付凱

（中鐵第五勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，北京 102600）

0 引言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和隧道建設(shè)技術(shù)進(jìn)步，出現(xiàn)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(zhì)量。但由于水下特長隧道的特殊性，也對隧道火災(zāi)疏散救援提出了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。

目前，國內(nèi)外專家學(xué)者對長大隧道火災(zāi)疏散救援開展了相關(guān)研究，如劉赪［1］對比分析了國內(nèi)外特長隧道的防災(zāi)疏散救援策略，提出了適合我國特長隧道單、雙洞設(shè)計(jì)模式的建議；LI Y Z等［2］通過理論分析和模型試驗(yàn)研究了防火門幾何形狀、熱釋放率、火源位置、阻塞率、通風(fēng)條件對救援站橫通道臨界風(fēng)速的影響；王峰等［3］采用網(wǎng)絡(luò)通風(fēng)計(jì)算方法深入分析了不同防災(zāi)通風(fēng)方案下各橫通道內(nèi)風(fēng)流分布規(guī)律；王明年等［4-5］對隧道防災(zāi)救援技術(shù)進(jìn)行了綜述，同時(shí)對緊急救援站人員疏散設(shè)施設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行了研究；謝寶超等［6］對客運(yùn)專線隧道火災(zāi)疏散方案開展了相關(guān)研究；蔣堯等［7］對不同火源位置、防護(hù)門處風(fēng)速條件下特長鐵路隧道緊急救援站火災(zāi)煙氣蔓延特性進(jìn)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(shù)開展了相關(guān)研究；ZHOU Y L等［9］建立了縮尺模型，研究火源位置、防護(hù)尺寸以及隧道堵塞率等因素對橫通道臨界風(fēng)速的影響；于麗等［10］基于水力模型計(jì)算方法建立了鐵路隧道緊急救援站人員疏散理論計(jì)算公式及修正系數(shù)；孫海富［11］對緊急救援站的橫通道設(shè)置數(shù)量、風(fēng)機(jī)布置以及防災(zāi)設(shè)備控制系統(tǒng)進(jìn)行了研究；羅章波［12］在調(diào)研的基礎(chǔ)上對緊急救援站長度、橫通道設(shè)置數(shù)量及間距等參數(shù)進(jìn)行了研究。

上述專家學(xué)者的研究成果主要是采用各種研究方法對緊急救援站設(shè)計(jì)參數(shù)的單一變量進(jìn)行分析比較，未綜合考慮多個(gè)參數(shù)變量對疏散救援的影響程度。本文以某大直徑盾構(gòu)水下特長隧道為研究對象，運(yùn)用人員疏散模擬軟件Pathfinder進(jìn)行建模，對隧道橫通道間距、寬度及防護(hù)門寬度進(jìn)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(shí)際問題提供必要的理論依據(jù)。

1 數(shù)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(jì)算機(jī)圖形仿真和游戲角色領(lǐng)域的技術(shù)，對多個(gè)群體中的個(gè)體運(yùn)動(dòng)都進(jìn)行圖形化虛擬演練，從而可以確定個(gè)體在災(zāi)難發(fā)生時(shí)的逃生路徑和逃生時(shí)間。

本文以某大直徑盾構(gòu)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(shù)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(gòu)雙洞單線隧道，隧道中部設(shè)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(gòu)隧道橫斷面

本次模擬火災(zāi)的全車定員1 015人，超員20%時(shí)可達(dá)1 218人。按照實(shí)際比例對每節(jié)車廂進(jìn)行建模，按照具體的人員荷載設(shè)置相應(yīng)的人員參數(shù)。人員類型根據(jù)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(shè)置為正態(tài)分布。疏散模擬時(shí)，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(shè)置為20 m，人員由著火列車疏散至橫通道端部則認(rèn)為人員已進(jìn)入安全區(qū)域。隧道火災(zāi)時(shí)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(shè)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(qiáng)，越有利于人員疏散。從工程設(shè)計(jì)角度出發(fā)，橫通道的間距及寬度直接影響工程造價(jià)。因此，需將2個(gè)因素進(jìn)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(shí)間。為避免防護(hù)門寬度對疏散結(jié)果的影響，在建立模型時(shí)，始終使防護(hù)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(hù)門寬度哪個(gè)才是影響疏散時(shí)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(hù)門寬度進(jìn)行組合分析，研究不同組合工況對人員疏散時(shí)間的影響。

2 疏散模擬結(jié)果分析

2.1 橫通道寬度與間距組合對疏散結(jié)果的影響

不同橫通道寬度與間距組合工況下人員疏散時(shí)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(shí)間

由于理論公式適用于能見度大于10 m時(shí)的疏散時(shí)間計(jì)算，即在數(shù)值模擬中對應(yīng)未考慮煙氣情況下的疏散時(shí)間，由表1可以看出兩者數(shù)據(jù)吻合較好，驗(yàn)證了疏散模擬結(jié)果的正確性。

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

圖2 未考慮煙氣時(shí)，不同橫通道寬度人員疏散時(shí)間變化

圖3 考慮煙氣時(shí)，不同橫通道寬度人員疏散時(shí)間變化

圖4 未考慮煙氣時(shí)，不同橫通道間距人員疏散時(shí)間變化

圖5 考慮煙氣時(shí)，不同橫通道間距人員疏散時(shí)間變化

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

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

綜上所述，根據(jù)人員疏散模擬結(jié)果，結(jié)合考慮煙氣情況下人員疏散總時(shí)間，橫通道間距為40、50 m時(shí)的橫通道寬度應(yīng)大于3.0 m，橫通道間距為60 m時(shí)的橫通道寬度應(yīng)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(hù)門寬度組合對疏散結(jié)果的影響

不同橫通道寬度與防護(hù)門寬度組合工況下人員疏散時(shí)間如表3所示。

表3 不同橫通道寬度及防護(hù)門寬度下人員疏散時(shí)間

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

圖6 不同橫通道寬度及防護(hù)門寬度人員疏散時(shí)間變化

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

圖8 未考慮煙氣情況，防護(hù)門寬度為2.0 m時(shí)，不同橫通道寬度下防護(hù)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(hù)門寬度為2.0 m時(shí)人員疏散時(shí)間比防護(hù)門與橫通道同寬時(shí)要長，說明防護(hù)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(hù)門和橫通道寬度的增加，防護(hù)門通行能力逐漸增大。當(dāng)防護(hù)門和橫通道寬度為2.0 m時(shí)，防護(hù)門的通行能力最?。环雷o(hù)門和橫通道寬度為3.0、3.5 m時(shí)，防護(hù)門的通行能力基本一致；說明繼續(xù)增加防護(hù)門及橫通道寬度并不能提高防護(hù)門的通行能力。

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

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

3 結(jié)論

本文運(yùn)用Pathfinder軟件對某大直徑盾構(gòu)水下特長隧道的人員疏散進(jìn)行了模擬研究，通過人員疏散時(shí)間和人員密度2個(gè)判據(jù)來分析人員是否能安全疏散，并將理論計(jì)算與數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)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(jià)的參數(shù)設(shè)置方案。同時(shí)分析了疏散橫通道間距、寬度以及防護(hù)門寬度三者對人員安全疏散的綜合影響，主要結(jié)論有以下幾點(diǎn)：

1）疏散橫通道間距、寬度以及防護(hù)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(dāng)防護(hù)門寬度與橫通道寬度相同時(shí)，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(dāng)防護(hù)門寬度小于橫通道寬度且防護(hù)門寬度較小時(shí)，防護(hù)門寬度是制約人員疏散的最關(guān)鍵因素；當(dāng)防護(hù)門寬度和橫通道寬度大于一定值時(shí)，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(jié)果，同時(shí)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(shí)的疏散時(shí)間232 s作為必需安全疏散時(shí)間的參考工況，考慮一定安全系數(shù)，本隧道人員疏散必需安全疏散時(shí)間可取為300 s。