水下明挖隧道防護門設置對疏散救援影響研究

趙超峰

(中鐵第五勘察設計院集團有限公司 北京市 102600)

0 引言

鐵路隧道防災救援問題是關注的重點，尤其在水下鐵路隧道受到水體的制約，很難修建斜豎井進行防災救援。國內外學者對隧道中人員疏散的問題進行了大量研究。王明年等[1]利用仿真軟件，對不同橫通道間距、橫通道寬度和站臺寬度等參數下的人員疏散時間進行計算，給出鐵路隧道緊急救援站疏散設施設計參數建議值；謝勇濤等[2]對緊急救援站的長度、橫通道設置的數量以及站臺寬度、高度等參數給出了簡單建議值;李琦等[3]，針對人員疏散全過程的試驗和數值模擬研究，得到列車在長大鐵路隧道內發生火災時人員疏散的時間和速度值；周偉[4]利用行人仿真軟件對太湖隧道進行了火災條件下人員疏散行為的數值模擬，得出縱向間距80m和300m的疏散橫通道對應的人員疏散逃生時間為10.5min和13.5min，驗證了太湖隧道橫通道設置間距125m這一方案的合理性;馬偉斌等[5]從施工和運營2個方面闡述鐵路長大隧道防災疏散救援技術體系，提出救援總體原則。

目前國內外學者主要針對特長隧道的救援站長度、橫向聯絡通道、站臺開展研究，對特長明挖隧道救援站防護門設置對疏散救援的影響研究較少。以某明挖雙洞單線水下特長隧道救援站為研究對象，運用人員疏散模擬軟件Pathfinder對救援站不同防護門寬度、間距條件下的人員疏散情況進行研究，確定救援站防護門的設計思路及方法，不僅可以保證事故列車停靠在緊急救援站時人員疏散的安全，也可以控制緊急救援站的建設成本，對鐵路隧道緊急救援站的設計具有指導作用。

1 數值模擬

1.1 模型建立

Pathfinder仿真工程軟件是一種基于人員疏散和移動模擬系統，可模擬正常與緊急狀況下人員疏散情況。Pathfinder 軟件通過對行人各項參數定義，行人行為根據疏散環境變化作出響應，以選擇最優疏散路徑。

以某明挖水下特長隧道為研究對象，通過人員疏散模擬軟件Pathfinder建立數值仿真模型。隧道長度約39km，為明挖雙洞單線隧道，隧道中部設置一座緊急救援站，長度為450m，用于人員疏散救援。

1.2 明挖法救援站模型

根據國內外典型隧道緊急救援站的設置情況，本次模擬針對了以下條件：

(1)模擬火災的客運列車車型全長399.27m，寬3.257m，高3.89m。共16節車廂，車門寬0.73m，全車定員1015人，超員20%時可達1218人。按照實際比例對每節車廂進行建模，按照具體的人員荷載設置相應的人員參數。

(2)疏散模擬時，選定整列列車，置于救援站中部，模擬救援站長度為450m。雙洞單線隧道中，人員由著火列車通過防護門穿過待避空間，疏散至對側隧道，則認為人員已進入安全區域。

(3)雙洞單線隧道中待避空間長450m、寬10m。

(4)根據救援站的內部結構，針對以下結構參數進行模擬分析：

①防護門間距的影響。模擬分析了防護門間距為50m和60m時，人員疏散時間及防護門口的人員密度變化。

②防護門寬度的影響。模擬分析了防護門寬度為2.0m、2.3m、2.6m時，人員疏散時間及防護門口的人員密度變化。

1.3 人員參數設置

人員特性會對應急疏散結果產生直接影響，包括人員性別、年齡、認知程度等。模擬軟件雖然可實現對每個個體的屬性設置，但逐一設置并不具有普適性意義，保證仿真結果貼近實際的有效做法就是對人員以類別劃分，進行特性設置，選擇以人員年齡和性別來進行劃分。根據年齡將人員劃分為三類：兒童、成年人、老年人。再將人員組成中占比較高、步速差異受性別因素較大的成年人群體細分，最終仿真環境中將人員分為兒童、成年男性、成年女性、老年人四大類，如表1所示。

表1 人員疏散特征值

1.4 工況設置

雙洞單線隧道中，明挖法區間隧道內的救援站，需研究防護門間距與防護門寬度兩個參數。防護門間距50m和60m；防護門寬度取2.0m、2.3m、2.6m。防護門間距及寬度工況設置如表2所示。

表2 防護門間距及寬度工況表

2 疏散模擬結果分析

雙洞單線隧道救援站平面圖及疏散路徑如圖1所示。為充分考慮人員的安全，數值模擬中，人員疏散至對側疏散站臺才算疏散完成。

圖1 雙洞單線隧道救援站人員疏散路徑

人員疏散路徑為：列車停靠緊急救援站→車上人員疏散至救援站站臺→通過防護門→進入待避空間→通過防護門→進入對側隧道的疏散站臺→等待救援車輛疏散。

防護門間距及防護門寬度變化對人員安全疏散的影響結果如表3所示。不同防護門寬度下，人員疏散時間的變化如圖2所示。防護門間距50m，未考慮煙氣時，人員密度變化如圖3所示。防護門間距50m，考慮煙氣時，人員密度變化如圖4所示。防護門間距60m，未考慮煙氣時，人員密度變化如圖5所示。防護門間距60m，考慮煙氣時，人員密度變化如圖6所示。

由表3和圖2可知，在同一防護門寬度下，未考慮煙氣時，防護門間距為50m和60m時，人員總體疏散時間基本一致；考慮煙氣時，防護門間距為50m時的疏散時間明顯比防護門間距為60m時的疏散時間短，防護門間距為60m時，人員疏散最長時間為235s。未考慮煙氣情況下，防護門間距為50m和60m時，人員疏散的總體時間基本不隨防護門寬度的增大而減小；考慮煙氣情況下，防護門間距為50m和60m時，人員疏散的總體時間隨著防護門寬度的增加呈單調遞減趨勢。

表3 不同防護門間距及寬度下人員疏散時間表

圖2 不同防護門寬度下，人員疏散時間的變化

圖3 防護門間距50m，未考慮煙氣時，人員密度變化

圖4 防護門間距50m，考慮煙氣時，人員密度變化

圖5 防護門間距60m，未考慮煙氣時，人員密度變化

圖6 防護門間距60m，考慮煙氣時，人員密度變化

由圖3可知，防護門寬度為2.0m時，防護門口的人員密度大于防護門寬度為2.3m和2.6m時防護門口的人員密度，說明防護門寬度為2.0m時，防護門口存在輕微堵塞。防護門寬度為2.3m時，防護門口人員密度最大值僅為1.4人/m2，此時防護門口的擁擠程度在可接收范圍內，即發生人員踩踏事故的概率極小。由防護門間距50m，考慮煙氣時人員密度變化圖(圖4)可知，隨著防護門寬度的增加，防護門口處的人員密度逐漸減小。防護門寬度為2.0m時，防護門口人員密度最大值為2.3人/m2；防護門寬度為2.3m時，防護門口人員密度最大值為1.7人/m2；防護門寬度為2.6m時，防護門口人員密度最大值為1.3人/m2。由圖5可知，防護門寬2.0m時，防護門口人員密度最大，最大值為3.0人/m2；防護門寬度為2.3m和2.6m時，防護門口人員密度基本一致，最大值為1.5人/m2。由圖6可知，隨著防護門寬度的增加，防護門口處的人員密度逐漸減小。防護門寬度為2.0m時，防護門口人員密度最大值為3.3人/m2；防護門寬度為2.3m時，防護門口人員密度最大值為3.0人/m2；防護門寬度為2.6m時，防護門口人員密度最大值為2.5人/m2。

防護門間距越小，人員總疏散時間越短，但防護門間距為60m時，在考慮煙氣的情況下，人員全部疏散完成的時間不足4min，完全滿足《鐵路隧道防災救援工程設計規范》(TB 10020-2017)中規定人員6min內全部疏散完成的要求。因此，防護門間距取50m和60m均可。綜合考慮防護門間距為50m、60m以及是否考慮煙氣的情況，防護門寬度不應小于2.3m。

3 結論

運用Pathfinder軟件對某明挖水下特長隧道的人員疏散進行了模擬研究，分析了救援站防護門寬度、防護門間距對人員安全疏散的影響，結論如下：

(1)未考慮煙氣時，防護門間距為50m和60m時，人員總體疏散時間基本一致；考慮煙氣時，防護門間距為50m時的疏散時間比防護門間距為60m時的疏散時間短。

(2)明挖雙洞單線隧道，取防護門間距為50m，防護門寬度2m，站臺寬度為2.3m時的疏散時間225s作為必須安全疏散時間的參考工況，考慮到最不利情況并考慮一定安全系數，本隧道人員疏散必需安全疏散時間可取為290s。