公路隧道火灾时安全疏散通道研究

公路隧道火灾时安全疏散通道研究

作者：张德成 蒲勇 沈航 蒋克军 来源：《价值工程》2014年第13期

摘要： 为了保证灾害发生时人员的安全疏散，隧道安全疏散通道的合理布局至关重要。首先收集了国内外49座公路隧道案例，统计分析了公路隧道常用的安全疏散方式以及它们的特点和适用范围；针对公路隧道最常用的横通道疏散方式，深入分析了横通道间距分布区间、发展趋势以及与隧道长度之间的关系。在案列统计分析的基础上，以某水下公路隧道为例，进行了安全疏散通道设计并采用Building Exodus软件验证了其合理性。本文研究成果为公路隧道安全疏散通道的合理确定提供了参考依据和借鉴。

Abstract： It is important to choose reasonable safe evacuation channels to make sure personnel security. The common safe evacuation ways and their chrematistics and scope of application are attained by statistical analysis of 49 tunnels. For the cross channel， the commonly used evacuation method for road tunnel， the distribution range and development trend of its gap， and its

relationship with tunnel length are analyzed. Based on the case analysis， the safe evacuation method for a subaqueous road tunnel is designed， and its rationality is proved by using the \"Building Exodus\". It provides reference for the design of safe evacuation methods of road tunnels. 关键词： 隧道；火灾；安全疏散；横通道；数值模拟

Key words： tunnel；fire；safe evacuation；cross channel；numerical simulation 中图分类号：U45 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2014）13-00-04 0 引言

近年来随着国家加强对基础设施建设的投入，我国交通建设事业取得了迅猛的发展，我国隧道工程建设与科研都取得了长足的进步。目前，我国已经成为世界上隧道工程数量最多、最复杂、发展最快的国家。统计数据表明[1]，截止2012年底，我国已建成运营的公路隧道达10022座，总里程接近8052.7公里。大量公路隧道的建设为经济发展、人民生产生活带来便利的同时，也对隧道安全工作提出了更高的要求，特别是隧道火灾时人员疏散的安全性问题。由火灾导致的公路隧道运营安全事故屡见不鲜，部分事故还造成了大量的人员伤亡[2]。安全疏散通道作为火灾事故时人员的逃生通道，其合理布局设计至关重要，也需要展开进一步的深入研究[3～7]。本文首先收集国内外大量公路隧道疏散设计案例，总结分析了公路隧道目前常用的逃生疏散方式以及它们的优缺点；针对最常用的横通道疏散方式，深入分析其间距分布区间、发展趋势及与隧道长度之间的关系。在统计分析的基础上，对某水下公路隧道疏散方式进行了设计，并通过疏散仿真手段模拟灾害场景，计算逃生时间，分析验证疏散方式的合理性。

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1 公路隧道常用疏散逃生方式分析

为了获得公路隧道常用的疏散逃生方式，统计分析国内外文献，共获得49例国内外公路隧道有效案例。统计分析结果表明，目前国内外公路隧道通常采用的逃生方式主要有以下几种：①将双管隧道间的横通道作为逃生救援通道；②在隧道车道板下设置逃生通道；③将服务隧道作为逃生救援通道；④将隧道之间的管廊作为逃生救援通道。不同逃生方式示意具体见图1。

以上常用的四种逃生方式各有其特点及适用条件。总体上，采用服务隧道的通行能力最佳，不过由于工程造价高，而且多应用于硬岩地区，应用较大；隧道联络横通道的疏散能力较强，不过，开横通道对原隧道结构的受力不利，施工中已发生事故，地质条件较差的情况下应慎重选择；随着隧道直径增大与双层隧道应用，原本受隧道直径所制约的车道板下式通道的疏散能力也得到改善，而且其施工难度低、建造成本低，逐渐被大量应用在大直径隧道设计中；对于沉管法及明挖隧道，可事先就在隧道两孔间设置管廊，放置管线的同时用作逃生通道，疏散时可直接沿着管廊逃向地面，或通过横通道经由管廊到达邻近隧道。

在收集的49例国内外公路隧道案例中，只采用横通道逃生方式的隧道占大多数，达到33条，仅仅采用车道板下逃生或仅仅采用服务隧道逃生的隧道分别有2条和5条，而将多种逃生方式相结合的隧道有9条。在采用组合逃生方式的隧道中，有3条隧道使用了横通道+服务隧道的模式，有6条隧道使用了横通道+车道板下逃生模式。可以看出，目前绝大部分的隧道所采用的疏散逃生方式均为横通道方式，即在发生火灾时，人员利用横向联络通道进入另一主隧道的安全区。

2 横通道设置间距统计分析

2.1 横通道间距分布区间 针对只采用横通道逃生方式的33条隧道展开深入分析可知，横通道的间距不尽相同，最短的有90m，最长的有1600m。将横通道间距L划分为100m以下，100m～200m，200m～300m，300m～400m，400m～500m和500m及以上几个不同区段进行统计，得到统计结果见图3。从图3中可以看出，横通道设置间距多在200米到500米之间，这部分隧道共有2，占总体的84.8%。这与《公路隧道设计规范》[8]中规定的“人行通道的设置间距可取250m，并不大于500m”相一致。

2.2 隧道长度对横通道间距影响 将只采用横通道逃生方式的33条隧道按长度分为两部分，其中长度小于6km隧道有16条，长度大于6km隧道有17条，它们各自的横通道间距统计如图4所示。可以看出，随着隧道长度的增加，横通道间距设置倾向于使用较短的距离。 2.3 横通道间距发展趋势 在33条只采用横通道逃生方式的隧道中，横通道间距大于500米的共有4条隧道，其中只有1条是在2000年之后修建的。同时，其他14条2000年之后修建的隧道中，横通道间距平均为310米，而2000年前修建的隧道的横通道间距平均为480

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米。这些都说明随着经济技术水平的提高，公路隧道横通道间距逐步趋于合理性的减小，以更好地满足逃生安全要求。分析原因，这是由于随着时间的推移，隧道的内行车量变大，人员密度逐渐增大，因此为了保证人员的安全疏散，横通道间距逐渐趋于减小。 3 某隧道逃生疏散通道设计

3.1 工程概况 某水下公路隧道设计时速为100km/h，穿越水域段长约10km，水域面宽约9.3km，水深约2m～3m。隧道拟采用明挖法进行施工。隧道全长11000m，其中暗埋段10060m。在隧道中部设计1座直径为75m、面积4000m2的风亭用于通风。该隧道采用双向六车道、双孔一管廊设计。管廊宽4.5m，上部排烟，中部安装设备、下部给排水消防管道。单孔宽16.75m，3条行车道，1条紧急停车带。

3.2 横通道间距设计 根据已有公路隧道常用的逃生通道方式以及它们的自身特点及适用范围，结合明挖法隧道的特殊结构形式，确定横通道逃生为该隧道最适用的逃生方式，横通道宽度取1.8m[8]。两孔车道间每隔一定距离设一个横通道，当一孔隧道内发生火灾事故时，人员可由横通道进入安全逃生通道，至另一孔车道层迅速疏散至地面。

根据上一节的案例统计分析结果可知，国内外公路隧道的人行横通道间距主要分布在250-500m之间，同时，我国《公路隧道设计规范》[9]将联络通道间距设置的推荐值取在250-500m之间，《道路隧道设计规范》[8]规定双孔隧道设置的横向人行通道的间距或隧道通向人行疏散通道的间距不宜大于250m。

考虑到本工程的施工方法为围堰明挖法，在保证施工安全的前提下应适当缩小横通道间距，提高人员逃生及疏散能力，因此建议本工程横通道间距取为100m-250m。

3.3 横通道间距合理性验证 分析不同灾害场景下隧道内发生突发事件后，隧道内人群紧急逃生行为，即从事故隧道经由横通道到达邻近隧道的过程。分析中利用Building Exodus软件对疏散行为进行仿真，考虑人与人、人与火以及人与结构之间的交互作用，分析隧道在运营期发生火灾时人员疏散的安全性。为了论证横通道的合理间距，计算中分别取横通道间距为100m、120m、150m、200m和250m。

3.3.1 疏散行为仿真原则 针对隧道内的安全疏散问题，根据研究对象的不同，目前，主要分两种模式进行研究[10]：一是以隧道内交通的主体——车辆为研究对象，将车作为疏散分析过程中的最小单元，即一辆车为一单元，进行研究；二是以人为研究对象，把人看作是疏散过程中的最小单元进行研究。公路隧道运营中往往会采取两种模式同时进行疏散，由于本部分重点是对人员安全疏散进行研究，因此，将采用第二种方法，即对公路隧道运营期的人员安全疏散问题进行分析。

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火灾工程学对人员疏散的要求是[11]：当火灾发展到对人体构成危险时刻之前，将人员疏散至安全场所。

依据《道路隧道设计规范》[8]：火灾工况时，隧道内乘行人员的安全疏散时间宜小于15min。当设有重点排烟系统和泡沫——水喷雾灭火联用系统时，安全疏散时间可适当放宽至20min。

3.3.2 仿真场景 以最不利情况考虑，隧道火灾发生在横通道B处，如图5所示，则横通道B不可用于疏散逃生，应保证处于火灾下游的车辆可以继续安全行驶，直至人员安全离开隧道；处于火灾上游的人员，由于受火灾的影响，不能以车辆为单位实现快速的疏散，将不得不弃车从最近的横通道逃生，因此，该部分人群为火灾场景下最危险人群。

3.3.3 人员构成及行走速度 运营公路隧道内人员构成复杂，根据业主提供的车种预测结果，在2015年～2040年间，该通道车种比例变化幅度很小，这种微小变化对人员安全疏散的模拟仿真影响可以忽略。确定车型比例及乘客数量预测结果如表1所示，人员构成如表2所示。

人员的行走速度分为6个等级，分别为快走、行走、跳跃、爬行、上楼、下楼。具体取用数值如下[10]：快速行走速度为1.2～1.5m/s；行走速度为快速行走速度的90%，为1.08～1.35m/s；跳跃速度为快速行走速度的80%，为0.96～1.2m/s；爬行速度为快去行走速度的20%，为0.24～0.3m/s。根据人员的性别年龄不同，其行走速度也不相同。

3.3.4 人员占用面积 目前对于人员的模型采用人员所占空间进行分析，软件中[5]认为单个人员占用一个节点，即0.5m×0.5m。人员的身高根据不同的年龄、不同的性别在1.5～2.0m之间随机产生。

3.3.5 连接通道口人流速度 人员疏散分析的计算中，平面疏散的人员流动系数一般可取为1.33人/s/m，则1.8m宽的疏散通道流量为1.33×1.8m=2.4人/s（相当于两个成人、一个小孩）。

3.3.6 疏散人数及人员分布 疏散人数主要由隧道内的车间距及车类型来决定，根据相关要求[5]，计算中取车间距为1.5m，车类型按表1选取。所有人员采用随机分布的形式分别布置在不同类型的车辆内。

3.3.7 几何模型 根据隧道设计资料及前期分析，建立长度分别为200m、240m、300m、400m和500m，宽为16.5m的几何模型。模型长度为2倍横通道间距，目的是考虑火灾发生处的最不利以及最拥挤逃生条件。模型内有3个横通道，其中1个横通道处因发生灾害无法用于疏散，每个横通道可同时通过3人。图6为横通道间距100m的疏散逃生模型，模型长度为200m，其中，深色部分表示座位，即有人区域，浅色部分为逃生可利用空间。

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3.3.8 结果分析 图7为横通道间距100m疏散过程中的人群密度图，由图可以看出位于中间部位的横通道聚集了更多的人群，疏散压力较大，成为了逃生控制因素。图8所示为横通道间距100m疏散人流的路径图，由于大客车载有较多数量的乘客，由大客车到各个横通道的疏散通道成为了人员疏散的主要路径。其余间距横通道的分析结果也表明，中间横通道依然是最主要的逃生出口，而人群的逃生路径更倾向于先靠向横通道一侧，然后再寻找最近出口。 表3为不同横通道间距情况下逃生时间。《道路隧道设计规范》[8]中规定“火灾工况时，隧道内乘行人员的安全疏散时间宜小于15min”，可见横通道间距在250m时仍可满足要求，但已经濒临临界值。该隧道工程采用的是明挖法，缩小横通道间距并不会对施工和隧道结构带来较大风险，反而可以提高逃生时的安全性能，因此建议本工程横通道间距取为100m-150m。 4 结论

①目前水下公路隧道常用的疏散逃生方式主要有将双管隧道间的横通道作为逃生救援通道、在隧道车道板下设置逃生通道、将服务隧道作为逃生救援通道和将隧道之间的管廊作为逃生救援通道四种。其中，横通道逃生方式最为常用。②随着隧道长度的增加和修建时间的推移，公路隧道横通道间距趋于减小。③结合具体案例展示了安全疏散通道设计整个过程，并采用Building Exodus软件对逃生疏散通道设计的合理性进行了验证，这为类似工程的逃生疏散通道设计提供了参考。④分析结果表明，火灾时中间横通道是最主要的逃生出口，而人群的逃生路径倾向于先靠向横通道一侧，然后再寻找最近出口。⑤疏散逃生通道设计是一项复杂的工作，下一步需要综合考虑疏散逃生的安全性和工程经济性进行安全疏散通道的设计。 参考文献：

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