基于情景演變的海底隧道區(qū)域火災(zāi)應(yīng)急交通分級

陳明仙,沈斐敏

(1.福州大學(xué)土木工程學(xué)院，福建 福州 350116；2.福建船政交通職業(yè)學(xué)院安全技術(shù)與環(huán)境工程系,福建 福州 350007)

基于情景演變的海底隧道區(qū)域火災(zāi)應(yīng)急交通分級

陳明仙1,2,沈斐敏1

(1.福州大學(xué)土木工程學(xué)院，福建 福州 350116；2.福建船政交通職業(yè)學(xué)院安全技術(shù)與環(huán)境工程系,福建 福州 350007)

為解決海底隧道區(qū)域火災(zāi)應(yīng)急情景下交通狀況難以合理判定的問題，綜合運(yùn)用情景演變分析、動態(tài)時間建模和實例驗證方法，對海底隧道區(qū)域火災(zāi)應(yīng)急交通分級進(jìn)行了研究。首先，結(jié)合情景分析方法，確立海底隧道火災(zāi)事故情景演變分析流程，建立情景演變網(wǎng)絡(luò)模型；然后，確定海底隧道火災(zāi)事故不同演變路線的時間模型，進(jìn)而建立海底隧道火災(zāi)事故區(qū)域交通擁堵分級模型；最后，利用分級模型對翔安海底隧道進(jìn)行實例應(yīng)用分析。實例應(yīng)用表明：該方法能夠確定海底隧道區(qū)域火災(zāi)情景下交通擁堵狀況，可為應(yīng)急交通決策提供指導(dǎo)。

情景演變；海底隧道；火災(zāi)；時間模型；應(yīng)急交通分級

海底隧道作為一種便捷的跨海交通工程被越來越多地應(yīng)用于交通活動中，但隨之而來的海底隧道火災(zāi)事故風(fēng)險也日趨凸顯。火災(zāi)事故是海底隧道運(yùn)營期的主要風(fēng)險之一，其發(fā)生前兆不明顯，且引發(fā)衍生危害的可能性大，通常會對隧道周邊區(qū)域交通產(chǎn)生巨大影響，引發(fā)大規(guī)模的區(qū)域擁堵，并在阻礙應(yīng)急救援的同時，還會擴(kuò)大事故對區(qū)域生產(chǎn)生活產(chǎn)生的消極影響，而傳統(tǒng)的“預(yù)測-應(yīng)對”范式是靜態(tài)和被動的，難以對周邊路段的交通狀況進(jìn)行動態(tài)和合理的判斷。因此，如何進(jìn)行合理的情景分析，判斷海底隧道區(qū)域交通狀況已引起各界的關(guān)注與思考。

針對基于情景演變的隧道應(yīng)急相關(guān)問題，國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了探索性的研究，并取得了一些成果。如姜卉等[1]在分析情景演變的概念和內(nèi)涵后,提出了情景演變的網(wǎng)絡(luò)表達(dá)方式，并建立起罕見重大突發(fā)事件中情景演變的分析流程；舒其林[2]在分析非常規(guī)突發(fā)事件的內(nèi)涵及其發(fā)生的內(nèi)在要素的基礎(chǔ)上，對非常規(guī)突發(fā)事件應(yīng)急決策的情景及其演變過程進(jìn)行了描述，并給出了情景-應(yīng)對決策范式下應(yīng)急決策方案的生成過程；Haack[3-4]分析了隧道火災(zāi)的標(biāo)準(zhǔn)情景，并根據(jù)情景給出了合適的應(yīng)急決策方案。

綜上可知，有關(guān)情景演變的研究大多僅限于對突發(fā)事件的理論分析，主要以應(yīng)急輔助決策的情景分析和建模為主，而針對隧道區(qū)域特別是海底隧道火災(zāi)區(qū)域應(yīng)急交通影響的研究和應(yīng)用鮮見，且未形成成熟的理論體系。鑒于此，本文針對海底隧道火災(zāi)事故，基于情景演變分析通過對隧道內(nèi)火災(zāi)發(fā)生后的應(yīng)急情景演變進(jìn)行分析，進(jìn)而建立了基于時間軸的擁堵模型，并確定了隧道區(qū)域交通擁堵分級模型。通過實例應(yīng)用表明，該方法能夠確定海底隧道區(qū)域火災(zāi)情景下交通擁堵狀況，為交通應(yīng)急決策提供依據(jù)。

1 海底隧道火災(zāi)事故情景演變分析

1.1 海底隧道火災(zāi)事故情景演變分析流程

情景是對事件的未來發(fā)展途徑及發(fā)展態(tài)勢的描述，包括發(fā)展態(tài)勢確認(rèn)、特性及可能性描述和發(fā)展路徑的描述。海底隧道火災(zāi)事故發(fā)生后，事故情景隨著時間而不斷向前演進(jìn)，存在著轉(zhuǎn)化、蔓延和耦合等多種演化途徑和方式，因此在進(jìn)行海底隧道火災(zāi)事故情景演變分析時，以情景演變的時間規(guī)律為主軸，確定火災(zāi)的情景演變，即確定火災(zāi)在不同的時間所處的狀態(tài)和發(fā)展趨勢，并描述初始情景、中間情景、結(jié)束情景。海底隧道火災(zāi)事故情景演變分析流程如圖1所示。

在海底隧道火災(zāi)事件情景演變過程中，主要涉及到4個要素：情景、應(yīng)急目標(biāo)、應(yīng)急措施及事件自身演變(指火災(zāi)按照自身發(fā)生、發(fā)展機(jī)理的演變)，為方便進(jìn)行海底隧道火災(zāi)事故情景演變的網(wǎng)絡(luò)表達(dá)，將4個要素用圖形表達(dá)為[1]：○表示情景；□表示應(yīng)急目標(biāo)；△表示應(yīng)急措施；◎表示事件自身演變。

1.2 海底隧道火災(zāi)事故情景演變網(wǎng)絡(luò)模型

在海底隧道火災(zāi)事故的演變過程中，在確定的火災(zāi)初始情景下，中間情景和結(jié)束情景因突發(fā)事件的演變會受到多種影響因素的干擾而存在多種演變路徑。主要干擾因素有：人工滅火的有效性、自動噴淋系統(tǒng)的有效性、人員逃生、外部救護(hù)力量的到達(dá)、消防滅火的力量大小及效率等[6-9]。通過分析其已有的應(yīng)急資源和應(yīng)急預(yù)案，并結(jié)合火災(zāi)事故發(fā)生發(fā)展的機(jī)理和規(guī)律，運(yùn)用已有情景案例的分析、現(xiàn)場資源分析和規(guī)則推理，建立海底隧道火災(zāi)事故情景演變網(wǎng)絡(luò)模型如圖2所示[8-14]。

由圖2可以看出：海底隧道火災(zāi)事故情景演變有多種路徑，其中，上方虛橫線路徑表示所有處置目標(biāo)都按決策主體的預(yù)期實現(xiàn),代表了情景演變中最樂觀隧道火災(zāi)情景演變路線,且其時間最短；縱向折線則表示所有處置目標(biāo)都未能按照決策主體的預(yù)期實現(xiàn),下方虛線代表了情景演變中的最悲觀隧道火災(zāi)情景演變路線，且其時間最長[1,6]。

2 海底隧道火災(zāi)事故情景演變時間模型

2.1 海底隧道火災(zāi)事故情景演變時間模型

海底隧道火災(zāi)事故演變時間模型為各線路可能經(jīng)過情景的時間之和，即

(1)

式中：T為情景演變總時間(s)；i,j為火災(zāi)演變過程中的情景；ti-j為演變路線中從情景i演變至情景j的時間(s),如t1-3表示從情景1演變至情景3的時間。

其中，海底隧道火災(zāi)事故極限情況的情景演變路線主要有兩條：

(1)最樂觀的情景演變路線，且其時間最短

Tmin=t1-3+t3-5+t5-7+t7-9

(2)

(2)最悲觀的情景演變路線，且其時間最長

Tmax=t1-13+t13-15+t15-17+t17-19+t19-21+t21-23+t23-3+t3-5+t5-7+t7-11+t11-9

(3)

2.2 不同情景間演變的時間分項模型

(1) 清障時間

(4)

式中：k為第k輛受損車輛；λk為第k輛受損車輛損壞系數(shù)，取值范圍為[0,1]；η為車輛清障時間(s)。

(2) 排煙時間[5,15]

t5-7=LA/QHQ

(5)

式中：L為隧道長度(m)；A為隧道斷面面積(m2);QHQ為火災(zāi)時通風(fēng)量(m3/s)。

(3) 功能恢復(fù)時間

(6)

式中：ui為第i個項目功能損壞程度，取值范圍為[0,1]；ri為第i個項目恢復(fù)難度系數(shù)，取值范圍為[0,3]；γ為標(biāo)準(zhǔn)項目修復(fù)時間(s)。

(4) 人員逃生時間[16]

t13-17=Na(fB)-1+(ks/v)

(7)

式中：f為通道中的人群流動系數(shù)[人/(m·s)]；B為隧道橫洞寬度(m)；Na為隧道內(nèi)需要疏散的總?cè)藬?shù)(人)；ks為Na中第一個人移動到門或服務(wù)隧道的距離(m)；v為人群的移動速度(m/s)。

(5) 持續(xù)滅火時間

t19-23=f(x,z,ζ)

(8)

式中:x為燃燒的車輛數(shù)(輛)；y為車型系數(shù)；z為單車滅火時間(s)；ζ為消防到達(dá)時燃燒烈度，指油箱是否外泄并燃燒或爆炸。

3 海底隧道區(qū)域火災(zāi)交通擁堵分級模型建立

對于隧道區(qū)域擁堵狀態(tài)的分級，主要通過選取所評估區(qū)域長度為l的道路路段的道路占用系數(shù)來進(jìn)行評價。道路占用系數(shù)[17]可表征為

(9)

式中:μ為道路占用系數(shù)；u為評估區(qū)域路段行車道上的車輛靜流量(輛/h)，u=ul-us，其中ul為入口車流量(輛/h)，即遠(yuǎn)離火災(zāi)方向區(qū)域入口l處的階段車流量均值；us為有效疏散車流量(輛/h)；l為所評估道路路段的長度(m)；r為平均車輛道路占用長度(m)。

通過道路占用系數(shù)μ取值大小對海底隧道區(qū)域火災(zāi)交通擁堵狀況進(jìn)行分級，詳見表1。

表1 海底隧道區(qū)域火災(zāi)交通擁堵分級

當(dāng)μ≥0.9時，可選取μmax=0.9計算擁堵未分流情景下阻塞允許時間tr(單位為s)，確定進(jìn)入擁堵情景，可提前制定好應(yīng)急措施，以避免阻塞的產(chǎn)生，或減輕阻塞程度。

4 實例應(yīng)用分析

4.1 翔安海底隧道概況

廈門翔安海底隧道是中國大陸第一條海底隧道，長6.05 km，設(shè)計行車速度為80 km/h，為雙向6車道雙洞海底隧道，采用三孔隧道形式穿越海域，全線共設(shè)12處行人橫通道和5處行車橫通道，橫通道間距為300 m[4]。

4.2 火災(zāi)事故情景設(shè)定

本文以廈門翔安海底隧道右線火災(zāi)事故為例，假定在通行高峰期發(fā)生小型客車火災(zāi)，火災(zāi)自動探測與噴淋系統(tǒng)工作正常，單車發(fā)生燃燒，僅有地面燃燒損壞，瀝青表層破壞，計算最悲觀情景演變路線的區(qū)域交通擁堵情況。

4.3 參數(shù)確定

翔安海底隧道火災(zāi)事故情景演變過程各項參數(shù)取值及計算結(jié)果見表2。

表2 情景過程各項參數(shù)取值與計算

4.4 確定海底隧道區(qū)域火災(zāi)情景下交通擁堵分級

本文選取廈門翔安海底隧道左線主入口五通端為起點，沿x418至與S201交叉互通達(dá)終點，取l為2 060m。x418為雙線中央分隔分離式公路，在護(hù)欄中間未開啟情況下us=0，即u=ul=625輛/h；以小型客車為主的道路，取r=5.6 m，T=Tmax=3 042.09 s，計算最悲觀的情景演變路線下的道路占用系數(shù)μ，則

若不采取誘導(dǎo)分流等措施，依據(jù)表1的分級標(biāo)準(zhǔn)，隧道重新開放前所評價路段的道路交通處于“道路阻塞”等級。若取μmax=0.9，可計算求得擁堵未分流情景下阻塞允許時間tr為

tr=μmaxl/ur=1 906.97 s

在t5-7，即通風(fēng)排煙換氣階段時，該路段將進(jìn)入阻塞。為避免阻塞的產(chǎn)生，應(yīng)在火災(zāi)發(fā)生1 906.97 s內(nèi)，在所選取l段道路的五通端、與S201相交互通端進(jìn)行交通疏導(dǎo)，及時分流車輛；同時，在l段道路內(nèi)采取應(yīng)急交通管理措施，合理開放中央隔離欄，使用逆向車道分流車輛，以降低區(qū)域阻塞風(fēng)險。

5 結(jié) 論

本文以情景演變分析與建模計算為核心方法，通過對海底隧道內(nèi)火災(zāi)發(fā)生后的應(yīng)急情景演變過程進(jìn)行分析，構(gòu)建了情景演變的時間模型，預(yù)算演變路線的可能動態(tài)時間；通過選取海底隧道周邊區(qū)域的確定路段l，計算在演變時間內(nèi)的道路占用系數(shù)，進(jìn)而判斷其擁堵程度，并進(jìn)行了實例應(yīng)用分析，為研究海底隧道火災(zāi)區(qū)域交通擁堵狀況提供了一種簡要、實用的模型，可為優(yōu)化應(yīng)急交通決策提供指導(dǎo)。

[1] 姜卉,黃鈞.罕見重大突發(fā)事件應(yīng)急實時決策中的情景演變[J].華中科技大學(xué)學(xué)報(社會科學(xué)版),2009,23(1)：104-108.

[2] 舒其林.非常規(guī)突發(fā)事件的情景演變及“情景-應(yīng)對”決策方案生成[J].中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)學(xué)報,2012(11):936-941.

[3]HaackA,SchreyerJ.Emergencyscenariosforpubliccommutertransportationtunnels[C]//1st International Conference on Safety and Security Engineering.Rome:WITPress,2005:507-518.

[4]HaackA.Designfirescenarios[C]//Fire in Tunnel Technical Report.Brussels:WITPress,2001:56-88.

[5] 潘世建.廈門翔安海底隧道工程技術(shù)叢書[M].北京:人民交通出版社,2011:63-126.

[6] 王顏新,李向陽,徐磊.突發(fā)事件情境重構(gòu)中的模糊規(guī)則推理方法[J].系統(tǒng)工程理論與實踐,2012,32(5):954-962.

[7] 姜卉.應(yīng)急實時決策中的情景表達(dá)及情景間關(guān)系研究[J].電子科技大學(xué)學(xué)報(社科版),2012(1):48-52.

[8] 王忠.海底隧道火災(zāi)危害及防范對策[J].消防科學(xué)與技術(shù),2012,31(6):608-611.

[9]deGuglielmoML,CaliendoC,RussoP,etal.Simulationoffirescenariosduetodifferentvehicletypeswithandwithouttrafficinabi-directionalroadtunnel[J].Tunnelling and Underground Space Technology,2013,37(37):22-36.

[10]JenkinsL.SelectingScenariosforEnvironmentalDisasterPlanning[J].European Journal of Operational Researeh,2000,121(2):275-286.

[11]YuanXF,LiHX,TianSC,etal.ResearchonCBRsystemofmajoremergencybasedoncloudmodelandsemanticclassdictionary[C]//International Symposium on Emergency Management 2009 (ISEM^09).USA:ScientificResearchPublishing,2009,12:665-670.

[12]PanagiotisA,DavidF.Largesubwaysystemsascomplexnetworks[J].Physica A,2006,367:553-558.

[13]李健行,夏登友,武旭鵬.非常規(guī)突發(fā)災(zāi)害事故的演化機(jī)理與演變路徑分析[J].安全與環(huán)境工程,2014,21(6):166-170.

[14]黃毅宇,李響.基于情景分析的突發(fā)事件應(yīng)急預(yù)案編制方法初探[J].安全與環(huán)境工程,2011,18(2):56-59.

[15]石京偉.翔安海底隧道火災(zāi)工況下通風(fēng)排煙方案設(shè)計[J].鐵道建筑,2013(3):69-71.

[16]代偉.群集應(yīng)急疏散影響因素及時間模型研究[D].長沙：中南大學(xué),2012:71-75.

[17]常貴智.城市道路交通擁堵判定研究[D].重慶：重慶交通大學(xué)，2007:6-12.

Emergency Traffic Classification under Fire Scenario in Subsea Tunnel Area Based on Scenario Evolvement

CHEN Mingxian1,2,SHEN Feimin1

(1.CollegeofCivilEngineering,FuzhouUniversity,Fuzhou350116,China;2.DepartmentofSafetyandEnvironmentalEngineering,FujianChuanzhengCommunicationsCollege,Fuzhou350007,China)

For the purpose of making reasonable judgement of traffic under fire emergency scenario in subsea tunnel area,this paper applies scenario evolvement analysis,dynamic time modele and example verification method to studing emergency traffic classification in Xiang’an subsea tunnel area.The paper establishes the analysis process of fire scenario evolvement for subsea tunnel and then builds the scenario evolvement net model.Then,it constructs the time model for different scenario routes and builds the traffic classification model.Finally,a case study of Xiang’an subsea tunnel area shows that the method can determine the emergency traffic classification of the tunnel fire area and provide guidance for emergency decision.

scenario evolvement；subsea tunnel；fire；time model；emergency traffic classification

1671-1556(2015)04-0110-04

2014-12-12

2015-07-07

福建交通運(yùn)輸科技發(fā)展項目(201441)

陳明仙(1983—)，男，講師，博士研究生，主要研究方向為隧道安全與監(jiān)控。E-mail:cmxfzu@163.com

X913;U491

A

10.13578/j.cnki.issn.1671-1556.2015.04.019

沈斐敏(1951—)，男，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事道路及隧道安全、安全工程等方面的研究。E-mail:feimshen@sina.com