隧道巖體崩落災害下施工人員疏散模擬方法研究

摘 要 ：在隧道工程建設過程中，巖體崩落等安全事故屬于常見的危險情況。為能夠綜合考慮到巖體坍塌這類動態危險障礙物對隧道內施工人員應急疏散的影響，選取某高原地區鐵路隧道工程作為研究對象，運用元胞自動機理論（CA）構建了隧道內人員與動態危險障礙物（如落石）軌跡交互模型，并研發了巖體崩落時的人員疏散模擬方法。在此基礎上，對隧道內不同巖體崩落災害等級和范圍下的應急疏散過程進行了分級分段的數值模擬和討論。結果表明：開發的數值模擬方法能夠準確地模擬出不同災害等級下人群在巖體崩落時的疏散過程和傷亡情況；根據模擬結果可知，當發生同一等級的巖體崩落事故時，隨著災害范圍的擴大，受傷人數增加，整體疏散速度變慢，從而導致疏散時間延長；同時，災害等級也是影響施工人員安全的主要因素，災害等級越高，坍塌巖塊的密度越大，從而增加了臨災群體受傷和死亡的概率。該疏散模型為隧道災害條件下施工人員應急疏散提供了參考依據。 "關鍵詞 ：隧道施工；巖體崩落災害；元胞自動機；應急疏散

中圖分類號：X 947

文獻標志碼： A

文章編號： 1672 - 9315（2024）02 - 0319 - 09

DOI ：10.13800/j.cnki.xakjdxxb.2024.0212 "開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

Simulation method of construction personnel evacuation

under tunnel rock caving disaster

ZHAI Yue，ZHANG Yumo，QU Lu，DU Jing

（School of Geology Engineering and Geomatics，Chang’an University，Xi’an 710054，China） "Abstract ：

In the process of tunnel construction，safety accidents such as rock caving are common dangerous situations.In order to comprehensively consider the impact of dynamic dangerous obstacles such as rock collapse on the emergency evacuation of construction personnel in the tunnel，this study selected a railway tunnel project in a plateau area as the research object，used cellular automata theory（CA）to build a trajectory interaction model between personnel and dynamic dangerous obstacles（such as rock fall）in the tunnel，and developed a personnel evacuation simulation method when rock collapse occurred.On the basis of this，the numerical simulation of and the discussion about the emergency evacuation process under different disaster levels and ranges of rock mass collapse in the tunnel were carried out.The results show that the numerical simulation method developed in this paper can accurately simulate the evacuation process and casualties under different disaster levels.According to the simulation results，when a rock mass collapse accident of the same level occurs，with the expansion of the disaster scope，the number of injured people increases，and the overall evacuation speed slows down，resulting in a prolonged evacuation time.At the same time，the disaster level is also the main factor affecting the safety of construction personnel.The higher the disaster level，the greater the density of collapsed rock blocks，thus increasing the probability of injury and death of disaster prone groups.The evacuation model provides a reference for emergency evacuation of construction personnel under tunnel disaster conditions. "Key words ：tunnel construction；rock collapse disaster；cellular automata；emergency evacuation

0 引 言

21世紀是隧道建設和地下空間利用大發展的時代。中國正在建設的隧道越來越趨向于深埋超長工程[1]。正在施工或即將施工的高海拔地下隧道大多具有距離遠、埋深大、地溫高和地質條件復雜等特點[2]，并且由于高海拔地區惡劣的環境地質條件和復雜的氣候條件，隧道施工過程中極易出現巖爆崩塌、高地溫、突水突泥和軟巖大變形等工程地質災害耦合問題[3]。由此可見隧道工程建設是一項高風險的工程項目，存在多種不確定性因素。由于此工程的施工環境極為封閉，隧道內危險因素極多，疏散通道有限，所以一旦隧道內發生安全事故，不宜逃生與救援，往往會造成嚴重的 人員傷亡，同時也會給國家帶來重大的經濟損失[4]。

國內外學者針對隧道施工安全及疏散問題開展了大量研究。美國麻省理工學院EINSTEINH H在1974年最先提出了隧道工程風險分析的特點和應遵循的理念，并在1998年從計算機輔助決策方面建立了隧道風險評價的輔助決策系統[5]。

BRUSSAARD L A等對單向和雙向長隧道進行了分析，運用VTI模型計算危險物品運送發生事故的頻率，并通過模擬運輸危險物品在隧道中發生災害，分析出災害事件的結果，為決策者提供了隧道內設施和災害交互影響的比重信息[6]；HELIOVAARA等對行人的疏散行為和疏散出口的選擇進行試驗研究后，發現當存在2個不對稱出口時，疏散者難以憑借自身判斷做出最佳的疏散出口選擇[7]；HAGHANI M等通過研究發現，在正常情況下，疏散效果的主要影響因素是疏散者與疏散出口之間的距離，而在應急情況下，疏散效果的主要影響因素是疏散出口的人員密度[8]；ELZIET等在疏散仿真模擬研究中發現了團體效應對疏散效率有影響，其中疏散時間與疏散者中的平均團體規模呈正比趨勢[9]；楊高尚等以特長公路隧道為研究對象，通過研究人員疏散橫通道設置情況，為隧道內人員疏散及應急體系的建立提供了理論基礎[6]；丁浩等主要研究隧道發生交通事故時，不同階段的應急救援對救援速度產生的影響因素[11]；彭偉等通過FDS對特定長度的公路隧道中不同火源功率下的人員疏散進行了模擬，并針對該情景尋求了適當的控煙策略和疏散舉措[12]；蘆興敏等以敦格鐵路（敦煌—格爾木）高原高海拔隧道工程為背景，通過計算在火災不利場景下的人員疏散時間，驗證了緊急救援站疏散救援通道設計的可靠性，提出了針對隧道內車輛火災的應急處理方案和人員安全快速疏散策略[13]；崔鵬等評估了急上高原人員的運動能力，并得出了急上高原人員在不同海拔下的疏散速度折減公式和高海拔鐵路隧道人員疏散的基礎參數。這為高海拔鐵"路隧道人員疏散的理論分析和設計提供了數據支持[14]。

基于以上對國內外相關的研究分析，可以看出目前關于應急疏散與逃生的研究中能夠綜合考慮危險環境、動態危險障礙物對隧道內施工人員影響的應急疏散研究較少。這表明在隧道施工中，還需要進一步研究和完善應急疏散與逃生的策略，以確保施工人員的安全。因此，利用元胞自動機理論，在鐵路實際工程的基礎上針對高海拔隧道巖爆、崩塌等巖石崩落的動態危險障礙物災害下的人員應急疏散進行模擬仿真研究，實現典型隧道災害疏散場景模擬，為隧道實際工程應急"疏散方案的論證及優化提供了理論依據和科學支撐。

1 人與動態危險障礙物應急疏散模型建立

1.1 元胞自動機特點在應急疏散研究中，如果利用實際觀測、調查的方式等進行較大規模應急模疏散研究，在成本過高的同時容易出現安全問題，造成不必要的傷亡[15]。因此，應急疏散領域的研究主要是建立仿真模型進行疏散模擬。目前現有的應急疏散仿真模型可以分為宏觀、微觀與淺微觀3種[16]。淺微觀模型中元胞自動機模型在應急疏散方面應用最為廣泛[17]。元胞自動機模型自定義性強、運算速度快、空間擴展性大，同時作為時間與空間均離散的淺微觀模型，在疏散模擬中可以將不同疏散人員的特征展現出來，并且能以少量的參數和簡單建模，真實地模擬外界環境對場景中疏散人員的微觀影響[18]。選擇正方形格子作為模擬元胞空間，元胞自身的狀態會根據元胞鄰居的狀態和數量而更新，具體公式為

S t+1 i=f（ S t i， S t N）

（1）

式中 "S t i為元胞i在時刻t的狀態； S t N為元胞i在時刻t周圍鄰居狀態的集合；f為自定義規則； S t+1 i為元胞i在下一時刻（t+1）的狀態。

1.2 疏散模型構建當災害發生時，深埋隧道中的高地溫和低含氧量等環境因素會對人體感知產生影響，還可能影響臨災人員的心理狀態，并導致疏散決策上的偏差。為了更準確地模擬實際情況，將4種臨災人員疏散行為特點（避害行為、搶前行為、就近逃生行為和慣性行為）與3種疏散心理特點（恐慌心理、從眾心理和沖動心理）相結合，采用大小為0.4"m×0.4 m的元胞對模擬場景進行了網格化劃分[19]。

1.2.1 疏散出口選擇模型

疏散者選擇的疏散出口主要考慮2個方面，人員所在位置與出口之間的距離和出口區域范圍內的人員密度。通常疏散者會優先選擇更安全、離出口更近的位置移動[20]。如果居住者要向出口i移動，就有必要考慮P i-r（距離）和P i-d（密度）之間的相互作用。在基本的元胞自動機模型中，其選擇的概率為

P i= αP i-r+βP i-d

α+β

（2）

式中

α= 1 n

∑n i=1

1-

r in R （1）

k α，

β= 1 n

∑n i=1

1-

d in D （1）

k β。其中，k α用于強調空間距離的重要性，而k β則用于強調人員密度的重要性[21]，r i為位置與出口i之間的距離，m。

1.2.2 行人移動模型

在疏散過程中，臨災人員通常會盡快離開受災區域，文中假定疏散人員為身體健康的中青年男性，并假定疏散開始時，所有人員的起始速度相同，為v=1.8 m ·s-1[22]。疏散者的移動過程分為以下4個步驟。1）在下一個時間步，疏散人員會選擇周圍8個元胞中距離出口最近的一個作為移動目標，如圖1所示；2）疏散者會選擇距離當前位置更接近出口的移動目標；3）如果多個疏散者同時選擇了同一個元胞作為移動目標，則該元胞會被隨機分配給其中一個疏散者，其他疏散者則會停留在原地，直到下一個時間步；4）每個疏散者都會在新的時間步更新自己的位置，并選擇一個新的移動目標。

1.2.3 障礙物模型

施工隧道內動態危險障礙物指的是在隧道建設或施工過程中可能移動、出現或發生的危險物體或情況。這些障礙物通常具有不穩定性、不可預測性和可移動性，對施工人員和設備的安全產生潛在的威脅。在模擬場景中設置了大小不一的障礙物，且動態障礙物的位置是隨機分布的，但不考慮巖石崩落的滾動效果。在疏散開始后，如果疏散人員失去了疏散能力，他們將無法繼續疏散。此外，已失去疏散能力的疏散人員和出現過的動態障礙物都會被視為1個靜態障礙物，并占用1個元胞。障礙物的影響范圍D s表達式為

（x s-r s）2+（y s-r s）2=D s

（3）

式中 x s和y s分別為障礙物核心元胞的x坐標和y坐標；r s為障礙物半徑，m。

選擇正態分布函數來構建動態危險障礙物與時間的關系，其概率密度函數為

f（t）= 1 "2π σ

exp

-

（t-μ）2 2σ2

（4）

式中 μ為動態危險障礙物出現的期望時間，文中取t/2；σ為動態危險障礙物出現時間的標準差。

1.2.4 人與障礙物交互模型

在疏散過程中，隨著時間的推移，疏散人員的疏散路徑上會不斷出現大小不一的障礙物，這些障礙物會威脅到疏散人員的生命"安全，從而影響疏"散效果。將生產安全事故傷亡分為輕傷和重傷2類，當障礙物出現在被疏散人員占用的元胞時，需要根據障礙物的邊長l i來判斷其對疏散人"員的影響。設障礙物砸中疏散人員頭部的概率為P i。

因此，當動態危險障礙物出現在疏散人員所在位置，對疏散者與動態危險障礙物交互時的受傷情況劃分見表1；當動態危險障礙物出現在疏散人員鄰域位置，對疏散者與動態危險障礙物交互時的受傷情況劃分見表2。

2 模型應用與分析

2.1 場景設計將模擬場景設為某高原地區鐵路隧道工程，以《鐵路隧道防災疏散救援工程設計規范》（TB10020—2017）[23]中平原地區青壯年男性的緊急疏散速度1.8 m ·s-1作為基礎參數，高海拔地區施工人員的勞動能力比平原地區降低40%～50%，跑步能力下降75%～80%[24]，因此設置速度折減后施工人員的疏散速度為1.314 m ·s-1。隧道總長約為400 m，根據隧道橫截面設計，設置隧道寬為10.2 m。隧道施工擬采用高為10.2m 的敞開式TBM機進行施工。根據實際工況，在模擬中將儀器設備和施工材料分別設置為10 m×1 m、4 m×4 m和6 m×3 m的3種不同大小的靜態障礙物。

2.2 工況設計在現有的研究中，大部分研究只針對巖爆、坍塌災害的發生機理進行研究，很少有學者將巖爆、坍塌災害下的石塊大小進行統計分析。根據以往對某高析地區隧道強烈巖爆的數值模擬結果，對巖爆破碎塊體產生數量與時間的關系進行擬合，得到關于強烈巖爆等級下石塊的參數及比例，如圖2所示。根據《鐵路隧道設計規范》（TB10003—2016）[25]中將巖爆分為輕微、中等、強烈三等級，各等級障礙物數量與時間關系如圖3所示。通過查閱大量資料，對以往巖爆、坍塌事故案例進行梳理（表3），最終選擇15，30 m及50 m的災害范圍。

對上述確定的3個災害范圍分別在3個不同等級下進行交叉模擬。當疏散者逃離災害范圍超過10 m即認為逃生成功，如圖4所示。根據一般隧道施工班組制，TBM機工作一班20人，其他各工種施工人數不超過10人[26]，因此設置疏散總人數為50人。

災害發生后，場景內的臨災人員向出口迅速移動，若在疏散路徑中的障礙物較大，人員繞行；若障礙物較小，保持原有路線繼續移動；若障礙物和人的時間空間重合，則疏散人員有概率受傷或"失去疏散能力。將模擬結果以顏色作為區分疏散"人員狀態的標志，不同狀態疏散者示意圖如圖5所示。

3 模擬結果及分析

3.1 疏散過程分析采用Matlab作為模擬工具，建立隧道內人與"動態危險障礙物交互應急疏散模型，對上文設計的9種不同工況進行仿真模擬，輸出的模擬結果包括場景中受傷、疏散失敗人數及疏散時間，并展示出可視化的模擬動畫。以30 m中等災害下應急疏散模擬過程展示為例，通過圖6可以直觀得到不同時刻人員疏散情況。當Ｔ＝0 s時，所有施工人員隨機分布在隧道內；假定隧道內圍巖開始有輕微爆裂和剝離，并且伴有少量彈射，施工人員需要快速向疏散出口移動，疏散開始；當Ｔ＝24.0 s時，施工人員已開始向疏散出口移動，距離疏散出口較近的施工人員疏散成功，距離疏散出口較遠的施工人員受傷率增加。此時，輕傷10人、重傷14人，總受傷人數24人，死亡1人；當Ｔ＝48.0 s時，隧道內圍巖爆裂、剝離現象較為嚴重，部分輕傷疏散者轉為重傷疏散者，這使得輕傷人數減少，重傷人數增多；當T＝84.6 s時，隧道內圍巖爆裂、剝離現象嚴重，彈射量增多，破壞范圍明顯。此時，疏散結束，成功疏散49人，其中輕傷8人、重傷19人，總受傷人數27人，占總疏散者的54%，疏散失敗1人，占總疏散人數的2%。

3.2 不同災害范圍下模擬結果分析

3.2.1 災害范圍與疏散時間將不同災害范圍的疏散時間進行對比，如圖7所示。當災害等級為輕微等級時，災害范圍15，30，50 m所用疏散時間分別為48，84，114 s；當災害等級為中等等級時，災害范圍15，30，50 m所用疏散時間分別為52.8，84.9，109.5 s；當災害等級為強烈等級時，災害范圍15，30，50 m所用疏散時間分別為53.1，78，110.4 s。從圖7可以看出，在相同的災害等級下，15 m災害范圍所需的疏散時間最短，而50 m災害范圍所需的疏散時間最長。這表明在更大的范圍內，受傷人數會增多，從而導致疏散速度降低，疏散時間增加，人員成功疏散率降低。

3.2.2 災害范圍與受傷率將不同災害范圍的受傷率進行對比，如圖8所示。當災害等級為輕微等級時，災害范圍15，30，50 m的受傷率分別為30％、52%、56%；當災害等級為中等等級時，災害范圍15，30，50 m的受傷率為36%、52%、64%；當災害等級為強烈等級時，災害范圍15，30，50 m的受傷率為34%、58%、72%。

以中等等級災害為例，不同范圍內受傷人數隨時間變化的曲線如圖9所示。從圖9可以看出，隨著疏散時間的增加，受傷人數也會增加。在50 m范圍內，受傷人數于60 s后趨于平緩，而在15 m和30 m范圍內，受傷人數于24 s后趨于平緩。此外，50 m范圍的受傷人數明顯高于15 m和30 m的受傷人數。這表明在障礙物密度相同的情況下，臨災人員停留在危險區域內的時間越長，其受傷的概率就越大。

3.2.3 災害范圍與疏散失敗率將不同災害范圍的疏散失敗率進行對比，如圖10所示，當災害等級為輕微等級時，15 m和30 m時模擬結果較好，疏散失敗率為0，50 m時為4%；當災害等級為中等等級時，災害范圍15，30，50 m的疏散失敗率為0，2%，6%。

從圖10可以看出，同一災害等級下50 m范圍的疏散失敗率明顯高于15 m和30 m的疏散失敗率。這表明在災害范圍較小時，每個臨災人員能夠有相對充分的時間進行安全疏散，但隨著災害范圍的擴大，臨災人員會長時間停留在危險區，增加了喪失行動能力的概率，則疏散失敗率也不斷增大。

3.3 不同災害等級下疏散模擬結果分析 3.3.1 不同災害等級對疏散時間的影響圖11對不同災害等級的疏散時間進行了對比。從圖11可以看出，當疏散災害范圍相同時，疏散時間沒有明顯的變化，這表明疏散時間與對應的災害等級沒有明顯的相關性。然而，在30 m和50 m的災害范圍下，強烈等級災害的疏散總時間小于輕微等級災害的疏散總時間。這表明當災害范圍較大時，強烈等級災害下的部分臨災人員會失去行動能力，從而使得疏散停止，因此總疏散時間會降低。

3.3.2 災害等級與受傷率圖12對不同災害等級的受傷率進行對比。從圖12可以看出15 m與30 m災害范圍下，3種不同等級災害造成的疏散人員受傷率接近。以災害范圍30 m為例，不同災害等級受傷人數隨時間變化曲線如圖13所示，可以看出，隨著疏散時間的增加，強烈等級災害受傷人數明顯高于輕微和中等等級受傷害人數。同時由上文數據可知，當臨災人員在危險區停留的時間增長，會導致部分受輕傷者轉變為受重傷者，即在不同災害等級下臨災人員重傷率大于輕傷率。

3.3.3 災害等級與疏散失敗率圖14對不同災害等級的失敗疏散率進行對比，在同一災害范圍下，強烈等級災害等級的疏散失敗率最高，輕微等級的災害等級的疏散失敗率最低，同災害范圍下的疏散失敗率隨災害等級的升高呈上升趨勢，這表明災害等級對疏散失敗率影響極大的影響：當災害等級越高，場景內出現巖塊的密度越大，臨災人員無法順利移動至安全區域，則疏散失敗的概率就越大。

4 結 論

1）基于元胞自動機理論，開發了相關數值模擬方法，該方法可以準確地模擬不同災害等級下施工群體在巖體塌落時的疏散過程和定量傷亡情況。2）隧道內巖爆、崩塌等事故災害發生時，疏散時間隨著災害范圍的增大而增長，當模擬范圍擴大到一定程度時，會出現部分人員失去行動能力，導致疏散停止，所以總疏散時間會降低。3）災害等級是高海拔隧道疏散效率的關鍵因素。災害等級越高，巖塊密度增大，隨著災害等級的升高，場景內巖塊密度增大，導致臨災人員受傷和死亡的概率增加。因此，建議在隧道施工過程中，考慮設置可移動的應急逃生裝置，隨著工作面的推進向前移動。4）目前主要考慮動態障礙物對人員的生理和心理影響，未來可研究隧道環境和災害障礙物對人體生理心理的耦合影響。

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