基于情景演变的海底隧道区域火灾应急交通分级

陈明仙,沈斐敏

(1.福州大学土木工程学院，福建 福州 350116；2.福建船政交通职业学院安全技术与环境工程系,福建 福州 350007)

基于情景演变的海底隧道区域火灾应急交通分级

陈明仙1,2,沈斐敏1

(1.福州大学土木工程学院，福建 福州 350116；2.福建船政交通职业学院安全技术与环境工程系,福建 福州 350007)

为解决海底隧道区域火灾应急情景下交通状况难以合理判定的问题，综合运用情景演变分析、动态时间建模和实例验证方法，对海底隧道区域火灾应急交通分级进行了研究。首先，结合情景分析方法，确立海底隧道火灾事故情景演变分析流程，建立情景演变网络模型；然后，确定海底隧道火灾事故不同演变路线的时间模型，进而建立海底隧道火灾事故区域交通拥堵分级模型；最后，利用分级模型对翔安海底隧道进行实例应用分析。实例应用表明：该方法能够确定海底隧道区域火灾情景下交通拥堵状况，可为应急交通决策提供指导。

情景演变；海底隧道；火灾；时间模型；应急交通分级

海底隧道作为一种便捷的跨海交通工程被越来越多地应用于交通活动中，但随之而来的海底隧道火灾事故风险也日趋凸显。火灾事故是海底隧道运营期的主要风险之一，其发生前兆不明显，且引发衍生危害的可能性大，通常会对隧道周边区域交通产生巨大影响，引发大规模的区域拥堵，并在阻碍应急救援的同时，还会扩大事故对区域生产生活产生的消极影响，而传统的“预测-应对”范式是静态和被动的，难以对周边路段的交通状况进行动态和合理的判断。因此，如何进行合理的情景分析，判断海底隧道区域交通状况已引起各界的关注与思考。

针对基于情景演变的隧道应急相关问题，国内外学者进行了探索性的研究，并取得了一些成果。如姜卉等[1]在分析情景演变的概念和内涵后,提出了情景演变的网络表达方式，并建立起罕见重大突发事件中情景演变的分析流程；舒其林[2]在分析非常规突发事件的内涵及其发生的内在要素的基础上，对非常规突发事件应急决策的情景及其演变过程进行了描述，并给出了情景-应对决策范式下应急决策方案的生成过程；Haack[3-4]分析了隧道火灾的标准情景，并根据情景给出了合适的应急决策方案。

综上可知，有关情景演变的研究大多仅限于对突发事件的理论分析，主要以应急辅助决策的情景分析和建模为主，而针对隧道区域特别是海底隧道火灾区域应急交通影响的研究和应用鲜见，且未形成成熟的理论体系。鉴于此，本文针对海底隧道火灾事故，基于情景演变分析通过对隧道内火灾发生后的应急情景演变进行分析，进而建立了基于时间轴的拥堵模型，并确定了隧道区域交通拥堵分级模型。通过实例应用表明，该方法能够确定海底隧道区域火灾情景下交通拥堵状况，为交通应急决策提供依据。

1 海底隧道火灾事故情景演变分析

1.1 海底隧道火灾事故情景演变分析流程

情景是对事件的未来发展途径及发展态势的描述，包括发展态势确认、特性及可能性描述和发展路径的描述。海底隧道火灾事故发生后，事故情景随着时间而不断向前演进，存在着转化、蔓延和耦合等多种演化途径和方式，因此在进行海底隧道火灾事故情景演变分析时，以情景演变的时间规律为主轴，确定火灾的情景演变，即确定火灾在不同的时间所处的状态和发展趋势，并描述初始情景、中间情景、结束情景。海底隧道火灾事故情景演变分析流程如图1所示。

在海底隧道火灾事件情景演变过程中，主要涉及到4个要素：情景、应急目标、应急措施及事件自身演变(指火灾按照自身发生、发展机理的演变)，为方便进行海底隧道火灾事故情景演变的网络表达，将4个要素用图形表达为[1]：○表示情景；□表示应急目标；△表示应急措施；◎表示事件自身演变。

1.2 海底隧道火灾事故情景演变网络模型

在海底隧道火灾事故的演变过程中，在确定的火灾初始情景下，中间情景和结束情景因突发事件的演变会受到多种影响因素的干扰而存在多种演变路径。主要干扰因素有：人工灭火的有效性、自动喷淋系统的有效性、人员逃生、外部救护力量的到达、消防灭火的力量大小及效率等[6-9]。通过分析其已有的应急资源和应急预案，并结合火灾事故发生发展的机理和规律，运用已有情景案例的分析、现场资源分析和规则推理，建立海底隧道火灾事故情景演变网络模型如图2所示[8-14]。

由图2可以看出：海底隧道火灾事故情景演变有多种路径，其中，上方虚横线路径表示所有处置目标都按决策主体的预期实现,代表了情景演变中最乐观隧道火灾情景演变路线,且其时间最短；纵向折线则表示所有处置目标都未能按照决策主体的预期实现,下方虚线代表了情景演变中的最悲观隧道火灾情景演变路线，且其时间最长[1,6]。

2 海底隧道火灾事故情景演变时间模型

2.1 海底隧道火灾事故情景演变时间模型

海底隧道火灾事故演变时间模型为各线路可能经过情景的时间之和，即

(1)

式中：T为情景演变总时间(s)；i,j为火灾演变过程中的情景；ti-j为演变路线中从情景i演变至情景j的时间(s),如t1-3表示从情景1演变至情景3的时间。

其中，海底隧道火灾事故极限情况的情景演变路线主要有两条：

(1)最乐观的情景演变路线，且其时间最短

Tmin=t1-3+t3-5+t5-7+t7-9

(2)

(2)最悲观的情景演变路线，且其时间最长

Tmax=t1-13+t13-15+t15-17+t17-19+t19-21+t21-23+t23-3+t3-5+t5-7+t7-11+t11-9

(3)

2.2 不同情景间演变的时间分项模型

(1) 清障时间

(4)

式中：k为第k辆受损车辆；λk为第k辆受损车辆损坏系数，取值范围为[0,1]；η为车辆清障时间(s)。

(2) 排烟时间[5,15]

t5-7=LA/QHQ

(5)

式中：L为隧道长度(m)；A为隧道断面面积(m2);QHQ为火灾时通风量(m3/s)。

(3) 功能恢复时间

(6)

式中：ui为第i个项目功能损坏程度，取值范围为[0,1]；ri为第i个项目恢复难度系数，取值范围为[0,3]；γ为标准项目修复时间(s)。

(4) 人员逃生时间[16]

t13-17=Na(fB)-1+(ks/v)

(7)

式中：f为通道中的人群流动系数[人/(m·s)]；B为隧道横洞宽度(m)；Na为隧道内需要疏散的总人数(人)；ks为Na中第一个人移动到门或服务隧道的距离(m)；v为人群的移动速度(m/s)。

(5) 持续灭火时间

t19-23=f(x,z,ζ)

(8)

式中:x为燃烧的车辆数(辆)；y为车型系数；z为单车灭火时间(s)；ζ为消防到达时燃烧烈度，指油箱是否外泄并燃烧或爆炸。

3 海底隧道区域火灾交通拥堵分级模型建立

对于隧道区域拥堵状态的分级，主要通过选取所评估区域长度为l的道路路段的道路占用系数来进行评价。道路占用系数[17]可表征为

(9)

式中:μ为道路占用系数；u为评估区域路段行车道上的车辆静流量(辆/h)，u=ul-us，其中ul为入口车流量(辆/h)，即远离火灾方向区域入口l处的阶段车流量均值；us为有效疏散车流量(辆/h)；l为所评估道路路段的长度(m)；r为平均车辆道路占用长度(m)。

通过道路占用系数μ取值大小对海底隧道区域火灾交通拥堵状况进行分级，详见表1。

表1 海底隧道区域火灾交通拥堵分级

当μ≥0.9时，可选取μmax=0.9计算拥堵未分流情景下阻塞允许时间tr(单位为s)，确定进入拥堵情景，可提前制定好应急措施，以避免阻塞的产生，或减轻阻塞程度。

4 实例应用分析

4.1 翔安海底隧道概况

厦门翔安海底隧道是中国大陆第一条海底隧道，长6.05 km，设计行车速度为80 km/h，为双向6车道双洞海底隧道，采用三孔隧道形式穿越海域，全线共设12处行人横通道和5处行车横通道，横通道间距为300 m[4]。

4.2 火灾事故情景设定

本文以厦门翔安海底隧道右线火灾事故为例，假定在通行高峰期发生小型客车火灾，火灾自动探测与喷淋系统工作正常，单车发生燃烧，仅有地面燃烧损坏，沥青表层破坏，计算最悲观情景演变路线的区域交通拥堵情况。

4.3 参数确定

翔安海底隧道火灾事故情景演变过程各项参数取值及计算结果见表2。

表2 情景过程各项参数取值与计算

4.4 确定海底隧道区域火灾情景下交通拥堵分级

本文选取厦门翔安海底隧道左线主入口五通端为起点，沿x418至与S201交叉互通达终点，取l为2 060m。x418为双线中央分隔分离式公路，在护栏中间未开启情况下us=0，即u=ul=625辆/h；以小型客车为主的道路，取r=5.6 m，T=Tmax=3 042.09 s，计算最悲观的情景演变路线下的道路占用系数μ，则

若不采取诱导分流等措施，依据表1的分级标准，隧道重新开放前所评价路段的道路交通处于“道路阻塞”等级。若取μmax=0.9，可计算求得拥堵未分流情景下阻塞允许时间tr为

tr=μmaxl/ur=1 906.97 s

在t5-7，即通风排烟换气阶段时，该路段将进入阻塞。为避免阻塞的产生，应在火灾发生1 906.97 s内，在所选取l段道路的五通端、与S201相交互通端进行交通疏导，及时分流车辆；同时，在l段道路内采取应急交通管理措施，合理开放中央隔离栏，使用逆向车道分流车辆，以降低区域阻塞风险。

5 结 论

本文以情景演变分析与建模计算为核心方法，通过对海底隧道内火灾发生后的应急情景演变过程进行分析，构建了情景演变的时间模型，预算演变路线的可能动态时间；通过选取海底隧道周边区域的确定路段l，计算在演变时间内的道路占用系数，进而判断其拥堵程度，并进行了实例应用分析，为研究海底隧道火灾区域交通拥堵状况提供了一种简要、实用的模型，可为优化应急交通决策提供指导。

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[2] 舒其林.非常规突发事件的情景演变及“情景-应对”决策方案生成[J].中国科学技术大学学报,2012(11):936-941.

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Emergency Traffic Classification under Fire Scenario in Subsea Tunnel Area Based on Scenario Evolvement

CHEN Mingxian1,2,SHEN Feimin1

(1.CollegeofCivilEngineering,FuzhouUniversity,Fuzhou350116,China;2.DepartmentofSafetyandEnvironmentalEngineering,FujianChuanzhengCommunicationsCollege,Fuzhou350007,China)

For the purpose of making reasonable judgement of traffic under fire emergency scenario in subsea tunnel area,this paper applies scenario evolvement analysis,dynamic time modele and example verification method to studing emergency traffic classification in Xiang’an subsea tunnel area.The paper establishes the analysis process of fire scenario evolvement for subsea tunnel and then builds the scenario evolvement net model.Then,it constructs the time model for different scenario routes and builds the traffic classification model.Finally,a case study of Xiang’an subsea tunnel area shows that the method can determine the emergency traffic classification of the tunnel fire area and provide guidance for emergency decision.

scenario evolvement；subsea tunnel；fire；time model；emergency traffic classification

1671-1556(2015)04-0110-04

2014-12-12

2015-07-07

福建交通运输科技发展项目(201441)

陈明仙(1983—)，男，讲师，博士研究生，主要研究方向为隧道安全与监控。E-mail:cmxfzu@163.com

X913;U491

A

10.13578/j.cnki.issn.1671-1556.2015.04.019

沈斐敏(1951—)，男，教授，博士生导师，主要从事道路及隧道安全、安全工程等方面的研究。E-mail:feimshen@sina.com