水下盾构隧道横通道设置对疏散救援影响研究*

付凯

（中铁第五勘察设计院集团有限公司，北京 102600）

0 引言

随着社会经济发展和隧道建设技术进步，出现了一大批特长水下隧道，有效解决了跨越江海的交通问题，提升了交通便利度，提高了人民生活质量。但由于水下特长隧道的特殊性，也对隧道火灾疏散救援提出了严峻挑战。

目前，国内外专家学者对长大隧道火灾疏散救援开展了相关研究，如刘赪［1］对比分析了国内外特长隧道的防灾疏散救援策略，提出了适合我国特长隧道单、双洞设计模式的建议；LI Y Z等［2］通过理论分析和模型试验研究了防火门几何形状、热释放率、火源位置、阻塞率、通风条件对救援站横通道临界风速的影响；王峰等［3］采用网络通风计算方法深入分析了不同防灾通风方案下各横通道内风流分布规律；王明年等［4-5］对隧道防灾救援技术进行了综述，同时对紧急救援站人员疏散设施设计参数进行了研究；谢宝超等［6］对客运专线隧道火灾疏散方案开展了相关研究；蒋尧等［7］对不同火源位置、防护门处风速条件下特长铁路隧道紧急救援站火灾烟气蔓延特性进行了研究；李国良等［8］对高海拔隧道紧急救援站疏散救援技术开展了相关研究；ZHOU Y L等［9］建立了缩尺模型，研究火源位置、防护尺寸以及隧道堵塞率等因素对横通道临界风速的影响；于丽等［10］基于水力模型计算方法建立了铁路隧道紧急救援站人员疏散理论计算公式及修正系数；孙海富［11］对紧急救援站的横通道设置数量、风机布置以及防灾设备控制系统进行了研究；罗章波［12］在调研的基础上对紧急救援站长度、横通道设置数量及间距等参数进行了研究。

上述专家学者的研究成果主要是采用各种研究方法对紧急救援站设计参数的单一变量进行分析比较，未综合考虑多个参数变量对疏散救援的影响程度。本文以某大直径盾构水下特长隧道为研究对象，运用人员疏散模拟软件Pathfinder进行建模，对隧道横通道间距、宽度及防护门宽度进行多变量多工况排列组合模拟仿真，分析不同变量组合对人员疏散情况的综合影响，为解决工程实际问题提供必要的理论依据。

1 数值模拟

1.1 模型建立

Pathfinder是由美国Thunderhead Engineering公司研发的一套直观、易用的新型智能人员紧急疏散逃生评估软件，利用计算机图形仿真和游戏角色领域的技术，对多个群体中的个体运动都进行图形化虚拟演练，从而可以确定个体在灾难发生时的逃生路径和逃生时间。

本文以某大直径盾构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，如图1所示。隧道长度约39 km，直径约11 m，为盾构双洞单线隧道，隧道中部设置一座加密横通道型紧急救援站，长度为450 m，用于人员疏散救援。

图1 双洞单线盾构隧道横断面

本次模拟火灾的全车定员1 015人，超员20%时可达1 218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。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，人员疏散速度设置为正态分布。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450 m，横通道长度设置为20 m，人员由着火列车疏散至横通道端部则认为人员已进入安全区域。隧道火灾时人员疏散特征值如表1所示。

表1 人员疏散特征值

1.2 工况设置

从人员疏散层面来看，横通道间距越小，宽度越大，疏散能力越强，越有利于人员疏散。从工程设计角度出发，横通道的间距及宽度直接影响工程造价。因此，需将2个因素进行综合分析，在紧急救援站站台宽度不变的条件下，研究不同间距和宽度的组合如何影响人员疏散时间。为避免防护门宽度对疏散结果的影响，在建立模型时，始终使防护门宽度与横通道宽度保持一致。

在人员疏散过程中，横通道宽度和防护门宽度哪个才是影响疏散时间的主要因素，或者是共同作用于人员疏散过程还有待研究。因此，需对横通道宽度以及防护门宽度进行组合分析，研究不同组合工况对人员疏散时间的影响。

2 疏散模拟结果分析

2.1 横通道宽度与间距组合对疏散结果的影响

不同横通道宽度与间距组合工况下人员疏散时间如表2所示。

表2 不同横通道宽度与间距下的人员疏散时间

由于理论公式适用于能见度大于10 m时的疏散时间计算，即在数值模拟中对应未考虑烟气情况下的疏散时间，由表1可以看出两者数据吻合较好，验证了疏散模拟结果的正确性。

未考虑烟气的情况下，不同横通道宽度时人员疏散时间变化如图2所示。考虑烟气的情况下，不同横通道宽度时人员疏散时间变化如图3所示。未考虑烟气的情况下，不同横通道间距时人员疏散时间变化如图4所示。考虑烟气的情况下，不同横通道间距时人员疏散时间变化如图5所示。

图2 未考虑烟气时，不同横通道宽度人员疏散时间变化

图3 考虑烟气时，不同横通道宽度人员疏散时间变化

图4 未考虑烟气时，不同横通道间距人员疏散时间变化

图5 考虑烟气时，不同横通道间距人员疏散时间变化

由图2、图3可知，未考虑烟气时，同一横通道间距下，随着横通道宽度的增加，人员疏散时间趋于稳定，且横通道间距为40、50、60 m时，人员疏散时间均在120 s左右。考虑烟气时，同一横通道间距下，随着横通道宽度的增加，人员疏散时间变化不大。

由图4、图5可知，未考虑烟气时，当横通道宽度为2.5、3.0 m时，随着横通道间距的增加，疏散时间小幅缓慢增加；当横通道宽度为3.5~4.5 m时，随着横通道间距的增加，人员疏散时间呈现窄幅振荡。考虑烟气时，当横通道宽度为2.5、3.0 m时，横通道间距为40、50 m时的疏散时间变化不大，横通道间距增加至60 m时的疏散时间明显增加；当横通道宽度为3.5~4.5 m时，随着横通道间距的增加，人员疏散时间呈现缓慢上升趋势。

综上所述，根据人员疏散模拟结果，结合考虑烟气情况下人员疏散总时间，横通道间距为40、50 m时的横通道宽度应大于3.0 m，横通道间距为60 m时的横通道宽度应大于4 m；在兼顾人员安全及工程投资的条件下，横通道间距取60 m，横通道宽度取4.5 m。

2.2 横通道宽度与防护门宽度组合对疏散结果的影响

不同横通道宽度与防护门宽度组合工况下人员疏散时间如表3所示。

表3 不同横通道宽度及防护门宽度下人员疏散时间

不同横通道宽度及防护门宽度下人员疏散时间变化如图6所示。未考虑烟气情况下，防护门与横通道同宽时，不同防护门宽度下防护门通行能力如图7所示。未考虑烟气情况下，防护门宽度为2.0 m时，不同横通道宽度下防护门通行能力如图8所示。

图6 不同横通道宽度及防护门宽度人员疏散时间变化

图7 未考虑烟气情况下，防护门与横通道同宽时，不同防护门宽度下防护门通行能力

图8 未考虑烟气情况，防护门宽度为2.0 m时，不同横通道宽度下防护门通行能力

由图6可知，无论是否考虑烟气，不同横通道宽度下，防护门宽度为2.0 m时人员疏散时间比防护门与横通道同宽时要长，说明防护门宽度在一定程度上限制了横通道的有效利用。

由图7可知，随着防护门和横通道宽度的增加，防护门通行能力逐渐增大。当防护门和横通道宽度为2.0 m时，防护门的通行能力最小；防护门和横通道宽度为3.0、3.5 m时，防护门的通行能力基本一致；说明继续增加防护门及横通道宽度并不能提高防护门的通行能力。

由图8可知，防护门宽度固定为2.0 m时，各横通道宽度下防护门通行能力基本一致，说明此时限制人员疏散的因素是防护门宽度，即使横通道宽度很大，对人员疏散产生的影响也很小。

综上所述，当防护门宽度较小时，即使横通道宽度很大，人员疏散也会受到限制，且横通道口都存在堵塞现象；当防护门宽度与横通道宽度一致时，横通道宽度是限制人员快速、安全疏散的主要因素；当横通道及防护门宽度增加至一定值时，横通道宽度及防护门宽度不再是限制人员疏散的主要因素。

3 结论

本文运用Pathfinder软件对某大直径盾构水下特长隧道的人员疏散进行了模拟研究，通过人员疏散时间和人员密度2个判据来分析人员是否能安全疏散，并将理论计算与数值模拟结果进行对比，得出既能满足人员安全疏散的要求，又能减少工程造价的参数设置方案。同时分析了疏散横通道间距、宽度以及防护门宽度三者对人员安全疏散的综合影响，主要结论有以下几点：

1）疏散横通道间距、宽度以及防护门宽度三者对人员安全疏散具有综合影响，在不同工况下三者的影响程度不同。当防护门宽度与横通道宽度相同时，其二者较横通道间距因素对人员安全疏散有更大的影响；当防护门宽度小于横通道宽度且防护门宽度较小时，防护门宽度是制约人员疏散的最关键因素；当防护门宽度和横通道宽度大于一定值时，横通道的间距是唯一影响人员安全疏散的因素。

2）综合各种工况的疏散结果，同时考虑到工程投资，建议取横通道间距为60 m、横通道宽度为4.5 m、站台宽度为2.3 m时的疏散时间232 s作为必需安全疏散时间的参考工况，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300 s。