大跨径水下特长隧道安全门宽度及间距设置对人员疏散影响研究

李清瑞

(中铁第五勘察设计院集团有限公司 北京市 102600)

0 引言

近年来下穿湖、海等水体隧道工程越来越多。由于隧道内比较封闭，发生火灾后，对人员生命及财产造成极大威胁。在隧道内设置安全通道，火灾时为隧道内人员疏散提供安全的疏散路径，全力保障生命安全。

大跨径水下特长隧道横断面一般采用两孔一管廊的结构，两侧孔为隧道车行洞，中间管廊。中间管廊上部设置排烟风道，中部为电缆夹层，下部为安全疏散通道。发生火灾时，隧道车行洞内人员通过安全防火门进入安全通道，往隧道两端出口进行疏散。安全门作为救援的主要通道，安全门宽度及间距的设置对隧道车行洞内人员及时疏散起到至关重要的作用。

国内外专家学者对隧道横通道间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]通过数值模拟分析安全疏散和火灾扩散过程，对超高海拔特长公路隧道横通道间距设置进行研究，并对隧道横通道间距给出了建议；杨高尚等[2]研究公路隧道的横通道间距，得到了雪峰山隧道对人员疏散最适宜的横通道间距；吕锋等[3]对比分析了钱江隧道明挖段和暗挖段疏散通道的设置方式及间距；任其亮[4]对特长公路隧道避难联络通道间距设置进行研究，提出雪峰山隧道避难联络通道设置间距最优值；安永林等[5]对特长公路隧道内的横通道间距和车行间距进行研究，提出隧道横通道最佳间距及隧道内车距。

目前国内外学者主要针双洞隧道的横向联络通道展开研究，对大跨径特长明挖隧道中部的安全通道研究较少。大跨径特长水下隧道安全门宽度及间距应如何设置，既能满足隧道车行洞内人员疏散要求，又能节约建安费，是这类工程建设需要重点研究的内容。研究对象为江苏某大跨径水下特长隧道，运用人员疏散模拟软件Pathfinder对不同安全门宽度、间距条件下的人员疏散情况进行了研究。

1 数值模拟

1.1 模型建立

Pathfinder软件是一套直观、易用的新型的智能人员紧急疏散逃生评估系统。研究对象为江苏某大跨径水下特长隧道，通过人员疏散模拟软件Pathfinder建立数值仿真模型。

根据《公路隧道通风设计细则》[6](JTG/T D70/2-02—2014)3.3.2条规定：“对于长度L≤1000m的隧道可不考虑交通阻滞；对于长度L>1000m的隧道，阻滞段宜按每车道长度为1000m计算。为了使研究具有更广泛的适用性，选取的疏散场景为：隧道内交通阻滞(车速为30km/h)发生火灾，隧道阻滞长度按1km计；火灾发生于阻滞段中间位置，人员疏散时火灾阻滞区域1km范围内的安全门全部打开，为了便于研究，在模拟时规定：逆着行车方向，交通阻滞区域1km范围内的安全门的编号依次为1#、2#、3#……8#安全门。隧道内安全门布置示意图如图1所示。

图1 隧道内安全门布置示意图

建立平面几何尺寸为1000m×16.7m(长×宽)的隧道模型，将车辆布置在除紧急车道之外的三条车道上，依据《中华人民共和国道路交通安全法》等交通规定：大车(中货车、大货车、汽车列车、大客车)在外侧的1条行车道行驶，其余车辆在内侧2条车道行驶。所建立的物理模型如图2所示。

图2 隧道人员疏散物理模型详图

根据最不利工况，所有车辆按照满载计算确定疏散人数为2360人，人员类型根据年龄、性别及步行速度分为儿童、成年男性、成年女性、老年人四大类。研究隧道车行洞内所有人员疏散至安全通道所需时间。表1为隧道火灾时人员疏散特征值。

表1 人员疏散特征值

1.2 工况设置

隧道车行洞内发生火灾后，需要对隧道内乘客进行紧急疏散，若安全门宽度过小，大量人员在隧道内疏散时，人员在安全门处会发生严重拥堵，从而影响人员的通行速度，隧道车行洞人员疏散时间增长。但是，安全门宽度加宽，土建造价也会提高。因此，选择设置适当的安全门宽度，不但可以满足人员在隧道车行洞人员安全疏散，同时也能节约投资。

不同安全门宽度工况表如表2所示。

表2 不同安全门宽度工况表

隧道发生火灾后，需要对隧道车行洞内乘客进行紧急疏散，若安全门间距过大，同等阻塞长度下的安全门数量越少，同时一个安全门所承担的疏散总人数增多，造成安全口处人员过多、人员拥挤，从而影响人员的行走速度，增加了隧道车行洞内人员疏散时间，人员的安全难以保障。但是，安全口间距过小，造价也会提高。因此选择设置适当的安全门间距，不但可以满足隧道车行洞内人员安全疏散，同时也能减少建安费。

在人员疏散的过程中，横通道宽度和防护门宽度哪个是影响疏散时间的主要因素，或是共同作用于人员疏散的过程还有待研究。因此，需对横通道宽度以及防护门宽度进行组合分析，研究不同组合工况如何影响人员疏散时间。横通道宽度和防护门宽度的组合工况如表3所示。

表3 不同安全门间距工况表

2 疏散模拟结果分析

2.1 安全门宽度对隧道车行洞人员疏散时间的影响

不同安全门宽度工况模拟时间如表4所示。

表4 不同安全门宽度工况模拟时间表

不同安全门宽度对隧道车行洞人员疏散时间影响趋势如图3所示。

图3 不同安全门宽度对隧道车行洞人员疏散时间影响

选取几种典型的模拟结果，如图4所示：安全门间距为100m，不同安全门宽度下，TRSET为360s时，1#安全门附近的人员分布图。

图4 安全门间距100m，不同安全门宽度下，TRSET=360s时，1#安全门附近的人员分布图

由图3及表4可知：同一安全门间距下，安全门宽度由W=1.2m逐渐增加至W=2.1m时，隧道车行洞人员疏散时间逐渐减小；当宽度增大到一定值后，疏散时间变化幅度减小且趋于平稳。安全门宽度的取值对人员必需安全疏散时间TRSET影响较大，且安全门间距越大，安全门宽度对疏散时间的影响程度就越大。

由图4可知：安全门间距L=100m，TRSET为360s时，安全门宽度为W=2.1m、W=1.8m工况下，隧道人员已几乎全部疏散至安全通道；W=1.5m、W=1.2m工况，1#安全门拥堵情况依然存在。

结合上述分析，隧道行车洞内人员安全疏散的结论如下：

(1)在安全门间距一定的条件下，人员必需安全疏散时间TRSET随着安全门宽度改变时呈现的规律一致，即：随着安全门宽度的增大均呈现出先大幅减小，当宽度增大到一定值后，疏散时间变化幅度减小且趋于平稳。分析原因为：对于超长隧道人员较多，安全门疏散负担较重。当安全门宽度在1.2～1.8m时，其疏散能力偏小，与超长隧道人员疏散匹配度较差；当安全门宽度在1.8～2.1m时，其疏散能力较好，与超长隧道人员疏散匹配度较好，人员弃车逃生到安全门处拥堵情况得到明显改善，在此情况下继续增加安全门宽度对疏散时间影响有限。

(2)随着安全门宽度增加，疏散时间减小，当安全门的宽度达到一定时，疏散时间趋于稳定，不再减小，一味增加安全门宽度没有意义，且造成施工难度及建安费的大幅增加，反而不利。

因此，综合考虑土建成本与人员必需安全疏散时间TRSET，并结合隧道类型及相关的规范要求，建议实际工程中，若隧道为城市隧道，推荐安全门的宽度W取1.8m，既可达到较好的人员疏散效果又能节约土建建安费；若隧道为公路隧道，推荐安全门的宽度W取2.1m，可达到较好的人员疏散效果，避免安全门宽度进一步增大，造成不必要的建安费投入。

2.2 安全门间距对隧道车行洞人员疏散时间的影响

不同安全门宽度工况模拟时间如表5示。

表5 安全门间距工况模拟时间表

不同安全门宽度对隧道车行洞人员疏散时间影响趋势如图5。

图5 不同安全门间距对隧道车行洞人员疏散时间影响

选取几种典型的模拟结果，图6是在安全门宽W=1.8m，不同安全门间距下，TRSET为360s时，1#安全门附近的人员分布图。

图6 安全门宽度1.8m，不同安全门间距下，TRSET=360s时，1#安全门附近的人员分布图

由图5及表5可知：安全门宽度为1.2m时，安全门间距由80m增加至100m，隧道车行洞人员疏散时间增加55s；安全门间距由100m增加至120m，疏散时间增加74s；安全门间距由120m增加至150m，疏散时间增加91s。安全门宽度为1.8m工况时模拟结果类似。可见，随着安全门间距的增加，隧道车行洞人员疏散时间越长；安全门间距超过100m后，隧道车行洞人员疏散时间增加的程度加大；且安全门宽度越小，随着安全门间距的加大，隧道车行洞人员疏散时间增加的程度更加明显。

由图6可知：安全门宽W=1.8m，TRSET为360s时，安全门间距L=80m及L=100m工况，1#安全门均未出现拥堵现象；L=120m工况时，1#安全门拥堵现象较为严重；L=150m工况时，1#安全门拥堵情况更严重。

综上所述，分析得到隧道车行洞内人员疏散的结论如下：

(1)安全门间距越大，隧道车行洞人员疏散时间越长；安全门间距越小，隧道车行洞人员疏散时间越短。

上述结果主要因为安全门间距越大，同等阻塞长度下的安全门数量越少，即同时一个安全门承担的疏散人数增多，人员疏散距离加大，隧道车行洞内人员疏散时间越长。同理，安全门间距越小，则相反。

(2)安全门间距越大，1#安全门拥堵时间越长，拥堵程度越高；安全门间距越小，1#安全门拥堵时间越短，拥堵程度大大缓解。

安全门间距为80m时，与间距100m相比，隧道车行洞内人员疏散时间、人员拥堵程度降低的不明显；且安全门间距越小，工程造价会相应增加。另外，安全门间距为100m时，基本能满足隧道车行洞内人员安全疏散要求，结合人员疏散及工程设计两方面因素，建议安全门间距采用100m。

因此，综合考虑土建成本与人员必需安全疏散时间TRSET，并结合相关规范要求，建议实际工程中安全门间距采用100m。

3 结论

运用Pathfinder软件对某大跨径水下特长隧道车行洞的人员疏散进行了模拟研究，主要结论如下：

(1)安全门宽度对隧道车行洞内人员疏散有较大影响，安全门宽度越大，人员疏散时间越短，拥堵程度越小，拥堵时间越短。推荐安全门的宽度W取1.8m或者2.1m，既可达到较好的人员疏散效果又能节约土建建安费。

(2)安全门间距对隧道车行洞内人员疏散有较大影响，安全门间距越大，人员疏散时间越长，拥堵程度越大，拥堵时间越长。综合考虑土建成本与人员必需安全疏散时间TRSET，并结合相关规范要求，推荐安全门间距采用100m。