单洞双层超大直径城市盾构隧道逃生优化模拟

马燕平, 郑学林*, 臧建彬

(1.上海海事大学商船学院，上海 201306；2.同济大学机械与能源工程学院，上海 201804)

近年来，随着中国高速公路建设迅猛发展，盾构隧道越来越多，为解决城市有效用地不足、交通拥堵等问题,出现了很多双层超大直径(大于14 m)盾构隧道。盾构隧道由于结构长而封闭，且安全出口少，一旦发生事故，人员疏散困难，尤其是近十多年发生的隧道火灾事故，不仅提醒人们安全出行的必要性，还应注重隧道发生火灾，人员如何逃生疏散，对于建设方来说如何设计合理的安全有效的逃生模式是重中之重。目前，对于双层盾构隧道一般采用横通道、上下层疏散楼梯、纵向疏散、避难室等疏散方式[1]。中外城市道路隧道上下层互为逃生方式工程案例[1-4]：世界上首条双层隧道法国 A86 公路隧道是开拓利用城市地下空间的双层盾构结构一个范例，盾构段每隔200 m设置避难所和上下层联络楼梯间；中国首条双管、双层盾构法隧道-上海复兴东路隧道采用横向通道与上下层疏散楼梯相结合的逃生方式；上海上中路越江隧道以及上海外滩隧道，每隔100 m设置上下层疏散楼梯；上海军工路隧道每隔80 m设置逃生楼梯；南京纬三路隧道每隔64 m设置逃生楼梯；扬州瘦西湖隧道共设12组逃生楼梯。

中外一些学者采用数值模拟、实验演练、虚拟现实技术对隧道人员疏散进行研究：李削云等[5]最先以苍岭隧道为例，通过理论计算和模拟软件building EXODUS 相结合研究中小规模火灾情况下隧道人员疏散行为特性进行研究，得出人员在安全疏散时间以及提出隧道救援逃生建议，降低人员伤亡的可能性。金润国等[6]首次利用火灾动力学模拟器(fire dynamics simulation，FDS)和Pathfinder在建筑火灾与人员疏散中应用，为Pathfinder在隧道人员疏散奠定基础；Ronchi等[7]以西班牙Lantueno隧道为例，分别研究比较了三种疏散模型软件(FDS+Evac, STEPS, Pathfinder)和防火学会提供的分析计算工程师(SFPE)手册，得到的疏散时间之间的模型没有显著差异。曾艳华等[8]采用Pathfinder 数值模拟方法，得出妈湾跨海盾构隧道楼梯疏散模式的最佳间距为80 m；邓敏等[9]利用 Pathfinder模拟疏散软件，对设置不同上下层疏散联络通道间距情况下，人员从下层着火隧道到达上层隧道必需安全疏散时间进行了模拟计算。沈卓恒[10]采用数值模拟软件对盾构隧道人员疏散进行模拟，分析影响疏散效率的因素，包括车道数、滑梯间距以及滑梯疏散速度进行研究。朱华等[11]进行了武汉长江隧道垂直疏散滑道的演练；陈长坤等[12]利用FDS和 EVACNE4T模拟软件，分别对隧道内火灾烟气蔓延以及隧道内人员的疏散进行模拟与分析。近年来，王星等[13]进行了单向双洞公路隧道火灾人员疏散救援研究；成艳英等[14]以某水下隧道为例，分析隧道设置不同横向/竖向疏散通道，同等条件下疏散能力研究；惠豫川等[15]研究了滑梯、楼梯不同间距及楼梯不同宽度对人员疏散时间及通过能力的影响。主要研究单层隧道人员疏散，涉及单洞双层超大直径隧道的研究较少，并且现阶段疏散通道人员疏散行为及通行能力的研究,主要集中在疏散门的宽度、疏散楼梯间距以及疏散楼梯宽度[16-17]，但针对盾构隧道疏散楼梯坡度研究相对较少。根据《道路隧道设计规范》[18]，单孔隧道设置的楼梯间隔不宜大于250 m,并要求楼梯坡度不大于60°、宽度不小于0.8 m。

以单洞双层超大直径盾构公路隧道为研究对象，设置不同的疏散楼梯坡度进行模拟计算分析，并且对疏散楼梯间距进行优化，为从事地下交通系统设计的工程师提供指导，为今后该领域的研究奠定基础。

1 工程概况

以某城市公路隧道为研究背景，该隧道是单洞双层隧道，采用盾构施工技术，隧道外径16.6 m,车道净高5.8 m,上下层个布置三车道，为世界上最大直径的盾构法隧道之一，如图1所示。

隧道设计车速60 km/h, 盾构段达4 km，隧道主线高峰小时交通规模预测详见表1，隧道车辆类型均为客车，包括大型客车与中巴车及小汽车,隧道内车辆类型、比例以及尺寸详见表2。

图1 双层超大直径盾构隧道结构示意图Fig.1 structural diagram of double layer super large diameter shield tunnel

表1 隧道主线高峰小时交通规模流量预测Table 1 Prediction of traffic volume in peak hours of main line of tunnel

表2 隧道车辆类型、比例以及尺寸Table 2 Type, proportion and size of tunnel vehicles

目前中外纵向疏散楼梯口间距一般为80～150 m[19]，考虑到远期(2039年)交通量较大，为增强安全水平，取疏散楼梯口间距为80 m，且疏散楼梯口在隧道内均匀分布。救援车辆将上、下层通道作为救援通道，直接快速到达火灾点附近，有利于提高救援效率。

假设下层隧道逃生口处发生火灾，阻挡了人员的通行，人员必须行走至下一个逃生口进行疏散。隧道内车流量高峰期时取车辆间的间距为1.5 m,根据机动车规格术语和定义[20]设置小汽车长3 m，中巴车长6 m，公交车长12 m。根据车长与车间距得到第一个有效逃生口且处在隧道火灾影响范围80 m内的车辆数为47辆，设置小汽车满载人数取4人，中巴车的人数取20人，公交车的人数取 80人，满载率分别50%、60%、80%，则待疏散人数一共为258人。

2 疏散人员理论分析计算

人员疏散的安全性基本判据为：人员疏散时间(TREST)<火灾危险时间(TAEST)。

人员疏散时间(TREST)是指从起火时刻到人员疏散至安全区域的时间，即所需安全疏散时间，由火灾探测报警时间(Tcue)、人员反应时间(Treso)和人员疏散运动时间(Ttrav)三部分组成。人员疏散运动时间(Ttrav)包括在客车内的疏散时间(TA)、隧道内的疏散时间(TP)和通过逃生门进入安全区域的时间(TM)。

火灾危险时间(TAEST)指从起火时刻到火灾对人员安全构成危险状态的时间，即可用安全疏散时间。根据一些隧道火灾实例以及研究资料[21]，火灾可能在10 min内对人员生命安全产生危害。本文火灾危险时间设为10 min,同时也是消防救援最佳时间，疏散时间超过火灾达到危险状态的时间，将很难营救成功。

2.1 客车内的疏散时间(TA)

选取隧道长度80 m,以最不利情况分析，事故位置发生在逃生疏散口处，无法用于逃生疏散。假设离火源最近的车辆为公交车，设车身长度为 12 m，车门宽0.8 m, 公交车门2个，车内待疏散人员64人，把从该公交车上全体人员通过车门的时间作为所需安全疏散时间T[5]，计算公式为

(1)

式(1)中：P为通过疏散通道的总人数；N为疏散通道口数量；R为人流平均速度，m/s；W为疏散通道口宽度，m；L为通道边界层宽度，人员摆臂或携带物件造成的边界影响，取0.15 m。

人流平均速度(R)与人员密度(D)存在一定的关系，即

R=K(1-0.266D)

(2)

式(2)中：K为与疏散通道有关的常数，隧道内取1.4，大客车内取2.6；D为人员密度，通常取0.54

2.2 隧道内的疏散时间(TP)

隧道内人员混杂，不同性别、年龄、身高、体重、肩宽以及外界环境都会影响行进速度，本质的差别主要归为人员步速。为了计算方便，将待疏散人员视为一整体，具有一定的密度、速率及流量，各个人员的具体特征将不作考虑，因此疏散时间仅与人流的疏散距离有关，堵塞的车辆和火灾产生的烟雾将略微降低人员的疏散速度，隧道内人员的平均逃生速率为1.2 m/s，人员疏散时间为80/1.2=67 s。

2.3 通过逃生口进入安全区域的时间(TM)

同理，考虑堵塞情况，逃生门宽度w为1.1 m，待疏散总人数258人，人流平均速度1 m/s,进入安全区域的疏散时间约为332 s。

综上所述分析得人员疏散时间(TREST)为 558 s，低于达到危险状态的时间TAEST(600 s)，此救援方案安全可行。

3 软件模拟的疏散计算

3.1 应用软件

Pathfinder 软件是一款基于人员疏散和移动模拟的仿真器，是目前隧道与地下空间人员疏散模拟常用的软件之一。Pathfinder支持两种移动仿真模式，即Steering 模式和SFPE模式。Steering 模式，人与人之间会保持一个合理的距离。SFPE模式人员并不会试图避开对方，并且会相互拥挤，但是门会限制人群流动。本次模拟选用Steering 模式，计算机理考虑真实因素，使用路径规划、指导机制、碰撞处理相结合控制人员运动，个体行动自由，碰撞时自动避让，能够较为真实地反映复杂通道内的待疏散人流速度以及疏散时间。

3.2 疏散人员组成

步行速度的大小将直接影响人员行走时间，而影响人员步行速度的因素包括：外界环境、不同人种、疏散路径、人员身体机能、性别等。已有研究表明，人员疏散步行速度1.0～1.4 m/s，受火灾烟气的影响，折减20%进行取值。模型中待疏散人数258人，由成年男性40%，成年女性40%，老年人10%，以及青少年10%组成，分别设置肩宽、身高、步速以及颜色标记，具体参数设置详见表3疏散人员组成，人员分布图如图2所示。

表3 疏散人员组成Table 3 Composition of evacuees

图2 人员分布图Fig.2 Personnel distribution map

模型中隧道内不同位置处的人员反应时间按离火源距离选取[8]：0～30 m内人员反应时间为 5 s,30～60 m内人员反应时间为30 s,大于60 m人员反应时间为60 s。火灾探测时间和火灾确认并通知人员火灾发生的时间为60 s。

3.3 疏散模拟工况

针对盾构上下层结构设置，待疏散人员依靠上、下楼梯进行疏散逃生。楼梯上行速度比下行速度慢，所以取下层隧道内所有人员完全通过上层疏散楼梯防火门的时间为疏散计算分析时间。在房屋建筑学中，楼梯坡度宜为20°～50°，超过50°则应建成爬梯，为控制唯一变量，设置60°的楼梯进行模拟计算。在本文中疏散楼梯坡度设置为60°、45°和30°以及有无休息平台，分别利用 Pathfinder 疏散软件建模计算,疏散模拟工况详见表4。休息平台为1.2 m×1 m,楼梯宽度为80 mm,隧道净高5.8 m,有休息平台的楼梯净高2.9 m,防火门宽度为110 mm。

表4 疏散模拟工况Table 4 Evacuation simulation conditions

3.4 疏散结果分析

模拟结果如图3所示，楼梯坡度越大所用疏散时间越长。楼梯坡度60°所需疏散时间比坡度45°的疏散时间多出120 s,楼梯坡度45°疏散时间比坡度为30°的疏散时间多出60 s。坡度60°有、无休息平台相差较大，无休息平台比有休息平台所用疏散时间多,休息平台的存在增加了楼梯承载人员数量，缓解了逃生口处排队拥挤状况，有利于更快的疏散人员逃生。坡度为45°有无休息平台相差不大；坡度为30°有无平台有轻微时间差，由于休息平台的存在，人员在楼梯上的时间增加，以致于有休息平台比无休息平台所用疏散时间长。

不同楼梯坡度不同时段人员疏散以及三者对比情况如图4所示：当坡度为60°时，4 min内有、无休息平台几乎无差距，这段时间内在主要是公交车人员内部疏散以及隧道内疏散时间，4 min以后人员全部在逃生门处聚集，由于坡度大所承载的人员不多，拥挤、排队现象严重，休息平台可以增加承载人员数量，加快人员疏散。当坡度为45°时，楼梯有无休息平台，其人员疏散差别不大，不过休息平台的存在确实缩短了人员疏散时间，只是作用不太明显。当坡度为30°时，由于休息平台的设置，使得人员在楼梯阶段疏散时间变长，反而增加了人员疏散时间。不同楼梯坡度在60 s内疏散人员几乎无差别，随着时间的推移，差别越来越大，坡度越大疏散所用时间越多，设置休息平台的作用越大。

图4 不同坡度不同时段人员疏散情况对比Fig.4 Comparison of evacuation in different slope and time

理论计算得到疏散所用时间558 s,小于火灾危险时间600 s,软件模拟符合要求的为坡度30°和45°疏散时间均在安全疏散时间范围内，所用疏散时间最短的方案为坡度30°无休息平台，其不同时刻隧道内人员逃生情况如图5所示。

如图5所示，当60 s时，两辆公交车内人员疏散处在人员拥挤下车状态，疏散楼梯处还未出现拥挤情况，当120 s时，两辆公交车人员几乎全部下车，隧道内还有些人员未达到疏散楼梯处；当240 s时，人员均聚集在疏散楼梯处，排队情况严重，经过4 min后才全部疏散完毕，此时若情况危急进行语音广播，进行指引和心里诱导，防止人员心理恐慌。综上所述，待疏散人员一共需要512 s才全部疏散完毕。

根据以上计算结果，楼梯坡度60°太过陡峭，疏散时间太长，与房屋建筑学中规定相符，超过50°则不适宜设为逃生楼梯；楼梯坡度45°和30°模拟计算疏散时间均在安全疏散时间范围内，不过太过接近火灾危险时间，为人员安全着想，进行优化设计方案，适当缩短楼梯间隔，设为60 m,设置楼梯坡度为30°和45°有、无休息平台，进行人员疏散时间的计算,其他人员设置不变，待疏散人员共234人，模拟计算结果如图6所示。

根据图6可知，坡度为45°有、无休息平台人员疏散时间为523 s和524 s;坡度为30°有、无休息平台人员疏散时间分别为461 s和457 s；明显看出楼梯坡度设置为30°比45°人员疏散时间缩短60 s以上，较之原设计楼梯间距80 m,人员疏散所用时间缩短率大于10%。结合安全人机工程学原理, 楼梯的坡度以30°～35°为最佳，逃生楼梯设置的最优化方案为：楼梯间距60 m、坡度30°、无休息平台，人员疏散所用时间最短。但具体的布置需要根据实际情况来定，在现有的规范中，没有相关条文说明对隧道人员疏散给出明确要求，需要不断进行研究完善。

4 结论

(1)采用本文中所研究的隧道模型和逃生模式，每隔80 m设置逃生楼梯，理论计算方案可行，疏散所用时间小于火灾危险时间。

图5 坡度30°无休息平台时不同时间隧道内人员逃生情况Fig.5 Escape conditions of people in the tunnel at different times without rest platform at a slope of 30 °

图6 不同坡度有无休息平台人员疏散Fig.6 Evacuation with and without rest platform on different slopes

(2)采用Pathfinder软件对楼梯坡度为60°、45°和30°以及有无设置休息平台进行模拟，不同楼梯坡度在60 s内疏散人员几乎无差别，随着时间的推移，差别越来越大，坡度越大疏散所用时间越长，设置休息平台的作用越大。

(3)楼梯间距设置为80 m时，楼梯坡度设置为45°和30°方案符合人员安全逃生准则，这一结论与多数类似盾构隧道工程设置相同，具有一定实际可行性，不过模拟所得人员疏散时间与火灾危险时间相近,进而优化设计方案，适当缩短楼梯间隔，人员所用疏散时间越短，越能充分保证待疏散人员的安全，楼梯间距为60 m,楼梯坡度30°无休息平台，为最佳方案。

(4)本研究中只是考虑了火灾烟雾对人员行走速度的有一定的影响，并且按比例进行的折减，不过未能直观体现出火灾发生后烟气流动特性，后续研究中可以将火灾烟气与人员疏散进行耦合仿真。

通过对隧道人员疏散的研究，得出隧道火灾人员疏散时间和疏散楼梯设置方案，为后续人员研究提供参考。由于人员安全疏散时间还与隧道尺寸、交通规模流量、车辆类型及比例、人员逃生速度、软件模拟人员参数设置、车辆发生火灾位置、车辆停靠位置等均相关，建议在实际工程中减小疏散楼梯间距，以充分保证人员安全。