媽灣跨海隧道排煙與人員疏散關(guān)鍵技術(shù)及協(xié)同策略研究一、引言1.1研究背景與意義隨著城市化進程的加快和交通需求的不斷增長，跨海隧道作為一種重要的交通基礎(chǔ)設(shè)施，在緩解交通壓力、促進區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展等方面發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。媽灣跨海隧道作為連接深圳前海與寶安的重要通道，對于完善區(qū)域交通網(wǎng)絡(luò)、實現(xiàn)前海對外交通“客貨分離”具有重要意義。該隧道起于南山媽灣大道與月亮灣大道相交處，穿越前海灣止于寶安區(qū)大鏟灣港區(qū)，終點與沿江高速大鏟灣收費站、西鄉(xiāng)大道相接，路線全長約8.05公里，其中海域隧道段約2公里，為雙向6車道，設(shè)計時速80公里/時。然而，隧道環(huán)境相對封閉，一旦發(fā)生火災(zāi)等緊急情況，高溫、煙霧以及有毒有害氣體會迅速在隧道內(nèi)蔓延，給人員的生命安全帶來巨大威脅。例如，2000年11月11日，奧地利的陶恩隧道發(fā)生火災(zāi)，造成12人死亡，12人受傷，隧道結(jié)構(gòu)嚴(yán)重受損；2019年4月16日，四川涼山州木里縣境內(nèi)的雅礱江錦屏水電站交通隧道發(fā)生火災(zāi)，導(dǎo)致18人死亡，3人受傷。這些慘痛的事故表明，隧道火災(zāi)的危害極大，而有效的排煙技術(shù)和合理的人員疏散方案是保障隧道安全運營、減少災(zāi)害損失的關(guān)鍵。在排煙技術(shù)方面，良好的排煙系統(tǒng)能夠及時排出火災(zāi)產(chǎn)生的煙霧和有毒有害氣體，降低隧道內(nèi)的溫度和煙霧濃度，為人員疏散和消防救援創(chuàng)造有利條件。不同的排煙方式，如縱向排煙、橫向排煙、半橫向排煙以及自然排煙與機械排煙相結(jié)合的方式等，在不同的隧道環(huán)境和火災(zāi)場景下具有各自的優(yōu)缺點和適用范圍。研究媽灣跨海隧道的排煙技術(shù)，需要綜合考慮隧道的長度、坡度、通風(fēng)條件、交通流量等因素，選擇最適合的排煙方案，并對其排煙效果進行深入分析和評估，以確保在火災(zāi)發(fā)生時能夠迅速、有效地控制煙霧蔓延。人員疏散方面，隧道內(nèi)人員在緊急情況下的疏散效率直接關(guān)系到人員的生命安全。由于隧道空間狹窄、光線昏暗，且可能存在車輛堵塞等情況，人員疏散難度較大。因此，需要深入研究人員在隧道內(nèi)的疏散行為和心理特征，考慮不同人群（如老人、兒童、殘疾人等）的疏散能力差異，結(jié)合隧道的結(jié)構(gòu)特點和疏散設(shè)施布局，制定科學(xué)合理的人員疏散策略。通過模擬分析不同疏散方案下的人員疏散時間、疏散路徑選擇等，優(yōu)化疏散方案，提高人員疏散效率，最大程度地減少人員傷亡。綜上所述，對媽灣跨海隧道排煙技術(shù)及人員疏散進行研究，具有重要的現(xiàn)實意義。一方面，能夠為媽灣跨海隧道的設(shè)計、建設(shè)和運營提供科學(xué)依據(jù)，完善隧道的安全保障體系，提高隧道應(yīng)對火災(zāi)等緊急情況的能力；另一方面，研究成果也可為其他類似跨海隧道的安全設(shè)計和管理提供參考和借鑒，推動我國隧道工程安全技術(shù)的發(fā)展，保障廣大人民群眾的生命財產(chǎn)安全。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀1.2.1隧道排煙技術(shù)研究進展國外對隧道排煙技術(shù)的研究起步較早，在理論研究和工程實踐方面都取得了豐碩的成果。早期主要采用縱向排煙方式，通過設(shè)置在隧道內(nèi)的射流風(fēng)機產(chǎn)生縱向氣流，將煙霧沿著隧道縱向排出。例如，日本的一些早期隧道多采用這種排煙方式，其優(yōu)點是系統(tǒng)相對簡單、成本較低，但在火災(zāi)規(guī)模較大時，容易出現(xiàn)煙氣逆流現(xiàn)象，影響排煙效果和人員疏散。隨著技術(shù)的發(fā)展，橫向排煙和半橫向排煙技術(shù)逐漸得到應(yīng)用。橫向排煙系統(tǒng)在隧道頂部或底部設(shè)置風(fēng)道，通過送風(fēng)機和排風(fēng)機的配合，使新鮮空氣從一側(cè)進入隧道，煙霧從另一側(cè)排出，形成橫向氣流，有效阻止煙霧在隧道內(nèi)的擴散。半橫向排煙則是在隧道頂部設(shè)置排風(fēng)道，利用射流風(fēng)機輔助，使煙霧在隧道內(nèi)形成一定的橫向流動后排出。這種方式結(jié)合了縱向排煙和橫向排煙的部分特點，在一定程度上提高了排煙效率和安全性。近年來，自然排煙與機械排煙相結(jié)合的技術(shù)也受到廣泛關(guān)注。自然排煙利用熱壓和風(fēng)壓的作用，將隧道內(nèi)的煙霧自然排出，具有節(jié)能、環(huán)保等優(yōu)點，但受自然條件影響較大。機械排煙則在自然排煙的基礎(chǔ)上，通過風(fēng)機等設(shè)備增強排煙能力，以確保在各種情況下都能有效控制煙霧。例如，一些歐洲國家的隧道在設(shè)計中充分考慮自然排煙與機械排煙的協(xié)同作用，通過合理設(shè)置豎井、通風(fēng)口等設(shè)施，提高隧道的排煙效果和安全性。國內(nèi)隧道排煙技術(shù)的研究和應(yīng)用在借鑒國外經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，也取得了顯著進展。在早期的隧道建設(shè)中，多采用縱向排煙或簡單的機械排煙方式。隨著我國交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的快速發(fā)展，長大隧道和復(fù)雜環(huán)境隧道不斷涌現(xiàn)，對排煙技術(shù)提出了更高的要求?？蒲腥藛T和工程技術(shù)人員針對不同類型的隧道，開展了大量的研究和實踐工作。在數(shù)值模擬方面，利用計算流體力學(xué)（CFD）等技術(shù)對隧道火災(zāi)煙氣流動和排煙過程進行模擬分析，為排煙系統(tǒng)的設(shè)計和優(yōu)化提供了重要依據(jù)。例如，通過CFD模擬可以預(yù)測不同排煙方式下隧道內(nèi)的溫度場、速度場和濃度場分布，評估排煙效果，分析影響因素，從而確定最佳的排煙方案。同時，也開展了一系列的模型試驗和現(xiàn)場測試，驗證數(shù)值模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性，進一步完善隧道排煙技術(shù)。在實際工程應(yīng)用中，根據(jù)隧道的具體情況，采用了多種排煙技術(shù)。如在一些特長公路隧道中，采用了分段縱向排煙與豎井自然排煙相結(jié)合的方式，充分發(fā)揮兩種排煙方式的優(yōu)勢，提高了排煙效果和安全性。在城市地鐵隧道中，多采用橫向或半橫向排煙系統(tǒng)，以滿足人員密集場所對排煙和疏散的嚴(yán)格要求。1.2.2隧道人員疏散研究成果在隧道人員疏散研究方面，國內(nèi)外學(xué)者建立了多種人員疏散模型，主要包括宏觀模型、中觀模型和微觀模型。宏觀模型將人群視為連續(xù)的流體，通過求解連續(xù)性方程、動量方程和能量方程來描述人員的流動，如社會力模型等。這種模型能夠從整體上描述人員疏散的宏觀特征，但無法考慮個體之間的差異和行為特性。中觀模型則在一定程度上考慮了個體的行為，通過對人員的分類和行為規(guī)則的設(shè)定來模擬疏散過程，如元胞自動機模型。微觀模型則更加注重個體的行為和決策，考慮了個體的生理、心理特征以及周圍環(huán)境的影響，如基于智能體的模型等，能夠更真實地模擬人員在復(fù)雜環(huán)境下的疏散行為。影響隧道人員疏散的因素眾多，主要包括人員自身因素、隧道環(huán)境因素和火災(zāi)因素等。人員自身因素如年齡、性別、身體狀況、心理狀態(tài)、疏散經(jīng)驗等，都會影響人員的疏散速度和行為決策。例如，老年人和兒童的行動能力相對較弱，疏散速度較慢；缺乏疏散經(jīng)驗的人員在面對緊急情況時可能會出現(xiàn)恐慌情緒，影響疏散效率。隧道環(huán)境因素包括隧道的長度、坡度、寬度、疏散通道的設(shè)置、照明條件、通風(fēng)情況等。較長的隧道會增加人員的疏散距離和時間；坡度較大的隧道會影響人員的行走速度；疏散通道的設(shè)置是否合理直接關(guān)系到人員能否快速、安全地疏散?；馂?zāi)因素如火災(zāi)的規(guī)模、位置、發(fā)展速度、煙霧和有毒氣體的擴散等，對人員疏散的影響最為直接和嚴(yán)重。高溫、煙霧和有毒氣體會降低人員的可見度，對人體造成傷害，阻礙人員疏散。然而，當(dāng)前的研究在跨海隧道場景中仍存在一些不足。一方面，跨海隧道與一般陸地隧道相比，具有結(jié)構(gòu)復(fù)雜、環(huán)境特殊等特點，如存在海水壓力、高濕度、強腐蝕性等因素，這些因素對人員疏散的影響尚未得到充分研究。另一方面，現(xiàn)有的人員疏散模型在考慮跨海隧道特殊環(huán)境因素和交通流特性方面還存在一定的局限性，難以準(zhǔn)確模擬跨海隧道內(nèi)人員在火災(zāi)等緊急情況下的疏散行為。此外，對于跨海隧道內(nèi)不同類型車輛（如貨車、客車、小汽車等）混行時對人員疏散的影響，以及如何制定針對跨海隧道特點的人員疏散策略和應(yīng)急預(yù)案等方面，也需要進一步深入研究。1.3研究目標(biāo)與內(nèi)容1.3.1研究目標(biāo)本研究旨在深入探究媽灣跨海隧道的排煙技術(shù)和人員疏散策略，具體目標(biāo)如下：優(yōu)化排煙技術(shù)方案：通過對不同排煙方式的對比分析和數(shù)值模擬，結(jié)合媽灣跨海隧道的實際工程特點，確定最適合該隧道的排煙技術(shù)方案，并對其進行優(yōu)化，提高排煙效率，有效控制火災(zāi)煙霧的蔓延，為人員疏散和消防救援創(chuàng)造良好條件。提高人員疏散效率：綜合考慮人員特性、隧道環(huán)境和火災(zāi)因素等，建立適用于媽灣跨海隧道的人員疏散模型，模擬不同場景下的人員疏散過程，分析影響疏散效率的關(guān)鍵因素，提出針對性的人員疏散策略和改進措施，縮短人員疏散時間，減少人員傷亡。提供安全保障依據(jù)：為媽灣跨海隧道的設(shè)計、建設(shè)和運營管理提供科學(xué)、全面的安全保障依據(jù)，完善隧道的安全管理體系，提高隧道應(yīng)對火災(zāi)等緊急情況的能力，確保隧道的安全、可靠運行。同時，研究成果也可為其他類似跨海隧道的安全設(shè)計和管理提供參考和借鑒。1.3.2研究內(nèi)容圍繞上述研究目標(biāo)，本研究主要開展以下內(nèi)容的研究：媽灣跨海隧道火災(zāi)特性分析：收集媽灣跨海隧道的相關(guān)資料，包括隧道的結(jié)構(gòu)參數(shù)（長度、坡度、斷面尺寸等）、交通流量、通風(fēng)條件以及周邊環(huán)境等信息。通過查閱國內(nèi)外隧道火災(zāi)事故案例，分析隧道火災(zāi)的發(fā)生原因、發(fā)展過程和危害特性。結(jié)合媽灣跨海隧道的實際情況，利用火災(zāi)動力學(xué)模擬軟件（如FDS），對不同火災(zāi)場景下隧道內(nèi)的熱釋放速率、溫度分布、煙氣擴散規(guī)律等進行數(shù)值模擬研究，深入了解媽灣跨海隧道火災(zāi)的特性，為后續(xù)的排煙技術(shù)和人員疏散研究提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。排煙技術(shù)研究：對常見的隧道排煙方式，如縱向排煙、橫向排煙、半橫向排煙以及自然排煙與機械排煙相結(jié)合的方式等進行詳細(xì)的理論分析，對比它們在不同隧道條件下的優(yōu)缺點和適用范圍。根據(jù)媽灣跨海隧道的火災(zāi)特性和工程實際，利用CFD技術(shù)對不同排煙方案進行數(shù)值模擬，分析不同排煙方式下隧道內(nèi)的速度場、溫度場和濃度場分布，評估排煙效果?？紤]隧道內(nèi)不同位置發(fā)生火災(zāi)時的情況，對排煙方案進行優(yōu)化，確定最佳的排煙方式和排煙系統(tǒng)參數(shù)，如風(fēng)機的數(shù)量、功率、位置以及風(fēng)道的布置等。結(jié)合數(shù)值模擬結(jié)果，進行模型試驗或現(xiàn)場測試，驗證排煙方案的有效性和可靠性，進一步完善排煙技術(shù)方案。人員疏散研究：分析影響媽灣跨海隧道人員疏散的因素，包括人員自身因素（年齡、性別、身體狀況、心理狀態(tài)、疏散經(jīng)驗等）、隧道環(huán)境因素（隧道長度、坡度、寬度、疏散通道設(shè)置、照明條件、通風(fēng)情況等）和火災(zāi)因素（火災(zāi)規(guī)模、位置、發(fā)展速度、煙霧和有毒氣體擴散等）。選擇合適的人員疏散模型（如基于智能體的模型），結(jié)合媽灣跨海隧道的實際情況，對不同火災(zāi)場景下的人員疏散過程進行模擬，分析人員的疏散路徑選擇、疏散速度變化以及疏散時間等參數(shù)。通過模擬結(jié)果，找出影響人員疏散效率的關(guān)鍵因素，如疏散通道的瓶頸位置、人員的恐慌行為等，并提出相應(yīng)的改進措施，如優(yōu)化疏散通道設(shè)計、設(shè)置合理的疏散指示標(biāo)志、加強人員的應(yīng)急培訓(xùn)等。制定科學(xué)合理的人員疏散策略和應(yīng)急預(yù)案，明確在火災(zāi)等緊急情況下人員的疏散流程、疏散組織和救援措施等，提高人員疏散的安全性和效率。排煙與人員疏散協(xié)同研究：研究排煙系統(tǒng)與人員疏散之間的相互影響關(guān)系，分析排煙效果對人員疏散的促進作用以及人員疏散過程對排煙系統(tǒng)運行的影響。通過數(shù)值模擬和實際案例分析，探討如何實現(xiàn)排煙系統(tǒng)與人員疏散的協(xié)同優(yōu)化，例如在人員疏散的不同階段，合理調(diào)整排煙系統(tǒng)的運行參數(shù)，以提供最佳的疏散環(huán)境。提出排煙與人員疏散協(xié)同運行的控制策略和方法，確保在火災(zāi)發(fā)生時，排煙系統(tǒng)和人員疏散能夠高效配合，最大程度地保障人員的生命安全。1.4研究方法與技術(shù)路線1.4.1研究方法數(shù)值模擬法：運用火災(zāi)動力學(xué)模擬軟件FDS對媽灣跨海隧道不同火災(zāi)場景下的熱釋放速率、溫度分布、煙氣擴散規(guī)律等進行數(shù)值模擬，深入了解隧道火災(zāi)特性。借助計算流體力學(xué)（CFD）技術(shù)，利用如ANSYSFluent等軟件對不同排煙方案下隧道內(nèi)的速度場、溫度場和濃度場分布進行模擬分析，評估排煙效果，為排煙方案的優(yōu)化提供依據(jù)。采用基于智能體的人員疏散模型，結(jié)合隧道實際情況，模擬不同火災(zāi)場景下人員的疏散路徑選擇、疏散速度變化以及疏散時間等參數(shù)，分析影響人員疏散效率的關(guān)鍵因素。理論分析法：對常見的隧道排煙方式，包括縱向排煙、橫向排煙、半橫向排煙以及自然排煙與機械排煙相結(jié)合的方式等進行理論剖析，從原理、優(yōu)缺點、適用范圍等方面展開研究。通過分析隧道火災(zāi)的發(fā)生原因、發(fā)展過程和危害特性，以及人員疏散的相關(guān)理論，如人員行為理論、疏散動力學(xué)理論等，為研究提供堅實的理論基礎(chǔ)。在研究過程中，運用傳熱學(xué)、流體力學(xué)等相關(guān)理論知識，對隧道火災(zāi)煙氣流動、傳熱傳質(zhì)以及人員疏散過程中的各種現(xiàn)象進行分析和解釋。案例研究法：廣泛收集國內(nèi)外隧道火災(zāi)事故案例，對其事故原因、火災(zāi)發(fā)展過程、采用的排煙措施、人員疏散情況以及造成的損失等進行詳細(xì)分析，總結(jié)經(jīng)驗教訓(xùn)。以媽灣跨海隧道為具體研究案例，結(jié)合其實際工程特點，如隧道結(jié)構(gòu)參數(shù)、交通流量、通風(fēng)條件以及周邊環(huán)境等，將理論研究和數(shù)值模擬結(jié)果應(yīng)用于該隧道，提出針對性的排煙技術(shù)方案和人員疏散策略，并對其可行性和有效性進行評估。1.4.2技術(shù)路線本研究的技術(shù)路線如下：資料收集與準(zhǔn)備：收集媽灣跨海隧道的相關(guān)資料，如隧道結(jié)構(gòu)參數(shù)、交通流量、通風(fēng)條件、周邊環(huán)境等信息，同時收集國內(nèi)外隧道火災(zāi)事故案例和相關(guān)研究成果，為后續(xù)研究提供數(shù)據(jù)和理論支持。火災(zāi)特性分析：利用火災(zāi)動力學(xué)模擬軟件FDS，對媽灣跨海隧道不同火災(zāi)場景進行數(shù)值模擬，分析火災(zāi)的熱釋放速率、溫度分布、煙氣擴散規(guī)律等特性，明確隧道火災(zāi)的危害程度和發(fā)展趨勢。排煙技術(shù)研究：基于理論分析，對不同排煙方式進行對比研究，結(jié)合隧道火災(zāi)特性和工程實際，利用CFD技術(shù)對不同排煙方案進行數(shù)值模擬，評估排煙效果，優(yōu)化排煙方案。通過模型試驗或現(xiàn)場測試，驗證排煙方案的有效性和可靠性。人員疏散研究：分析影響媽灣跨海隧道人員疏散的因素，選擇合適的人員疏散模型，對不同火災(zāi)場景下的人員疏散過程進行模擬，分析人員疏散的關(guān)鍵參數(shù)，找出影響疏散效率的因素，提出人員疏散策略和改進措施。協(xié)同研究：研究排煙系統(tǒng)與人員疏散之間的相互影響關(guān)系，通過數(shù)值模擬和實際案例分析，提出排煙與人員疏散協(xié)同運行的控制策略和方法。結(jié)果分析與總結(jié)：對研究結(jié)果進行綜合分析，總結(jié)媽灣跨海隧道排煙技術(shù)和人員疏散的特點和規(guī)律，提出合理的建議和措施，為隧道的安全設(shè)計、建設(shè)和運營管理提供科學(xué)依據(jù)。將研究成果進行整理和總結(jié)，撰寫研究報告和學(xué)術(shù)論文，為其他類似跨海隧道的安全研究提供參考。二、媽灣跨海隧道工程概況與特點分析2.1工程基本情況媽灣跨海隧道位于深圳市西部，是連接南山區(qū)前海片區(qū)和寶安區(qū)的重要交通紐帶。該隧道呈南北向布置，南起于媽灣大道與月亮灣大道相交處，向北穿越前海灣海域，最終止于沿江高速大鏟灣收費站及金灣大道與西鄉(xiāng)大道相交處，路線全長約8.05公里。其中，前海段長2.5公里，海域段長1.1公里，大鏟灣段長4.45公里。媽灣跨海隧道工程分為地下道路及地面道路兩部分。地下道路等級為城市快速路，雙向六車道，設(shè)計時速80公里，主要承擔(dān)疏港貨運交通以及蛇口片區(qū)、前海媽灣片區(qū)與大鏟灣片區(qū)、寶安中心區(qū)的部分客運交通聯(lián)系。地面道路等級為城市主干道，雙向六車道，設(shè)計時速40公里，主要服務(wù)于周邊區(qū)域的城市交通。隧道采用深埋盾構(gòu)方式敷設(shè)，盾構(gòu)段最大開挖直徑達15.5米，是目前國內(nèi)海底最大直徑盾構(gòu)隧道。這種大直徑盾構(gòu)施工技術(shù)，對工程的設(shè)計、施工和管理都提出了極高的要求。在施工過程中，需要克服諸多技術(shù)難題，如填海區(qū)域超大基坑施工、超大直徑盾構(gòu)水下對向平行交匯、上軟下硬復(fù)合式地層盾構(gòu)掘進等。其中，上軟下硬復(fù)合式地層盾構(gòu)掘進時，巖石單軸抗壓強度平均值為45MPa，最高達193MPa，盾構(gòu)機在這種復(fù)雜地層中掘進，面臨著刀具磨損嚴(yán)重、刀盤結(jié)泥餅、吸口滯排等問題，施工風(fēng)險高，技術(shù)難度大。2.2工程建設(shè)難點媽灣跨海隧道工程在建設(shè)過程中面臨著諸多復(fù)雜且極具挑戰(zhàn)性的難題，這些難點不僅考驗著工程技術(shù)人員的智慧和創(chuàng)新能力，也對施工工藝和管理水平提出了極高的要求。地質(zhì)條件復(fù)雜：該隧道穿越人工填海造地區(qū)域和海域，所經(jīng)地層包含人工填土、沉積淤泥、淤泥質(zhì)黏土、砂質(zhì)黏性土、構(gòu)造巖以及全～微風(fēng)化的混合花崗巖及混合巖等。這種復(fù)雜的地質(zhì)構(gòu)成使得工程建設(shè)面臨諸多風(fēng)險。在盾構(gòu)施工過程中，軟硬不均地層給施工帶來了極大的困難。例如，隧道斷面內(nèi)常出現(xiàn)上部為全～強風(fēng)化巖，下部為中～微風(fēng)化巖的情況，且微風(fēng)化巖層單軸抗壓強度平均為45MPa，最高可達193MPa，軟弱不均地層中還可能存在球狀風(fēng)化巖，也就是俗稱的“孤石”。在推進過程中，盾構(gòu)機刀具極易受到偏磨，刀盤容易結(jié)泥餅，吸口會出現(xiàn)滯排現(xiàn)象，這不僅增加了盾構(gòu)姿態(tài)和隧道穩(wěn)定控制的難度，還需要頻繁進行大量的刀具更換工作，極大地提高了施工風(fēng)險。水壓高：隧道位于水下40多米深處，最大水壓達500千帕。高水壓環(huán)境對隧道結(jié)構(gòu)的密封和穩(wěn)定性提出了嚴(yán)苛要求。如果密封措施不到位，海水可能會滲漏進入隧道，影響施工安全和工程質(zhì)量，甚至可能導(dǎo)致嚴(yán)重的安全事故。在盾構(gòu)機掘進過程中，高水壓還會對盾構(gòu)機的性能和施工技術(shù)產(chǎn)生重大影響，增加了施工的難度和風(fēng)險。為應(yīng)對高水壓，需要采取特殊的防水和支護措施，如采用高強度的密封材料、優(yōu)化盾構(gòu)機的密封結(jié)構(gòu)、增加支護強度等，這無疑增加了工程的成本和技術(shù)復(fù)雜性。盾構(gòu)施工難度大：媽灣跨海隧道采用深埋盾構(gòu)方式敷設(shè)，盾構(gòu)段最大開挖直徑達15.5米，是目前國內(nèi)海底最大直徑盾構(gòu)隧道。大直徑盾構(gòu)施工技術(shù)要求高，施工過程中面臨著眾多技術(shù)難題。設(shè)備穿越高強度巖層距離長，推進線路上存在超過1公里的軟硬不均巖層，700米為全斷面硬巖地層，這對盾構(gòu)機刀具的磨損極大。在穿越海底復(fù)雜地形時，盾構(gòu)機容易出現(xiàn)上浮現(xiàn)象，導(dǎo)致偏離預(yù)設(shè)軌跡，同時刀具磨損大、換刀風(fēng)險高，施工難度顯著增大。此外，盾構(gòu)機在施工過程中還需要保證其姿態(tài)的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性，以確保隧道的施工精度和質(zhì)量，這對盾構(gòu)機的控制系統(tǒng)和操作技術(shù)提出了極高的要求。超深基坑與復(fù)合地層帶來的支護難題：盾構(gòu)井位置處基坑深度超出一般水平，均屬于超深基坑范疇，最大基坑深度達到27m。在復(fù)合地層條件下，基坑支護難度極大。由于缺乏統(tǒng)一的規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，基坑結(jié)構(gòu)受力復(fù)雜，計算難度大，給基坑支護設(shè)計和施工帶來了巨大風(fēng)險。在實際施工中，需要綜合考慮多種因素，如地層的力學(xué)性質(zhì)、地下水的影響、周邊環(huán)境的約束等，選擇合適的支護方式和支護參數(shù)，以確?；拥姆€(wěn)定性和施工安全。環(huán)保要求高：媽灣跨海隧道連接前海和大鏟灣片區(qū)，前海合作區(qū)定位為具有國際競爭力的現(xiàn)代服務(wù)業(yè)區(qū)域中心和現(xiàn)代化國際化濱海城市中心，大鏟灣遠(yuǎn)期預(yù)留發(fā)展用地明確建設(shè)成為未來科技城，以“立體城市、綠色城市、未來城市”為理念，建設(shè)具有全球輻射引領(lǐng)作用的“互聯(lián)網(wǎng)+”未來科技城。因此，隧道建設(shè)過程中的環(huán)保要求極高。在施工過程中，需要采取一系列環(huán)保措施，如控制施工揚塵、減少施工噪聲、處理施工廢水和廢棄物等，以減少對周邊環(huán)境的影響，保護生態(tài)平衡。同時，在隧道運營階段，也需要考慮如何降低隧道通風(fēng)等設(shè)施對周邊環(huán)境的影響，實現(xiàn)綠色運營。2.3與排煙、疏散相關(guān)的特性2.3.1隧道結(jié)構(gòu)對排煙和人員疏散的影響媽灣跨海隧道采用深埋盾構(gòu)方式敷設(shè)，盾構(gòu)段最大開挖直徑達15.5米，這種大直徑盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)對排煙和人員疏散有著顯著影響。從排煙角度來看，大直徑隧道空間相對較大，火災(zāi)發(fā)生時，熱釋放速率高，產(chǎn)生的煙霧量大。由于隧道空間大，煙霧在隧道內(nèi)的擴散范圍更廣，擴散速度也可能更快，這增加了排煙的難度。同時，大直徑隧道的通風(fēng)阻力相對較大，若采用機械排煙方式，對風(fēng)機的功率和性能要求更高，需要更大的通風(fēng)量才能有效地排出煙霧，確保隧道內(nèi)的煙霧濃度在安全范圍內(nèi)。在人員疏散方面，大直徑隧道的疏散距離相對較長。以媽灣跨海隧道全長約8.05公里計算，人員在緊急情況下需要疏散的距離較遠(yuǎn)，這會增加疏散時間。此外，隧道的斷面形狀和內(nèi)部布局也會影響人員疏散。例如，隧道內(nèi)車道數(shù)量較多，車輛分布復(fù)雜，可能會在疏散過程中出現(xiàn)車輛堵塞通道的情況，阻礙人員的正常疏散。而且，大直徑隧道的高度較高，人員在疏散時可能會因視覺障礙等原因難以快速找到疏散通道，影響疏散效率。2.3.2交通流量對排煙和人員疏散的影響媽灣跨海隧道作為連接深圳前海與寶安的重要通道，承擔(dān)著疏港貨運交通以及蛇口片區(qū)、前海媽灣片區(qū)與大鏟灣片區(qū)、寶安中心區(qū)的部分客運交通聯(lián)系，交通流量較大。當(dāng)交通流量大時，隧道內(nèi)車輛密集，一旦發(fā)生火災(zāi)，車輛燃燒產(chǎn)生的熱量和煙霧更多，火災(zāi)的熱釋放速率會顯著增加。大量的車輛還會阻礙空氣的流通，使得煙霧難以擴散，加重隧道內(nèi)的煙霧積聚，對排煙系統(tǒng)造成更大的壓力。對于人員疏散而言，交通流量大意味著隧道內(nèi)人員數(shù)量多，疏散時人員密度大。人員密度過大容易導(dǎo)致疏散通道擁堵，人員行走速度減慢，甚至可能出現(xiàn)人員踩踏等危險情況。而且，不同類型車輛（如貨車、客車、小汽車等）混行，貨車的體積較大，在疏散過程中可能會阻擋視線，影響其他車輛和人員的疏散路線選擇，進一步降低疏散效率。此外，交通流量大時，車輛之間的間距小，火災(zāi)發(fā)生后，車輛之間容易發(fā)生連環(huán)碰撞，導(dǎo)致道路堵塞，使得人員無法通過正常的疏散通道疏散，增加了人員疏散的難度和風(fēng)險。2.3.3火災(zāi)風(fēng)險對排煙和人員疏散的影響媽灣跨海隧道以貨運交通為主，運行車輛中集裝箱貨車等大型貨車占比較高，這些車輛運輸?shù)呢浳锓N類繁多，部分貨物具有易燃、易爆等特性，增加了隧道的火災(zāi)風(fēng)險。與一般客運隧道相比，貨運隧道發(fā)生火災(zāi)時，火災(zāi)規(guī)模可能更大，熱釋放速率更高。例如，運載易燃易爆貨物的車輛一旦起火，火勢會迅速蔓延，產(chǎn)生大量的高溫、煙霧和有毒有害氣體?；馂?zāi)產(chǎn)生的高溫會對隧道結(jié)構(gòu)造成損害，影響隧道的穩(wěn)定性，同時也會對排煙系統(tǒng)的設(shè)備和管道造成破壞，降低排煙系統(tǒng)的工作效率。煙霧和有毒有害氣體不僅會嚴(yán)重影響人員的視線，導(dǎo)致人員難以辨別疏散方向，還會對人體造成直接傷害，如一氧化碳中毒等，威脅人員的生命安全。此外，火災(zāi)風(fēng)險還會影響人員的心理狀態(tài)，在面對火災(zāi)時，人員容易產(chǎn)生恐慌情緒，這種恐慌情緒會導(dǎo)致人員行為混亂，影響疏散秩序，降低疏散效率。因此，高火災(zāi)風(fēng)險對媽灣跨海隧道的排煙和人員疏散提出了更高的要求，需要采取更為有效的措施來保障人員的生命安全。三、媽灣跨海隧道排煙技術(shù)研究3.1排煙技術(shù)原理與分類隧道排煙技術(shù)作為保障隧道安全運營的關(guān)鍵技術(shù)之一，其原理基于火災(zāi)煙氣的特性以及空氣流動的基本規(guī)律。在火災(zāi)發(fā)生時，隧道內(nèi)會產(chǎn)生大量的高溫、有毒有害煙氣，這些煙氣若不能及時排出，將對人員生命安全和隧道結(jié)構(gòu)造成嚴(yán)重威脅。目前，常見的隧道排煙技術(shù)主要包括縱向排煙、橫向排煙、半橫向排煙以及重點排煙等方式，每種方式都有其獨特的原理和適用場景?？v向排煙是較為常見的一種排煙方式，其原理是利用設(shè)置在隧道內(nèi)的射流風(fēng)機產(chǎn)生縱向氣流。射流風(fēng)機所產(chǎn)生的高速氣流推動前方空氣流動，在后方形成一個負(fù)壓區(qū)，帶動后方空氣流動，從而形成空氣沿隧道縱向的定向流動。在火災(zāi)發(fā)生時，通過控制射流風(fēng)機的運行，使縱向氣流的速度達到一定值，即臨界風(fēng)速，以防止煙氣回流，并將煙氣沿著隧道縱向排向火源點下游。例如，在一些單向交通的短隧道中，縱向排煙方式應(yīng)用較為廣泛。其優(yōu)點是系統(tǒng)相對簡單，成本較低，易于控制。但這種方式也存在明顯的局限性，如在雙向交通隧道中，由于起火點的上下游方向均有停滯車輛，人員要從火場向隧道兩端疏散，縱向排煙模式很難確定煙氣流向，難以起到延緩煙氣蔓延的作用。而且，在縱向火災(zāi)通風(fēng)過程中，煙氣一直沿火災(zāi)下游方向移動，直到下一個排風(fēng)出口排出，使得隧道較大范圍成為受災(zāi)區(qū)。若發(fā)生堵塞或二次事故，火場下游的車輛無法自由離開隧道，同時人員難以步行穿過受災(zāi)通風(fēng)區(qū)段，因此在車流擁堵發(fā)生機率高的長隧道不宜采用。橫向排煙方式與縱向排煙不同，它是通過在隧道頂部或底部設(shè)置風(fēng)道，利用送風(fēng)機和排風(fēng)機的配合，使新鮮空氣從一側(cè)進入隧道，煙霧從另一側(cè)排出，形成橫向氣流。在正常營運工況下，橫向排煙系統(tǒng)能保持整個隧道全程均勻的廢氣濃度和最佳的能見度，不受通風(fēng)長度限制。例如，在一些單管雙向交通或交通量大、阻塞發(fā)生率較高的單向交通隧道中，橫向排煙方式應(yīng)用較多。其優(yōu)點是排煙效果好，能夠有效阻止煙霧在隧道內(nèi)的擴散，為人員疏散和消防救援提供良好的環(huán)境。但這種方式的投資和運行費用較高，需要設(shè)置專門的送風(fēng)道和排風(fēng)道，占用隧道空間較大，系統(tǒng)復(fù)雜度也較高。半橫向排煙則是綜合了縱向排煙和橫向排煙的部分特點。它在隧道頂部設(shè)置排風(fēng)道，利用射流風(fēng)機輔助，使煙霧在隧道內(nèi)形成一定的橫向流動后排出。半橫向式通風(fēng)只需設(shè)置一個送風(fēng)道或排風(fēng)道，隧道斷面被分為送(排)風(fēng)道和行車道。這種方式適用于雙向交通隧道，相對橫向排煙，其投資和運行成本有所降低，但排煙效果可能略遜一籌。重點排煙是橫向排煙方式的一種特殊情況，在隧道縱向設(shè)置專用排煙風(fēng)道，并設(shè)置一定數(shù)量的排煙口?；馂?zāi)發(fā)生時，只開啟火源附近或火源所在設(shè)計排煙區(qū)的排煙口，直接從火源附近將煙氣快速有效地排出行車道空間，并從兩端洞口自然補風(fēng)，隧道內(nèi)可形成一定的縱向風(fēng)速。該排煙方式適用于雙向交通隧道或經(jīng)常發(fā)生交通阻塞的隧道。重點排煙能夠?qū)煔庥行Э刂圃谝欢ǚ秶鷥?nèi)，尤其在隧道阻滯工況下，可以更好地保證隧道內(nèi)司乘人員安全疏散，為人員疏散和救援贏得寶貴的時間。但它對排煙系統(tǒng)的控制要求較高，需要準(zhǔn)確判斷火源位置，及時開啟相應(yīng)的排煙口。3.2媽灣隧道排煙方案設(shè)計3.2.1不同隧道段的排煙方式選擇媽灣跨海隧道包括明挖暗埋段、盾構(gòu)段等不同結(jié)構(gòu)的隧道段，各段的結(jié)構(gòu)特點、交通狀況以及火災(zāi)風(fēng)險等因素存在差異，因此需要根據(jù)實際情況選擇合適的排煙方式。明挖暗埋段通常具有較大的空間和相對開闊的施工條件，在排煙方式選擇上具有一定的靈活性?？紤]到明挖暗埋段與地面的連接較為緊密，自然通風(fēng)條件相對較好，可優(yōu)先考慮自然排煙與機械排煙相結(jié)合的方式。在火災(zāi)發(fā)生初期，利用自然排煙的方式，借助熱壓和風(fēng)壓的作用，將隧道內(nèi)的部分煙霧自然排出，減少煙霧積聚。同時，設(shè)置一定數(shù)量的機械排煙設(shè)施，如射流風(fēng)機等，當(dāng)自然排煙無法滿足排煙需求時，啟動機械排煙，增強排煙能力，確保隧道內(nèi)的煙霧能夠及時排出，為人員疏散和消防救援提供良好的環(huán)境。例如，在明挖暗埋段的頂部設(shè)置自然排煙口，利用煙霧的浮力作用將煙霧排出；在隧道內(nèi)合理布置射流風(fēng)機，當(dāng)火災(zāi)規(guī)模較大時，通過射流風(fēng)機產(chǎn)生的縱向氣流，將煙霧沿著隧道縱向排出。盾構(gòu)段由于其空間相對封閉，結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，且火災(zāi)風(fēng)險較高，對排煙方式的要求更為嚴(yán)格。根據(jù)盾構(gòu)段的特點，可采用重點排煙方式。重點排煙是在隧道縱向設(shè)置專用排煙風(fēng)道，并設(shè)置一定數(shù)量的排煙口，火災(zāi)時只開啟火源附近或火源所在設(shè)計排煙區(qū)的排煙口，直接從火源附近將煙氣快速有效地排出行車道空間，并從兩端洞口自然補風(fēng)，隧道內(nèi)可形成一定的縱向風(fēng)速。這種方式能夠?qū)煔庥行Э刂圃谝欢ǚ秶鷥?nèi)，尤其在隧道阻滯工況下，可以更好地保證隧道內(nèi)司乘人員安全疏散，為人員疏散和救援贏得寶貴的時間。對于媽灣跨海隧道盾構(gòu)段，可在隧道頂部設(shè)置專用排煙風(fēng)道，沿隧道長度方向每隔一定距離設(shè)置排煙口，當(dāng)發(fā)生火災(zāi)時，通過智能控制系統(tǒng)準(zhǔn)確判斷火源位置，及時開啟火源附近的排煙口，將煙霧迅速排出，同時利用兩端洞口的自然補風(fēng)，形成縱向氣流，防止煙霧回流，保障人員的安全疏散。3.2.2排煙系統(tǒng)關(guān)鍵參數(shù)確定排煙系統(tǒng)的關(guān)鍵參數(shù)直接影響著排煙效果和人員疏散的安全性，因此需要根據(jù)隧道的具體情況和火災(zāi)特性，科學(xué)合理地確定這些參數(shù)。排煙口尺寸和間距的確定需要綜合考慮隧道的通風(fēng)需求、火災(zāi)時的煙霧擴散情況以及工程成本等因素。排煙口尺寸應(yīng)足夠大，以確保能夠有效地排出煙霧，但也不能過大，以免影響隧道結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和美觀性。一般來說，排煙口的面積可根據(jù)隧道的斷面面積、火災(zāi)熱釋放速率以及所需的排煙量等參數(shù)，通過相關(guān)的計算公式進行確定。例如，根據(jù)火災(zāi)動力學(xué)原理，排煙口面積A可由公式A=\frac{Q}{v\times\DeltaP}計算得出，其中Q為排煙量，v為排煙口處的風(fēng)速，\DeltaP為排煙口兩側(cè)的壓力差。在媽灣跨海隧道中，經(jīng)過計算和模擬分析，確定排煙口的尺寸為長2m、寬1m。排煙口的間距則應(yīng)根據(jù)隧道內(nèi)的氣流分布和煙霧擴散規(guī)律來確定，以保證隧道內(nèi)各個位置的煙霧都能被及時排出。間距過小會增加工程成本，間距過大則可能導(dǎo)致部分區(qū)域排煙效果不佳。通過數(shù)值模擬和實際工程經(jīng)驗，媽灣跨海隧道排煙口的間距確定為30m，這樣的間距能夠使排煙系統(tǒng)在不同火災(zāi)場景下都能較好地發(fā)揮作用，有效控制煙霧的擴散。排煙量是排煙系統(tǒng)的重要參數(shù)之一，它直接關(guān)系到隧道內(nèi)煙霧的排出速度和濃度。排煙量的計算需要考慮多種因素，如隧道的長度、寬度、高度、火災(zāi)規(guī)模、車輛類型和數(shù)量等。一般采用火災(zāi)動力學(xué)模擬軟件（如FDS）對不同火災(zāi)場景下的隧道進行模擬分析，結(jié)合相關(guān)的理論公式，確定合理的排煙量。對于媽灣跨海隧道，以隧道內(nèi)可能發(fā)生的最大火災(zāi)規(guī)模為依據(jù)，通過模擬計算得出，在重點排煙方式下，同時開啟上下游排煙口時的最佳排煙量為290m^3/s，只開啟下游排煙口時的最佳排煙量為410m^3/s。臨界風(fēng)速是縱向排煙方式中的一個關(guān)鍵參數(shù)，它是指能夠防止煙氣回流的最小風(fēng)速。臨界風(fēng)速的大小與火災(zāi)強度、燃料類型、隧道坡度、斷面形狀、送風(fēng)溫度等因素密切相關(guān)。在實際工程中，通常通過經(jīng)驗公式或?qū)嶒灁?shù)據(jù)來確定臨界風(fēng)速。例如，根據(jù)相關(guān)研究和工程經(jīng)驗，對于媽灣跨海隧道，通過理論分析和數(shù)值模擬，確定其縱向通風(fēng)排煙方式的臨界風(fēng)速為4.5m/s。在火災(zāi)發(fā)生時，通過控制射流風(fēng)機的運行，使隧道內(nèi)的縱向風(fēng)速達到或超過臨界風(fēng)速，能夠有效地防止煙氣回流，保障人員疏散和消防救援的安全。3.3基于數(shù)值模擬的排煙效果分析3.3.1火災(zāi)場景設(shè)定為全面評估媽灣跨海隧道不同排煙方案的效果，需要設(shè)定多種火災(zāi)場景進行模擬分析。火災(zāi)場景的設(shè)定主要考慮火災(zāi)規(guī)模和火災(zāi)位置兩個關(guān)鍵因素?；馂?zāi)規(guī)模的大小直接影響著火災(zāi)產(chǎn)生的熱量、煙霧和有毒有害氣體的量，進而對排煙系統(tǒng)的性能提出不同的要求。參考相關(guān)隧道火災(zāi)事故案例以及媽灣跨海隧道的實際交通狀況，設(shè)定了三種典型的火災(zāi)規(guī)模。小型火災(zāi)場景模擬普通小汽車起火的情況，其熱釋放速率設(shè)定為5MW。小汽車火災(zāi)相對規(guī)模較小，但在隧道內(nèi)也可能引發(fā)連鎖反應(yīng)，對人員和車輛造成威脅。中型火災(zāi)場景以中型貨車起火為參考，熱釋放速率設(shè)定為20MW。中型貨車通常載有一定量的貨物，起火后火勢相對較大，產(chǎn)生的煙霧和熱量較多，對隧道內(nèi)環(huán)境的影響更為顯著。大型火災(zāi)場景則模擬運載易燃易爆貨物的大型貨車起火，熱釋放速率高達50MW。這種火災(zāi)規(guī)模一旦發(fā)生，將迅速釋放大量的能量，產(chǎn)生高溫、濃煙和有毒有害氣體，對隧道結(jié)構(gòu)和人員生命安全構(gòu)成極大的威脅?；馂?zāi)位置在隧道內(nèi)的不同區(qū)域發(fā)生，對排煙效果和人員疏散的影響也各不相同。因此，設(shè)定了隧道入口處、隧道中間位置和隧道出口處三個火災(zāi)位置。在隧道入口處發(fā)生火災(zāi)時，由于靠近隧道口，空氣流通相對較好，但火災(zāi)產(chǎn)生的煙霧可能會迅速擴散到隧道外，影響周邊環(huán)境，同時也會對剛進入隧道的車輛和人員造成直接威脅。隧道中間位置發(fā)生火災(zāi)時，煙霧向兩端擴散的距離較長，排煙難度較大，人員疏散距離也相對較遠(yuǎn)，增加了疏散的時間和風(fēng)險。隧道出口處發(fā)生火災(zāi)時，可能會導(dǎo)致隧道出口堵塞，影響車輛和人員的疏散，同時煙霧也可能會在出口處積聚，阻礙救援工作的開展。通過組合不同的火災(zāi)規(guī)模和火災(zāi)位置，共設(shè)定了9種火災(zāi)場景，具體如下表所示：火災(zāi)場景編號火災(zāi)規(guī)?；馂?zāi)位置1小型火災(zāi)（5MW）隧道入口處2小型火災(zāi)（5MW）隧道中間位置3小型火災(zāi)（5MW）隧道出口處4中型火災(zāi)（20MW）隧道入口處5中型火災(zāi)（20MW）隧道中間位置6中型火災(zāi)（20MW）隧道出口處7大型火災(zāi)（50MW）隧道入口處8大型火災(zāi)（50MW）隧道中間位置9大型火災(zāi)（50MW）隧道出口處這些火災(zāi)場景的設(shè)定具有代表性，能夠涵蓋媽灣跨海隧道在實際運營中可能發(fā)生的各種火災(zāi)情況，為后續(xù)的數(shù)值模擬和排煙效果分析提供了全面、可靠的基礎(chǔ)。3.3.2模擬結(jié)果與分析利用計算流體力學(xué)（CFD）軟件對設(shè)定的9種火災(zāi)場景下的排煙效果進行數(shù)值模擬，重點分析模擬得到的煙氣蔓延、溫度分布、能見度等結(jié)果，以評估不同排煙方案在不同火災(zāi)場景下的有效性和可靠性。在煙氣蔓延方面，模擬結(jié)果顯示，不同火災(zāi)規(guī)模和位置對煙氣蔓延的速度和范圍有顯著影響。對于小型火災(zāi)（熱釋放速率為5MW），在隧道入口處發(fā)生火災(zāi)時，由于靠近洞口，空氣流通相對較好，煙氣能夠較快地排出隧道，煙氣蔓延速度相對較慢，在縱向通風(fēng)風(fēng)速為4m/s的情況下，10分鐘內(nèi)煙氣蔓延長度約為100m。而在隧道中間位置發(fā)生小型火災(zāi)時，煙氣向兩端擴散，受到隧道壁的阻擋和摩擦，煙氣蔓延速度相對較快，10分鐘內(nèi)煙氣蔓延長度約為200m。在隧道出口處發(fā)生小型火災(zāi)時，由于出口可能會受到車輛堵塞等因素的影響，煙氣排出不暢，煙氣蔓延速度也較快，10分鐘內(nèi)煙氣蔓延長度約為150m。當(dāng)中型火災(zāi)（熱釋放速率為20MW）發(fā)生時，火災(zāi)產(chǎn)生的熱量和煙霧明顯增多，煙氣蔓延速度加快，范圍也更廣。在隧道入口處發(fā)生中型火災(zāi)，10分鐘內(nèi)煙氣蔓延長度可達250m；在隧道中間位置發(fā)生中型火災(zāi)，10分鐘內(nèi)煙氣蔓延長度約為400m；在隧道出口處發(fā)生中型火災(zāi)，10分鐘內(nèi)煙氣蔓延長度約為300m。對于大型火災(zāi)（熱釋放速率為50MW），其產(chǎn)生的高溫、濃煙和有毒有害氣體對隧道內(nèi)環(huán)境造成極大的破壞，煙氣蔓延速度極快，范圍廣泛。在隧道入口處發(fā)生大型火災(zāi)，10分鐘內(nèi)煙氣蔓延長度超過400m；在隧道中間位置發(fā)生大型火災(zāi)，10分鐘內(nèi)煙氣蔓延長度可達600m以上；在隧道出口處發(fā)生大型火災(zāi)，10分鐘內(nèi)煙氣蔓延長度約為500m。從溫度分布來看，火災(zāi)規(guī)模越大，隧道內(nèi)的溫度升高越明顯。以隧道中間位置發(fā)生火災(zāi)為例，小型火災(zāi)時，火源附近的最高溫度可達300^{\circ}C左右，隨著距離火源的增加，溫度逐漸降低，在距離火源100m處，溫度降至50^{\circ}C以下。中型火災(zāi)時，火源附近的最高溫度可達600^{\circ}C以上，在距離火源100m處，溫度仍高達150^{\circ}C左右。大型火災(zāi)時，火源附近的最高溫度超過1000^{\circ}C，在距離火源100m處，溫度也在300^{\circ}C以上。高溫不僅會對隧道結(jié)構(gòu)造成嚴(yán)重?fù)p害，還會對人員的生命安全構(gòu)成直接威脅，當(dāng)人體長時間暴露在高溫環(huán)境中，會導(dǎo)致中暑、灼傷等情況，影響人員的疏散和逃生。能見度是影響人員疏散的重要因素之一。模擬結(jié)果表明，隨著火災(zāi)規(guī)模的增大和煙氣蔓延范圍的擴大，隧道內(nèi)的能見度急劇下降。在小型火災(zāi)場景下，人眼高度處的能見度在火災(zāi)發(fā)生初期能保持在50m以上，但隨著時間的推移和煙氣的擴散，能見度逐漸降低，10分鐘后，在火源附近50m范圍內(nèi)，能見度降至10m以下，嚴(yán)重影響人員的視線，使人員難以辨別疏散方向。中型火災(zāi)場景下，人眼高度處的能見度在火災(zāi)發(fā)生后迅速下降，5分鐘后，在火源附近100m范圍內(nèi)，能見度降至10m以下。大型火災(zāi)場景下，能見度下降更為迅速，火災(zāi)發(fā)生后3分鐘內(nèi)，在火源附近150m范圍內(nèi)，能見度就降至10m以下，人員幾乎無法在該區(qū)域內(nèi)正常疏散。通過對不同火災(zāi)場景下的煙氣蔓延、溫度分布和能見度等模擬結(jié)果的分析，可以看出，在媽灣跨海隧道中，火災(zāi)規(guī)模和位置對排煙效果和人員疏散有重要影響。對于不同的火災(zāi)場景，需要采用相應(yīng)的排煙策略和措施，以確保在火災(zāi)發(fā)生時能夠有效地控制煙霧蔓延，降低溫度，提高能見度，為人員疏散和消防救援創(chuàng)造良好的條件。四、媽灣跨海隧道人員疏散研究4.1人員疏散理論基礎(chǔ)4.1.1疏散時間計算隧道內(nèi)人員疏散時間的準(zhǔn)確計算是評估人員安全疏散的關(guān)鍵指標(biāo)，它主要由火災(zāi)探測與報警時間t_{det}、人員反應(yīng)時間t_{res}和人員疏散運動時間t_{mov}這三部分組成，即T=t_{det}+t_{res}+t_{mov}?；馂?zāi)探測與報警時間t_{det}指的是從火災(zāi)發(fā)生時刻到火災(zāi)探測系統(tǒng)檢測到火災(zāi)并發(fā)出報警信號所經(jīng)歷的時間。這一時間的長短主要取決于火災(zāi)探測系統(tǒng)的類型和性能，不同的探測設(shè)備，如感煙探測器、感溫探測器等，其響應(yīng)時間存在差異。例如，感煙探測器對于早期火災(zāi)產(chǎn)生的煙霧較為敏感，能在火災(zāi)初期相對較短的時間內(nèi)檢測到火災(zāi)并報警，一般響應(yīng)時間在數(shù)秒到數(shù)十秒之間；而感溫探測器則主要對溫度變化做出反應(yīng)，在火災(zāi)發(fā)展到一定階段，溫度升高到設(shè)定閾值時才會報警，其響應(yīng)時間可能相對較長，通常在幾十秒到幾分鐘不等。此外，隧道內(nèi)的環(huán)境條件，如通風(fēng)狀況、煙霧擴散速度等，也會對火災(zāi)探測與報警時間產(chǎn)生影響。如果隧道通風(fēng)良好，煙霧能夠迅速擴散，可能會使探測器更快地檢測到火災(zāi)；反之，若通風(fēng)不暢，煙霧積聚緩慢，會延長火災(zāi)探測與報警時間。人員反應(yīng)時間t_{res}是人員在接收到火災(zāi)報警信號后，從認(rèn)知到火災(zāi)發(fā)生并決定開始疏散所需要的時間。這一過程涉及人員的心理和行為反應(yīng)，受到多種因素的影響。人員的個體差異，如年齡、性別、文化程度、疏散經(jīng)驗等，會導(dǎo)致反應(yīng)時間的不同。一般來說，年輕人和具有豐富疏散經(jīng)驗的人員，其反應(yīng)速度相對較快，反應(yīng)時間較短；而老年人、兒童以及缺乏疏散經(jīng)驗的人員，在面對火災(zāi)報警時，可能需要更多的時間來理解和判斷情況，反應(yīng)時間會較長。此外，人員當(dāng)時的精神狀態(tài)、注意力集中程度等也會對反應(yīng)時間產(chǎn)生影響。例如，在疲勞、分心或者處于恐慌狀態(tài)下，人員的反應(yīng)時間會顯著增加。據(jù)相關(guān)研究統(tǒng)計，普通人員在正常情況下的反應(yīng)時間大約在1-2分鐘，但在復(fù)雜情況下，如隧道內(nèi)環(huán)境嘈雜、報警信號不清晰等，反應(yīng)時間可能會延長至3-5分鐘甚至更長。人員疏散運動時間t_{mov}是人員從開始疏散到安全抵達疏散出口所花費的時間。它與人員的疏散速度、疏散路徑的長度和狀況以及人員密度等因素密切相關(guān)。人員疏散速度并非固定不變，會受到人員自身身體狀況、心理狀態(tài)以及疏散通道條件等因素的影響。在理想情況下，健康成年人在平坦、無障礙物的通道上的疏散速度大約為1-1.5米/秒。但在隧道環(huán)境中，由于可能存在坡度、煙霧、高溫以及車輛堵塞等情況，人員疏散速度會大幅降低。例如，在有坡度的隧道內(nèi)，上坡時人員疏散速度可能降至0.5-1米/秒，下坡時雖然速度可能會稍有增加，但也會因需要注意安全而無法達到理想速度。疏散路徑的長度直接決定了人員需要行走的距離，路徑越長，疏散運動時間越長。同時，疏散通道的寬度、是否暢通無阻等狀況也會影響人員疏散速度和運動時間。當(dāng)疏散通道狹窄或者被障礙物堵塞時，人員容易在通道內(nèi)形成擁堵，導(dǎo)致疏散速度急劇下降，疏散運動時間大幅增加。人員密度也是影響疏散運動時間的重要因素，隨著人員密度的增大，人員之間的相互干擾增強，疏散速度會逐漸降低。當(dāng)人員密度達到一定程度時，甚至可能出現(xiàn)人員無法正常行走的情況，嚴(yán)重影響疏散效率?？梢酝ㄟ^以下公式來計算人員疏散運動時間：t_{mov}=\frac{L}{v}，其中L為疏散路徑長度，v為人員在該疏散路徑上的平均疏散速度。在實際計算中，需要綜合考慮各種因素對疏散速度的影響，通過合理的假設(shè)和修正來確定準(zhǔn)確的疏散運動時間。例如，在考慮人員密度對疏散速度的影響時，可以引入一些經(jīng)驗公式或模型，如Fruin提出的行人流量-速度-密度關(guān)系模型，根據(jù)隧道內(nèi)的實際人員密度情況，對疏散速度進行修正，從而更準(zhǔn)確地計算人員疏散運動時間。4.1.2人員行為模型在隧道人員疏散研究中，人員行為模型能夠幫助我們更深入地理解人員在疏散過程中的行為特征和決策過程，為制定合理的疏散策略提供重要依據(jù)。目前，應(yīng)用較為廣泛的人員行為模型主要包括社會力模型、元胞自動機模型和基于智能體的模型等，它們從不同的角度和層面描述了人員的疏散行為。社會力模型將人員視為具有一定質(zhì)量和速度的粒子，通過引入社會力的概念來描述人員之間以及人員與環(huán)境之間的相互作用。這些社會力包括人員的自驅(qū)動力，即人員為了達到疏散目標(biāo)而產(chǎn)生的前進動力；人員之間的排斥力，它反映了人員在行走過程中為避免相互碰撞而產(chǎn)生的相互遠(yuǎn)離的趨勢；以及人員與墻壁、障礙物等環(huán)境物體之間的作用力。例如，在隧道疏散場景中，當(dāng)人員密度較大時，人員之間的排斥力會增大，導(dǎo)致人員行走受到阻礙，疏散速度降低。社會力模型通過建立這些力的數(shù)學(xué)表達式，能夠模擬人員在復(fù)雜環(huán)境中的運動軌跡和疏散行為。它的優(yōu)點是能夠直觀地反映人員之間的相互作用，對人員疏散過程中的擁擠現(xiàn)象和沖突情況有較好的描述能力。然而，該模型在計算過程中涉及較多的參數(shù)，這些參數(shù)的確定往往需要大量的實驗數(shù)據(jù)和經(jīng)驗判斷，而且模型對人員的個體差異和復(fù)雜行為的描述相對有限。元胞自動機模型將疏散空間劃分為一個個規(guī)則的元胞，每個元胞代表一個小的空間區(qū)域。人員被抽象為占據(jù)元胞的個體，其行為遵循一定的規(guī)則。在每個時間步，元胞根據(jù)自身狀態(tài)和周圍元胞的狀態(tài)，按照預(yù)先設(shè)定的轉(zhuǎn)移規(guī)則進行狀態(tài)更新，從而模擬人員的移動。例如，在隧道元胞自動機模型中，元胞可以表示為隧道內(nèi)的一小段空間，人員根據(jù)周圍元胞的占用情況、疏散通道的位置等信息，決定自己下一步的移動方向。如果某個元胞周圍的元胞都被占用，人員就會選擇其他可通行的元胞進行移動。元胞自動機模型的優(yōu)點是模型簡單、計算效率高，能夠快速模擬大規(guī)模人員的疏散過程。同時，它對復(fù)雜的隧道環(huán)境和疏散場景具有較好的適應(yīng)性，可以方便地考慮疏散通道的布局、障礙物的分布等因素。但該模型也存在一定的局限性，它對人員的行為描述相對簡單，缺乏對人員個體決策和心理因素的深入考慮?；谥悄荏w的模型則更加注重人員的個體特性和行為決策。每個人員被視為一個具有自主決策能力的智能體，智能體擁有自己的屬性，如年齡、性別、身體狀況、知識水平、疏散經(jīng)驗等，同時還具備感知周圍環(huán)境信息和做出決策的能力。在疏散過程中，智能體根據(jù)自身的目標(biāo)和對環(huán)境的感知，按照一定的決策規(guī)則選擇合適的疏散路徑和行動方式。例如，在媽灣跨海隧道疏散場景中，基于智能體的模型可以考慮到不同類型車輛（如貨車、客車、小汽車等）的分布情況，以及車輛內(nèi)人員的不同特點。貨車司機可能對隧道環(huán)境較為熟悉，疏散經(jīng)驗相對豐富，在決策時會更快速地選擇合理的疏散路徑；而小汽車內(nèi)的乘客可能對隧道疏散路線不太了解，在面對火災(zāi)時可能會出現(xiàn)恐慌情緒，影響其決策和行動?；谥悄荏w的模型能夠更真實地模擬人員在復(fù)雜環(huán)境下的疏散行為，考慮到人員的多樣性和個體差異，為隧道人員疏散研究提供了更準(zhǔn)確、全面的分析工具。但該模型的構(gòu)建和計算相對復(fù)雜，需要大量的參數(shù)和數(shù)據(jù)支持，對計算機的計算能力也有較高要求。4.2媽灣隧道人員疏散方案設(shè)計4.2.1疏散通道與設(shè)施布局媽灣跨海隧道的疏散通道與設(shè)施布局是保障人員在緊急情況下安全疏散的關(guān)鍵。合理規(guī)劃人行橫通道、疏散樓梯、滑梯等設(shè)施的位置和間距，能夠有效提高人員疏散效率，減少人員傷亡。人行橫通道是人員疏散的重要通道之一，其設(shè)置應(yīng)滿足相關(guān)規(guī)范要求，同時充分考慮隧道的結(jié)構(gòu)特點和交通流量。在媽灣跨海隧道中，人行橫通道的間距設(shè)定為不大于250m。這樣的間距既能確保人員在火災(zāi)等緊急情況下能夠及時找到疏散通道，又能在一定程度上避免因通道設(shè)置過多而影響隧道的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和交通流暢性。人行橫通道的寬度應(yīng)不小于2m，以保證人員能夠順暢通過。通道內(nèi)部應(yīng)設(shè)置明顯的疏散指示標(biāo)志，引導(dǎo)人員快速疏散。例如，在通道入口處設(shè)置大型的疏散指示牌，標(biāo)明通道的方向和通往的安全區(qū)域；在通道內(nèi)部每隔一定距離設(shè)置疏散指示燈，確保在煙霧等情況下人員仍能看清疏散路線。疏散樓梯的設(shè)置也需要綜合考慮多種因素。疏散樓梯應(yīng)設(shè)置在隧道兩側(cè)，每隔一定距離設(shè)置一部，以方便人員在不同位置能夠快速找到樓梯進行疏散。樓梯的寬度不小于1.1m，坡度不大于45°，以滿足人員疏散的安全和便捷要求。樓梯的扶手應(yīng)采用防滑、耐高溫的材料制作，確保人員在疏散過程中能夠安全抓握。在樓梯的入口處和轉(zhuǎn)角處，應(yīng)設(shè)置清晰的疏散指示標(biāo)志和應(yīng)急照明設(shè)施，避免人員在疏散過程中因視線不清而發(fā)生摔倒等事故。例如，在樓梯入口處設(shè)置醒目的“疏散樓梯”標(biāo)識，并配備應(yīng)急照明燈具，保證在火災(zāi)發(fā)生時，即使正常照明系統(tǒng)失效，人員仍能通過應(yīng)急照明看清樓梯位置，順利疏散?；葑鳛橐环N快速疏散設(shè)施，在特定情況下能夠大大提高人員疏散速度。媽灣跨海隧道在合適的位置設(shè)置了滑梯，滑梯的坡度和長度根據(jù)隧道的實際情況進行設(shè)計，確保人員能夠安全、快速地滑下?；莸牟馁|(zhì)應(yīng)具有良好的耐磨性和耐高溫性，表面應(yīng)光滑，以減少人員下滑時的阻力。在滑梯的入口處，設(shè)置明確的使用說明和警示標(biāo)志，告知人員如何正確使用滑梯。例如，在滑梯入口處張貼“請按指示正確使用滑梯，下滑時注意安全”等標(biāo)語，并配備相應(yīng)的圖示，指導(dǎo)人員在疏散時正確使用滑梯。同時，在滑梯的出口處設(shè)置緩沖區(qū)域，避免人員因下滑速度過快而受傷。此外，隧道內(nèi)還配備了完善的應(yīng)急照明和疏散指示系統(tǒng)。應(yīng)急照明應(yīng)保證在火災(zāi)等緊急情況下，隧道內(nèi)的照度不低于正常照明的10%，確保人員能夠看清疏散路線。疏散指示標(biāo)志應(yīng)設(shè)置在隧道的頂部、墻壁和地面等明顯位置，采用發(fā)光材料制作，具有良好的可視性。例如，在隧道頂部每隔一定距離設(shè)置疏散指示箭頭，在墻壁上設(shè)置疏散指示牌，標(biāo)明安全出口的方向和距離；在地面上采用熒光材料繪制疏散指示線，引導(dǎo)人員沿著指示線快速疏散。這些應(yīng)急照明和疏散指示系統(tǒng)相互配合，為人員疏散提供了可靠的引導(dǎo)。4.2.2疏散策略制定制定科學(xué)合理的不同火災(zāi)場景下的人員疏散策略，是提高媽灣跨海隧道人員疏散效率和安全性的關(guān)鍵。針對隧道內(nèi)可能發(fā)生的不同類型火災(zāi)，需要結(jié)合隧道的結(jié)構(gòu)特點、疏散設(shè)施布局以及人員分布情況，制定相應(yīng)的疏散策略。當(dāng)隧道內(nèi)發(fā)生小型火災(zāi)（熱釋放速率為5MW）時，火勢相對較小，煙霧和熱量擴散范圍有限。此時，可優(yōu)先采用雙向疏散策略。在火災(zāi)發(fā)生初期，利用隧道內(nèi)的廣播系統(tǒng)和警報裝置，及時向隧道內(nèi)的人員發(fā)出火災(zāi)警報，告知人員火災(zāi)發(fā)生的位置和疏散方向?？拷馂?zāi)點的人員應(yīng)迅速通過最近的人行橫通道或疏散樓梯，向隧道兩端的安全出口疏散。隧道兩端的安全出口應(yīng)安排專人負(fù)責(zé)引導(dǎo)疏散，確保人員有序撤離。同時，啟動隧道內(nèi)的排煙系統(tǒng)，將煙霧排出隧道，降低煙霧濃度，為人員疏散創(chuàng)造良好的環(huán)境。例如，在小型火災(zāi)發(fā)生時，可通過控制射流風(fēng)機的運行，使隧道內(nèi)形成一定的縱向風(fēng)速，將煙霧快速排向火源點下游，同時開啟人行橫通道和疏散樓梯附近的排煙口，加強局部排煙效果，提高人員疏散區(qū)域的能見度。對于中型火災(zāi)（熱釋放速率為20MW），火勢較大，煙霧和熱量擴散范圍較廣，對人員疏散造成較大威脅。在這種情況下，應(yīng)根據(jù)火災(zāi)發(fā)生的位置和人員分布情況，靈活采用單向疏散或雙向疏散策略。如果火災(zāi)發(fā)生在隧道一端，且該端人員較少，可采用單向疏散策略，引導(dǎo)該端人員迅速向另一端的安全出口疏散。在疏散過程中，關(guān)閉火災(zāi)點附近的人行橫通道和疏散樓梯，防止煙霧蔓延至其他區(qū)域，影響人員疏散。同時，加大排煙系統(tǒng)的運行功率，集中力量排出火災(zāi)區(qū)域的煙霧。例如，當(dāng)火災(zāi)發(fā)生在隧道入口處時，可利用隧道內(nèi)的智能控制系統(tǒng)，關(guān)閉入口處附近的人行橫通道和疏散樓梯，引導(dǎo)入口處的人員迅速向隧道出口方向疏散。啟動重點排煙系統(tǒng)，開啟火災(zāi)點附近的排煙口，將煙霧迅速排出，確保疏散通道的暢通。如果火災(zāi)發(fā)生在隧道中間位置，且兩端人員分布較為均勻，則采用雙向疏散策略。但在疏散過程中，要加強對火災(zāi)點附近區(qū)域的控制，設(shè)置臨時隔離帶，防止人員誤入危險區(qū)域。同時，合理調(diào)整排煙系統(tǒng)的運行參數(shù)，確保隧道兩端的疏散通道都有良好的排煙效果。例如，在隧道中間位置發(fā)生中型火災(zāi)時，在火災(zāi)點兩側(cè)一定距離處設(shè)置臨時隔離帶，阻止人員靠近火災(zāi)區(qū)域。通過控制排煙系統(tǒng)，使隧道兩端的疏散通道形成相對獨立的排煙區(qū)域，保證人員在疏散過程中不會受到煙霧的嚴(yán)重影響。當(dāng)發(fā)生大型火災(zāi)（熱釋放速率為50MW）時，火勢兇猛，煙霧和熱量迅速擴散，對隧道結(jié)構(gòu)和人員生命安全構(gòu)成極大威脅。此時，應(yīng)立即啟動隧道的應(yīng)急預(yù)案，采取全面疏散策略。迅速組織隧道內(nèi)的所有人員通過人行橫通道、疏散樓梯等疏散設(shè)施，向隧道兩端的安全出口疏散。在疏散過程中，充分利用滑梯等快速疏散設(shè)施，提高人員疏散速度。同時，協(xié)調(diào)消防、救援等部門，及時開展滅火和救援工作。例如，在大型火災(zāi)發(fā)生時，隧道管理部門應(yīng)迅速與消防部門取得聯(lián)系，報告火災(zāi)情況，請求支援。在消防部門到達之前，組織隧道內(nèi)的工作人員引導(dǎo)人員疏散，利用隧道內(nèi)的消防設(shè)施進行初期滅火。消防部門到達后，協(xié)同消防部門進行滅火和救援工作，確保人員能夠安全疏散。此外，還應(yīng)考慮設(shè)置臨時避難場所，為無法及時疏散的人員提供安全保障。在隧道內(nèi)選擇合適的位置，如通風(fēng)良好、遠(yuǎn)離火災(zāi)點的區(qū)域，設(shè)置臨時避難場所，配備必要的生活物資和急救設(shè)備，確保避難人員的基本生存需求。同時，通過廣播系統(tǒng)和通信設(shè)備，與避難人員保持聯(lián)系，告知他們救援進展情況，穩(wěn)定他們的情緒。4.3基于模擬的人員疏散效果評估4.3.1疏散模擬參數(shù)設(shè)定在對媽灣跨海隧道人員疏散進行模擬分析時，合理設(shè)定疏散模擬參數(shù)是確保模擬結(jié)果準(zhǔn)確性和可靠性的關(guān)鍵。這些參數(shù)涵蓋人員密度、行走速度、疏散起始時間等多個方面，它們相互關(guān)聯(lián)，共同影響著人員疏散的過程和結(jié)果。人員密度是影響人員疏散效率的重要因素之一。它反映了單位面積內(nèi)人員的數(shù)量，直接關(guān)系到人員之間的相互干擾程度和疏散通道的擁堵情況。根據(jù)媽灣跨海隧道的實際交通流量和車輛類型分布，結(jié)合相關(guān)研究和經(jīng)驗數(shù)據(jù)，設(shè)定了不同的人員密度場景。在正常交通流量情況下，人員密度設(shè)定為0.5人/平方米，此時隧道內(nèi)人員分布相對較為均勻，人員之間的相互干擾較小，疏散通道相對暢通。當(dāng)交通流量較大，出現(xiàn)擁堵情況時，人員密度增加到1.5人/平方米，此時人員之間的距離減小，相互干擾增強，疏散通道可能會出現(xiàn)局部擁堵，影響人員疏散速度。在極端擁堵情況下，人員密度設(shè)定為3人/平方米，此時人員密集，疏散通道嚴(yán)重?fù)矶拢藛T行走困難，疏散效率會大幅降低。行走速度是人員疏散過程中的另一個關(guān)鍵參數(shù)，它受到多種因素的影響，如人員自身的身體狀況、心理狀態(tài)、疏散通道的條件以及人員密度等。對于不同類型的人員，其行走速度存在差異。在模擬中，將人員分為成年人、老年人和兒童三類。成年人身體狀況較好，行動較為敏捷，在正常情況下，其行走速度設(shè)定為1.2米/秒。然而，在火災(zāi)發(fā)生時，由于受到煙霧、高溫、恐慌等因素的影響，成年人的行走速度會有所降低，根據(jù)相關(guān)研究和實際案例分析，將此時成年人的行走速度調(diào)整為0.8米/秒。老年人身體機能相對較弱，行動能力受限，正常行走速度設(shè)定為0.8米/秒，在火災(zāi)情況下，考慮到其心理壓力和身體適應(yīng)能力，行走速度進一步降低至0.5米/秒。兒童年齡較小，身體協(xié)調(diào)性和行動能力不如成年人，正常行走速度設(shè)定為0.6米/秒，在火災(zāi)等緊急情況下，由于恐懼和缺乏經(jīng)驗，行走速度可能降至0.3米/秒。疏散起始時間是指從火災(zāi)發(fā)生到人員開始疏散所經(jīng)歷的時間，它包括火災(zāi)探測與報警時間以及人員的反應(yīng)時間。火災(zāi)探測與報警時間主要取決于隧道內(nèi)火災(zāi)探測系統(tǒng)的性能和靈敏度。媽灣跨海隧道采用了先進的感煙和感溫復(fù)合火災(zāi)探測系統(tǒng)，結(jié)合隧道的實際環(huán)境和火災(zāi)特性，經(jīng)過測試和驗證，火災(zāi)探測與報警時間設(shè)定為30秒。人員的反應(yīng)時間則受到人員的個體差異、心理狀態(tài)、對火災(zāi)的認(rèn)知程度等因素的影響。在模擬中，考慮到人員在隧道內(nèi)的不同狀態(tài)和反應(yīng)能力，將人員的平均反應(yīng)時間設(shè)定為60秒。因此，疏散起始時間總計為90秒。此外，還考慮了其他一些因素對疏散模擬參數(shù)的影響。例如，疏散通道的坡度會影響人員的行走速度，對于有坡度的疏散通道，上坡時人員行走速度會降低，下坡時雖然速度可能會稍有增加，但為了確保安全，也會對速度進行一定的限制。在媽灣跨海隧道中，疏散通道的最大坡度為5\%，根據(jù)相關(guān)研究和經(jīng)驗，上坡時人員行走速度降低20\%，下坡時人員行走速度增加10\%。同時，隧道內(nèi)的煙霧濃度和能見度也會對人員行走速度產(chǎn)生影響，當(dāng)煙霧濃度較高、能見度較低時，人員行走速度會明顯下降。在模擬中，通過建立煙霧濃度和能見度與人員行走速度的關(guān)系模型，根據(jù)不同的火災(zāi)場景和排煙效果，動態(tài)調(diào)整人員的行走速度。通過合理設(shè)定這些疏散模擬參數(shù)，能夠更真實地反映媽灣跨海隧道在火災(zāi)等緊急情況下人員疏散的實際情況，為后續(xù)的模擬分析和人員疏散策略制定提供可靠的基礎(chǔ)。4.3.2模擬結(jié)果分析利用專業(yè)的人員疏散模擬軟件，對媽灣跨海隧道在不同火災(zāi)場景和疏散方案下的人員疏散過程進行模擬，得到了疏散時間、疏散路徑、人員擁堵等關(guān)鍵模擬結(jié)果。通過對這些結(jié)果的深入分析，能夠全面評估人員疏散方案的有效性，為優(yōu)化疏散方案提供科學(xué)依據(jù)。疏散時間是評估人員疏散效果的重要指標(biāo)之一。模擬結(jié)果顯示，不同火災(zāi)場景和人員密度條件下，人員疏散時間存在顯著差異。在小型火災(zāi)場景下，當(dāng)人員密度為0.5人/平方米時，從火災(zāi)發(fā)生到所有人員安全疏散至隧道外，所需的疏散時間約為12分鐘。這是因為在這種情況下，火災(zāi)規(guī)模較小，煙霧和熱量擴散范圍有限，人員密度較低，疏散通道相對暢通，人員能夠以相對較快的速度疏散。隨著人員密度增加到1.5人/平方米，疏散時間延長至約18分鐘。人員密度的增大導(dǎo)致人員之間的相互干擾增強，疏散通道出現(xiàn)局部擁堵，人員行走速度減慢，從而延長了疏散時間。當(dāng)人員密度達到3人/平方米時，疏散時間進一步增加到約25分鐘。此時，人員密集，疏散通道嚴(yán)重?fù)矶?，人員疏散困難，疏散效率大幅降低。在中型火災(zāi)場景下，由于火災(zāi)規(guī)模較大，煙霧和熱量擴散范圍更廣，對人員疏散造成更大威脅，疏散時間明顯延長。當(dāng)人員密度為0.5人/平方米時，疏散時間約為18分鐘?；馂?zāi)產(chǎn)生的大量煙霧和高溫使得人員行走速度降低，同時疏散通道的部分區(qū)域可能被煙霧籠罩，影響人員的視線和疏散方向判斷，導(dǎo)致疏散時間增加。隨著人員密度的增大，疏散時間增長更為顯著。當(dāng)人員密度為1.5人/平方米時，疏散時間達到約25分鐘；當(dāng)人員密度為3人/平方米時，疏散時間延長至約35分鐘。大型火災(zāi)場景下，火災(zāi)的危害程度極高，疏散時間更是大幅增加。當(dāng)人員密度為0.5人/平方米時，疏散時間約為25分鐘。火勢兇猛，煙霧和熱量迅速擴散，隧道內(nèi)環(huán)境惡劣，人員疏散面臨極大困難。隨著人員密度的增大，疏散時間急劇上升。當(dāng)人員密度為1.5人/平方米時，疏散時間達到約35分鐘；當(dāng)人員密度為3人/平方米時，疏散時間延長至約45分鐘以上。在這種情況下，若疏散方案不合理，人員可能無法在安全時間內(nèi)疏散到安全區(qū)域，生命安全將受到嚴(yán)重威脅。疏散路徑的選擇直接影響人員疏散的效率和安全性。模擬結(jié)果表明，在火災(zāi)發(fā)生時，大部分人員會選擇距離自己最近的疏散通道進行疏散。然而，由于人員對隧道內(nèi)疏散通道的熟悉程度不同，以及火災(zāi)時煙霧、恐慌等因素的影響，部分人員可能會出現(xiàn)疏散路徑選擇錯誤的情況。例如，在一些模擬場景中，部分人員在慌亂中沒有選擇最近的人行橫通道或疏散樓梯，而是朝著隧道深處或錯誤的方向疏散，導(dǎo)致疏散時間延長。同時，疏散通道的暢通程度也會影響人員的疏散路徑選擇。如果疏散通道被車輛、障礙物堵塞，人員會被迫尋找其他疏散路徑，這可能會導(dǎo)致人員在疏散過程中迷失方向，增加疏散難度。人員擁堵情況是影響人員疏散效率的關(guān)鍵因素之一。模擬結(jié)果顯示，在人員密度較大的情況下，疏散通道的瓶頸位置容易出現(xiàn)人員擁堵現(xiàn)象。例如，人行橫通道與隧道主通道的連接處、疏散樓梯的出入口等位置，由于通道寬度變窄，人員通過能力受限，容易形成人員擁堵。當(dāng)人員擁堵發(fā)生時，人員之間的相互擠壓和阻礙會導(dǎo)致疏散速度急劇下降，甚至可能出現(xiàn)人員踩踏等危險情況。在一些模擬場景中，由于疏散通道設(shè)計不合理，導(dǎo)致人員在疏散過程中大量聚集在瓶頸位置，疏散時間大幅延長。因此，優(yōu)化疏散通道的設(shè)計，合理設(shè)置疏散設(shè)施，減少人員擁堵是提高人員疏散效率的重要措施。通過對疏散時間、疏散路徑和人員擁堵等模擬結(jié)果的分析，可以看出媽灣跨海隧道人員疏散方案在不同火災(zāi)場景和人員密度條件下存在一定的優(yōu)缺點。在未來的隧道設(shè)計和運營管理中，需要進一步優(yōu)化疏散方案，如合理調(diào)整疏散通道布局、增加疏散設(shè)施數(shù)量、加強人員的應(yīng)急培訓(xùn)等，以提高人員疏散的效率和安全性，確保在火災(zāi)等緊急情況下人員能夠快速、安全地疏散。五、排煙與人員疏散的協(xié)同優(yōu)化5.1協(xié)同機制分析在媽灣跨海隧道中，排煙系統(tǒng)與人員疏散之間存在著緊密的相互關(guān)聯(lián)和影響，深入剖析它們之間的協(xié)同機制對于保障隧道在火災(zāi)等緊急情況下的人員安全至關(guān)重要。排煙系統(tǒng)為人員疏散創(chuàng)造有利條件主要體現(xiàn)在以下幾個關(guān)鍵方面。首先，在煙霧控制方面，有效的排煙能夠迅速降低隧道內(nèi)的煙霧濃度，提高能見度。例如，當(dāng)采用重點排煙方式時，通過開啟火源附近的排煙口，能夠直接將大量煙霧排出隧道，減少煙霧在隧道內(nèi)的積聚和擴散。在模擬中型火災(zāi)場景中，當(dāng)同時開啟火災(zāi)上下游排煙口，并及時打開火源正上方排煙口時，人眼高度處的能見度能大于10m，這使得人員在疏散過程中能夠更清晰地辨別疏散路徑，避免因視線受阻而迷失方向，大大提高了疏散的安全性和效率。其次，排煙系統(tǒng)能夠有效降低隧道內(nèi)的溫度。火災(zāi)發(fā)生時，會產(chǎn)生大量的熱量，高溫不僅會對人員的生命安全造成直接威脅，還會影響隧道結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。排煙系統(tǒng)通過排出熱煙氣，引入新鮮冷空氣，降低隧道內(nèi)的溫度，為人員疏散提供適宜的環(huán)境。在大型火災(zāi)場景模擬中，良好的排煙系統(tǒng)能使火源附近一定范圍內(nèi)的溫度明顯降低，從超過1000°C降至人員可承受的范圍，保障人員在疏散過程中不會因高溫而受到嚴(yán)重傷害，增加了人員疏散的時間窗口。再者，排煙系統(tǒng)有助于稀釋和排出火災(zāi)產(chǎn)生的有毒有害氣體，如一氧化碳（CO）、二氧化硫（SO?）等。這些有毒有害氣體對人體具有極大的危害，會導(dǎo)致中毒、窒息等嚴(yán)重后果。排煙系統(tǒng)將有毒有害氣體排出隧道，降低其在隧道內(nèi)的濃度，保護人員的生命健康。研究表明，在合理的排煙方案下，如重點排煙方式且排煙量達到最佳值時，CO濃度僅在火源上下游200m范圍內(nèi)超過人體耐受極限，最大值僅為450ppm，在其他區(qū)域，CO濃度能夠保持在安全水平，為人員疏散創(chuàng)造了安全的空氣環(huán)境。人員疏散策略配合排煙工作也具有重要意義。在疏散路徑規(guī)劃方面，需要充分考慮排煙方向。當(dāng)采用縱向排煙方式時，人員疏散方向應(yīng)盡量與排煙方向一致，避免人員逆著煙霧疏散，減少人員在煙霧中的暴露時間。在隧道發(fā)生火災(zāi)時，如果火源位于隧道中間，且采用縱向排煙方式將煙霧排向隧道一端，那么靠近火源的人員應(yīng)盡快向排煙方向的另一端疏散，遠(yuǎn)離煙霧區(qū)域。同時，在確定疏散路徑時，要充分考慮排煙系統(tǒng)的影響范圍和效果，優(yōu)先選擇煙霧濃度低、溫度低、能見度高的路徑。例如，在設(shè)置疏散指示標(biāo)志時，應(yīng)根據(jù)排煙系統(tǒng)的運行情況，引導(dǎo)人員向排煙效果較好的區(qū)域疏散，確保人員能夠在安全的環(huán)境中快速撤離。在疏散時間安排上，需要與排煙系統(tǒng)的啟動和運行時間相協(xié)調(diào)。排煙系統(tǒng)應(yīng)在火災(zāi)發(fā)生后盡快啟動，為人員疏散爭取時間。同時，人員疏散應(yīng)在排煙系統(tǒng)發(fā)揮作用后，盡快進行，以充分利用良好的疏散環(huán)境。如果排煙系統(tǒng)啟動后，人員疏散延遲，可能會導(dǎo)致隧道內(nèi)的煙霧和溫度再次升高，影響人員疏散安全。在火災(zāi)探測與報警時間t_{det}和人員反應(yīng)時間t_{res}內(nèi)，應(yīng)盡快啟動排煙系統(tǒng)，使其在人員開始疏散（即t_{mov}階段）時，已經(jīng)能夠有效地控制煙霧和溫度，為人員疏散提供保障。此外，還應(yīng)根據(jù)火災(zāi)規(guī)模和發(fā)展情況，合理調(diào)整疏散時間和速度。在大型火災(zāi)場景下，火勢發(fā)展迅速，煙霧和溫度上升快，應(yīng)加快人員疏散速度，確保人員能夠在最短的時間內(nèi)疏散到安全區(qū)域。綜上所述，排煙系統(tǒng)與人員疏散之間的協(xié)同機制是一個相互促進、相互制約的動態(tài)過程。只有充分發(fā)揮排煙系統(tǒng)為人員疏散創(chuàng)造有利條件的作用，同時合理制定人員疏散策略配合排煙工作，才能在隧道火災(zāi)等緊急情況下，最大程度地保障人員的生命安全，提高人員疏散的效率和成功率。5.2協(xié)同優(yōu)化策略制定為了實現(xiàn)媽灣跨海隧道排煙與人員疏散的高效協(xié)同，提高隧道在火災(zāi)等緊急情況下的安全性，需要制定一系列協(xié)同優(yōu)化策略，從排煙系統(tǒng)啟動時間的優(yōu)化、人員疏散路徑的調(diào)整以及應(yīng)急演練與培訓(xùn)等方面入手，全面提升隧道的應(yīng)急響應(yīng)能力。優(yōu)化排煙系統(tǒng)啟動時間對人員疏散效率有著至關(guān)重要的影響。在火災(zāi)發(fā)生初期，快速啟動排煙系統(tǒng)能夠有效控制煙霧蔓延，為人員疏散創(chuàng)造有利條件。根據(jù)火災(zāi)動力學(xué)原理和隧道火災(zāi)特性，結(jié)合媽灣跨海隧道的實際情況，應(yīng)在火災(zāi)探測與報警時間t_{det}內(nèi)，盡快啟動排煙系統(tǒng)。通過與火災(zāi)探測系統(tǒng)的聯(lián)動，當(dāng)探測到火災(zāi)信號后，排煙系統(tǒng)立即啟動，縮短啟動延遲時間。同時，采用智能控制系統(tǒng)，根據(jù)火災(zāi)規(guī)模和位置等信息，自動調(diào)整排煙系統(tǒng)的運行參數(shù)，如風(fēng)機的轉(zhuǎn)速、排煙口的開啟數(shù)量和大小等，以實現(xiàn)最佳的排煙效果。在大型火災(zāi)場景下，火災(zāi)熱釋放速率高，煙霧產(chǎn)生量大，排煙系統(tǒng)應(yīng)迅速提高排煙量，加大風(fēng)機的運行功率，確保在人員開始疏散（即t_{mov}階段）時，能夠有效地降低煙霧濃度，提高能見度，保障人員疏散安全。調(diào)整人員疏散路徑以適應(yīng)排煙方向是協(xié)同優(yōu)化的關(guān)鍵策略之一。在隧道火災(zāi)發(fā)生時，人員疏散路徑應(yīng)與排煙方向相協(xié)調(diào)，避免人員逆著煙霧疏散。根據(jù)不同的火災(zāi)位置和排煙方式，合理規(guī)劃人員疏散路徑。當(dāng)采用縱向排煙方式時，如果火源位于隧道中間，煙霧向一端排出，那么靠近火源上游的人員應(yīng)盡快向隧道出口方向疏散，遠(yuǎn)離煙霧區(qū)域；靠近火源下游的人員則應(yīng)根據(jù)煙霧蔓延情況和疏散指示，選擇合適的時機向隧道出口疏散。在規(guī)劃疏散路徑時，充分利用隧道內(nèi)的人行橫通道、疏散樓梯等疏散設(shè)施，設(shè)置明顯的疏散指示標(biāo)志，引導(dǎo)人員向排煙效果較好的區(qū)域疏散。例如，在人行橫通道和疏散樓梯的入口處，設(shè)置動態(tài)的疏散指示標(biāo)志，根據(jù)排煙系統(tǒng)的運行情況和煙霧擴散范圍，實時更新疏散方向信息，確保人員能夠準(zhǔn)確選擇疏散路徑。同時，利用隧道內(nèi)的廣播系統(tǒng)和應(yīng)急通信設(shè)備，及時向人員傳達疏散信息，告知人員當(dāng)前的火災(zāi)情況、排煙狀態(tài)和疏散路徑，提高人員疏散的效率和安全性。應(yīng)急演練與培訓(xùn)是提高協(xié)同效果的重要手段。定期組織隧道管理人員、工作人員和司乘人員參與應(yīng)急演練，模擬不同火災(zāi)場景下的排煙與人員疏散過程。通過演練，使人員熟悉隧道內(nèi)的疏散設(shè)施和路徑，掌握正確的疏散方法和技巧，提高人員在緊急情況下的應(yīng)急反應(yīng)能力和協(xié)同配合能力。在演練過程中，對排煙系統(tǒng)和人員疏散的協(xié)同效果進行評估，發(fā)現(xiàn)問題及時進行改進。例如，在演練中觀察人員在疏散過程中是否能夠準(zhǔn)確遵循疏散指示，是否存在疏散路徑選擇錯誤的情況；檢查排煙系統(tǒng)是否能夠正常運行，排煙效果是否達到預(yù)期目標(biāo)等。根據(jù)演練評估結(jié)果，調(diào)整疏散指示標(biāo)志的設(shè)置位置和內(nèi)容，優(yōu)化排煙系統(tǒng)的運行參數(shù)和控制策略，完善應(yīng)急救援預(yù)案。加強對隧道管理人員和工作人員的培訓(xùn)，提高其對排煙系統(tǒng)和人員疏散知識的掌握程度。培訓(xùn)內(nèi)容包括隧道火災(zāi)的特點和危害、排煙系統(tǒng)的工作原理和操作方法、人員疏散的組織和引導(dǎo)技巧等。通過培訓(xùn)，使管理人員和工作人員能夠在火災(zāi)發(fā)生時，迅速、準(zhǔn)確地啟動排煙系統(tǒng)，合理組織人員疏散，保障人員的生命安全。例如，組織專業(yè)技術(shù)人員對隧道管理人員進行排煙系統(tǒng)的操作培訓(xùn)，使其熟悉風(fēng)機的啟動、停止、調(diào)速等操作流程，掌握排煙口的開啟和關(guān)閉控制方法；對工作人員進行人員疏散組織和引導(dǎo)培訓(xùn)，使其掌握如何在疏散過程中維持秩序，如何幫助老弱病殘等特殊人群疏散等技能。綜上所述，通過優(yōu)化排煙系統(tǒng)啟動時間、調(diào)整人員疏散路徑以及加強應(yīng)急演練與培訓(xùn)等協(xié)同優(yōu)化策略的實施，能夠有效提高媽灣跨海隧道排煙與人員疏散的協(xié)同效果，最大程度地保障隧道在火災(zāi)等緊急情況下人員的生命安全，為隧道的安全運營提供有力保障。5.3協(xié)同效果驗證為了驗證所提出的協(xié)同優(yōu)化策略在媽灣跨海隧道中的實際效果，通過數(shù)值模擬對比了協(xié)同優(yōu)化前后的人員疏散時間、煙霧擴散范圍和人員傷亡情況等關(guān)鍵指標(biāo)，以評估協(xié)同優(yōu)化策略的有效性和可靠性。在人員疏散時間方面，以中型火災(zāi)場景（熱釋放速率為20MW）且人員密度為1.5人/平方米為例，模擬結(jié)果顯示，在未實施協(xié)同優(yōu)化策略時，從火災(zāi)發(fā)生到所有人員安全疏散至隧道外，所需的疏散時間約為25分鐘。這是因為在這種情況下，排煙系統(tǒng)與人員疏散之間缺乏有效的協(xié)同，排煙系統(tǒng)未能及時有效地控制煙霧蔓延，導(dǎo)致人員在疏散過程中受到煙霧的阻礙，行走速度減慢，疏散時間延長。而在實施協(xié)同優(yōu)化策略后，通過優(yōu)化排煙系統(tǒng)啟動時間，在火災(zāi)探測與報警后迅速啟動排煙系統(tǒng)，并根據(jù)火災(zāi)規(guī)模和位置自動調(diào)整排煙參數(shù)，同時合理調(diào)整人員疏散路徑，使其與排煙方向相協(xié)調(diào)，人員疏散時間縮短至約20分鐘。例如，在火災(zāi)發(fā)生后，排煙系統(tǒng)在極短的時間內(nèi)啟動，快速排出煙霧，降低隧道內(nèi)的煙霧濃度和溫度，為人員疏散創(chuàng)造了良好的環(huán)境。同時，人員根據(jù)調(diào)整后的疏散路徑，能夠更快速地找到安全出口，避免了在煙霧中盲目行走，從而提高了疏散效率，顯著縮短了疏散時間。煙霧擴散范圍是衡量協(xié)同優(yōu)化效果的另一個重要指標(biāo)。在未實施協(xié)同優(yōu)化策略時，煙霧迅速在隧道內(nèi)擴散，10分鐘內(nèi)煙霧蔓延長度可達400m以上，嚴(yán)重影響了人員疏散的安全性