水下明挖隧道防护门设置对疏散救援影响研究

赵超峰

(中铁第五勘察设计院集团有限公司 北京市 102600)

0 引言

铁路隧道防灾救援问题是关注的重点，尤其在水下铁路隧道受到水体的制约，很难修建斜竖井进行防灾救援。国内外学者对隧道中人员疏散的问题进行了大量研究。王明年等[1]利用仿真软件，对不同横通道间距、横通道宽度和站台宽度等参数下的人员疏散时间进行计算，给出铁路隧道紧急救援站疏散设施设计参数建议值；谢勇涛等[2]对紧急救援站的长度、横通道设置的数量以及站台宽度、高度等参数给出了简单建议值;李琦等[3]，针对人员疏散全过程的试验和数值模拟研究，得到列车在长大铁路隧道内发生火灾时人员疏散的时间和速度值；周伟[4]利用行人仿真软件对太湖隧道进行了火灾条件下人员疏散行为的数值模拟，得出纵向间距80m和300m的疏散横通道对应的人员疏散逃生时间为10.5min和13.5min，验证了太湖隧道横通道设置间距125m这一方案的合理性;马伟斌等[5]从施工和运营2个方面阐述铁路长大隧道防灾疏散救援技术体系，提出救援总体原则。

目前国内外学者主要针对特长隧道的救援站长度、横向联络通道、站台开展研究，对特长明挖隧道救援站防护门设置对疏散救援的影响研究较少。以某明挖双洞单线水下特长隧道救援站为研究对象，运用人员疏散模拟软件Pathfinder对救援站不同防护门宽度、间距条件下的人员疏散情况进行研究，确定救援站防护门的设计思路及方法，不仅可以保证事故列车停靠在紧急救援站时人员疏散的安全，也可以控制紧急救援站的建设成本，对铁路隧道紧急救援站的设计具有指导作用。

1 数值模拟

1.1 模型建立

Pathfinder仿真工程软件是一种基于人员疏散和移动模拟系统，可模拟正常与紧急状况下人员疏散情况。Pathfinder 软件通过对行人各项参数定义，行人行为根据疏散环境变化作出响应，以选择最优疏散路径。

以某明挖水下特长隧道为研究对象，通过人员疏散模拟软件Pathfinder建立数值仿真模型。隧道长度约39km，为明挖双洞单线隧道，隧道中部设置一座紧急救援站，长度为450m，用于人员疏散救援。

1.2 明挖法救援站模型

根据国内外典型隧道紧急救援站的设置情况，本次模拟针对了以下条件：

(1)模拟火灾的客运列车车型全长399.27m，宽3.257m，高3.89m。共16节车厢，车门宽0.73m，全车定员1015人，超员20%时可达1218人。按照实际比例对每节车厢进行建模，按照具体的人员荷载设置相应的人员参数。

(2)疏散模拟时，选定整列列车，置于救援站中部，模拟救援站长度为450m。双洞单线隧道中，人员由着火列车通过防护门穿过待避空间，疏散至对侧隧道，则认为人员已进入安全区域。

(3)双洞单线隧道中待避空间长450m、宽10m。

(4)根据救援站的内部结构，针对以下结构参数进行模拟分析：

①防护门间距的影响。模拟分析了防护门间距为50m和60m时，人员疏散时间及防护门口的人员密度变化。

②防护门宽度的影响。模拟分析了防护门宽度为2.0m、2.3m、2.6m时，人员疏散时间及防护门口的人员密度变化。

1.3 人员参数设置

人员特性会对应急疏散结果产生直接影响，包括人员性别、年龄、认知程度等。模拟软件虽然可实现对每个个体的属性设置，但逐一设置并不具有普适性意义，保证仿真结果贴近实际的有效做法就是对人员以类别划分，进行特性设置，选择以人员年龄和性别来进行划分。根据年龄将人员划分为三类：儿童、成年人、老年人。再将人员组成中占比较高、步速差异受性别因素较大的成年人群体细分，最终仿真环境中将人员分为儿童、成年男性、成年女性、老年人四大类，如表1所示。

表1 人员疏散特征值

1.4 工况设置

双洞单线隧道中，明挖法区间隧道内的救援站，需研究防护门间距与防护门宽度两个参数。防护门间距50m和60m；防护门宽度取2.0m、2.3m、2.6m。防护门间距及宽度工况设置如表2所示。

表2 防护门间距及宽度工况表

2 疏散模拟结果分析

双洞单线隧道救援站平面图及疏散路径如图1所示。为充分考虑人员的安全，数值模拟中，人员疏散至对侧疏散站台才算疏散完成。

图1 双洞单线隧道救援站人员疏散路径

人员疏散路径为：列车停靠紧急救援站→车上人员疏散至救援站站台→通过防护门→进入待避空间→通过防护门→进入对侧隧道的疏散站台→等待救援车辆疏散。

防护门间距及防护门宽度变化对人员安全疏散的影响结果如表3所示。不同防护门宽度下，人员疏散时间的变化如图2所示。防护门间距50m，未考虑烟气时，人员密度变化如图3所示。防护门间距50m，考虑烟气时，人员密度变化如图4所示。防护门间距60m，未考虑烟气时，人员密度变化如图5所示。防护门间距60m，考虑烟气时，人员密度变化如图6所示。

由表3和图2可知，在同一防护门宽度下，未考虑烟气时，防护门间距为50m和60m时，人员总体疏散时间基本一致；考虑烟气时，防护门间距为50m时的疏散时间明显比防护门间距为60m时的疏散时间短，防护门间距为60m时，人员疏散最长时间为235s。未考虑烟气情况下，防护门间距为50m和60m时，人员疏散的总体时间基本不随防护门宽度的增大而减小；考虑烟气情况下，防护门间距为50m和60m时，人员疏散的总体时间随着防护门宽度的增加呈单调递减趋势。

表3 不同防护门间距及宽度下人员疏散时间表

图2 不同防护门宽度下，人员疏散时间的变化

图3 防护门间距50m，未考虑烟气时，人员密度变化

图4 防护门间距50m，考虑烟气时，人员密度变化

图5 防护门间距60m，未考虑烟气时，人员密度变化

图6 防护门间距60m，考虑烟气时，人员密度变化

由图3可知，防护门宽度为2.0m时，防护门口的人员密度大于防护门宽度为2.3m和2.6m时防护门口的人员密度，说明防护门宽度为2.0m时，防护门口存在轻微堵塞。防护门宽度为2.3m时，防护门口人员密度最大值仅为1.4人/m2，此时防护门口的拥挤程度在可接收范围内，即发生人员踩踏事故的概率极小。由防护门间距50m，考虑烟气时人员密度变化图(图4)可知，随着防护门宽度的增加，防护门口处的人员密度逐渐减小。防护门宽度为2.0m时，防护门口人员密度最大值为2.3人/m2；防护门宽度为2.3m时，防护门口人员密度最大值为1.7人/m2；防护门宽度为2.6m时，防护门口人员密度最大值为1.3人/m2。由图5可知，防护门宽2.0m时，防护门口人员密度最大，最大值为3.0人/m2；防护门宽度为2.3m和2.6m时，防护门口人员密度基本一致，最大值为1.5人/m2。由图6可知，随着防护门宽度的增加，防护门口处的人员密度逐渐减小。防护门宽度为2.0m时，防护门口人员密度最大值为3.3人/m2；防护门宽度为2.3m时，防护门口人员密度最大值为3.0人/m2；防护门宽度为2.6m时，防护门口人员密度最大值为2.5人/m2。

防护门间距越小，人员总疏散时间越短，但防护门间距为60m时，在考虑烟气的情况下，人员全部疏散完成的时间不足4min，完全满足《铁路隧道防灾救援工程设计规范》(TB 10020-2017)中规定人员6min内全部疏散完成的要求。因此，防护门间距取50m和60m均可。综合考虑防护门间距为50m、60m以及是否考虑烟气的情况，防护门宽度不应小于2.3m。

3 结论

运用Pathfinder软件对某明挖水下特长隧道的人员疏散进行了模拟研究，分析了救援站防护门宽度、防护门间距对人员安全疏散的影响，结论如下：

(1)未考虑烟气时，防护门间距为50m和60m时，人员总体疏散时间基本一致；考虑烟气时，防护门间距为50m时的疏散时间比防护门间距为60m时的疏散时间短。

(2)明挖双洞单线隧道，取防护门间距为50m，防护门宽度2m，站台宽度为2.3m时的疏散时间225s作为必须安全疏散时间的参考工况，考虑到最不利情况并考虑一定安全系数，本隧道人员疏散必需安全疏散时间可取为290s。