苟长飞，蒋 颖，杜运国，王朝亮，李 博

(1.温州市铁路与轨道交通投资集团有限公司，浙江温州 325000；2.中国市政工程中南设计研究总院有限公司，武汉 430000；3.温州大学，浙江温州 325000)

市域快速轨道交通是一种主要服务于城市郊区和周边新城、城镇与中心城区联系，并具有通勤客运服务功能的中、长距离的大运量城市轨道交通系统，简称市域快轨[1]，也称市域铁路[2]。随着我国城镇化建设的不断推进，为适应中心城区与周边组团城镇化发展需求，迫切需要建设市域快轨引导和支撑城市发展。市域快轨作为一种新兴的城市轨道交通系统，其车辆、限界、防灾要求与地铁、轻轨等常规城市轨道交通不尽相同。市域快轨线路敷设方式虽以高架和地面线为主，但因其服务范围广和受通道资源影响，有时难免需要以隧道形式穿越大江大河。

近年来，业内学者针对水底隧道防灾救援研究较多，包括疏散通道设置及疏散方式[3-5]、逃生方案与安全疏散判定准则[6]、烟气蔓延控制与通风排烟设计[7-14]、防灾救援移动监控与报警系统[15-16]等方面，但针对市域快轨水底隧道防灾救援的研究几近空白。本文依托温州市域铁路S2线一期工程瓯江北口隧道，对市域快速轨道交通水底盾构隧道防灾救援进行实例分析。

1 工程概况

温州市域铁路S2线一期工程起于温州乐清市城东街道下塘站，止于温州瑞安市人民路站，线路全长63.63 km，采用国铁制式，实现城市轨道交通功能。瓯江北口隧道位于S2线黄华站—机场站区间，建筑长度4819.28 m，采用盾构法、明挖法、矿山法施工，见图1。其中江中盾构段2664.6 m，江南始发井140.4 m，江北接收井40 m；暗埋段755 m；矿山段630 m；敞开段589.28 m。瓯江北口隧道盾构段穿越地层主要为淤泥和黏土，存在浅层天然气不良地质问题。

2 疏散方式

2.1 常见疏散方式

隧道常见的疏散方式可以分为单独设置服务隧道疏散、双洞隧道互为疏散隧道、隧道内部疏散3种模式，见表1。

图1 瓯江北口隧道示意

表1 隧道疏散方式对比

(1)单独设置服务隧道

单独设置服务隧道模式是指在主隧道附近单独设置一条平行于主隧道的隧道作为服务隧道[7]，见图2，服务隧道可作为主隧道发生灾害时的逃生通道。这种疏散模式，需单独修建一条隧道，工程造价较高，经济性差。在钻爆法施工中，为探明地质条件或进行施工通风，常设置平行导坑，在运营时则可以利用平导作为服务隧道，在发生火灾时，作为疏散通道。单独设置服务隧道的疏散方式在长大海底隧道中应用较多，如英法海底隧道、日本青函隧道、丹麦大海峡隧道等。设置服务隧道有利于海底隧道的施工和运营管理[17]。

图2 单独设置服务隧道

(2)双洞隧道互为疏散隧道

双洞隧道互为疏散隧道模式，是通过多个横通道将两个主隧道连接起来，使两隧道互为服务隧道，一条隧道发生火灾时可向另一条隧道疏散受灾人员，见图3。这种疏散模式，无需单独修建1条隧道，只需修建若干横通道连接主隧道，经济性较好，应用广泛。国内大部分地铁隧道，瑞士圣哥达山底铁路隧道、丹麦斯多贝尔特大海峡隧道、西班牙达拉马隧道等采用这种疏散模式。横通道开挖存在一定风险，地层条件恶劣时开挖风险很高，易使接口部位产生局部附加应力和变形，开裂漏水，地层软弱、不均时尤为明显。

图3 双洞隧道互为疏散隧道

(3)隧道内部疏散

与前两种模式相比，隧道内部疏散不开挖横通道，具有更好经济性；且主隧道不开口，不产生附加应力和变形。隧道内部疏散模式包括设置专用疏散通道和隧道内双向互通式疏散(上下层或左右侧)两种。

①隧道内专用疏散通道可设置在行车道以下或一侧，见图4。隧道内每隔一定间距设置紧急出口、滑行坡道或楼梯，与逃生通道连通。发生火灾时，人员可从紧急出口进入到专用逃生通道，并沿逃生通道进入塔井或隧道两端工作井逃生。这种方式疏散方式近几年应用较多。

图4 隧道内设置专用逃生通道(单位：mm)

②大断面隧道可通过上下层隔离或左右侧隔离双向交通，见图5。上下层可通过紧急出口和逃生楼梯联通；左右侧可通过在中隔墙上设置逃生门联通。这种疏散方式应用较广，狮子洋隧道、益田路隧道、京津城际铁路至于家堡地下延伸线均采用这种疏散方式。

2.2 隧道断面与疏散方式

单独设置服务隧道，工程投资大，不适用于本项目。双洞隧道互为疏散隧道，需要开挖横通道。本隧址在软土地区，盾构段横通道施工期及运营期风险均较大，不宜采用。

综合比较，采用单洞双线方案相比于单洞单线设横通道开挖风险较小，且主隧道不开口，不会产生附加应力和变形。

单洞双线在隧道内部疏散方案可细化为设置中隔墙的单洞双线方案和无中隔墙的单洞双线方案两种，见图6。两种方案横断面对比见表2。

图5 隧道内左右侧互通疏散

图6 瓯江北口隧道盾构段横断面

(1)设置中隔墙的单洞双线方案

设置中隔墙的单洞双线方案采用横向与纵向结合的逃生救援方式，即在上层两车道孔间设置纵向疏散平台，根据国铁及地铁设计规范要求，结合安全疏散时间计算结果，沿纵向每隔300 m设置横向联通口，实现两孔间互通。另外沿纵向每隔600 m距离设置一处宽1.0 m的疏散楼梯，连接轨道层和疏散通道，实现上下层间的互通。疏散通道平时作为隧道用检修通道，火灾时作为输送救援人员的疏散通道。一旦有灾害发生，可通过轨道层的疏散平台直接从事故隧道通过楼梯到达下部疏散通道，沿纵向疏散逃生。

(2)无中隔墙的单洞双线方案

对于单洞双线不带中墙盾构方案的防灾救援方式为：盾构段利用轨道层下部富余空间设置纵向疏散通道，疏散平台和疏散通道两端与盾构工作井连接，通过盾构工作井内部的楼梯到达地面。疏散通道平时作为隧道用检修通道，火灾时作为输送救援人员的疏散通道。一旦有灾害发生，可通过轨道层的疏散平台直接从事故隧道通过楼梯到达下部疏散通道，沿纵向疏散逃生。

因市域快轨需实现城市轨道交通功能，并满足地铁消防要求，且方案1具有防灾疏散能力更强，更灵活的特点，结合温州深厚软土地层条件，考虑列车振动对运营期沉降影响，瓯江北口隧道采用设置中隔墙的单洞双线方案，如图7所示。

图7 瓯江北口隧道盾构横断面示意(单位：mm)

表2 横断面对比

2.3 疏散方案

瓯江北口隧道为黄华站—灵昆站的区间隧道，两段接高架站，长度不足5 km，隧道火灾时，列车应尽可能驶出隧道或驶入前方车站。当列车在区间隧道内着火不能行驶到前方车站时，区间隧道应采用“纵向疏散平台+横向疏散通道”疏散方案。

火灾时列车首先应尽可能驶出地下线或驶入前方车站，在地下线以外或前方车站组织疏散乘客和利用前方车站的消防设施灭火和排烟；当列车在区间隧道内着火不能行驶到前方车站时，区间隧道设计如下疏散方案。

(1)纵向疏散平台

为了让乘客尽快离开事故列车，在区间隧道两线间沿纵向设置贯通疏散平台，其净宽一般不小于800 mm，距轨面高1 100 mm(地铁规范要求一般情况下疏散平台净宽不小于700 mm，困难条件下不小于550 mm)；江中盾构段同时利用下层富余空腔设置第二纵向疏散通道，在隧道两线间按不大于600 m间距设置一处向下疏散的密闭楼梯，通往下层逃生廊道。廊道与南北两岸的工作井连通，工作井内设置直通地面的疏散楼梯。

(2)横向疏散通道

利用两隧道间互为疏散通道。在隧道两线间中隔墙上按不大于300 m间距(地铁规范要求不大于600 m间距)设置1处横向疏散通道，在横向通道上设甲级防火门。

进出口明挖暗埋段发生火灾时，车辆疏散路径：火灾前部车辆继续行驶出隧道，火灾后部车辆紧急制动，并根据需要，利用车站站端渡线，就地反向返回。人员疏散路径：经过左右线之间的防火门进入另外一个隧道疏散或直接从洞口疏散。消防人员进入路径：由于距洞口较近，消防人员可以从火灾点上游洞口直接进入或从另一条无火灾隧道通过中隔墙防火门进入火灾隧道。排烟路径：从进出口洞口排烟或靠近火灾的工作井排烟。

盾构段发生火灾时，人员疏散路径：盾构段内人员可通过横向联络口疏散到另一孔隧道内，利用疏散平台进行纵向疏散，或者沿着向下的疏散密闭楼梯通往下层逃生廊道，根据疏散指示方向进入相应的工作井内，通过工作井楼梯疏散至地面。消防人员进入路径：从火灾点上游洞口或工作井进入或从另一条无火灾隧道通过中隔墙防火门进入火灾隧道。排烟路径：利用工作井内风机纵向排烟。

3 火灾蔓延数值模拟

3.1 模型建立

本次模拟设计采用NIST开发的FDS软件进行火灾发展和烟气蔓延的定量分析，该软件是公认的由政府权威机构开发的软件，使用大涡流流体力学模型处理火场流体的紊态流动，已广泛应用于性能化防火设计分析工作中。

本模拟选用了隧道火灾最不利情况(当列车停靠在靠近中部联络通道位置，并且火灾发生在列车中部时对应的火灾通风排烟模式为该区间隧道的最复杂模式)作为火灾工况进行模拟计算。在火灾模拟计算时采用如下假设。

(1)假设火源：将燃烧的火焰处理为一个热源，不考虑火灾燃烧过程中的化学反应和烟气成分的变化。发生火灾时，火灾初期发展规律用t2快速增长火表示，当火灾达到最大热释放速率时，将保持不变直到模拟时间结束。

(2)热烟气运动是浮力驱动下的流动，浮力影响采用Boussinesq假设，隧道内空气气流和烟气遵循理想气体状态方程。

(3)由于隧道壁面的温度较低，辐射影响程度较小，故不计辐射传热的影响的模拟结果偏于保守，所以模拟按绝热过程计算。

(4)不计烟气的压缩性，假设烟气和空气的热物理性质相同，忽略热扩散、粘性扩散和压力功等对烟气流动的影响。

根据隧道结构图，利用FDS前处理建模软件Pyrosim2010建立隧道全尺寸模型，如图8所示。

图8 隧道FDS模型

为了保证网格的精确解析，使用Multi-Mesh方法，在流动和热交换迅速的区域采用局部网格加密，对着火附近区域、隧道分别设置Mesh和网格解析大小，有效地减少计算时间消耗。考虑人员采取低姿疏散，FDS模拟在1.6 m高度处测试点布置热电偶。

火灾网格设置为0.5 m×0.2 m×0.2 m，疏散网格设置为0.2 m×0.2 m×2.0 m，不考虑列车运行活塞风的影响和列车形状对烟气蔓延的影响，火源分别位于区间隧道中部和靠近进口段/出口段一端，对隧道作适当简化，按照1∶1建立模型。

3.2 模拟工况

分别模拟瓯江北口隧道有中隔墙方案的3种工况，如表3所示。

表3 火灾蔓延数值模拟工况

3.3 模拟结果

(1)烟雾蔓延分析(烟气、温度、可见度)

工况1着火点位于盾构隧道中部，隧道内处于无风状态，隧道断面各时刻烟气分布云图、温度分布云图、可见度分布云见图9。由图9(a)可见，关闭风机，隧道内烟气向两端隧道和顶端排烟风道迅速蔓延，且沉降明显。随着时间推移，隧道内的烟气逐渐向顶端排烟风道扩散。由图9(b)可见，关闭风机，隧道内温度升高，其中火源上方温度最高，随着烟气的扩散致使高温区迅速向隧道两端传播。由图9(c)可见，关闭风机，随着烟气的扩散致使隧道内可见度明显降低，在火灾发生20 min之后，烟气在隧道内弥漫严重。

图9 工况1火灾烟雾蔓延分布

工况2着火点位于盾构隧道中部，开启全部风机进行机械排烟，隧道断面各时刻烟气分布云图、温度分布云图、可见度分布云见图10。由图10(a)可见，隧道内烟气向两端隧道蔓延且沉降。由于火灾初期开启风机，大部分烟气沿轨顶风道排出，行车区间内烟气仅扩散了约隧道长度的1/10。烟气向进/出口隧道方向蔓延缓慢，并在15 min后维持在一定范围不再扩散，此时行车区间几乎没有烟气。由图10(b)可见，火灾发生后隧道内温度升高，其中火源上方温度最高，高温区随着烟气的扩散而扩散。由于火灾初期开启风机，大部分烟气沿出口洞口排出，所以高温区向进口隧道方向蔓延缓慢，并在15 min后维持在一定范围不再扩散。由图10(c)可见，随着烟气的扩散致使隧道内可见度降低。开启风机，大部分烟气沿出口洞口排出，进口段隧道内烟气在15 min后维持在一定范围不再扩散。

图10 工况2火灾烟雾蔓延分布

工况3着火点位于隧道出口段，隧道内处于无风状态，隧道断面各时刻烟气分布云图、温度分布云图、可见度分布云图见图11。

由图11(a)可见，关闭风机，隧道内烟气向两端隧道迅速蔓延，且沉降明显。由于火灾位于隧道出口段，烟气可由洞口及时排出，所以出口段隧道烟气堆积，烟气沉降现象相对较好。

由图11(b)可见，关闭风机，隧道内温度升高，其中火源上方温度最高，随着烟气的扩散致使高温区迅速向隧道两端传播。由于火灾位于隧道出口段，烟气可由洞口及时排出，所以出口段隧道温度升高相对盾构段较慢。

由图11(c)可见，关闭风机，随着烟气的扩散致使隧道内可见度明显降低。在火灾初期，由于隧道出口段断面积比盾构段小，所以烟气在出口段沉降较快；火灾后期，由于火灾位于隧道出口段，烟气可由洞口及时排出，所以出口段隧道可见度下降变缓。

图11 工况3火灾烟雾蔓延分布

(2)可用安全疏散时间

根据烟气在隧道内的蔓延情况，得到可用的人员安全疏散时间(ASET)，如图12所示。

图12 安全疏散时间与距离火源位置关系

由图12可见，盾构隧道中部发生火灾，关闭射流风机在自然排烟的情况下，距离火源100 m以内，安全疏散时间随着远离火源而逐渐呈线性增加；距离火源100～300 m，安全疏散时间相对稳定，基本维持在14～15 min；距离火源300 m以上，安全疏散时间随着远离火源而急剧增加。盾构隧道中部发生火灾，开启全部风机进行机械排烟的情况下，距离火源100 m以内，安全疏散时间随着远离火源而逐渐呈线性增加，且略大于自然排烟情况下，与自然排烟情况下的差距也逐渐增加；距离火源100～300 m，安全疏散时间明显比自然排烟情况下长。可见，开启风机可使排烟效果得到明显提高，有利于人员安全疏散。

4 结语

瓯江北口隧道工程采用设置中隔墙的单洞双线方案。当列车在区间隧道内着火不能行驶到前方车站时，区间隧道应采用“纵向疏散平台+横向疏散通道”疏散方案。隧道中部起火时，关闭风机自然通风情况下，隧道内烟气向两端隧道和顶端排烟风道迅速蔓延，开启风机机械排烟情况下，隧道内烟气蔓延缓慢。隧道内发生火灾时，开启风机可使排烟效果得到明显提高，有利于人员安全疏散。