大跨徑水下特長隧道安全門寬度及間距設置對人員疏散影響研究

李清瑞

(中鐵第五勘察設計院集團有限公司 北京市 102600)

0 引言

近年來下穿湖、海等水體隧道工程越來越多。由于隧道內比較封閉，發生火災后，對人員生命及財產造成極大威脅。在隧道內設置安全通道，火災時為隧道內人員疏散提供安全的疏散路徑，全力保障生命安全。

大跨徑水下特長隧道橫斷面一般采用兩孔一管廊的結構，兩側孔為隧道車行洞，中間管廊。中間管廊上部設置排煙風道，中部為電纜夾層，下部為安全疏散通道。發生火災時，隧道車行洞內人員通過安全防火門進入安全通道，往隧道兩端出口進行疏散。安全門作為救援的主要通道，安全門寬度及間距的設置對隧道車行洞內人員及時疏散起到至關重要的作用。

國內外專家學者對隧道橫通道間距做出了大量研究及探索，并取得了一定的成果。曹校勇等[1]通過數值模擬分析安全疏散和火災擴散過程，對超高海拔特長公路隧道橫通道間距設置進行研究，并對隧道橫通道間距給出了建議；楊高尚等[2]研究公路隧道的橫通道間距，得到了雪峰山隧道對人員疏散最適宜的橫通道間距；呂鋒等[3]對比分析了錢江隧道明挖段和暗挖段疏散通道的設置方式及間距；任其亮[4]對特長公路隧道避難聯絡通道間距設置進行研究，提出雪峰山隧道避難聯絡通道設置間距最優值；安永林等[5]對特長公路隧道內的橫通道間距和車行間距進行研究，提出隧道橫通道最佳間距及隧道內車距。

目前國內外學者主要針雙洞隧道的橫向聯絡通道展開研究，對大跨徑特長明挖隧道中部的安全通道研究較少。大跨徑特長水下隧道安全門寬度及間距應如何設置，既能滿足隧道車行洞內人員疏散要求，又能節約建安費，是這類工程建設需要重點研究的內容。研究對象為江蘇某大跨徑水下特長隧道，運用人員疏散模擬軟件Pathfinder對不同安全門寬度、間距條件下的人員疏散情況進行了研究。

1 數值模擬

1.1 模型建立

Pathfinder軟件是一套直觀、易用的新型的智能人員緊急疏散逃生評估系統。研究對象為江蘇某大跨徑水下特長隧道，通過人員疏散模擬軟件Pathfinder建立數值仿真模型。

根據《公路隧道通風設計細則》[6](JTG/T D70/2-02—2014)3.3.2條規定：“對于長度L≤1000m的隧道可不考慮交通阻滯；對于長度L>1000m的隧道，阻滯段宜按每車道長度為1000m計算。為了使研究具有更廣泛的適用性，選取的疏散場景為：隧道內交通阻滯(車速為30km/h)發生火災，隧道阻滯長度按1km計；火災發生于阻滯段中間位置，人員疏散時火災阻滯區域1km范圍內的安全門全部打開，為了便于研究，在模擬時規定：逆著行車方向，交通阻滯區域1km范圍內的安全門的編號依次為1#、2#、3#……8#安全門。隧道內安全門布置示意圖如圖1所示。

圖1 隧道內安全門布置示意圖

建立平面幾何尺寸為1000m×16.7m(長×寬)的隧道模型，將車輛布置在除緊急車道之外的三條車道上，依據《中華人民共和國道路交通安全法》等交通規定：大車(中貨車、大貨車、汽車列車、大客車)在外側的1條行車道行駛，其余車輛在內側2條車道行駛。所建立的物理模型如圖2所示。

圖2 隧道人員疏散物理模型詳圖

根據最不利工況，所有車輛按照滿載計算確定疏散人數為2360人，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、老年人四大類。研究隧道車行洞內所有人員疏散至安全通道所需時間。表1為隧道火災時人員疏散特征值。

表1 人員疏散特征值

1.2 工況設置

隧道車行洞內發生火災后，需要對隧道內乘客進行緊急疏散，若安全門寬度過小，大量人員在隧道內疏散時，人員在安全門處會發生嚴重擁堵，從而影響人員的通行速度，隧道車行洞人員疏散時間增長。但是，安全門寬度加寬，土建造價也會提高。因此，選擇設置適當的安全門寬度，不但可以滿足人員在隧道車行洞人員安全疏散，同時也能節約投資。

不同安全門寬度工況表如表2所示。

表2 不同安全門寬度工況表

隧道發生火災后，需要對隧道車行洞內乘客進行緊急疏散，若安全門間距過大，同等阻塞長度下的安全門數量越少，同時一個安全門所承擔的疏散總人數增多，造成安全口處人員過多、人員擁擠，從而影響人員的行走速度，增加了隧道車行洞內人員疏散時間，人員的安全難以保障。但是，安全口間距過小，造價也會提高。因此選擇設置適當的安全門間距，不但可以滿足隧道車行洞內人員安全疏散，同時也能減少建安費。

在人員疏散的過程中，橫通道寬度和防護門寬度哪個是影響疏散時間的主要因素，或是共同作用于人員疏散的過程還有待研究。因此，需對橫通道寬度以及防護門寬度進行組合分析，研究不同組合工況如何影響人員疏散時間。橫通道寬度和防護門寬度的組合工況如表3所示。

表3 不同安全門間距工況表

2 疏散模擬結果分析

2.1 安全門寬度對隧道車行洞人員疏散時間的影響

不同安全門寬度工況模擬時間如表4所示。

表4 不同安全門寬度工況模擬時間表

不同安全門寬度對隧道車行洞人員疏散時間影響趨勢如圖3所示。

圖3 不同安全門寬度對隧道車行洞人員疏散時間影響

選取幾種典型的模擬結果，如圖4所示：安全門間距為100m，不同安全門寬度下，TRSET為360s時，1#安全門附近的人員分布圖。

圖4 安全門間距100m，不同安全門寬度下，TRSET=360s時，1#安全門附近的人員分布圖

由圖3及表4可知：同一安全門間距下，安全門寬度由W=1.2m逐漸增加至W=2.1m時，隧道車行洞人員疏散時間逐漸減??；當寬度增大到一定值后，疏散時間變化幅度減小且趨于平穩。安全門寬度的取值對人員必需安全疏散時間TRSET影響較大，且安全門間距越大，安全門寬度對疏散時間的影響程度就越大。

由圖4可知：安全門間距L=100m，TRSET為360s時，安全門寬度為W=2.1m、W=1.8m工況下，隧道人員已幾乎全部疏散至安全通道；W=1.5m、W=1.2m工況，1#安全門擁堵情況依然存在。

結合上述分析，隧道行車洞內人員安全疏散的結論如下：

(1)在安全門間距一定的條件下，人員必需安全疏散時間TRSET隨著安全門寬度改變時呈現的規律一致，即：隨著安全門寬度的增大均呈現出先大幅減小，當寬度增大到一定值后，疏散時間變化幅度減小且趨于平穩。分析原因為：對于超長隧道人員較多，安全門疏散負擔較重。當安全門寬度在1.2～1.8m時，其疏散能力偏小，與超長隧道人員疏散匹配度較差；當安全門寬度在1.8～2.1m時，其疏散能力較好，與超長隧道人員疏散匹配度較好，人員棄車逃生到安全門處擁堵情況得到明顯改善，在此情況下繼續增加安全門寬度對疏散時間影響有限。

(2)隨著安全門寬度增加，疏散時間減小，當安全門的寬度達到一定時，疏散時間趨于穩定，不再減小，一味增加安全門寬度沒有意義，且造成施工難度及建安費的大幅增加，反而不利。

因此，綜合考慮土建成本與人員必需安全疏散時間TRSET，并結合隧道類型及相關的規范要求，建議實際工程中，若隧道為城市隧道，推薦安全門的寬度W取1.8m，既可達到較好的人員疏散效果又能節約土建建安費；若隧道為公路隧道，推薦安全門的寬度W取2.1m，可達到較好的人員疏散效果，避免安全門寬度進一步增大，造成不必要的建安費投入。

2.2 安全門間距對隧道車行洞人員疏散時間的影響

不同安全門寬度工況模擬時間如表5示。

表5 安全門間距工況模擬時間表

不同安全門寬度對隧道車行洞人員疏散時間影響趨勢如圖5。

圖5 不同安全門間距對隧道車行洞人員疏散時間影響

選取幾種典型的模擬結果，圖6是在安全門寬W=1.8m，不同安全門間距下，TRSET為360s時，1#安全門附近的人員分布圖。

圖6 安全門寬度1.8m，不同安全門間距下，TRSET=360s時，1#安全門附近的人員分布圖

由圖5及表5可知：安全門寬度為1.2m時，安全門間距由80m增加至100m，隧道車行洞人員疏散時間增加55s；安全門間距由100m增加至120m，疏散時間增加74s；安全門間距由120m增加至150m，疏散時間增加91s。安全門寬度為1.8m工況時模擬結果類似?？梢?，隨著安全門間距的增加，隧道車行洞人員疏散時間越長；安全門間距超過100m后，隧道車行洞人員疏散時間增加的程度加大；且安全門寬度越小，隨著安全門間距的加大，隧道車行洞人員疏散時間增加的程度更加明顯。

由圖6可知：安全門寬W=1.8m，TRSET為360s時，安全門間距L=80m及L=100m工況，1#安全門均未出現擁堵現象；L=120m工況時，1#安全門擁堵現象較為嚴重；L=150m工況時，1#安全門擁堵情況更嚴重。

綜上所述，分析得到隧道車行洞內人員疏散的結論如下：

(1)安全門間距越大，隧道車行洞人員疏散時間越長；安全門間距越小，隧道車行洞人員疏散時間越短。

上述結果主要因為安全門間距越大，同等阻塞長度下的安全門數量越少，即同時一個安全門承擔的疏散人數增多，人員疏散距離加大，隧道車行洞內人員疏散時間越長。同理，安全門間距越小，則相反。

(2)安全門間距越大，1#安全門擁堵時間越長，擁堵程度越高；安全門間距越小，1#安全門擁堵時間越短，擁堵程度大大緩解。

安全門間距為80m時，與間距100m相比，隧道車行洞內人員疏散時間、人員擁堵程度降低的不明顯；且安全門間距越小，工程造價會相應增加。另外，安全門間距為100m時，基本能滿足隧道車行洞內人員安全疏散要求，結合人員疏散及工程設計兩方面因素，建議安全門間距采用100m。

因此，綜合考慮土建成本與人員必需安全疏散時間TRSET，并結合相關規范要求，建議實際工程中安全門間距采用100m。

3 結論

運用Pathfinder軟件對某大跨徑水下特長隧道車行洞的人員疏散進行了模擬研究，主要結論如下：

(1)安全門寬度對隧道車行洞內人員疏散有較大影響，安全門寬度越大，人員疏散時間越短，擁堵程度越小，擁堵時間越短。推薦安全門的寬度W取1.8m或者2.1m，既可達到較好的人員疏散效果又能節約土建建安費。

(2)安全門間距對隧道車行洞內人員疏散有較大影響，安全門間距越大，人員疏散時間越長，擁堵程度越大，擁堵時間越長。綜合考慮土建成本與人員必需安全疏散時間TRSET，并結合相關規范要求，推薦安全門間距采用100m。