深中通道特长海底沉管隧道应急救援及交通控制策略研究

2022-11-04黄文摄祁倩倩

公路交通技术 2022年5期

黄文摄，王涵，祁倩倩

(1.深中通道管理中心，广东中山 528400； 2．重庆交通大学土木工程学院，重庆 400074)

沉管隧道具有结构狭长、空间小及近似密闭的特点[1]。发生火灾时，隧道内烟气高温有毒、扩散快、能见度低，现场疏散、救援困难，车辆与人员难以有效规避，极易造成二次交通事故。起火时隧道临时关闭，严重时还会损害隧道结构物及附属设施。因此，隧道起火事故既造成了经济损失，又常伴随交通拥堵和较大的社会影响。

国内外学者相继对隧道火灾救援开展了相关研究。陈建忠[2]提出了公路隧道火灾救援框架；薄淇友、王玉等[3-4]分别总结了公路隧道火灾特点、救援难点并给出了相应对策；杜承勇[5-6]研究了越江隧道火灾救援处置对策；刘海龙[7]采用CFD模拟沉管隧道火灾场景，研究了隧道温度场和烟雾场中温度、有毒气体浓度等达到危险值的时间；Li等[8]通过试验研究了隧道火灾温度衰减与烟雾控制，结果表明多点排烟和纵向通风相结合的方式有助于隧道控烟；国内部分研究机构依托实际项目研究了沉管隧道火灾烟气蔓延和火灾救援分析[9-13]。目前研究主要针对普通公路隧道，且对于人员疏散研究较多，对于深中通道等超大断面海底特长沉管隧道的人员疏散及应急救援研究较少。

本文依托深圳至中山跨江通道(深中通道)项目，通过Pathfinder和FDS(Fire Dynamics Simulator)模拟分析沉管隧道发生火灾时人员的救援疏散及救援路线，提出沉管隧道火灾应急救援策略，为沉管隧道火灾救援提供必要的技术依据。

1 项目概况

深中通道项目路线全长约24 km，海底隧道长6.8 km，其中沉管段长5.035 km，其地理位置如图1所示。项目为双向8车道特长海底公路隧道，具有交通量大、大货车比例高、主线隧道与机场互通立交多次分合流、桥隧转换纵坡大等特点，隧道火灾逃生救援要求高。隧道内纵坡较大，匝道段曲率半径小，交通负荷大。海底隧道运营安全及防灾救援问题突出，一旦发生火灾，隧道排烟疏散和救援难度极大。

图1 深中通道地理位置

2 沉管隧道火灾人员疏散出口模拟分析

2.1 火灾场景设计

深中通道为客运城市道路隧道，以小客车为主(远期小客车和中巴的比例高达94%)。根据美国国家防火协会(NFPA)、国际道路协会隧道委员会(PIARC)的相关推荐值，结合国内以客运为主的城市道路隧道选用火灾规模的调查结果，参考港珠澳大桥沉管隧道工程，设计选用50 MW的火灾热释放率作为设防标准。采用FDS软件模拟分析隧道火灾烟雾蔓延过程。考虑到火灾运动范围及模型计算量，建立长度500 m的计算模型，如图2所示。计算模型断面按隧道实际断面全尺寸设置，单孔净宽18.3 m，净高7.6 m。火源位置位于隧道纵向中部，即隧道长度方向y=250 m处，面积为8 m×2.5 m，高度为4 m，模拟一辆大型货车着火。网格大小0.5 m×0.5 m×0.25 m，在火源附近对网格进行适当加密，模型网格总数约320万。

图2 沉管隧道火灾计算模型平面

2.2 人员疏散场景设计

采用Pathfinder软件模拟人员疏散运动的时间。考虑隧道内发生交通事故，后车追尾碰撞引发火灾。考虑火灾时人员疏散的最不利情况，即隧道内车辆阻塞，同时发生火灾，人员紧急疏散。模型计算长度500 m，车辆堵塞距离500 m，计算模型如图3、图4所示。

图3 隧道火灾人员疏散计算模型(车辆分布)

图4 隧道火灾人员疏散计算模型(人员分布)

考虑隧道内全部车道均阻塞，车辆根据《公路工程技术标准》(JTG B01—2014)规定的车辆外轮廓尺寸进行取值。如果阻塞车辆之间间距按3 m考虑，根据工可报告预测交通量车型比，确定各类车辆数量，经换算后假设平均每辆车长7 m，每车平均11人，在500 m隧道中最不利工况下，隧道内的人员数量为(500/10)×11×4=2 200人。经计算，确定隧道内受阻塞需疏散人数如表1所示。根据文献调研及相关工程客流观测数据，人员组成及移动速度：小孩占比8%，移动速度0.9 m/s；老人占比15%，移动速度0.9 m/s；中青年男性占比42%，移动速度1.2 m/s；中青年女性占比35%，移动速度1.1 m/s。通过Pathfinder软件计算不同疏散出口间距及宽度情况下人员安全疏散必需时间，如表2所示。

表1 隧道火灾疏散人数计算

表2 不同疏散出口间距及宽度时人员安全疏散必需时间

从表2疏散时间看，随着安全疏散出口间距的增加，隧道人员安全疏散必需时间(RSET)也相应增加。理论上，在火灾规模50 MW、安全疏散通道间距为100 m时，隧道人员安全疏散必需时间满足基本疏散需求。考虑施工周期和成本，沉管隧道内安全疏散通道间距设置为81 m或84 m。

3 车辆救援交通仿真分析

通过微观交通仿真软件Vissim建立深中通道海底沉管隧道主线隧道及匝道隧道，区域分界以交通合流点终点和交通分流点起点为界线，沉管隧道主线部分用M-1、M-2、M-3、M-4表示，匝道部分用R-1、R-2、R-3、R-4表示，如图5～图8所示。

隧道内发生火灾时，关闭隧道，隧道洞口交通信号灯显示禁行状态。同时，东、西人工岛救援车辆逆向沿救援路线行驶，下面以发生在匝道区域的火灾位置进行分析。

1) 若火灾发生在R-1区域内

当救援车辆以60 km/h沿疏散及救援路线(图5)行驶，主线清空社会车辆至少需要355 s，逆向救援力量(以西人工岛为主)和顺向救援力量(以东人工岛救援/三围广场救援站为主)到达事故点的理论时间分别不少于1 343 s和385 s(顺向救援力量能否及时抵达事故现场需视上游交通状况、车辆排队长度而定)。由于发生火灾后至实施交通管控期间，仍有车辆进入隧道，且隧道内车辆行驶至事故区有一段时间，在此时间内计算车辆排队长度。火灾发生74 s内事故点上游车辆排队长度为63 m，上游人员疏散需要有效地通风排烟策略以保证安全。

2) 若火灾发生在R-2区域内

当救援车辆以60 km/h沿疏散及救援路线(图6)行驶，主线清空社会车辆至少需要355 s，逆向救援力量(以西人工岛为主)和顺向救援力量(以东人工岛救援/三围广场救援站为主)到达事故点的理论时间分别不少于1 423 s和303 s(顺向救援力量能否及时抵达事故现场需视上游交通状况、车辆排队长度而定)。火灾发生89 s内事故点上游匝道段车辆排队长度为11 m，上游人员疏散撤离需要有效的通风排烟策略以保证安全。

3) 若火灾发生在R-3区域边界

当救援车辆以60 km/h沿疏散及救援路线(图7)行驶，匝道事故点下游清空社会车辆平均需要145 s，逆向救援力量(以东人工岛为主)和顺向救援力量(以西人工岛救援/三围广场救援站为主)到达事故点的理论时间分别不少于497 s和571 s(顺向救援力量能否及时抵达事故现场需视上游交通状况、车辆排队长度而定)。火灾发生260 s内事故点上游匝道段车辆排队长度为85 m，上游人员疏散撤离需要有效地通风排烟策略以保证安全。

4) 若火灾发生在R-4区域内

当救援车辆以60 km/h沿疏散及救援路线(图8)行驶，匝道事故点下游清空社会车辆平均需要20 s，逆向救援力量(以东人工岛为主)和顺向救援力量(以西人工岛救援/三围广场救援站为主)到达事故点的理论时间分别不少于164 s和352 s(顺向救援力量能否及时抵达事故现场需视上游交通状况、车辆排队长度而定)。火灾发生270 s内事故点上游匝道段车辆排队长度为102 m，上游人员疏散撤离需要有效的通风排烟策略以保证安全。

(a) 影响范围较大区域

图6 R-2区内救援疏散示意

(a) 影响范围较小区域

图8 R-4区内救援疏散示意

4 火灾应急救援策略

4.1 救援站及其应急物资配置

按照规范[14-15]对地下道路火灾事故应急救援时间规定，最佳救援时间为5 min～15 min。深中通道沉管隧道长约6.8 km，西人工岛救援站设置在西人工岛回转车道附近，东人工岛救援站设置在H匝道附近，救援站布局如图5(a)所示，若隧道内发生火灾，逆向救援车辆按车速60 km/h，顺向救援车辆按30 km/h行进，最长救援时间不超过5 min,可满足救援相关时间要求。西人工岛和东人工岛救援站应急物资配置如表3所示。

表3 救援站应急物资

4.2 深中通道应急组织体系

根据应急指挥中心的调配权限和各部门在应急情况下的主要职责，发生火灾事故时，在管理中心设置应急指挥部，由应急指挥部统一指挥，调配路政、交警、医院、消防和其他救援力量等资源，以便快速有效投入救援。深中通道火灾事故组织指挥体系如图9所示。

图9 火灾事故组织指挥体系

4.3 火灾应急救援预案

深中通道沉管隧道属于封闭空间，回车空间有限、光线条件较差、空气质量较低、环境噪音较大，火灾产生的高温与浓烟以及所引发的交通中断、交通堵塞、交通延误，将对人民生命财产和交通运输体系产生重大影响。按同一隧道在同一时间内发生一起火灾的情况分别制定交通救援、人员疏散逃生、灭火救援及通风排烟和医疗救护预案。

4.3.1 交通救援

1) 隧道洞口

沉管隧道内发生火灾，不论火灾事件级别，均关闭隧道。隧道洞口交通信号灯均显示“红色”，同时洞外可变情报板显示“前方隧道发生火灾，车辆禁止进入”。着火隧道上游隧道内可变情报板及洞外可变情报板显示“前方隧道发生火灾，请车辆靠右停靠，从左侧安全门疏散！”。

2) 着火隧道内交通控制

着火隧道下游车辆正常驶出隧道，车辆驶离后，各车道指示器全部改成“红色”。着火位置附近车辆若可以通过，则优先通过；若无法通过，则靠外侧车道紧急停车。着火位置上游所有车道指示器显示“红色”；情报板提示“前方隧道发生火灾，请车辆靠右停靠，从左侧安全门疏散！”,隧道应急广播提示驾乘人员从左侧安全门疏散。

3) 非着火隧道内交通控制

非着火隧道内将引导社会车辆从中间及外侧行车道驶离隧道，内侧行车道用于非着火隧道下游车辆救援使用。非着火隧道内的内侧行车道车道指示器由原来的“绿色”改变成“红色”，背面的“红叉”改变成“绿色”，外侧行车道及中间行车道的车道指示器颜色保持不变。洞内社会车辆驶离后，各车道指示器正面及背面全部改成“红色”，仅供救援车辆通行。洞内情报板可显示“对向隧道发生火灾，内侧车道关闭，请谨慎驾驶！”。

4.3.2 人员疏散逃生

人员安全疏散的黄金时间仅有浓烟出现前的几分钟。逃离时间由3部分组成，即报警时间、人员响应时间和疏散行程时间。针对火灾发生位置的不同，火灾工况下的疏散逃生方式通常有3种方式：弃车逃生、驾车逃生和混合逃生。

深中通道沉管隧道长度约6.8 km，双向8车道技术标准，采用两孔一管廊的断面型式，并未设置车行横洞，而是间隔81 m和84 m设置安全门，考虑到隧道为超长海底隧道，疏散距离长，救援难度大，因此，火源下游车辆尽快驶出隧道，火源上游由于车辆拥堵，人员疏散逃生应采用弃车逃生的方式，尽快逃生至安全区域。

4.3.3 灭火救援及通风排烟

火灾事故发生时，深中通道内东、西人工岛救援站消防救援车可快速赶赴现场，附近三围互通救援站配备大型消防车辆，适时增援。由于深中通道隧道内无车行横通道且通风采用横向联络排烟道顶部排烟方式，因此，消防救援车辆优先选择从着火隧道入口处进入隧道及待下游车辆疏散完毕后逆向进入隧道。对于非着火隧道可视情况选择顺向或逆向进入(封闭内侧车道)，起到一定的增援作用。

4.3.4 医疗救护

深中通道东、西人工岛均设医疗小组，火灾事故发生时，医疗小组首先前往事故点进行救护。另外，隧道离深圳地区较近，附近医疗救援队在接到事故通报后，根据现场情况召集相关医护人员，准备救护器材，确认病床数量等，做好支援准备。严重伤员优先送至深圳地区的医院救治，同时统计送至医院的人数清册报告应急指挥中心，做好灾后处理工作。