冯天炜

(中国铁路设计集团有限公司,天津 300308)

引言

随着我国城市化进程的加速发展,地下空间的利用越来越频繁,水下隧道工程技术也得到了快速发展,截至2020年年底,我国共修建245座水下隧道[1]。水下隧道具有不侵占航道净空、不受气候条件影响、可全天候通车且对生态环境干扰小等特点[2],修建优势越来越突出。水下隧道快速发展的同时也对防灾疏散安全提出了许多新的问题,相对于山岭隧道,水下隧道无条件设置横洞、斜井、平行导坑等作为辅助疏散通道及通风单元,相对于城市隧道,水下隧道的长度更长,通向地面的紧急出口数量更少,导致隧道内人员疏散更加集中,救援条件更为不利。对于单洞双线水下隧道,无法采用加密横通道的方式提高疏散效率,只能通过底部疏散廊道进行疏散[3]。因此,研究如何科学利用其轨下口形结构内部空间进行疏散和救援是十分必要的。

国内外学者在隧道的防灾疏散方面开展了大量研究,王明年等[4-8]开展了多项专题研究,对铁路隧道防灾疏散救援设计理念、土建设施、排烟控制、人员疏散救援等进行了系统研究,为高速铁路隧道防灾疏散救援工程提供借鉴;刘雨竹等[9]依托甬舟铁路金塘海底隧道,对火灾情况下盾构隧道竖向疏散通道采用滑梯的可行性进行研究,并提出了疏散滑梯的最优线形;施晓群[10]以长大铁路水下隧道为研究对象,对火灾荷载分布、人员疏散行为特征及过程进行研究,通过定量计算通风临界风速及安全疏散所需时间,并提出了水下隧道消防安全的措施及应急救援策略;邓敏等[2]以某水下公路隧道工程为背景,对火灾情况下不同疏散口间距的疏散时间进行对比分析并提出了最优值;方银钢等[11]以上海长江隧道工程为背景,对疏散排烟系统进行数值模拟研究,并提出火灾时的疏散救援相关措施和建议;曾艳华等[12]依托妈湾跨海盾构隧道,研究楼梯、滑梯、横通道+楼梯3种疏散模式对人员疏散的影响,提出各疏散模式最佳疏散口间距与适用范围;王梦琦等[13]以某海底特长公路隧道工程为实例,对火灾工况下竖向疏散和横竖向疏散相结合的两种方式进行对比分析。

现有学者对水下隧道研究多集中在公路隧道领域[14-18],铁路隧道领域研究相对较少,且防灾救援疏散及相关措施的研究多针对于火灾情况,并未结合水下隧道工程概况,综合考虑隧道防灾疏散原则,对具体的疏散方案及相关参数开展研究。因此,以崇太长江隧道为依托,通过运规组织对火灾工况下列车停靠位置进行分析,明确隧道工程的防灾疏散原则,并结合隧道土建工程,提出防灾疏散方案,并采用疏散仿真模拟,对各疏散方案进行对比评价,确定合理的轨下疏散口间距、最优的疏散方案及避难所设计方案,为双线铁路特长水下隧道防灾疏散救援提供借鉴。

1 工程概况

崇太长江隧道线路在太仓七丫口入地,穿过长江南支南堤后,进入水域宽阔的长江水下,通过长江南支水域,并穿过南支北堤后,在崇明岛万安村附近出洞。隧道进口位于江苏省苏州市太仓市,距离太仓站约13.35 km,隧道出口位于上海市崇明区,距离崇明站约2.36 km,平面示意如图1所示。隧道起讫里程DK47+550～DK61+770,全长14.22 km,其中下穿长江段约10.5 km,采用盾构法施工,衬砌结构型式为预制钢筋混凝土管片+现浇钢筋混凝土内衬。管片外径14.8 m,内径13.5 m,厚650 mm,幅宽2.0 m;内衬外径13.5 m,内径12.9 m,厚300 mm,隧道工法段落划分示意如图2所示。

图1 崇太长江隧道平面示意Fig.1 The schematic diagram of the Chongming-Taicang Yangtze River Tunnel

图2 崇太长江隧道段落划分示意(单位:m)Fig.2 The schematic diagram of the construction method of the Chongming-Taicang Yangtze River Tunnel (unit: m)

2 防灾救援疏散设计原则

2.1 火灾列车停靠位置研究

根据现行TB10020—2017《铁路隧道防灾疏散救援工程设计规范》[19],隧道工程防灾疏散救援总体设计原则应满足下述要求:列车在隧道内发生火灾时,应控制列车驶出隧道并进行疏散,当列车不能驶出隧道,应控制列车停靠在紧急救援站进行疏散和救援。火灾事故发生后残余能力受控车型为动车组,发生火灾后丧失动力比例最大的动车组为4M+4T,动力损失1/4与1/2时,对应的列车剩余运行能力分别相当于3M+5T与2M+6T。根据本工程运规组织及规范要求,对不同运行工况、着火点位置及动力损失的工况下,火灾列车的可能停靠位置进行分析,具体工况见表1。

表1 列车火灾故障时停靠位置分析工况Tab.1 The analysis condition of stopping position of the train fire failure

根据计算结果,火灾列车在残余动力运行下,太仓至崇明方向的运行列车均可停靠在崇明站,崇明至太仓方向的运行列车均可停靠在太仓站,不会发生火灾列车在隧道内停靠的情况,因此,本隧道工程的防灾疏散救援仅针对列车故障工况进行分析。

2.2 防灾救援设计原则

根据现行规范[19]要求,结合列车在太仓站—崇明站区间发生火灾情况下停靠位置分析结果,确定崇太长江隧道防灾疏散救援设计原则。

(1)隧道防灾疏散救援工程设计遵循“以人为本,安全疏散,自救为主,方便救援”的原则。

(2)列车在隧道内发生火灾或着火列车经过隧道时,应控制列车驶出隧道并停靠在崇明站或太仓站进行疏散和救援。

(3)崇太长江隧道水下盾构段长度超过10 km且不具备设置紧急出口的条件,考虑利用盾构段底部空间作为疏散通道或避难所,同时应配置满足人员疏散安全的通风设施。

3 防灾疏散救援方案对比分析

3.1 防灾疏散救援方案

根据现行规范[19]的要求,长度10 km及以上的单洞隧道,应在洞身段设置不少于1处紧急出口或避难所。长江隧道由明挖段与盾构段组成,盾构段由3个竖井分割为两个段落,根据洞身紧急出口数量的不同分为3个疏散方案:方案一,2号竖井作为紧急出口;方案二,2号与3号竖井作为紧急出口;方案三,1号、2号与3号竖井均作为紧急出口。各防灾疏散方案分别如图3～图5所示。

图3 方案一防灾疏散示意(单位:m)Fig.3 The disaster prevention and evacuation diagram of plan 1 (unit: m)

图4 方案二防灾疏散示意(单位:m)Fig.4 The disaster prevention and evacuation diagram of plan 2 (unit: m)

图5 方案三防灾疏散示意(单位:m)Fig.5 The disaster prevention and evacuation diagram of plan 3 (unit: m)

3.2 计算方法及参数

防灾疏散方案模拟采用Pathfinder人员疏散软件,分析时选用Steering模式,即考虑真实因素,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,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,计算模型如图6所示。

图6 防灾疏散方案计算模型Fig.6 The calculation model of disaster prevention and evacuation plan

计算模型以16编组动车组列车为对象进行分析,列车总长400 m,考虑超载及乘务人员后为1 495人(计算时取整按1 500人考虑),人员组成比例见表2,疏散通道尺寸见表3。

表2 疏散人员组成及数量Tab.2 The composition and number of evacuees

表3 疏散通道尺寸参数 m×mTab.3 The dimensions of evacuation channel

疏散人员的行走速度主要与人员类型与地面平坦度有关。计算分析时,假定洞内照明条件为5 lx[20],轨面疏散为人员在不平坦地面无烟条件下行走,轨下疏散为人员在平坦地面无烟条件下行走,疏散行走速度见表4[19-21]。

表4 疏散人员速度参数 m/sTab.4 The speed parameters of evacuees

3.3 轨面疏散口间距合理值研究

轨面疏散口设置于盾构段,用于连接轨面疏散通道与轨下疏散廊道。当采用轨下疏散廊道时,人员疏散路径为:车上人员→下车至行车道层救援通道→沿救援通道绕过事故列车→跨过轨道进入隧道中线→沿楼梯道进入轨下疏散廊道→沿廊道进入两端工作井→沿工作井出地面。从疏散路径可以看出,轨面疏散口间距将对人员疏散时间产生影响,影响疏散效率。因此,防灾疏散方案对比分析前,应先对轨下疏散口间距的合理值进行确定。

根据现行规范[19]要求,盾构隧道竖向通道沿隧道长度方向的间距不宜大于200 m。本次研究结合类似工程情况,针对200,150,100,75,50 m等常用的5种疏散口间距,以安全疏散时间与拥堵时间作为计算指标进行对比分析,计算结果如图7所示。

图7 不同轨面疏散口间距疏散时间Fig.7 The time of different evacuation opening distance

由图7可知,安全疏散时间随轨面疏散口间距的增大呈增长趋势,当间距超过100 m时,各工况疏散时间差别较小;拥堵时间随轨面疏散口间距增大呈增长趋势,疏散口间距<75 m时,不会发生拥堵,故确定轨面疏散口间距的最优值为75 m。

3.4 疏散方案对比研究

在轨下疏散口间距为75 m的条件下,以疏散时间作为指标对各疏散方案进行对比分析。疏散时间计算原则如下。(1)轨面疏散的疏散时间以事故列车停止人员疏散开始,至最后一人疏散至隧道进口、出口或紧急出口为止,为安全疏散时间。(2)轨下疏散的疏散时间包括两部分:一是从事故列车停止人员疏散开始,至最后一人进入轨下廊道内为止,为安全疏散时间;二是从最后一人进入轨下廊道开始至最后一人疏散至隧道进口、出口或紧急出口为止,为廊道走行时间(不含竖井内竖向疏散时间),各方案疏散时间模拟结果分别见表5～表7。

表5 疏散方案一模拟计算结果Tab.5 The simulated calculation results of the disaster prevention and evacuation of plan 1

表6 疏散方案二模拟计算结果Tab.6 The simulated calculation results of the disaster prevention and evacuation of plan 2

根据表5～表7,方案一采用轨面疏散的方式,疏散控制段落为2号竖井～出口段,最大疏散距离为5.84 km,控制疏散时间为10 668.3 s。

相对于方案一,方案二中2号～3号竖井盾构段采用轨面+轨下疏散方案,安全疏散时间716.5 s,廊道走行时间为8 085.8 s;疏散控制段落为进口～2号竖井段,最大疏散距离为1.27 km,控制疏散时间为3 291.5 s,较方案一降低69%。

相对于方案二,方案三中1号～2号竖井盾构段采用轨面+轨下疏散方案,安全疏散时间716.5 s,廊道走行时间为1 613.8 s;疏散控制段落为进口～1号竖井段,最大疏散距离为0.32 km,控制疏散时间为1 667 s,较方案二降低49%,较方案一降低84%。

综合对比分析,方案三中疏散控制时间及各段落的疏散时间均为最短,同时考虑到3种方案所对应的土建工程配套均相同,仅在防灾救援设施方面有所差异,对工程投资影响较小。因此,确定方案三为推荐方案。

根据上述计算分析,采用轨下疏散时,最长走行距离约5.61 km,廊道走行时间为8 085.8 s,约2.25 h,走行距离与疏散时间均较长,不利于疏散过程中的安全,故考虑利用轨下空间设置避难所作为待避空间。

4 避难所设计及救援方案

4.1 避难所设计

根据现行规范[19]的要求,避难所设计应满足如下要求:(1)长度10 km及以上的单洞隧道,应在洞身段设置不少于1处紧急出口或避难所;(2)设置避难所的辅助坑道断面净空尺寸不宜<4.0 m×5.0 m(宽×高);(3)避难所内应设置待避区,待避面积不宜<0.5 m2/人。

根据崇太长江隧道盾构段横断面设计方案,轨下空间净空尺寸为4.0 m×2.5 m(宽×高),虽达不到规范中净空高度的要求,但可满足人员通行和待避。根据计算结果,避难所长度330 m/处,具体布设方案如图8、图9所示。隧道范围内共设置4处,其中1号～2号竖井盾构区间中部1处,2号～3号竖井盾构区间设置3处,具体设置里程见表8,布设平面如图10所示。

表8 避难所设置里程Tab.8 The locations of the evacuation shelters

图8 避难所设计方案横断面(单位:mm)Fig.8 The cross section of the evacuation shelter design scheme(unit: mm)

图9 避难所设计方案平面(单位:mm)Fig.9 The plan of the evacuation shelter design scheme(unit: mm)

图10 隧道避难所布设平面(单位:m)Fig.10 The layout plan of the evacuation shelters in tunnel (unit: m)

4.2 隧道救援

根据图10可知,避难所间及其与紧急出口的最小距离约950 m,最大距离约3 000 m。综合分析,隧道内采用定点救援方式,各段落救援方案具体如下。

(1)故障列车停靠在隧道进口～1号竖井之间时,疏散人员沿线路两侧的救援通道通过隧道进口到达洞外。

(2)故障列车停靠在1号～2号竖井之间时,疏散人员沿线路两侧救援通道进入轨下疏散廊道,行至避难所1处待避,轨面救援列车于避难所1处进行定点救援。

(3)故障列车停靠在2号～3号竖井之间时,疏散人员沿线路两侧救援通道进入轨下疏散廊道,按就近原则,选择避难所2、3、4进行待避,轨面救援列车根据人员待避情况进行定点救援。

(4)故障列车停在3号竖井～隧道出口之间时,走行距离较短,乘客可沿线路两侧的救援通道通过隧道出口到达洞外。

5 结论

通过对高速铁路超大直径水下盾构隧道防灾疏散救援研究,得到以下结论。

(1)当火灾列车在残余动力运行下不发生在隧道内停靠的情况时,隧道工程的防灾疏散救援可仅针对列车故障工况进行分析。

(2)随着轨面疏散口间距增大,安全疏散时间与拥堵时间均呈增长趋势,当疏散口间距超过100 m时,疏散时间差别较小;疏散口间距<75 m时,不会发生拥堵;建议轨下疏散口最优间距为75 m。

(3)从疏散时间与工程投资角度分析,方案三控制疏散时间为1 667 s,较方案二降低49%,较方案一降低84%,紧急出口数量增加,可有效降低疏散控制时间,应结合土建工程,通过投资效果分析,确定推荐疏散方案。

(4)人员走行距离与时间均较长,不利于疏散过程中的安全,利用轨下空间设置避难所作为待避空间,避难所参数为330 m×4.0 m×2.5 m(长×宽×高)。

(5)基于避难所布设方案,隧道救援采用定点救援方式,疏散人员应按照就近原则选择避难所待避,并根据待避情况进行轨面救援。