湖底双层超大直径盾构隧道火灾人员疏散分析*

李森生

(1.水下隧道技术国家地方联合工程研究中心，湖北 武汉 430063；2.中铁第四勘察设计院集团有限公司，湖北 武汉 430063)

0 引言

城市水下双层隧道可充分利用隧道内部空间，节省城市地下空间资源，是隧道建设重要方式。但为充分利用空间，水下双层隧道多在大断面内设置共用疏散楼梯，且隧道通往地面的通道少、空间局限性大，火灾发生时对人员疏散安全提出更高的要求。

学者针对隧道疏散口间距开展研究：张培红等[1]通过分析公路隧道火灾时不同纵向逃生楼梯间距对人员疏散的安全性，得到纵向疏散的逃生楼梯间距最大不宜超过100 m；奚学东等[2]利用数值模拟及公式法对比不同纵向疏散口间距对人员疏散时间的影响，建议隧道疏散口间距设置为100 m；沈卓恒等[3]分析不同滑梯口间距对人员纵向疏散时间的影响，最后确定滑梯间距为80 m时满足疏散要求；李婷等[4]分析影响疏散的疏散楼梯结构参数，得出疏散楼梯的间距与整体疏散时间成线性关系；付维纲等[5]分析水下盾构隧道不同疏散门间距下列车人员的疏散时间，验证了疏散口间距设计为100 m的合理性；张奥宇等[6]通过分析水下盾构隧道疏散滑梯不同间距下人员疏散运动时间，得到间距为80 m时滑梯的综合利用率最佳。现有研究多针对单层隧道自上而下单一纵向疏散模式下的疏散口间距对人员疏散时间的影响，缺乏对湖底双层超大直径隧道共用疏散楼梯，包含自上而下和自下而上2种疏散模式的疏散楼梯间距及相应利用效率、通过率对人员疏散安全性的相关研究。

因此，本文以目前世界规模最大的城市湖底、双层超大直径隧道-两湖隧道为研究对象，针对更不利疏散模式(即下层公路隧道火灾时人员自下而上疏散)，分析不同楼梯间距对人员疏散时间的影响，及不同楼梯间距对各疏散楼梯的人员利用效率和通过率的影响。研究结果可为湖底双层隧道工程疏散楼梯间距设计和人员安全管理提供理论依据。

1 隧道排烟与疏散设施设计

两湖隧道工程(东湖段)北起秦园路，南至珞喻路，秦园路接主线隧道长6 071 m，湖底盾构段长3 055 m。两湖隧道为单管双向4车道隧道，将大断面盾构隧道分为上下双层，如图1所示。隧道为一类城市水下隧道，只通行小汽车。

图1 盾构隧道排烟疏散方案断面Fig.1 Section of smoke exhaust and evacuation scheme of shield tunnel

为实现湖底双层隧道火灾工况下的人员疏散，隧道上下2层通过宽度为0.8 m的疏散楼梯相连，上下层隧道互为疏散通道，事故隧道层人员可通过疏散楼梯上行或下行进入非事故隧道层进行疏散。考虑下层人员疏散过程相对上层人员疏散过程更加复杂，本文针对下层隧道人员疏散进行研究分析。下层隧道为侧部重点排烟，在隧道一侧墙壁纵向间距60 m设置排烟口。为研究不同疏散楼梯间距对人员疏散的影响，对100，120，150 m的疏散楼梯间距进行人员安全疏散分析。

2 隧道火灾场景设计及模型建立

2.1 人员安全疏散准则

火灾中保证隧道内人员安全疏散的关键为必需安全疏散时间TRSET必须小于可用安全疏散时间TASET[7]，如式(1)所示：

TRSET

(1)

式中：TRSET包含报警时间Talarm、响应时间Tresponse和人员疏散行走时间Tmove，如式(2)所示：

TRSET=Talarm+Tresponse+1.2Tmove

(2)

在实际疏散过程中，由于隧道环境和人员疏散环境的影响，人员存在不确定性，需对行走时间考虑一定的安全补偿，故将人员疏散安全系数取为1.2。隧道内设有火灾自动报警系统、应急广播系统和监控系统等，将火灾报警时间设为60 s；考虑人员受教育程度、反应能力、心理素质等因素[8]，将人员疏散响应时间保守确定为120 s。

2.2 火灾烟气模型及人员疏散模型设计

本文采用集中排烟的公路隧道，烟气在隧道内蔓延长度不宜超过300 m[9]，可利用FDS建立长度为800 m的隧道火灾烟气模拟计算模型。火灾场景考虑最危险情况，即火源点位于模拟段中间。由于隧道净空较低，隧道内发生火灾时，火灾车辆会对其相邻车辆产生大量辐射热，若相邻车辆的临界辐射热通量小于其受到的辐射热，火灾车辆会引燃相邻车辆，使火灾规模扩大[10]。在隧道火灾事故中，车辆相撞(包括碰撞和追尾)为主要事故类型[11-12]，两湖隧道单层为2车道且仅通行小汽车，车速较慢为50 km/h，发生多辆车(≥3辆)碰撞追尾的可能性较小，故取车辆碰撞发生火灾同时引燃相邻车辆，造成3辆车发生火灾的最不利情况。根据世界道路协会(PIARC)及相关规范推荐值，单辆小汽车最大火灾热释放速率为5 MW，则3辆小汽车发生火灾的最大热释放速率为15 MW，所以本文设计火灾规模为15 MW[13-14]。火源长×宽×高为5.5 m×2 m×0 m，排烟量Ve=90 m3/s，排烟口间距l0=60 m，排烟口面积4 m×1 m，火灾情况下开启火源附近6个排烟口，排烟区段300 m，着火后120 s排烟风机开始启动，180 s达到全速。

利用Pathfinder模拟人员疏散，火灾时隧道内报警系统、排烟系统、照明系统及疏散设施均有效，不同疏散场景设置见表1。行车状况及火源位置均考虑最不利情况，隧道内局部堵塞时，取车速为10 km/h[14]，约2.8 m/s，故考虑前后车辆间距为3 m。隧道内小客车长×宽×高为4.5 m×1.8 m×2 m，载客量6人[15-16]。《公路隧道设计规范 第二册 交通工程与附属设施》(JTG D70/2—2014)[17]规定长度大于1 000 m的隧道，阻滞段宜按每车道长度为1 000 m计算，因此取火灾附近1 000 m的疏散人数进行计算，车辆总数为266 辆，考虑车辆满载的不利情况，滞留人数为1 596 人。

表1 公路隧道火灾疏散场景Table 1 Fire evacuation scenes of highway tunnel

参照《2019年国民经济和社会发展统计公报》[18]，将人员构成及比例设定为男性36%、女性35%、儿童17%、老人12%。根据美国NFPA130规范[19]、英国SFPE Handbook《消防工程手册》[20]以及《地铁安全疏散规范》(GB/T 33668—2017)[21]中建议人员行走速度和形体特征，得到不同人员类型的疏散速度取值，见表2。

表2 人员疏散速度和形体特性Table 2 Characteristics of personnel evacuation speeds and shapes

3 模拟计算结果分析

3.1 火灾模拟分析

利用FDS计算隧道内火灾情况下烟气蔓延、能见度以及温度分布情况。根据《中国消防手册 第三卷 消防规划·公共消防设施·建筑防火设计》确定可用安全疏散时间判定标准为隧道内特征高度2 m处烟气温度不超过60 ℃，可视度不小于10 m。

重点排烟系统中，火灾产生的高温烟气控制在火源附近排烟区域内，即为安全[22]。不同时间隧道纵断面温度分布如图2所示。由图2可知，高温烟气向隧道两侧扩散，烟气温度逐渐降低并在火源远端发生沉降；隧道内高温烟气始终维持在火源附近隧道上部区域，导致此区域温度高于60 ℃，隧道下部区域和距火源较远位置的温度始终低于60 ℃。以靠近疏散楼梯侧车道中线2 m清晰高度处的温度作为判据，不同火灾发展时间下温度随距离的变化曲线如图3所示。由图3可知，火灾时间为300 s时，温度大于60 ℃的初始位置在距火源两侧10 m范围；火灾发展至900，1 200 s时，温度随时间变化曲线基本重合，温度大于60 ℃的初始位置在距火源两侧110 m范围，满足T≤60 ℃的安全疏散准则。因此，从烟气温度控制角度可知，可用安全疏散时间TASET≥1 200 s。

图2 不同时间隧道纵断面温度分布Fig.2 Temperature distribution of tunnel longitudinal section at different time

图3 不同火灾发展时间下温度随距离的变化曲线Fig.3 Variation curves of temperature with distance under different fire development time

不同火灾发展时间下隧道纵断面能见度分布如图4所示。由图4可知，随燃烧时间增长(300～1 200 s)，2 m清晰高度处能见度逐渐降低。当火灾发展至1 200 s时，除火源位置外能见度不低于10 m，满足能见度不小于10 m的安全疏散准则。因此，从能见度角度可知，可用安全疏散时间TASET≥1 200 s。

图4 不同火灾发展时间下的能见度分布Fig.4 Visibility distribution under different fire development time

温度、能见度指标判据下的可用安全疏散时间TASET≥1 200 s。《道路隧道设计标准》(DG/TJ 08-2033—2017)[14]规定：在正常运营阶段发生火灾，当通风、消防等系统工作正常时，隧道内乘行人员安全疏散时间一般在15 min以内；当隧道内设有重点排烟系统时，安全疏散时间可适当放宽至20 min。因本隧道采用重点排烟系统，结合火灾模拟结果确定可用安全疏散时间TASET=1 200 s。

3.2 人员疏散仿真计算分析

1)疏散时间分析

不同疏散楼梯间距时不同时刻人员疏散情况如图5所示。由图5可知，当疏散楼梯间距分别为100，120，150 m时，对应人员疏散时间为291.5，347，436.3 s。对于不同疏散楼梯间距，在疏散开始时刻，人员迅速移至距离最近疏散楼梯口；疏散进行一段时间后，各疏散楼梯口拥堵严重(拥堵范围约10 m)，严重拥堵时间分别持续125，165，250 s后，拥堵范围减小，距离火源点较远的疏散楼梯口基本已经疏散完毕，靠近火源点的疏散楼梯口仍处于排队状态，直到隧道内人员疏散完毕。

图5 不同疏散楼梯间距时不同时刻人员疏散情况Fig.5 Personnel evacuation situation at different time under different evacuation staircase spacing

2)疏散楼梯利用效率及平均通过率

当隧道内疏散楼梯间距为100，120，150 m时，疏散楼梯由左向右依次顺序标记1#、2#、3#、4#、5#、6#、7#、8#、9#、10#。

不同疏散场景各疏散楼梯累积人数和疏散楼梯口平均通过率曲线如图6～7所示。火源点正对的疏散楼梯不能用于疏散，无疏散记录；距离火源最近的疏散楼梯利用效率最高。

图6 疏散楼梯累积疏散人数随时间变化曲线Fig.6 Curves of cumulative number of evacuated personnel through evacuation staircase with time

图7 不同疏散楼梯间距下的平均通过率Fig.7 Average passing rates of evacuation staircase in different evacuation scenes

当疏散楼梯间距为100 m时，汇集在疏散楼梯7#的人员相对最多，所用疏散时间相对最长，其余疏散楼梯利用效率基本一致。各疏散楼梯口平均通过率均接近0.80 人/s，上下波动幅度小，疏散过程中人员分布较均衡，疏散效果最佳。

疏散楼梯间距为120 m时，各疏散楼梯的利用效率随疏散楼梯与火源距离的增大而稳定降低，呈对称分布状态。各疏散楼梯口平均通过率约0.79人/s，上下波动幅度较小，疏散过程中人员分布较规律。

疏散楼梯间距为150 m时，疏散楼梯3#和5#利用效率较高，其余疏散楼梯利用效率无明显规律。各疏散楼梯口平均通过率约0.77人/s，上下波动幅度较大，疏散过程中人员分布不均衡。

在不同疏散楼梯间距，人员对楼梯的利用效率相差较大，通过率相差较小。考虑疏散楼梯的利用效率和平均通过率，当疏散楼梯间距为100，120 m时疏散效果更佳。

结合图5～7可知，人员选择距离自己最近的疏散楼梯口进行疏散，但火源正对疏散楼梯口时，该疏散楼梯不能用于疏散，导致火源附近的2个疏散楼梯拥堵情况严重，各疏散楼梯利用率不均衡，建议优化隧道内应急广播系统，火灾后定时播报，引导火源附近疏散楼梯口人员向其他相对畅通的楼梯进行疏散，缓解拥堵情况，提高其他疏散楼梯的利用率，减少人员疏散时间。

3.3 人员安全疏散判定

将Tmove代入式(2)得到必需安全疏散时间TRSET，结果见表3。对比人员可用安全疏散时间TASET与必需安全疏散时间TRSET发现，下层隧道盾构段发生火灾时，利用疏散楼梯进入隧道结构的上层疏散通道进行人员疏散是安全可行的；盾构段疏散口间距在100，120，150 m时，均能满足疏散安全要求，但间距越小，疏散楼梯设置数量越多，其施工成本越高；因此，从安全和运行成本综合考虑，当隧道疏散口间距设为120 m时，满足人员安全疏散和标准中规定“上下层车道之间设置封闭楼梯间，楼梯间距不大于120 m”[14]的要求。

表3 必需安全疏散时间计算结果Table 3 Calculation results of required safe evacuation time

4 结论

1)两湖双层超大直径盾构隧道采用侧部重点排烟，考虑不利情况即火灾规模为15 MW时，由隧道内不同环境控制指标判据和相关规范确定人员可用安全疏散时间TASET为1 200 s。

2)火源正对疏散楼梯口处，当疏散楼梯间距为100，120，150 m时，人员疏散均满足安全疏散需求，且疏散楼梯间距越小，人员疏散时间越短；当疏散楼梯间距为100，120 m时，各疏散楼梯的利用效率相对稳定，通过率波动幅度较小，且疏散楼梯平均通过率分别为0.80，0.79人/s。因此，综合考虑安全性、利用率和运行成本，推荐疏散楼梯间距为120 m。

3)比较不同楼梯间距下各疏散楼梯的拥堵程度及利用率，建议优化隧道内应急广播系统，及时有效播报疏散引导信息、疏散人群，以缓解火源附近楼梯口的疏散压力，提高其他疏散楼梯的利用率，减少人员疏散时间。