差異。曾艷華等[8]采用Pathfinder 數(shù)值模擬方法，得出媽灣跨海盾構隧道樓梯疏散模式的最佳間距為80 m；鄧敏等[9]利用 Pathfinder模擬疏散軟件，對設置不同上下層疏散聯(lián)絡通道間距情況下，人員從下層著火隧道到達上層隧道必需安全疏散時間進行了模擬計算。沈卓恒[10]采用數(shù)值模擬軟件對盾構隧道人員疏散進行模擬，分析影響疏散效率的因素，包括車道數(shù)、滑梯間距以及滑梯疏散速度進行研究。朱華等[11]進行了武漢長江隧道垂直疏散滑道的演練；陳長坤等[12]利用FDS和 EVACNE4T模擬軟件，分別對隧道內火災煙氣蔓延以及隧道內人員的疏散進行模擬與分析。近年來，王星等[13]進行了單向雙洞公路隧道火災人員疏散救援研究；成艷英等[14]以某水下隧道為例，分析隧道設置不同橫向/豎向疏散通道，同等條件下疏散能力研究；惠豫川等[15]研究了滑梯、樓梯不同間距及樓梯不同寬度對人員疏散時間及通過能力的影響。主要研究單層隧道人員疏散，涉及單洞雙層超大直徑隧道的研究較少，并且現(xiàn)階段疏散通道人員疏散行為及通行能力的研究,主要集中在疏散門的寬度、疏散樓梯間距以及疏散樓梯寬度[16-17]，但針對盾構隧道疏散樓梯坡度研究相對較少。根據《道路隧道設計規(guī)范》[18]，單孔隧道設置的樓梯間隔不宜大于250 m,并要求樓梯坡度不大于60°、寬度不小于0.8 m。

以單洞雙層超大直徑盾構公路隧道為研究對象，設置不同的疏散樓梯坡度進行模擬計算分析，并且對疏散樓梯間距進行優(yōu)化，為從事地下交通系統(tǒng)設計的工程師提供指導，為今后該領域的研究奠定基礎。

1 工程概況

以某城市公路隧道為研究背景，該隧道是單洞雙層隧道，采用盾構施工技術，隧道外徑16.6 m,車道凈高5.8 m,上下層個布置三車道，為世界上最大直徑的盾構法隧道之一，如圖1所示。

隧道設計車速60 km/h, 盾構段達4 km，隧道主線高峰小時交通規(guī)模預測詳見表1，隧道車輛類型均為客車，包括大型客車與中巴車及小汽車,隧道內車輛類型、比例以及尺寸詳見表2。

圖1 雙層超大直徑盾構隧道結構示意圖Fig.1 structural diagram of double layer super large diameter shield tunnel

表1 隧道主線高峰小時交通規(guī)模流量預測Table 1 Prediction of traffic volume in peak hours of main line of tunnel

表2 隧道車輛類型、比例以及尺寸Table 2 Type, proportion and size of tunnel vehicles

目前中外縱向疏散樓梯口間距一般為80～150 m[19]，考慮到遠期(2039年)交通量較大，為增強安全水平，取疏散樓梯口間距為80 m，且疏散樓梯口在隧道內均勻分布。救援車輛將上、下層通道作為救援通道，直接快速到達火災點附近，有利于提高救援效率。

假設下層隧道逃生口處發(fā)生火災，阻擋了人員的通行，人員必須行走至下一個逃生口進行疏散。隧道內車流量高峰期時取車輛間的間距為1.5 m,根據機動車規(guī)格術語和定義[20]設置小汽車長3 m，中巴車長6 m，公交車長12 m。根據車長與車間距得到第一個有效逃生口且處在隧道火災影響范圍80 m內的車輛數(shù)為47輛，設置小汽車滿載人數(shù)取4人，中巴車的人數(shù)取20人，公交車的人數(shù)取 80人，滿載率分別50%、60%、80%，則待疏散人數(shù)一共為258人。

2 疏散人員理論分析計算

人員疏散的安全性基本判據為：人員疏散時間(TREST)<火災危險時間(TAEST)。

人員疏散時間(TREST)是指從起火時刻到人員疏散至安全區(qū)域的時間，即所需安全疏散時間，由火災探測報警時間(Tcue)、人員反應時間(Treso)和人員疏散運動時間(Ttrav)三部分組成。人員疏散運動時間(Ttrav)包括在客車內的疏散時間(TA)、隧道內的疏散時間(TP)和通過逃生門進入安全區(qū)域的時間(TM)。

火災危險時間(TAEST)指從起火時刻到火災對人員安全構成危險狀態(tài)的時間，即可用安全疏散時間。根據一些隧道火災實例以及研究資料[21]，火災可能在10 min內對人員生命安全產生危害。本文火災危險時間設為10 min,同時也是消防救援最佳時間，疏散時間超過火災達到危險狀態(tài)的時間，將很難營救成功。

2.1 客車內的疏散時間(TA)

選取隧道長度80 m,以最不利情況分析，事故位置發(fā)生在逃生疏散口處，無法用于逃生疏散。假設離火源最近的車輛為公交車，設車身長度為 12 m，車門寬0.8 m, 公交車門2個，車內待疏散人員64人，把從該公交車上全體人員通過車門的時間作為所需安全疏散時間T[5]，計算公式為

(1)

式(1)中：P為通過疏散通道的總人數(shù)；N為疏散通道口數(shù)量；R為人流平均速度，m/s；W為疏散通道口寬度，m；L為通道邊界層寬度，人員擺臂或攜帶物件造成的邊界影響，取0.15 m。

人流平均速度(R)與人員密度(D)存在一定的關系，即

R=K(1-0.266D)

(2)

式(2)中：K為與疏散通道有關的常數(shù)，隧道內取1.4，大客車內取2.6；D為人員密度，通常取0.54

2.2 隧道內的疏散時間(TP)

隧道內人員混雜，不同性別、年齡、身高、體重、肩寬以及外界環(huán)境都會影響行進速度，本質的差別主要歸為人員步速。為了計算方便，將待疏散人員視為一整體，具有一定的密度、速率及流量，各個人員的具體特征將不作考慮，因此疏散時間僅與人流的疏散距離有關，堵塞的車輛和火災產生的煙霧將略微降低人員的疏散速度，隧道內人員的平均逃生速率為1.2 m/s，人員疏散時間為80/1.2=67 s。

2.3 通過逃生口進入安全區(qū)域的時間(TM)

同理，考慮堵塞情況，逃生門寬度w為1.1 m，待疏散總人數(shù)258人，人流平均速度1 m/s,進入安全區(qū)域的疏散時間約為332 s。

綜上所述分析得人員疏散時間(TREST)為 558 s，低于達到危險狀態(tài)的時間TAEST(600 s)，此救援方案安全可行。

3 軟件模擬的疏散計算

3.1 應用軟件

Pathfinder 軟件是一款基于人員疏散和移動模擬的仿真器，是目前隧道與地下空間人員疏散模擬常用的軟件之一。Pathfinder支持兩種移動仿真模式，即Steering 模式和SFPE模式。Steering 模式，人與人之間會保持一個合理的距離。SFPE模式人員并不會試圖避開對方，并且會相互擁擠，但是門會限制人群流動。本次模擬選用Steering 模式，計算機理考慮真實因素，使用路徑規(guī)劃、指導機制、碰撞處理相結合控制人員運動，個體行動自由，碰撞時自動避讓，能夠較為真實地反映復雜通道內的待疏散人流速度以及疏散時間。

3.2 疏散人員組成

步行速度的大小將直接影響人員行走時間，而影響人員步行速度的因素包括：外界環(huán)境、不同人種、疏散路徑、人員身體機能、性別等。已有研究表明，人員疏散步行速度1.0～1.4 m/s，受火災煙氣的影響，折減20%進行取值。模型中待疏散人數(shù)258人，由成年男性40%，成年女性40%，老年人10%，以及青少年10%組成，分別設置肩寬、身高、步速以及顏色標記，具體參數(shù)設置詳見表3疏散人員組成，人員分布圖如圖2所示。

表3 疏散人員組成Table 3 Composition of evacuees

圖2 人員分布圖Fig.2 Personnel distribution map

模型中隧道內不同位置處的人員反應時間按離火源距離選取[8]：0～30 m內人員反應時間為 5 s,30～60 m內人員反應時間為30 s,大于60 m人員反應時間為60 s?；馂奶綔y時間和火災確認并通知人員火災發(fā)生的時間為60 s。

3.3 疏散模擬工況

針對盾構上下層結構設置，待疏散人員依靠上、下樓梯進行疏散逃生。樓梯上行速度比下行速度慢，所以取下層隧道內所有人員完全通過上層疏散樓梯防火門的時間為疏散計算分析時間。在房屋建筑學中，樓梯坡度宜為20°～50°，超過50°則應建成爬梯，為控制唯一變量，設置60°的樓梯進行模擬計算。在本文中疏散樓梯坡度設置為60°、45°和30°以及有無休息平臺，分別利用 Pathfinder 疏散軟件建模計算,疏散模擬工況詳見表4。休息平臺為1.2 m×1 m,樓梯寬度為80 mm,隧道凈高5.8 m,有休息平臺的樓梯凈高2.9 m,防火門寬度為110 mm。

表4 疏散模擬工況Table 4 Evacuation simulation conditions

3.4 疏散結果分析

模擬結果如圖3所示，樓梯坡度越大所用疏散時間越長。樓梯坡度60°所需疏散時間比坡度45°的疏散時間多出120 s,樓梯坡度45°疏散時間比坡度為30°的疏散時間多出60 s。坡度60°有、無休息平臺相差較大，無休息平臺比有休息平臺所用疏散時間多,休息平臺的存在增加了樓梯承載人員數(shù)量，緩解了逃生口處排隊擁擠狀況，有利于更快的疏散人員逃生。坡度為45°有無休息平臺相差不大；坡度為30°有無平臺有輕微時間差，由于休息平臺的存在，人員在樓梯上的時間增加，以致于有休息平臺比無休息平臺所用疏散時間長。

不同樓梯坡度不同時段人員疏散以及三者對比情況如圖4所示：當坡度為60°時，4 min內有、無休息平臺幾乎無差距，這段時間內在主要是公交車人員內部疏散以及隧道內疏散時間，4 min以后人員全部在逃生門處聚集，由于坡度大所承載的人員不多，擁擠、排隊現(xiàn)象嚴重，休息平臺可以增加承載人員數(shù)量，加快人員疏散。當坡度為45°時，樓梯有無休息平臺，其人員疏散差別不大，不過休息平臺的存在確實縮短了人員疏散時間，只是作用不太明顯。當坡度為30°時，由于休息平臺的設置，使得人員在樓梯階段疏散時間變長，反而增加了人員疏散時間。不同樓梯坡度在60 s內疏散人員幾乎無差別，隨著時間的推移，差別越來越大，坡度越大疏散所用時間越多，設置休息平臺的作用越大。

圖4 不同坡度不同時段人員疏散情況對比Fig.4 Comparison of evacuation in different slope and time

理論計算得到疏散所用時間558 s,小于火災危險時間600 s,軟件模擬符合要求的為坡度30°和45°疏散時間均在安全疏散時間范圍內，所用疏散時間最短的方案為坡度30°無休息平臺，其不同時刻隧道內人員逃生情況如圖5所示。

如圖5所示，當60 s時，兩輛公交車內人員疏散處在人員擁擠下車狀態(tài)，疏散樓梯處還未出現(xiàn)擁擠情況，當120 s時，兩輛公交車人員幾乎全部下車，隧道內還有些人員未達到疏散樓梯處；當240 s時，人員均聚集在疏散樓梯處，排隊情況嚴重，經過4 min后才全部疏散完畢，此時若情況危急進行語音廣播，進行指引和心里誘導，防止人員心理恐慌。綜上所述，待疏散人員一共需要512 s才全部疏散完畢。

根據以上計算結果，樓梯坡度60°太過陡峭，疏散時間太長，與房屋建筑學中規(guī)定相符，超過50°則不適宜設為逃生樓梯；樓梯坡度45°和30°模擬計算疏散時間均在安全疏散時間范圍內，不過太過接近火災危險時間，為人員安全著想，進行優(yōu)化設計方案，適當縮短樓梯間隔，設為60 m,設置樓梯坡度為30°和45°有、無休息平臺，進行人員疏散時間的計算,其他人員設置不變，待疏散人員共234人，模擬計算結果如圖6所示。

根據圖6可知，坡度為45°有、無休息平臺人員疏散時間為523 s和524 s;坡度為30°有、無休息平臺人員疏散時間分別為461 s和457 s；明顯看出樓梯坡度設置為30°比45°人員疏散時間縮短60 s以上，較之原設計樓梯間距80 m,人員疏散所用時間縮短率大于10%。結合安全人機工程學原理, 樓梯的坡度以30°～35°為最佳，逃生樓梯設置的最優(yōu)化方案為：樓梯間距60 m、坡度30°、無休息平臺，人員疏散所用時間最短。但具體的布置需要根據實際情況來定，在現(xiàn)有的規(guī)范中，沒有相關條文說明對隧道人員疏散給出明確要求，需要不斷進行研究完善。

4 結論

(1)采用本文中所研究的隧道模型和逃生模式，每隔80 m設置逃生樓梯，理論計算方案可行，疏散所用時間小于火災危險時間。

圖5 坡度30°無休息平臺時不同時間隧道內人員逃生情況Fig.5 Escape conditions of people in the tunnel at different times without rest platform at a slope of 30 °

圖6 不同坡度有無休息平臺人員疏散Fig.6 Evacuation with and without rest platform on different slopes

(2)采用Pathfinder軟件對樓梯坡度為60°、45°和30°以及有無設置休息平臺進行模擬，不同樓梯坡度在60 s內疏散人員幾乎無差別，隨著時間的推移，差別越來越大，坡度越大疏散所用時間越長，設置休息平臺的作用越大。

(3)樓梯間距設置為80 m時，樓梯坡度設置為45°和30°方案符合人員安全逃生準則，這一結論與多數(shù)類似盾構隧道工程設置相同，具有一定實際可行性，不過模擬所得人員疏散時間與火災危險時間相近,進而優(yōu)化設計方案，適當縮短樓梯間隔，人員所用疏散時間越短，越能充分保證待疏散人員的安全，樓梯間距為60 m,樓梯坡度30°無休息平臺，為最佳方案。

(4)本研究中只是考慮了火災煙霧對人員行走速度的有一定的影響，并且按比例進行的折減，不過未能直觀體現(xiàn)出火災發(fā)生后煙氣流動特性，后續(xù)研究中可以將火災煙氣與人員疏散進行耦合仿真。

通過對隧道人員疏散的研究，得出隧道火災人員疏散時間和疏散樓梯設置方案，為后續(xù)人員研究提供參考。由于人員安全疏散時間還與隧道尺寸、交通規(guī)模流量、車輛類型及比例、人員逃生速度、軟件模擬人員參數(shù)設置、車輛發(fā)生火災位置、車輛?？课恢玫染嚓P，建議在實際工程中減小疏散樓梯間距，以充分保證人員安全。