高速鐵路超大直徑水下盾構隧道防災疏散救援研究

馮天煒

(中國鐵路設計集團有限公司,天津 300308)

引言

隨著我國城市化進程的加速發展,地下空間的利用越來越頻繁,水下隧道工程技術也得到了快速發展,截至2020年年底,我國共修建245座水下隧道[1]。水下隧道具有不侵占航道凈空、不受氣候條件影響、可全天候通車且對生態環境干擾小等特點[2],修建優勢越來越突出。水下隧道快速發展的同時也對防災疏散安全提出了許多新的問題,相對于山嶺隧道,水下隧道無條件設置橫洞、斜井、平行導坑等作為輔助疏散通道及通風單元,相對于城市隧道,水下隧道的長度更長,通向地面的緊急出口數量更少,導致隧道內人員疏散更加集中,救援條件更為不利。對于單洞雙線水下隧道,無法采用加密橫通道的方式提高疏散效率,只能通過底部疏散廊道進行疏散[3]。因此,研究如何科學利用其軌下口形結構內部空間進行疏散和救援是十分必要的。

國內外學者在隧道的防災疏散方面開展了大量研究,王明年等[4-8]開展了多項專題研究,對鐵路隧道防災疏散救援設計理念、土建設施、排煙控制、人員疏散救援等進行了系統研究,為高速鐵路隧道防災疏散救援工程提供借鑒;劉雨竹等[9]依托甬舟鐵路金塘海底隧道,對火災情況下盾構隧道豎向疏散通道采用滑梯的可行性進行研究,并提出了疏散滑梯的最優線形;施曉群[10]以長大鐵路水下隧道為研究對象,對火災荷載分布、人員疏散行為特征及過程進行研究,通過定量計算通風臨界風速及安全疏散所需時間,并提出了水下隧道消防安全的措施及應急救援策略;鄧敏等[2]以某水下公路隧道工程為背景,對火災情況下不同疏散口間距的疏散時間進行對比分析并提出了最優值;方銀鋼等[11]以上海長江隧道工程為背景,對疏散排煙系統進行數值模擬研究,并提出火災時的疏散救援相關措施和建議;曾艷華等[12]依托媽灣跨海盾構隧道,研究樓梯、滑梯、橫通道+樓梯3種疏散模式對人員疏散的影響,提出各疏散模式最佳疏散口間距與適用范圍;王夢琦等[13]以某海底特長公路隧道工程為實例,對火災工況下豎向疏散和橫豎向疏散相結合的兩種方式進行對比分析。

現有學者對水下隧道研究多集中在公路隧道領域[14-18],鐵路隧道領域研究相對較少,且防災救援疏散及相關措施的研究多針對于火災情況,并未結合水下隧道工程概況,綜合考慮隧道防災疏散原則,對具體的疏散方案及相關參數開展研究。因此,以崇太長江隧道為依托,通過運規組織對火災工況下列車停靠位置進行分析,明確隧道工程的防災疏散原則,并結合隧道土建工程,提出防災疏散方案,并采用疏散仿真模擬,對各疏散方案進行對比評價,確定合理的軌下疏散口間距、最優的疏散方案及避難所設計方案,為雙線鐵路特長水下隧道防災疏散救援提供借鑒。

1 工程概況

崇太長江隧道線路在太倉七丫口入地,穿過長江南支南堤后,進入水域寬闊的長江水下,通過長江南支水域,并穿過南支北堤后,在崇明島萬安村附近出洞。隧道進口位于江蘇省蘇州市太倉市,距離太倉站約13.35 km,隧道出口位于上海市崇明區,距離崇明站約2.36 km,平面示意如圖1所示。隧道起訖里程DK47+550～DK61+770,全長14.22 km,其中下穿長江段約10.5 km,采用盾構法施工,襯砌結構型式為預制鋼筋混凝土管片+現澆鋼筋混凝土內襯。管片外徑14.8 m,內徑13.5 m,厚650 mm,幅寬2.0 m;內襯外徑13.5 m,內徑12.9 m,厚300 mm,隧道工法段落劃分示意如圖2所示。

圖1 崇太長江隧道平面示意Fig.1 The schematic diagram of the Chongming-Taicang Yangtze River Tunnel

圖2 崇太長江隧道段落劃分示意(單位:m)Fig.2 The schematic diagram of the construction method of the Chongming-Taicang Yangtze River Tunnel (unit: m)

2 防災救援疏散設計原則

2.1 火災列車停靠位置研究

根據現行TB10020—2017《鐵路隧道防災疏散救援工程設計規范》[19],隧道工程防災疏散救援總體設計原則應滿足下述要求:列車在隧道內發生火災時,應控制列車駛出隧道并進行疏散,當列車不能駛出隧道,應控制列車停靠在緊急救援站進行疏散和救援。火災事故發生后殘余能力受控車型為動車組,發生火災后喪失動力比例最大的動車組為4M+4T,動力損失1/4與1/2時,對應的列車剩余運行能力分別相當于3M+5T與2M+6T。根據本工程運規組織及規范要求,對不同運行工況、著火點位置及動力損失的工況下,火災列車的可能停靠位置進行分析,具體工況見表1。

表1 列車火災故障時停靠位置分析工況Tab.1 The analysis condition of stopping position of the train fire failure

根據計算結果,火災列車在殘余動力運行下,太倉至崇明方向的運行列車均可停靠在崇明站,崇明至太倉方向的運行列車均可停靠在太倉站,不會發生火災列車在隧道內停靠的情況,因此,本隧道工程的防災疏散救援僅針對列車故障工況進行分析。

2.2 防災救援設計原則

根據現行規范[19]要求,結合列車在太倉站—崇明站區間發生火災情況下停靠位置分析結果,確定崇太長江隧道防災疏散救援設計原則。

(1)隧道防災疏散救援工程設計遵循“以人為本,安全疏散,自救為主,方便救援”的原則。

(2)列車在隧道內發生火災或著火列車經過隧道時,應控制列車駛出隧道并停靠在崇明站或太倉站進行疏散和救援。

(3)崇太長江隧道水下盾構段長度超過10 km且不具備設置緊急出口的條件,考慮利用盾構段底部空間作為疏散通道或避難所,同時應配置滿足人員疏散安全的通風設施。

3 防災疏散救援方案對比分析

3.1 防災疏散救援方案

根據現行規范[19]的要求,長度10 km及以上的單洞隧道,應在洞身段設置不少于1處緊急出口或避難所。長江隧道由明挖段與盾構段組成,盾構段由3個豎井分割為兩個段落,根據洞身緊急出口數量的不同分為3個疏散方案:方案一,2號豎井作為緊急出口;方案二,2號與3號豎井作為緊急出口;方案三,1號、2號與3號豎井均作為緊急出口。各防災疏散方案分別如圖3～圖5所示。

圖3 方案一防災疏散示意(單位:m)Fig.3 The disaster prevention and evacuation diagram of plan 1 (unit: m)

圖4 方案二防災疏散示意(單位:m)Fig.4 The disaster prevention and evacuation diagram of plan 2 (unit: m)

圖5 方案三防災疏散示意(單位:m)Fig.5 The disaster prevention and evacuation diagram of plan 3 (unit: m)

3.2 計算方法及參數

防災疏散方案模擬采用Pathfinder人員疏散軟件,分析時選用Steering模式,即考慮真實因素,使用路徑規劃、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,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,計算模型如圖6所示。

圖6 防災疏散方案計算模型Fig.6 The calculation model of disaster prevention and evacuation plan

計算模型以16編組動車組列車為對象進行分析,列車總長400 m,考慮超載及乘務人員后為1 495人(計算時取整按1 500人考慮),人員組成比例見表2,疏散通道尺寸見表3。

表2 疏散人員組成及數量Tab.2 The composition and number of evacuees

表3 疏散通道尺寸參數 m×mTab.3 The dimensions of evacuation channel

疏散人員的行走速度主要與人員類型與地面平坦度有關。計算分析時,假定洞內照明條件為5 lx[20],軌面疏散為人員在不平坦地面無煙條件下行走,軌下疏散為人員在平坦地面無煙條件下行走,疏散行走速度見表4[19-21]。

表4 疏散人員速度參數 m/sTab.4 The speed parameters of evacuees

3.3 軌面疏散口間距合理值研究

軌面疏散口設置于盾構段,用于連接軌面疏散通道與軌下疏散廊道。當采用軌下疏散廊道時,人員疏散路徑為:車上人員→下車至行車道層救援通道→沿救援通道繞過事故列車→跨過軌道進入隧道中線→沿樓梯道進入軌下疏散廊道→沿廊道進入兩端工作井→沿工作井出地面。從疏散路徑可以看出,軌面疏散口間距將對人員疏散時間產生影響,影響疏散效率。因此,防災疏散方案對比分析前,應先對軌下疏散口間距的合理值進行確定。

根據現行規范[19]要求,盾構隧道豎向通道沿隧道長度方向的間距不宜大于200 m。本次研究結合類似工程情況,針對200,150,100,75,50 m等常用的5種疏散口間距,以安全疏散時間與擁堵時間作為計算指標進行對比分析,計算結果如圖7所示。

圖7 不同軌面疏散口間距疏散時間Fig.7 The time of different evacuation opening distance

由圖7可知,安全疏散時間隨軌面疏散口間距的增大呈增長趨勢,當間距超過100 m時,各工況疏散時間差別較小;擁堵時間隨軌面疏散口間距增大呈增長趨勢,疏散口間距<75 m時,不會發生擁堵,故確定軌面疏散口間距的最優值為75 m。

3.4 疏散方案對比研究

在軌下疏散口間距為75 m的條件下,以疏散時間作為指標對各疏散方案進行對比分析。疏散時間計算原則如下。(1)軌面疏散的疏散時間以事故列車停止人員疏散開始,至最后一人疏散至隧道進口、出口或緊急出口為止,為安全疏散時間。(2)軌下疏散的疏散時間包括兩部分:一是從事故列車停止人員疏散開始,至最后一人進入軌下廊道內為止,為安全疏散時間;二是從最后一人進入軌下廊道開始至最后一人疏散至隧道進口、出口或緊急出口為止,為廊道走行時間(不含豎井內豎向疏散時間),各方案疏散時間模擬結果分別見表5～表7。

表5 疏散方案一模擬計算結果Tab.5 The simulated calculation results of the disaster prevention and evacuation of plan 1

表6 疏散方案二模擬計算結果Tab.6 The simulated calculation results of the disaster prevention and evacuation of plan 2

根據表5～表7,方案一采用軌面疏散的方式,疏散控制段落為2號豎井～出口段,最大疏散距離為5.84 km,控制疏散時間為10 668.3 s。

相對于方案一,方案二中2號～3號豎井盾構段采用軌面+軌下疏散方案,安全疏散時間716.5 s,廊道走行時間為8 085.8 s;疏散控制段落為進口～2號豎井段,最大疏散距離為1.27 km,控制疏散時間為3 291.5 s,較方案一降低69%。

相對于方案二,方案三中1號～2號豎井盾構段采用軌面+軌下疏散方案,安全疏散時間716.5 s,廊道走行時間為1 613.8 s;疏散控制段落為進口～1號豎井段,最大疏散距離為0.32 km,控制疏散時間為1 667 s,較方案二降低49%,較方案一降低84%。

綜合對比分析,方案三中疏散控制時間及各段落的疏散時間均為最短,同時考慮到3種方案所對應的土建工程配套均相同,僅在防災救援設施方面有所差異,對工程投資影響較小。因此,確定方案三為推薦方案。

根據上述計算分析,采用軌下疏散時,最長走行距離約5.61 km,廊道走行時間為8 085.8 s,約2.25 h,走行距離與疏散時間均較長,不利于疏散過程中的安全,故考慮利用軌下空間設置避難所作為待避空間。

4 避難所設計及救援方案

4.1 避難所設計

根據現行規范[19]的要求,避難所設計應滿足如下要求:(1)長度10 km及以上的單洞隧道,應在洞身段設置不少于1處緊急出口或避難所;(2)設置避難所的輔助坑道斷面凈空尺寸不宜<4.0 m×5.0 m(寬×高);(3)避難所內應設置待避區,待避面積不宜<0.5 m2/人。

根據崇太長江隧道盾構段橫斷面設計方案,軌下空間凈空尺寸為4.0 m×2.5 m(寬×高),雖達不到規范中凈空高度的要求,但可滿足人員通行和待避。根據計算結果,避難所長度330 m/處,具體布設方案如圖8、圖9所示。隧道范圍內共設置4處,其中1號～2號豎井盾構區間中部1處,2號～3號豎井盾構區間設置3處,具體設置里程見表8,布設平面如圖10所示。

表8 避難所設置里程Tab.8 The locations of the evacuation shelters

圖8 避難所設計方案橫斷面(單位:mm)Fig.8 The cross section of the evacuation shelter design scheme(unit: mm)

圖9 避難所設計方案平面(單位:mm)Fig.9 The plan of the evacuation shelter design scheme(unit: mm)

圖10 隧道避難所布設平面(單位:m)Fig.10 The layout plan of the evacuation shelters in tunnel (unit: m)

4.2 隧道救援

根據圖10可知,避難所間及其與緊急出口的最小距離約950 m,最大距離約3 000 m。綜合分析,隧道內采用定點救援方式,各段落救援方案具體如下。

(1)故障列車停靠在隧道進口～1號豎井之間時,疏散人員沿線路兩側的救援通道通過隧道進口到達洞外。

(2)故障列車停靠在1號～2號豎井之間時,疏散人員沿線路兩側救援通道進入軌下疏散廊道,行至避難所1處待避,軌面救援列車于避難所1處進行定點救援。

(3)故障列車停靠在2號～3號豎井之間時,疏散人員沿線路兩側救援通道進入軌下疏散廊道,按就近原則,選擇避難所2、3、4進行待避,軌面救援列車根據人員待避情況進行定點救援。

(4)故障列車停在3號豎井～隧道出口之間時,走行距離較短,乘客可沿線路兩側的救援通道通過隧道出口到達洞外。

5 結論

通過對高速鐵路超大直徑水下盾構隧道防災疏散救援研究,得到以下結論。

(1)當火災列車在殘余動力運行下不發生在隧道內停靠的情況時,隧道工程的防災疏散救援可僅針對列車故障工況進行分析。

(2)隨著軌面疏散口間距增大,安全疏散時間與擁堵時間均呈增長趨勢,當疏散口間距超過100 m時,疏散時間差別較小;疏散口間距<75 m時,不會發生擁堵;建議軌下疏散口最優間距為75 m。

(3)從疏散時間與工程投資角度分析,方案三控制疏散時間為1 667 s,較方案二降低49%,較方案一降低84%,緊急出口數量增加,可有效降低疏散控制時間,應結合土建工程,通過投資效果分析,確定推薦疏散方案。

(4)人員走行距離與時間均較長,不利于疏散過程中的安全,利用軌下空間設置避難所作為待避空間,避難所參數為330 m×4.0 m×2.5 m(長×寬×高)。

(5)基于避難所布設方案,隧道救援采用定點救援方式,疏散人員應按照就近原則選擇避難所待避,并根據待避情況進行軌面救援。