妈湾跨海隧道排烟与人员疏散关键技术及协同策略研究

妈湾跨海隧道排烟与人员疏散关键技术及协同策略研究一、引言1.1研究背景与意义随着城市化进程的加快和交通需求的不断增长，跨海隧道作为一种重要的交通基础设施，在缓解交通压力、促进区域经济发展等方面发挥着至关重要的作用。妈湾跨海隧道作为连接深圳前海与宝安的重要通道，对于完善区域交通网络、实现前海对外交通“客货分离”具有重要意义。该隧道起于南山妈湾大道与月亮湾大道相交处，穿越前海湾止于宝安区大铲湾港区，终点与沿江高速大铲湾收费站、西乡大道相接，路线全长约8.05公里，其中海域隧道段约2公里，为双向6车道，设计时速80公里/时。然而，隧道环境相对封闭，一旦发生火灾等紧急情况，高温、烟雾以及有毒有害气体会迅速在隧道内蔓延，给人员的生命安全带来巨大威胁。例如，2000年11月11日，奥地利的陶恩隧道发生火灾，造成12人死亡，12人受伤，隧道结构严重受损；2019年4月16日，四川凉山州木里县境内的雅砻江锦屏水电站交通隧道发生火灾，导致18人死亡，3人受伤。这些惨痛的事故表明，隧道火灾的危害极大，而有效的排烟技术和合理的人员疏散方案是保障隧道安全运营、减少灾害损失的关键。在排烟技术方面，良好的排烟系统能够及时排出火灾产生的烟雾和有毒有害气体，降低隧道内的温度和烟雾浓度，为人员疏散和消防救援创造有利条件。不同的排烟方式，如纵向排烟、横向排烟、半横向排烟以及自然排烟与机械排烟相结合的方式等，在不同的隧道环境和火灾场景下具有各自的优缺点和适用范围。研究妈湾跨海隧道的排烟技术，需要综合考虑隧道的长度、坡度、通风条件、交通流量等因素，选择最适合的排烟方案，并对其排烟效果进行深入分析和评估，以确保在火灾发生时能够迅速、有效地控制烟雾蔓延。人员疏散方面，隧道内人员在紧急情况下的疏散效率直接关系到人员的生命安全。由于隧道空间狭窄、光线昏暗，且可能存在车辆堵塞等情况，人员疏散难度较大。因此，需要深入研究人员在隧道内的疏散行为和心理特征，考虑不同人群（如老人、儿童、残疾人等）的疏散能力差异，结合隧道的结构特点和疏散设施布局，制定科学合理的人员疏散策略。通过模拟分析不同疏散方案下的人员疏散时间、疏散路径选择等，优化疏散方案，提高人员疏散效率，最大程度地减少人员伤亡。综上所述，对妈湾跨海隧道排烟技术及人员疏散进行研究，具有重要的现实意义。一方面，能够为妈湾跨海隧道的设计、建设和运营提供科学依据，完善隧道的安全保障体系，提高隧道应对火灾等紧急情况的能力；另一方面，研究成果也可为其他类似跨海隧道的安全设计和管理提供参考和借鉴，推动我国隧道工程安全技术的发展，保障广大人民群众的生命财产安全。1.2国内外研究现状1.2.1隧道排烟技术研究进展国外对隧道排烟技术的研究起步较早，在理论研究和工程实践方面都取得了丰硕的成果。早期主要采用纵向排烟方式，通过设置在隧道内的射流风机产生纵向气流，将烟雾沿着隧道纵向排出。例如，日本的一些早期隧道多采用这种排烟方式，其优点是系统相对简单、成本较低，但在火灾规模较大时，容易出现烟气逆流现象，影响排烟效果和人员疏散。随着技术的发展，横向排烟和半横向排烟技术逐渐得到应用。横向排烟系统在隧道顶部或底部设置风道，通过送风机和排风机的配合，使新鲜空气从一侧进入隧道，烟雾从另一侧排出，形成横向气流，有效阻止烟雾在隧道内的扩散。半横向排烟则是在隧道顶部设置排风道，利用射流风机辅助，使烟雾在隧道内形成一定的横向流动后排出。这种方式结合了纵向排烟和横向排烟的部分特点，在一定程度上提高了排烟效率和安全性。近年来，自然排烟与机械排烟相结合的技术也受到广泛关注。自然排烟利用热压和风压的作用，将隧道内的烟雾自然排出，具有节能、环保等优点，但受自然条件影响较大。机械排烟则在自然排烟的基础上，通过风机等设备增强排烟能力，以确保在各种情况下都能有效控制烟雾。例如，一些欧洲国家的隧道在设计中充分考虑自然排烟与机械排烟的协同作用，通过合理设置竖井、通风口等设施，提高隧道的排烟效果和安全性。国内隧道排烟技术的研究和应用在借鉴国外经验的基础上，也取得了显著进展。在早期的隧道建设中，多采用纵向排烟或简单的机械排烟方式。随着我国交通基础设施建设的快速发展，长大隧道和复杂环境隧道不断涌现，对排烟技术提出了更高的要求。科研人员和工程技术人员针对不同类型的隧道，开展了大量的研究和实践工作。在数值模拟方面，利用计算流体力学（CFD）等技术对隧道火灾烟气流动和排烟过程进行模拟分析，为排烟系统的设计和优化提供了重要依据。例如，通过CFD模拟可以预测不同排烟方式下隧道内的温度场、速度场和浓度场分布，评估排烟效果，分析影响因素，从而确定最佳的排烟方案。同时，也开展了一系列的模型试验和现场测试，验证数值模拟结果的准确性，进一步完善隧道排烟技术。在实际工程应用中，根据隧道的具体情况，采用了多种排烟技术。如在一些特长公路隧道中，采用了分段纵向排烟与竖井自然排烟相结合的方式，充分发挥两种排烟方式的优势，提高了排烟效果和安全性。在城市地铁隧道中，多采用横向或半横向排烟系统，以满足人员密集场所对排烟和疏散的严格要求。1.2.2隧道人员疏散研究成果在隧道人员疏散研究方面，国内外学者建立了多种人员疏散模型，主要包括宏观模型、中观模型和微观模型。宏观模型将人群视为连续的流体，通过求解连续性方程、动量方程和能量方程来描述人员的流动，如社会力模型等。这种模型能够从整体上描述人员疏散的宏观特征，但无法考虑个体之间的差异和行为特性。中观模型则在一定程度上考虑了个体的行为，通过对人员的分类和行为规则的设定来模拟疏散过程，如元胞自动机模型。微观模型则更加注重个体的行为和决策，考虑了个体的生理、心理特征以及周围环境的影响，如基于智能体的模型等，能够更真实地模拟人员在复杂环境下的疏散行为。影响隧道人员疏散的因素众多，主要包括人员自身因素、隧道环境因素和火灾因素等。人员自身因素如年龄、性别、身体状况、心理状态、疏散经验等，都会影响人员的疏散速度和行为决策。例如，老年人和儿童的行动能力相对较弱，疏散速度较慢；缺乏疏散经验的人员在面对紧急情况时可能会出现恐慌情绪，影响疏散效率。隧道环境因素包括隧道的长度、坡度、宽度、疏散通道的设置、照明条件、通风情况等。较长的隧道会增加人员的疏散距离和时间；坡度较大的隧道会影响人员的行走速度；疏散通道的设置是否合理直接关系到人员能否快速、安全地疏散。火灾因素如火灾的规模、位置、发展速度、烟雾和有毒气体的扩散等，对人员疏散的影响最为直接和严重。高温、烟雾和有毒气体会降低人员的可见度，对人体造成伤害，阻碍人员疏散。然而，当前的研究在跨海隧道场景中仍存在一些不足。一方面，跨海隧道与一般陆地隧道相比，具有结构复杂、环境特殊等特点，如存在海水压力、高湿度、强腐蚀性等因素，这些因素对人员疏散的影响尚未得到充分研究。另一方面，现有的人员疏散模型在考虑跨海隧道特殊环境因素和交通流特性方面还存在一定的局限性，难以准确模拟跨海隧道内人员在火灾等紧急情况下的疏散行为。此外，对于跨海隧道内不同类型车辆（如货车、客车、小汽车等）混行时对人员疏散的影响，以及如何制定针对跨海隧道特点的人员疏散策略和应急预案等方面，也需要进一步深入研究。1.3研究目标与内容1.3.1研究目标本研究旨在深入探究妈湾跨海隧道的排烟技术和人员疏散策略，具体目标如下：优化排烟技术方案：通过对不同排烟方式的对比分析和数值模拟，结合妈湾跨海隧道的实际工程特点，确定最适合该隧道的排烟技术方案，并对其进行优化，提高排烟效率，有效控制火灾烟雾的蔓延，为人员疏散和消防救援创造良好条件。提高人员疏散效率：综合考虑人员特性、隧道环境和火灾因素等，建立适用于妈湾跨海隧道的人员疏散模型，模拟不同场景下的人员疏散过程，分析影响疏散效率的关键因素，提出针对性的人员疏散策略和改进措施，缩短人员疏散时间，减少人员伤亡。提供安全保障依据：为妈湾跨海隧道的设计、建设和运营管理提供科学、全面的安全保障依据，完善隧道的安全管理体系，提高隧道应对火灾等紧急情况的能力，确保隧道的安全、可靠运行。同时，研究成果也可为其他类似跨海隧道的安全设计和管理提供参考和借鉴。1.3.2研究内容围绕上述研究目标，本研究主要开展以下内容的研究：妈湾跨海隧道火灾特性分析：收集妈湾跨海隧道的相关资料，包括隧道的结构参数（长度、坡度、断面尺寸等）、交通流量、通风条件以及周边环境等信息。通过查阅国内外隧道火灾事故案例，分析隧道火灾的发生原因、发展过程和危害特性。结合妈湾跨海隧道的实际情况，利用火灾动力学模拟软件（如FDS），对不同火灾场景下隧道内的热释放速率、温度分布、烟气扩散规律等进行数值模拟研究，深入了解妈湾跨海隧道火灾的特性，为后续的排烟技术和人员疏散研究提供基础数据。排烟技术研究：对常见的隧道排烟方式，如纵向排烟、横向排烟、半横向排烟以及自然排烟与机械排烟相结合的方式等进行详细的理论分析，对比它们在不同隧道条件下的优缺点和适用范围。根据妈湾跨海隧道的火灾特性和工程实际，利用CFD技术对不同排烟方案进行数值模拟，分析不同排烟方式下隧道内的速度场、温度场和浓度场分布，评估排烟效果。考虑隧道内不同位置发生火灾时的情况，对排烟方案进行优化，确定最佳的排烟方式和排烟系统参数，如风机的数量、功率、位置以及风道的布置等。结合数值模拟结果，进行模型试验或现场测试，验证排烟方案的有效性和可靠性，进一步完善排烟技术方案。人员疏散研究：分析影响妈湾跨海隧道人员疏散的因素，包括人员自身因素（年龄、性别、身体状况、心理状态、疏散经验等）、隧道环境因素（隧道长度、坡度、宽度、疏散通道设置、照明条件、通风情况等）和火灾因素（火灾规模、位置、发展速度、烟雾和有毒气体扩散等）。选择合适的人员疏散模型（如基于智能体的模型），结合妈湾跨海隧道的实际情况，对不同火灾场景下的人员疏散过程进行模拟，分析人员的疏散路径选择、疏散速度变化以及疏散时间等参数。通过模拟结果，找出影响人员疏散效率的关键因素，如疏散通道的瓶颈位置、人员的恐慌行为等，并提出相应的改进措施，如优化疏散通道设计、设置合理的疏散指示标志、加强人员的应急培训等。制定科学合理的人员疏散策略和应急预案，明确在火灾等紧急情况下人员的疏散流程、疏散组织和救援措施等，提高人员疏散的安全性和效率。排烟与人员疏散协同研究：研究排烟系统与人员疏散之间的相互影响关系，分析排烟效果对人员疏散的促进作用以及人员疏散过程对排烟系统运行的影响。通过数值模拟和实际案例分析，探讨如何实现排烟系统与人员疏散的协同优化，例如在人员疏散的不同阶段，合理调整排烟系统的运行参数，以提供最佳的疏散环境。提出排烟与人员疏散协同运行的控制策略和方法，确保在火灾发生时，排烟系统和人员疏散能够高效配合，最大程度地保障人员的生命安全。1.4研究方法与技术路线1.4.1研究方法数值模拟法：运用火灾动力学模拟软件FDS对妈湾跨海隧道不同火灾场景下的热释放速率、温度分布、烟气扩散规律等进行数值模拟，深入了解隧道火灾特性。借助计算流体力学（CFD）技术，利用如ANSYSFluent等软件对不同排烟方案下隧道内的速度场、温度场和浓度场分布进行模拟分析，评估排烟效果，为排烟方案的优化提供依据。采用基于智能体的人员疏散模型，结合隧道实际情况，模拟不同火灾场景下人员的疏散路径选择、疏散速度变化以及疏散时间等参数，分析影响人员疏散效率的关键因素。理论分析法：对常见的隧道排烟方式，包括纵向排烟、横向排烟、半横向排烟以及自然排烟与机械排烟相结合的方式等进行理论剖析，从原理、优缺点、适用范围等方面展开研究。通过分析隧道火灾的发生原因、发展过程和危害特性，以及人员疏散的相关理论，如人员行为理论、疏散动力学理论等，为研究提供坚实的理论基础。在研究过程中，运用传热学、流体力学等相关理论知识，对隧道火灾烟气流动、传热传质以及人员疏散过程中的各种现象进行分析和解释。案例研究法：广泛收集国内外隧道火灾事故案例，对其事故原因、火灾发展过程、采用的排烟措施、人员疏散情况以及造成的损失等进行详细分析，总结经验教训。以妈湾跨海隧道为具体研究案例，结合其实际工程特点，如隧道结构参数、交通流量、通风条件以及周边环境等，将理论研究和数值模拟结果应用于该隧道，提出针对性的排烟技术方案和人员疏散策略，并对其可行性和有效性进行评估。1.4.2技术路线本研究的技术路线如下：资料收集与准备：收集妈湾跨海隧道的相关资料，如隧道结构参数、交通流量、通风条件、周边环境等信息，同时收集国内外隧道火灾事故案例和相关研究成果，为后续研究提供数据和理论支持。火灾特性分析：利用火灾动力学模拟软件FDS，对妈湾跨海隧道不同火灾场景进行数值模拟，分析火灾的热释放速率、温度分布、烟气扩散规律等特性，明确隧道火灾的危害程度和发展趋势。排烟技术研究：基于理论分析，对不同排烟方式进行对比研究，结合隧道火灾特性和工程实际，利用CFD技术对不同排烟方案进行数值模拟，评估排烟效果，优化排烟方案。通过模型试验或现场测试，验证排烟方案的有效性和可靠性。人员疏散研究：分析影响妈湾跨海隧道人员疏散的因素，选择合适的人员疏散模型，对不同火灾场景下的人员疏散过程进行模拟，分析人员疏散的关键参数，找出影响疏散效率的因素，提出人员疏散策略和改进措施。协同研究：研究排烟系统与人员疏散之间的相互影响关系，通过数值模拟和实际案例分析，提出排烟与人员疏散协同运行的控制策略和方法。结果分析与总结：对研究结果进行综合分析，总结妈湾跨海隧道排烟技术和人员疏散的特点和规律，提出合理的建议和措施，为隧道的安全设计、建设和运营管理提供科学依据。将研究成果进行整理和总结，撰写研究报告和学术论文，为其他类似跨海隧道的安全研究提供参考。二、妈湾跨海隧道工程概况与特点分析2.1工程基本情况妈湾跨海隧道位于深圳市西部，是连接南山区前海片区和宝安区的重要交通纽带。该隧道呈南北向布置，南起于妈湾大道与月亮湾大道相交处，向北穿越前海湾海域，最终止于沿江高速大铲湾收费站及金湾大道与西乡大道相交处，路线全长约8.05公里。其中，前海段长2.5公里，海域段长1.1公里，大铲湾段长4.45公里。妈湾跨海隧道工程分为地下道路及地面道路两部分。地下道路等级为城市快速路，双向六车道，设计时速80公里，主要承担疏港货运交通以及蛇口片区、前海妈湾片区与大铲湾片区、宝安中心区的部分客运交通联系。地面道路等级为城市主干道，双向六车道，设计时速40公里，主要服务于周边区域的城市交通。隧道采用深埋盾构方式敷设，盾构段最大开挖直径达15.5米，是目前国内海底最大直径盾构隧道。这种大直径盾构施工技术，对工程的设计、施工和管理都提出了极高的要求。在施工过程中，需要克服诸多技术难题，如填海区域超大基坑施工、超大直径盾构水下对向平行交汇、上软下硬复合式地层盾构掘进等。其中，上软下硬复合式地层盾构掘进时，岩石单轴抗压强度平均值为45MPa，最高达193MPa，盾构机在这种复杂地层中掘进，面临着刀具磨损严重、刀盘结泥饼、吸口滞排等问题，施工风险高，技术难度大。2.2工程建设难点妈湾跨海隧道工程在建设过程中面临着诸多复杂且极具挑战性的难题，这些难点不仅考验着工程技术人员的智慧和创新能力，也对施工工艺和管理水平提出了极高的要求。地质条件复杂：该隧道穿越人工填海造地区域和海域，所经地层包含人工填土、沉积淤泥、淤泥质黏土、砂质黏性土、构造岩以及全～微风化的混合花岗岩及混合岩等。这种复杂的地质构成使得工程建设面临诸多风险。在盾构施工过程中，软硬不均地层给施工带来了极大的困难。例如，隧道断面内常出现上部为全～强风化岩，下部为中～微风化岩的情况，且微风化岩层单轴抗压强度平均为45MPa，最高可达193MPa，软弱不均地层中还可能存在球状风化岩，也就是俗称的“孤石”。在推进过程中，盾构机刀具极易受到偏磨，刀盘容易结泥饼，吸口会出现滞排现象，这不仅增加了盾构姿态和隧道稳定控制的难度，还需要频繁进行大量的刀具更换工作，极大地提高了施工风险。水压高：隧道位于水下40多米深处，最大水压达500千帕。高水压环境对隧道结构的密封和稳定性提出了严苛要求。如果密封措施不到位，海水可能会渗漏进入隧道，影响施工安全和工程质量，甚至可能导致严重的安全事故。在盾构机掘进过程中，高水压还会对盾构机的性能和施工技术产生重大影响，增加了施工的难度和风险。为应对高水压，需要采取特殊的防水和支护措施，如采用高强度的密封材料、优化盾构机的密封结构、增加支护强度等，这无疑增加了工程的成本和技术复杂性。盾构施工难度大：妈湾跨海隧道采用深埋盾构方式敷设，盾构段最大开挖直径达15.5米，是目前国内海底最大直径盾构隧道。大直径盾构施工技术要求高，施工过程中面临着众多技术难题。设备穿越高强度岩层距离长，推进线路上存在超过1公里的软硬不均岩层，700米为全断面硬岩地层，这对盾构机刀具的磨损极大。在穿越海底复杂地形时，盾构机容易出现上浮现象，导致偏离预设轨迹，同时刀具磨损大、换刀风险高，施工难度显著增大。此外，盾构机在施工过程中还需要保证其姿态的准确性和稳定性，以确保隧道的施工精度和质量，这对盾构机的控制系统和操作技术提出了极高的要求。超深基坑与复合地层带来的支护难题：盾构井位置处基坑深度超出一般水平，均属于超深基坑范畴，最大基坑深度达到27m。在复合地层条件下，基坑支护难度极大。由于缺乏统一的规范和标准，基坑结构受力复杂，计算难度大，给基坑支护设计和施工带来了巨大风险。在实际施工中，需要综合考虑多种因素，如地层的力学性质、地下水的影响、周边环境的约束等，选择合适的支护方式和支护参数，以确保基坑的稳定性和施工安全。环保要求高：妈湾跨海隧道连接前海和大铲湾片区，前海合作区定位为具有国际竞争力的现代服务业区域中心和现代化国际化滨海城市中心，大铲湾远期预留发展用地明确建设成为未来科技城，以“立体城市、绿色城市、未来城市”为理念，建设具有全球辐射引领作用的“互联网+”未来科技城。因此，隧道建设过程中的环保要求极高。在施工过程中，需要采取一系列环保措施，如控制施工扬尘、减少施工噪声、处理施工废水和废弃物等，以减少对周边环境的影响，保护生态平衡。同时，在隧道运营阶段，也需要考虑如何降低隧道通风等设施对周边环境的影响，实现绿色运营。2.3与排烟、疏散相关的特性2.3.1隧道结构对排烟和人员疏散的影响妈湾跨海隧道采用深埋盾构方式敷设，盾构段最大开挖直径达15.5米，这种大直径盾构隧道结构对排烟和人员疏散有着显著影响。从排烟角度来看，大直径隧道空间相对较大，火灾发生时，热释放速率高，产生的烟雾量大。由于隧道空间大，烟雾在隧道内的扩散范围更广，扩散速度也可能更快，这增加了排烟的难度。同时，大直径隧道的通风阻力相对较大，若采用机械排烟方式，对风机的功率和性能要求更高，需要更大的通风量才能有效地排出烟雾，确保隧道内的烟雾浓度在安全范围内。在人员疏散方面，大直径隧道的疏散距离相对较长。以妈湾跨海隧道全长约8.05公里计算，人员在紧急情况下需要疏散的距离较远，这会增加疏散时间。此外，隧道的断面形状和内部布局也会影响人员疏散。例如，隧道内车道数量较多，车辆分布复杂，可能会在疏散过程中出现车辆堵塞通道的情况，阻碍人员的正常疏散。而且，大直径隧道的高度较高，人员在疏散时可能会因视觉障碍等原因难以快速找到疏散通道，影响疏散效率。2.3.2交通流量对排烟和人员疏散的影响妈湾跨海隧道作为连接深圳前海与宝安的重要通道，承担着疏港货运交通以及蛇口片区、前海妈湾片区与大铲湾片区、宝安中心区的部分客运交通联系，交通流量较大。当交通流量大时，隧道内车辆密集，一旦发生火灾，车辆燃烧产生的热量和烟雾更多，火灾的热释放速率会显著增加。大量的车辆还会阻碍空气的流通，使得烟雾难以扩散，加重隧道内的烟雾积聚，对排烟系统造成更大的压力。对于人员疏散而言，交通流量大意味着隧道内人员数量多，疏散时人员密度大。人员密度过大容易导致疏散通道拥堵，人员行走速度减慢，甚至可能出现人员踩踏等危险情况。而且，不同类型车辆（如货车、客车、小汽车等）混行，货车的体积较大，在疏散过程中可能会阻挡视线，影响其他车辆和人员的疏散路线选择，进一步降低疏散效率。此外，交通流量大时，车辆之间的间距小，火灾发生后，车辆之间容易发生连环碰撞，导致道路堵塞，使得人员无法通过正常的疏散通道疏散，增加了人员疏散的难度和风险。2.3.3火灾风险对排烟和人员疏散的影响妈湾跨海隧道以货运交通为主，运行车辆中集装箱货车等大型货车占比较高，这些车辆运输的货物种类繁多，部分货物具有易燃、易爆等特性，增加了隧道的火灾风险。与一般客运隧道相比，货运隧道发生火灾时，火灾规模可能更大，热释放速率更高。例如，运载易燃易爆货物的车辆一旦起火，火势会迅速蔓延，产生大量的高温、烟雾和有毒有害气体。火灾产生的高温会对隧道结构造成损害，影响隧道的稳定性，同时也会对排烟系统的设备和管道造成破坏，降低排烟系统的工作效率。烟雾和有毒有害气体不仅会严重影响人员的视线，导致人员难以辨别疏散方向，还会对人体造成直接伤害，如一氧化碳中毒等，威胁人员的生命安全。此外，火灾风险还会影响人员的心理状态，在面对火灾时，人员容易产生恐慌情绪，这种恐慌情绪会导致人员行为混乱，影响疏散秩序，降低疏散效率。因此，高火灾风险对妈湾跨海隧道的排烟和人员疏散提出了更高的要求，需要采取更为有效的措施来保障人员的生命安全。三、妈湾跨海隧道排烟技术研究3.1排烟技术原理与分类隧道排烟技术作为保障隧道安全运营的关键技术之一，其原理基于火灾烟气的特性以及空气流动的基本规律。在火灾发生时，隧道内会产生大量的高温、有毒有害烟气，这些烟气若不能及时排出，将对人员生命安全和隧道结构造成严重威胁。目前，常见的隧道排烟技术主要包括纵向排烟、横向排烟、半横向排烟以及重点排烟等方式，每种方式都有其独特的原理和适用场景。纵向排烟是较为常见的一种排烟方式，其原理是利用设置在隧道内的射流风机产生纵向气流。射流风机所产生的高速气流推动前方空气流动，在后方形成一个负压区，带动后方空气流动，从而形成空气沿隧道纵向的定向流动。在火灾发生时，通过控制射流风机的运行，使纵向气流的速度达到一定值，即临界风速，以防止烟气回流，并将烟气沿着隧道纵向排向火源点下游。例如，在一些单向交通的短隧道中，纵向排烟方式应用较为广泛。其优点是系统相对简单，成本较低，易于控制。但这种方式也存在明显的局限性，如在双向交通隧道中，由于起火点的上下游方向均有停滞车辆，人员要从火场向隧道两端疏散，纵向排烟模式很难确定烟气流向，难以起到延缓烟气蔓延的作用。而且，在纵向火灾通风过程中，烟气一直沿火灾下游方向移动，直到下一个排风出口排出，使得隧道较大范围成为受灾区。若发生堵塞或二次事故，火场下游的车辆无法自由离开隧道，同时人员难以步行穿过受灾通风区段，因此在车流拥堵发生机率高的长隧道不宜采用。横向排烟方式与纵向排烟不同，它是通过在隧道顶部或底部设置风道，利用送风机和排风机的配合，使新鲜空气从一侧进入隧道，烟雾从另一侧排出，形成横向气流。在正常营运工况下，横向排烟系统能保持整个隧道全程均匀的废气浓度和最佳的能见度，不受通风长度限制。例如，在一些单管双向交通或交通量大、阻塞发生率较高的单向交通隧道中，横向排烟方式应用较多。其优点是排烟效果好，能够有效阻止烟雾在隧道内的扩散，为人员疏散和消防救援提供良好的环境。但这种方式的投资和运行费用较高，需要设置专门的送风道和排风道，占用隧道空间较大，系统复杂度也较高。半横向排烟则是综合了纵向排烟和横向排烟的部分特点。它在隧道顶部设置排风道，利用射流风机辅助，使烟雾在隧道内形成一定的横向流动后排出。半横向式通风只需设置一个送风道或排风道，隧道断面被分为送(排)风道和行车道。这种方式适用于双向交通隧道，相对横向排烟，其投资和运行成本有所降低，但排烟效果可能略逊一筹。重点排烟是横向排烟方式的一种特殊情况，在隧道纵向设置专用排烟风道，并设置一定数量的排烟口。火灾发生时，只开启火源附近或火源所在设计排烟区的排烟口，直接从火源附近将烟气快速有效地排出行车道空间，并从两端洞口自然补风，隧道内可形成一定的纵向风速。该排烟方式适用于双向交通隧道或经常发生交通阻塞的隧道。重点排烟能够将烟气有效控制在一定范围内，尤其在隧道阻滞工况下，可以更好地保证隧道内司乘人员安全疏散，为人员疏散和救援赢得宝贵的时间。但它对排烟系统的控制要求较高，需要准确判断火源位置，及时开启相应的排烟口。3.2妈湾隧道排烟方案设计3.2.1不同隧道段的排烟方式选择妈湾跨海隧道包括明挖暗埋段、盾构段等不同结构的隧道段，各段的结构特点、交通状况以及火灾风险等因素存在差异，因此需要根据实际情况选择合适的排烟方式。明挖暗埋段通常具有较大的空间和相对开阔的施工条件，在排烟方式选择上具有一定的灵活性。考虑到明挖暗埋段与地面的连接较为紧密，自然通风条件相对较好，可优先考虑自然排烟与机械排烟相结合的方式。在火灾发生初期，利用自然排烟的方式，借助热压和风压的作用，将隧道内的部分烟雾自然排出，减少烟雾积聚。同时，设置一定数量的机械排烟设施，如射流风机等，当自然排烟无法满足排烟需求时，启动机械排烟，增强排烟能力，确保隧道内的烟雾能够及时排出，为人员疏散和消防救援提供良好的环境。例如，在明挖暗埋段的顶部设置自然排烟口，利用烟雾的浮力作用将烟雾排出；在隧道内合理布置射流风机，当火灾规模较大时，通过射流风机产生的纵向气流，将烟雾沿着隧道纵向排出。盾构段由于其空间相对封闭，结构较为复杂，且火灾风险较高，对排烟方式的要求更为严格。根据盾构段的特点，可采用重点排烟方式。重点排烟是在隧道纵向设置专用排烟风道，并设置一定数量的排烟口，火灾时只开启火源附近或火源所在设计排烟区的排烟口，直接从火源附近将烟气快速有效地排出行车道空间，并从两端洞口自然补风，隧道内可形成一定的纵向风速。这种方式能够将烟气有效控制在一定范围内，尤其在隧道阻滞工况下，可以更好地保证隧道内司乘人员安全疏散，为人员疏散和救援赢得宝贵的时间。对于妈湾跨海隧道盾构段，可在隧道顶部设置专用排烟风道，沿隧道长度方向每隔一定距离设置排烟口，当发生火灾时，通过智能控制系统准确判断火源位置，及时开启火源附近的排烟口，将烟雾迅速排出，同时利用两端洞口的自然补风，形成纵向气流，防止烟雾回流，保障人员的安全疏散。3.2.2排烟系统关键参数确定排烟系统的关键参数直接影响着排烟效果和人员疏散的安全性，因此需要根据隧道的具体情况和火灾特性，科学合理地确定这些参数。排烟口尺寸和间距的确定需要综合考虑隧道的通风需求、火灾时的烟雾扩散情况以及工程成本等因素。排烟口尺寸应足够大，以确保能够有效地排出烟雾，但也不能过大，以免影响隧道结构的稳定性和美观性。一般来说，排烟口的面积可根据隧道的断面面积、火灾热释放速率以及所需的排烟量等参数，通过相关的计算公式进行确定。例如，根据火灾动力学原理，排烟口面积A可由公式A=\frac{Q}{v\times\DeltaP}计算得出，其中Q为排烟量，v为排烟口处的风速，\DeltaP为排烟口两侧的压力差。在妈湾跨海隧道中，经过计算和模拟分析，确定排烟口的尺寸为长2m、宽1m。排烟口的间距则应根据隧道内的气流分布和烟雾扩散规律来确定，以保证隧道内各个位置的烟雾都能被及时排出。间距过小会增加工程成本，间距过大则可能导致部分区域排烟效果不佳。通过数值模拟和实际工程经验，妈湾跨海隧道排烟口的间距确定为30m，这样的间距能够使排烟系统在不同火灾场景下都能较好地发挥作用，有效控制烟雾的扩散。排烟量是排烟系统的重要参数之一，它直接关系到隧道内烟雾的排出速度和浓度。排烟量的计算需要考虑多种因素，如隧道的长度、宽度、高度、火灾规模、车辆类型和数量等。一般采用火灾动力学模拟软件（如FDS）对不同火灾场景下的隧道进行模拟分析，结合相关的理论公式，确定合理的排烟量。对于妈湾跨海隧道，以隧道内可能发生的最大火灾规模为依据，通过模拟计算得出，在重点排烟方式下，同时开启上下游排烟口时的最佳排烟量为290m^3/s，只开启下游排烟口时的最佳排烟量为410m^3/s。临界风速是纵向排烟方式中的一个关键参数，它是指能够防止烟气回流的最小风速。临界风速的大小与火灾强度、燃料类型、隧道坡度、断面形状、送风温度等因素密切相关。在实际工程中，通常通过经验公式或实验数据来确定临界风速。例如，根据相关研究和工程经验，对于妈湾跨海隧道，通过理论分析和数值模拟，确定其纵向通风排烟方式的临界风速为4.5m/s。在火灾发生时，通过控制射流风机的运行，使隧道内的纵向风速达到或超过临界风速，能够有效地防止烟气回流，保障人员疏散和消防救援的安全。3.3基于数值模拟的排烟效果分析3.3.1火灾场景设定为全面评估妈湾跨海隧道不同排烟方案的效果，需要设定多种火灾场景进行模拟分析。火灾场景的设定主要考虑火灾规模和火灾位置两个关键因素。火灾规模的大小直接影响着火灾产生的热量、烟雾和有毒有害气体的量，进而对排烟系统的性能提出不同的要求。参考相关隧道火灾事故案例以及妈湾跨海隧道的实际交通状况，设定了三种典型的火灾规模。小型火灾场景模拟普通小汽车起火的情况，其热释放速率设定为5MW。小汽车火灾相对规模较小，但在隧道内也可能引发连锁反应，对人员和车辆造成威胁。中型火灾场景以中型货车起火为参考，热释放速率设定为20MW。中型货车通常载有一定量的货物，起火后火势相对较大，产生的烟雾和热量较多，对隧道内环境的影响更为显著。大型火灾场景则模拟运载易燃易爆货物的大型货车起火，热释放速率高达50MW。这种火灾规模一旦发生，将迅速释放大量的能量，产生高温、浓烟和有毒有害气体，对隧道结构和人员生命安全构成极大的威胁。火灾位置在隧道内的不同区域发生，对排烟效果和人员疏散的影响也各不相同。因此，设定了隧道入口处、隧道中间位置和隧道出口处三个火灾位置。在隧道入口处发生火灾时，由于靠近隧道口，空气流通相对较好，但火灾产生的烟雾可能会迅速扩散到隧道外，影响周边环境，同时也会对刚进入隧道的车辆和人员造成直接威胁。隧道中间位置发生火灾时，烟雾向两端扩散的距离较长，排烟难度较大，人员疏散距离也相对较远，增加了疏散的时间和风险。隧道出口处发生火灾时，可能会导致隧道出口堵塞，影响车辆和人员的疏散，同时烟雾也可能会在出口处积聚，阻碍救援工作的开展。通过组合不同的火灾规模和火灾位置，共设定了9种火灾场景，具体如下表所示：火灾场景编号火灾规模火灾位置1小型火灾（5MW）隧道入口处2小型火灾（5MW）隧道中间位置3小型火灾（5MW）隧道出口处4中型火灾（20MW）隧道入口处5中型火灾（20MW）隧道中间位置6中型火灾（20MW）隧道出口处7大型火灾（50MW）隧道入口处8大型火灾（50MW）隧道中间位置9大型火灾（50MW）隧道出口处这些火灾场景的设定具有代表性，能够涵盖妈湾跨海隧道在实际运营中可能发生的各种火灾情况，为后续的数值模拟和排烟效果分析提供了全面、可靠的基础。3.3.2模拟结果与分析利用计算流体力学（CFD）软件对设定的9种火灾场景下的排烟效果进行数值模拟，重点分析模拟得到的烟气蔓延、温度分布、能见度等结果，以评估不同排烟方案在不同火灾场景下的有效性和可靠性。在烟气蔓延方面，模拟结果显示，不同火灾规模和位置对烟气蔓延的速度和范围有显著影响。对于小型火灾（热释放速率为5MW），在隧道入口处发生火灾时，由于靠近洞口，空气流通相对较好，烟气能够较快地排出隧道，烟气蔓延速度相对较慢，在纵向通风风速为4m/s的情况下，10分钟内烟气蔓延长度约为100m。而在隧道中间位置发生小型火灾时，烟气向两端扩散，受到隧道壁的阻挡和摩擦，烟气蔓延速度相对较快，10分钟内烟气蔓延长度约为200m。在隧道出口处发生小型火灾时，由于出口可能会受到车辆堵塞等因素的影响，烟气排出不畅，烟气蔓延速度也较快，10分钟内烟气蔓延长度约为150m。当中型火灾（热释放速率为20MW）发生时，火灾产生的热量和烟雾明显增多，烟气蔓延速度加快，范围也更广。在隧道入口处发生中型火灾，10分钟内烟气蔓延长度可达250m；在隧道中间位置发生中型火灾，10分钟内烟气蔓延长度约为400m；在隧道出口处发生中型火灾，10分钟内烟气蔓延长度约为300m。对于大型火灾（热释放速率为50MW），其产生的高温、浓烟和有毒有害气体对隧道内环境造成极大的破坏，烟气蔓延速度极快，范围广泛。在隧道入口处发生大型火灾，10分钟内烟气蔓延长度超过400m；在隧道中间位置发生大型火灾，10分钟内烟气蔓延长度可达600m以上；在隧道出口处发生大型火灾，10分钟内烟气蔓延长度约为500m。从温度分布来看，火灾规模越大，隧道内的温度升高越明显。以隧道中间位置发生火灾为例，小型火灾时，火源附近的最高温度可达300^{\circ}C左右，随着距离火源的增加，温度逐渐降低，在距离火源100m处，温度降至50^{\circ}C以下。中型火灾时，火源附近的最高温度可达600^{\circ}C以上，在距离火源100m处，温度仍高达150^{\circ}C左右。大型火灾时，火源附近的最高温度超过1000^{\circ}C，在距离火源100m处，温度也在300^{\circ}C以上。高温不仅会对隧道结构造成严重损害，还会对人员的生命安全构成直接威胁，当人体长时间暴露在高温环境中，会导致中暑、灼伤等情况，影响人员的疏散和逃生。能见度是影响人员疏散的重要因素之一。模拟结果表明，随着火灾规模的增大和烟气蔓延范围的扩大，隧道内的能见度急剧下降。在小型火灾场景下，人眼高度处的能见度在火灾发生初期能保持在50m以上，但随着时间的推移和烟气的扩散，能见度逐渐降低，10分钟后，在火源附近50m范围内，能见度降至10m以下，严重影响人员的视线，使人员难以辨别疏散方向。中型火灾场景下，人眼高度处的能见度在火灾发生后迅速下降，5分钟后，在火源附近100m范围内，能见度降至10m以下。大型火灾场景下，能见度下降更为迅速，火灾发生后3分钟内，在火源附近150m范围内，能见度就降至10m以下，人员几乎无法在该区域内正常疏散。通过对不同火灾场景下的烟气蔓延、温度分布和能见度等模拟结果的分析，可以看出，在妈湾跨海隧道中，火灾规模和位置对排烟效果和人员疏散有重要影响。对于不同的火灾场景，需要采用相应的排烟策略和措施，以确保在火灾发生时能够有效地控制烟雾蔓延，降低温度，提高能见度，为人员疏散和消防救援创造良好的条件。四、妈湾跨海隧道人员疏散研究4.1人员疏散理论基础4.1.1疏散时间计算隧道内人员疏散时间的准确计算是评估人员安全疏散的关键指标，它主要由火灾探测与报警时间t_{det}、人员反应时间t_{res}和人员疏散运动时间t_{mov}这三部分组成，即T=t_{det}+t_{res}+t_{mov}。火灾探测与报警时间t_{det}指的是从火灾发生时刻到火灾探测系统检测到火灾并发出报警信号所经历的时间。这一时间的长短主要取决于火灾探测系统的类型和性能，不同的探测设备，如感烟探测器、感温探测器等，其响应时间存在差异。例如，感烟探测器对于早期火灾产生的烟雾较为敏感，能在火灾初期相对较短的时间内检测到火灾并报警，一般响应时间在数秒到数十秒之间；而感温探测器则主要对温度变化做出反应，在火灾发展到一定阶段，温度升高到设定阈值时才会报警，其响应时间可能相对较长，通常在几十秒到几分钟不等。此外，隧道内的环境条件，如通风状况、烟雾扩散速度等，也会对火灾探测与报警时间产生影响。如果隧道通风良好，烟雾能够迅速扩散，可能会使探测器更快地检测到火灾；反之，若通风不畅，烟雾积聚缓慢，会延长火灾探测与报警时间。人员反应时间t_{res}是人员在接收到火灾报警信号后，从认知到火灾发生并决定开始疏散所需要的时间。这一过程涉及人员的心理和行为反应，受到多种因素的影响。人员的个体差异，如年龄、性别、文化程度、疏散经验等，会导致反应时间的不同。一般来说，年轻人和具有丰富疏散经验的人员，其反应速度相对较快，反应时间较短；而老年人、儿童以及缺乏疏散经验的人员，在面对火灾报警时，可能需要更多的时间来理解和判断情况，反应时间会较长。此外，人员当时的精神状态、注意力集中程度等也会对反应时间产生影响。例如，在疲劳、分心或者处于恐慌状态下，人员的反应时间会显著增加。据相关研究统计，普通人员在正常情况下的反应时间大约在1-2分钟，但在复杂情况下，如隧道内环境嘈杂、报警信号不清晰等，反应时间可能会延长至3-5分钟甚至更长。人员疏散运动时间t_{mov}是人员从开始疏散到安全抵达疏散出口所花费的时间。它与人员的疏散速度、疏散路径的长度和状况以及人员密度等因素密切相关。人员疏散速度并非固定不变，会受到人员自身身体状况、心理状态以及疏散通道条件等因素的影响。在理想情况下，健康成年人在平坦、无障碍物的通道上的疏散速度大约为1-1.5米/秒。但在隧道环境中，由于可能存在坡度、烟雾、高温以及车辆堵塞等情况，人员疏散速度会大幅降低。例如，在有坡度的隧道内，上坡时人员疏散速度可能降至0.5-1米/秒，下坡时虽然速度可能会稍有增加，但也会因需要注意安全而无法达到理想速度。疏散路径的长度直接决定了人员需要行走的距离，路径越长，疏散运动时间越长。同时，疏散通道的宽度、是否畅通无阻等状况也会影响人员疏散速度和运动时间。当疏散通道狭窄或者被障碍物堵塞时，人员容易在通道内形成拥堵，导致疏散速度急剧下降，疏散运动时间大幅增加。人员密度也是影响疏散运动时间的重要因素，随着人员密度的增大，人员之间的相互干扰增强，疏散速度会逐渐降低。当人员密度达到一定程度时，甚至可能出现人员无法正常行走的情况，严重影响疏散效率。可以通过以下公式来计算人员疏散运动时间：t_{mov}=\frac{L}{v}，其中L为疏散路径长度，v为人员在该疏散路径上的平均疏散速度。在实际计算中，需要综合考虑各种因素对疏散速度的影响，通过合理的假设和修正来确定准确的疏散运动时间。例如，在考虑人员密度对疏散速度的影响时，可以引入一些经验公式或模型，如Fruin提出的行人流量-速度-密度关系模型，根据隧道内的实际人员密度情况，对疏散速度进行修正，从而更准确地计算人员疏散运动时间。4.1.2人员行为模型在隧道人员疏散研究中，人员行为模型能够帮助我们更深入地理解人员在疏散过程中的行为特征和决策过程，为制定合理的疏散策略提供重要依据。目前，应用较为广泛的人员行为模型主要包括社会力模型、元胞自动机模型和基于智能体的模型等，它们从不同的角度和层面描述了人员的疏散行为。社会力模型将人员视为具有一定质量和速度的粒子，通过引入社会力的概念来描述人员之间以及人员与环境之间的相互作用。这些社会力包括人员的自驱动力，即人员为了达到疏散目标而产生的前进动力；人员之间的排斥力，它反映了人员在行走过程中为避免相互碰撞而产生的相互远离的趋势；以及人员与墙壁、障碍物等环境物体之间的作用力。例如，在隧道疏散场景中，当人员密度较大时，人员之间的排斥力会增大，导致人员行走受到阻碍，疏散速度降低。社会力模型通过建立这些力的数学表达式，能够模拟人员在复杂环境中的运动轨迹和疏散行为。它的优点是能够直观地反映人员之间的相互作用，对人员疏散过程中的拥挤现象和冲突情况有较好的描述能力。然而，该模型在计算过程中涉及较多的参数，这些参数的确定往往需要大量的实验数据和经验判断，而且模型对人员的个体差异和复杂行为的描述相对有限。元胞自动机模型将疏散空间划分为一个个规则的元胞，每个元胞代表一个小的空间区域。人员被抽象为占据元胞的个体，其行为遵循一定的规则。在每个时间步，元胞根据自身状态和周围元胞的状态，按照预先设定的转移规则进行状态更新，从而模拟人员的移动。例如，在隧道元胞自动机模型中，元胞可以表示为隧道内的一小段空间，人员根据周围元胞的占用情况、疏散通道的位置等信息，决定自己下一步的移动方向。如果某个元胞周围的元胞都被占用，人员就会选择其他可通行的元胞进行移动。元胞自动机模型的优点是模型简单、计算效率高，能够快速模拟大规模人员的疏散过程。同时，它对复杂的隧道环境和疏散场景具有较好的适应性，可以方便地考虑疏散通道的布局、障碍物的分布等因素。但该模型也存在一定的局限性，它对人员的行为描述相对简单，缺乏对人员个体决策和心理因素的深入考虑。基于智能体的模型则更加注重人员的个体特性和行为决策。每个人员被视为一个具有自主决策能力的智能体，智能体拥有自己的属性，如年龄、性别、身体状况、知识水平、疏散经验等，同时还具备感知周围环境信息和做出决策的能力。在疏散过程中，智能体根据自身的目标和对环境的感知，按照一定的决策规则选择合适的疏散路径和行动方式。例如，在妈湾跨海隧道疏散场景中，基于智能体的模型可以考虑到不同类型车辆（如货车、客车、小汽车等）的分布情况，以及车辆内人员的不同特点。货车司机可能对隧道环境较为熟悉，疏散经验相对丰富，在决策时会更快速地选择合理的疏散路径；而小汽车内的乘客可能对隧道疏散路线不太了解，在面对火灾时可能会出现恐慌情绪，影响其决策和行动。基于智能体的模型能够更真实地模拟人员在复杂环境下的疏散行为，考虑到人员的多样性和个体差异，为隧道人员疏散研究提供了更准确、全面的分析工具。但该模型的构建和计算相对复杂，需要大量的参数和数据支持，对计算机的计算能力也有较高要求。4.2妈湾隧道人员疏散方案设计4.2.1疏散通道与设施布局妈湾跨海隧道的疏散通道与设施布局是保障人员在紧急情况下安全疏散的关键。合理规划人行横通道、疏散楼梯、滑梯等设施的位置和间距，能够有效提高人员疏散效率，减少人员伤亡。人行横通道是人员疏散的重要通道之一，其设置应满足相关规范要求，同时充分考虑隧道的结构特点和交通流量。在妈湾跨海隧道中，人行横通道的间距设定为不大于250m。这样的间距既能确保人员在火灾等紧急情况下能够及时找到疏散通道，又能在一定程度上避免因通道设置过多而影响隧道的结构稳定性和交通流畅性。人行横通道的宽度应不小于2m，以保证人员能够顺畅通过。通道内部应设置明显的疏散指示标志，引导人员快速疏散。例如，在通道入口处设置大型的疏散指示牌，标明通道的方向和通往的安全区域；在通道内部每隔一定距离设置疏散指示灯，确保在烟雾等情况下人员仍能看清疏散路线。疏散楼梯的设置也需要综合考虑多种因素。疏散楼梯应设置在隧道两侧，每隔一定距离设置一部，以方便人员在不同位置能够快速找到楼梯进行疏散。楼梯的宽度不小于1.1m，坡度不大于45°，以满足人员疏散的安全和便捷要求。楼梯的扶手应采用防滑、耐高温的材料制作，确保人员在疏散过程中能够安全抓握。在楼梯的入口处和转角处，应设置清晰的疏散指示标志和应急照明设施，避免人员在疏散过程中因视线不清而发生摔倒等事故。例如，在楼梯入口处设置醒目的“疏散楼梯”标识，并配备应急照明灯具，保证在火灾发生时，即使正常照明系统失效，人员仍能通过应急照明看清楼梯位置，顺利疏散。滑梯作为一种快速疏散设施，在特定情况下能够大大提高人员疏散速度。妈湾跨海隧道在合适的位置设置了滑梯，滑梯的坡度和长度根据隧道的实际情况进行设计，确保人员能够安全、快速地滑下。滑梯的材质应具有良好的耐磨性和耐高温性，表面应光滑，以减少人员下滑时的阻力。在滑梯的入口处，设置明确的使用说明和警示标志，告知人员如何正确使用滑梯。例如，在滑梯入口处张贴“请按指示正确使用滑梯，下滑时注意安全”等标语，并配备相应的图示，指导人员在疏散时正确使用滑梯。同时，在滑梯的出口处设置缓冲区域，避免人员因下滑速度过快而受伤。此外，隧道内还配备了完善的应急照明和疏散指示系统。应急照明应保证在火灾等紧急情况下，隧道内的照度不低于正常照明的10%，确保人员能够看清疏散路线。疏散指示标志应设置在隧道的顶部、墙壁和地面等明显位置，采用发光材料制作，具有良好的可视性。例如，在隧道顶部每隔一定距离设置疏散指示箭头，在墙壁上设置疏散指示牌，标明安全出口的方向和距离；在地面上采用荧光材料绘制疏散指示线，引导人员沿着指示线快速疏散。这些应急照明和疏散指示系统相互配合，为人员疏散提供了可靠的引导。4.2.2疏散策略制定制定科学合理的不同火灾场景下的人员疏散策略，是提高妈湾跨海隧道人员疏散效率和安全性的关键。针对隧道内可能发生的不同类型火灾，需要结合隧道的结构特点、疏散设施布局以及人员分布情况，制定相应的疏散策略。当隧道内发生小型火灾（热释放速率为5MW）时，火势相对较小，烟雾和热量扩散范围有限。此时，可优先采用双向疏散策略。在火灾发生初期，利用隧道内的广播系统和警报装置，及时向隧道内的人员发出火灾警报，告知人员火灾发生的位置和疏散方向。靠近火灾点的人员应迅速通过最近的人行横通道或疏散楼梯，向隧道两端的安全出口疏散。隧道两端的安全出口应安排专人负责引导疏散，确保人员有序撤离。同时，启动隧道内的排烟系统，将烟雾排出隧道，降低烟雾浓度，为人员疏散创造良好的环境。例如，在小型火灾发生时，可通过控制射流风机的运行，使隧道内形成一定的纵向风速，将烟雾快速排向火源点下游，同时开启人行横通道和疏散楼梯附近的排烟口，加强局部排烟效果，提高人员疏散区域的能见度。对于中型火灾（热释放速率为20MW），火势较大，烟雾和热量扩散范围较广，对人员疏散造成较大威胁。在这种情况下，应根据火灾发生的位置和人员分布情况，灵活采用单向疏散或双向疏散策略。如果火灾发生在隧道一端，且该端人员较少，可采用单向疏散策略，引导该端人员迅速向另一端的安全出口疏散。在疏散过程中，关闭火灾点附近的人行横通道和疏散楼梯，防止烟雾蔓延至其他区域，影响人员疏散。同时，加大排烟系统的运行功率，集中力量排出火灾区域的烟雾。例如，当火灾发生在隧道入口处时，可利用隧道内的智能控制系统，关闭入口处附近的人行横通道和疏散楼梯，引导入口处的人员迅速向隧道出口方向疏散。启动重点排烟系统，开启火灾点附近的排烟口，将烟雾迅速排出，确保疏散通道的畅通。如果火灾发生在隧道中间位置，且两端人员分布较为均匀，则采用双向疏散策略。但在疏散过程中，要加强对火灾点附近区域的控制，设置临时隔离带，防止人员误入危险区域。同时，合理调整排烟系统的运行参数，确保隧道两端的疏散通道都有良好的排烟效果。例如，在隧道中间位置发生中型火灾时，在火灾点两侧一定距离处设置临时隔离带，阻止人员靠近火灾区域。通过控制排烟系统，使隧道两端的疏散通道形成相对独立的排烟区域，保证人员在疏散过程中不会受到烟雾的严重影响。当发生大型火灾（热释放速率为50MW）时，火势凶猛，烟雾和热量迅速扩散，对隧道结构和人员生命安全构成极大威胁。此时，应立即启动隧道的应急预案，采取全面疏散策略。迅速组织隧道内的所有人员通过人行横通道、疏散楼梯等疏散设施，向隧道两端的安全出口疏散。在疏散过程中，充分利用滑梯等快速疏散设施，提高人员疏散速度。同时，协调消防、救援等部门，及时开展灭火和救援工作。例如，在大型火灾发生时，隧道管理部门应迅速与消防部门取得联系，报告火灾情况，请求支援。在消防部门到达之前，组织隧道内的工作人员引导人员疏散，利用隧道内的消防设施进行初期灭火。消防部门到达后，协同消防部门进行灭火和救援工作，确保人员能够安全疏散。此外，还应考虑设置临时避难场所，为无法及时疏散的人员提供安全保障。在隧道内选择合适的位置，如通风良好、远离火灾点的区域，设置临时避难场所，配备必要的生活物资和急救设备，确保避难人员的基本生存需求。同时，通过广播系统和通信设备，与避难人员保持联系，告知他们救援进展情况，稳定他们的情绪。4.3基于模拟的人员疏散效果评估4.3.1疏散模拟参数设定在对妈湾跨海隧道人员疏散进行模拟分析时，合理设定疏散模拟参数是确保模拟结果准确性和可靠性的关键。这些参数涵盖人员密度、行走速度、疏散起始时间等多个方面，它们相互关联，共同影响着人员疏散的过程和结果。人员密度是影响人员疏散效率的重要因素之一。它反映了单位面积内人员的数量，直接关系到人员之间的相互干扰程度和疏散通道的拥堵情况。根据妈湾跨海隧道的实际交通流量和车辆类型分布，结合相关研究和经验数据，设定了不同的人员密度场景。在正常交通流量情况下，人员密度设定为0.5人/平方米，此时隧道内人员分布相对较为均匀，人员之间的相互干扰较小，疏散通道相对畅通。当交通流量较大，出现拥堵情况时，人员密度增加到1.5人/平方米，此时人员之间的距离减小，相互干扰增强，疏散通道可能会出现局部拥堵，影响人员疏散速度。在极端拥堵情况下，人员密度设定为3人/平方米，此时人员密集，疏散通道严重拥堵，人员行走困难，疏散效率会大幅降低。行走速度是人员疏散过程中的另一个关键参数，它受到多种因素的影响，如人员自身的身体状况、心理状态、疏散通道的条件以及人员密度等。对于不同类型的人员，其行走速度存在差异。在模拟中，将人员分为成年人、老年人和儿童三类。成年人身体状况较好，行动较为敏捷，在正常情况下，其行走速度设定为1.2米/秒。然而，在火灾发生时，由于受到烟雾、高温、恐慌等因素的影响，成年人的行走速度会有所降低，根据相关研究和实际案例分析，将此时成年人的行走速度调整为0.8米/秒。老年人身体机能相对较弱，行动能力受限，正常行走速度设定为0.8米/秒，在火灾情况下，考虑到其心理压力和身体适应能力，行走速度进一步降低至0.5米/秒。儿童年龄较小，身体协调性和行动能力不如成年人，正常行走速度设定为0.6米/秒，在火灾等紧急情况下，由于恐惧和缺乏经验，行走速度可能降至0.3米/秒。疏散起始时间是指从火灾发生到人员开始疏散所经历的时间，它包括火灾探测与报警时间以及人员的反应时间。火灾探测与报警时间主要取决于隧道内火灾探测系统的性能和灵敏度。妈湾跨海隧道采用了先进的感烟和感温复合火灾探测系统，结合隧道的实际环境和火灾特性，经过测试和验证，火灾探测与报警时间设定为30秒。人员的反应时间则受到人员的个体差异、心理状态、对火灾的认知程度等因素的影响。在模拟中，考虑到人员在隧道内的不同状态和反应能力，将人员的平均反应时间设定为60秒。因此，疏散起始时间总计为90秒。此外，还考虑了其他一些因素对疏散模拟参数的影响。例如，疏散通道的坡度会影响人员的行走速度，对于有坡度的疏散通道，上坡时人员行走速度会降低，下坡时虽然速度可能会稍有增加，但为了确保安全，也会对速度进行一定的限制。在妈湾跨海隧道中，疏散通道的最大坡度为5\%，根据相关研究和经验，上坡时人员行走速度降低20\%，下坡时人员行走速度增加10\%。同时，隧道内的烟雾浓度和能见度也会对人员行走速度产生影响，当烟雾浓度较高、能见度较低时，人员行走速度会明显下降。在模拟中，通过建立烟雾浓度和能见度与人员行走速度的关系模型，根据不同的火灾场景和排烟效果，动态调整人员的行走速度。通过合理设定这些疏散模拟参数，能够更真实地反映妈湾跨海隧道在火灾等紧急情况下人员疏散的实际情况，为后续的模拟分析和人员疏散策略制定提供可靠的基础。4.3.2模拟结果分析利用专业的人员疏散模拟软件，对妈湾跨海隧道在不同火灾场景和疏散方案下的人员疏散过程进行模拟，得到了疏散时间、疏散路径、人员拥堵等关键模拟结果。通过对这些结果的深入分析，能够全面评估人员疏散方案的有效性，为优化疏散方案提供科学依据。疏散时间是评估人员疏散效果的重要指标之一。模拟结果显示，不同火灾场景和人员密度条件下，人员疏散时间存在显著差异。在小型火灾场景下，当人员密度为0.5人/平方米时，从火灾发生到所有人员安全疏散至隧道外，所需的疏散时间约为12分钟。这是因为在这种情况下，火灾规模较小，烟雾和热量扩散范围有限，人员密度较低，疏散通道相对畅通，人员能够以相对较快的速度疏散。随着人员密度增加到1.5人/平方米，疏散时间延长至约18分钟。人员密度的增大导致人员之间的相互干扰增强，疏散通道出现局部拥堵，人员行走速度减慢，从而延长了疏散时间。当人员密度达到3人/平方米时，疏散时间进一步增加到约25分钟。此时，人员密集，疏散通道严重拥堵，人员疏散困难，疏散效率大幅降低。在中型火灾场景下，由于火灾规模较大，烟雾和热量扩散范围更广，对人员疏散造成更大威胁，疏散时间明显延长。当人员密度为0.5人/平方米时，疏散时间约为18分钟。火灾产生的大量烟雾和高温使得人员行走速度降低，同时疏散通道的部分区域可能被烟雾笼罩，影响人员的视线和疏散方向判断，导致疏散时间增加。随着人员密度的增大，疏散时间增长更为显著。当人员密度为1.5人/平方米时，疏散时间达到约25分钟；当人员密度为3人/平方米时，疏散时间延长至约35分钟。大型火灾场景下，火灾的危害程度极高，疏散时间更是大幅增加。当人员密度为0.5人/平方米时，疏散时间约为25分钟。火势凶猛，烟雾和热量迅速扩散，隧道内环境恶劣，人员疏散面临极大困难。随着人员密度的增大，疏散时间急剧上升。当人员密度为1.5人/平方米时，疏散时间达到约35分钟；当人员密度为3人/平方米时，疏散时间延长至约45分钟以上。在这种情况下，若疏散方案不合理，人员可能无法在安全时间内疏散到安全区域，生命安全将受到严重威胁。疏散路径的选择直接影响人员疏散的效率和安全性。模拟结果表明，在火灾发生时，大部分人员会选择距离自己最近的疏散通道进行疏散。然而，由于人员对隧道内疏散通道的熟悉程度不同，以及火灾时烟雾、恐慌等因素的影响，部分人员可能会出现疏散路径选择错误的情况。例如，在一些模拟场景中，部分人员在慌乱中没有选择最近的人行横通道或疏散楼梯，而是朝着隧道深处或错误的方向疏散，导致疏散时间延长。同时，疏散通道的畅通程度也会影响人员的疏散路径选择。如果疏散通道被车辆、障碍物堵塞，人员会被迫寻找其他疏散路径，这可能会导致人员在疏散过程中迷失方向，增加疏散难度。人员拥堵情况是影响人员疏散效率的关键因素之一。模拟结果显示，在人员密度较大的情况下，疏散通道的瓶颈位置容易出现人员拥堵现象。例如，人行横通道与隧道主通道的连接处、疏散楼梯的出入口等位置，由于通道宽度变窄，人员通过能力受限，容易形成人员拥堵。当人员拥堵发生时，人员之间的相互挤压和阻碍会导致疏散速度急剧下降，甚至可能出现人员踩踏等危险情况。在一些模拟场景中，由于疏散通道设计不合理，导致人员在疏散过程中大量聚集在瓶颈位置，疏散时间大幅延长。因此，优化疏散通道的设计，合理设置疏散设施，减少人员拥堵是提高人员疏散效率的重要措施。通过对疏散时间、疏散路径和人员拥堵等模拟结果的分析，可以看出妈湾跨海隧道人员疏散方案在不同火灾场景和人员密度条件下存在一定的优缺点。在未来的隧道设计和运营管理中，需要进一步优化疏散方案，如合理调整疏散通道布局、增加疏散设施数量、加强人员的应急培训等，以提高人员疏散的效率和安全性，确保在火灾等紧急情况下人员能够快速、安全地疏散。五、排烟与人员疏散的协同优化5.1协同机制分析在妈湾跨海隧道中，排烟系统与人员疏散之间存在着紧密的相互关联和影响，深入剖析它们之间的协同机制对于保障隧道在火灾等紧急情况下的人员安全至关重要。排烟系统为人员疏散创造有利条件主要体现在以下几个关键方面。首先，在烟雾控制方面，有效的排烟能够迅速降低隧道内的烟雾浓度，提高能见度。例如，当采用重点排烟方式时，通过开启火源附近的排烟口，能够直接将大量烟雾排出隧道，减少烟雾在隧道内的积聚和扩散。在模拟中型火灾场景中，当同时开启火灾上下游排烟口，并及时打开火源正上方排烟口时，人眼高度处的能见度能大于10m，这使得人员在疏散过程中能够更清晰地辨别疏散路径，避免因视线受阻而迷失方向，大大提高了疏散的安全性和效率。其次，排烟系统能够有效降低隧道内的温度。火灾发生时，会产生大量的热量，高温不仅会对人员的生命安全造成直接威胁，还会影响隧道结构的稳定性。排烟系统通过排出热烟气，引入新鲜冷空气，降低隧道内的温度，为人员疏散提供适宜的环境。在大型火灾场景模拟中，良好的排烟系统能使火源附近一定范围内的温度明显降低，从超过1000°C降至人员可承受的范围，保障人员在疏散过程中不会因高温而受到严重伤害，增加了人员疏散的时间窗口。再者，排烟系统有助于稀释和排出火灾产生的有毒有害气体，如一氧化碳（CO）、二氧化硫（SO₂）等。这些有毒有害气体对人体具有极大的危害，会导致中毒、窒息等严重后果。排烟系统将有毒有害气体排出隧道，降低其在隧道内的浓度，保护人员的生命健康。研究表明，在合理的排烟方案下，如重点排烟方式且排烟量达到最佳值时，CO浓度仅在火源上下游200m范围内超过人体耐受极限，最大值仅为450ppm，在其他区域，CO浓度能够保持在安全水平，为人员疏散创造了安全的空气环境。人员疏散策略配合排烟工作也具有重要意义。在疏散路径规划方面，需要充分考虑排烟方向。当采用纵向排烟方式时，人员疏散方向应尽量与排烟方向一致，避免人员逆着烟雾疏散，减少人员在烟雾中的暴露时间。在隧道发生火灾时，如果火源位于隧道中间，且采用纵向排烟方式将烟雾排向隧道一端，那么靠近火源的人员应尽快向排烟方向的另一端疏散，远离烟雾区域。同时，在确定疏散路径时，要充分考虑排烟系统的影响范围和效果，优先选择烟雾浓度低、温度低、能见度高的路径。例如，在设置疏散指示标志时，应根据排烟系统的运行情况，引导人员向排烟效果较好的区域疏散，确保人员能够在安全的环境中快速撤离。在疏散时间安排上，需要与排烟系统的启动和运行时间相协调。排烟系统应在火灾发生后尽快启动，为人员疏散争取时间。同时，人员疏散应在排烟系统发挥作用后，尽快进行，以充分利用良好的疏散环境。如果排烟系统启动后，人员疏散延迟，可能会导致隧道内的烟雾和温度再次升高，影响人员疏散安全。在火灾探测与报警时间t_{det}和人员反应时间t_{res}内，应尽快启动排烟系统，使其在人员开始疏散（即t_{mov}阶段）时，已经能够有效地控制烟雾和温度，为人员疏散提供保障。此外，还应根据火灾规模和发展情况，合理调整疏散时间和速度。在大型火灾场景下，火势发展迅速，烟雾和温度上升快，应加快人员疏散速度，确保人员能够在最短的时间内疏散到安全区域。综上所述，排烟系统与人员疏散之间的协同机制是一个相互促进、相互制约的动态过程。只有充分发挥排烟系统为人员疏散创造有利条件的作用，同时合理制定人员疏散策略配合排烟工作，才能在隧道火灾等紧急情况下，最大程度地保障人员的生命安全，提高人员疏散的效率和成功率。5.2协同优化策略制定为了实现妈湾跨海隧道排烟与人员疏散的高效协同，提高隧道在火灾等紧急情况下的安全性，需要制定一系列协同优化策略，从排烟系统启动时间的优化、人员疏散路径的调整以及应急演练与培训等方面入手，全面提升隧道的应急响应能力。优化排烟系统启动时间对人员疏散效率有着至关重要的影响。在火灾发生初期，快速启动排烟系统能够有效控制烟雾蔓延，为人员疏散创造有利条件。根据火灾动力学原理和隧道火灾特性，结合妈湾跨海隧道的实际情况，应在火灾探测与报警时间t_{det}内，尽快启动排烟系统。通过与火灾探测系统的联动，当探测到火灾信号后，排烟系统立即启动，缩短启动延迟时间。同时，采用智能控制系统，根据火灾规模和位置等信息，自动调整排烟系统的运行参数，如风机的转速、排烟口的开启数量和大小等，以实现最佳的排烟效果。在大型火灾场景下，火灾热释放速率高，烟雾产生量大，排烟系统应迅速提高排烟量，加大风机的运行功率，确保在人员开始疏散（即t_{mov}阶段）时，能够有效地降低烟雾浓度，提高能见度，保障人员疏散安全。调整人员疏散路径以适应排烟方向是协同优化的关键策略之一。在隧道火灾发生时，人员疏散路径应与排烟方向相协调，避免人员逆着烟雾疏散。根据不同的火灾位置和排烟方式，合理规划人员疏散路径。当采用纵向排烟方式时，如果火源位于隧道中间，烟雾向一端排出，那么靠近火源上游的人员应尽快向隧道出口方向疏散，远离烟雾区域；靠近火源下游的人员则应根据烟雾蔓延情况和疏散指示，选择合适的时机向隧道出口疏散。在规划疏散路径时，充分利用隧道内的人行横通道、疏散楼梯等疏散设施，设置明显的疏散指示标志，引导人员向排烟效果较好的区域疏散。例如，在人行横通道和疏散楼梯的入口处，设置动态的疏散指示标志，根据排烟系统的运行情况和烟雾扩散范围，实时更新疏散方向信息，确保人员能够准确选择疏散路径。同时，利用隧道内的广播系统和应急通信设备，及时向人员传达疏散信息，告知人员当前的火灾情况、排烟状态和疏散路径，提高人员疏散的效率和安全性。应急演练与培训是提高协同效果的重要手段。定期组织隧道管理人员、工作人员和司乘人员参与应急演练，模拟不同火灾场景下的排烟与人员疏散过程。通过演练，使人员熟悉隧道内的疏散设施和路径，掌握正确的疏散方法和技巧，提高人员在紧急情况下的应急反应能力和协同配合能力。在演练过程中，对排烟系统和人员疏散的协同效果进行评估，发现问题及时进行改进。例如，在演练中观察人员在疏散过程中是否能够准确遵循疏散指示，是否存在疏散路径选择错误的情况；检查排烟系统是否能够正常运行，排烟效果是否达到预期目标等。根据演练评估结果，调整疏散指示标志的设置位置和内容，优化排烟系统的运行参数和控制策略，完善应急救援预案。加强对隧道管理人员和工作人员的培训，提高其对排烟系统和人员疏散知识的掌握程度。培训内容包括隧道火灾的特点和危害、排烟系统的工作原理和操作方法、人员疏散的组织和引导技巧等。通过培训，使管理人员和工作人员能够在火灾发生时，迅速、准确地启动排烟系统，合理组织人员疏散，保障人员的生命安全。例如，组织专业技术人员对隧道管理人员进行排烟系统的操作培训，使其熟悉风机的启动、停止、调速等操作流程，掌握排烟口的开启和关闭控制方法；对工作人员进行人员疏散组织和引导培训，使其掌握如何在疏散过程中维持秩序，如何帮助老弱病残等特殊人群疏散等技能。综上所述，通过优化排烟系统启动时间、调整人员疏散路径以及加强应急演练与培训等协同优化策略的实施，能够有效提高妈湾跨海隧道排烟与人员疏散的协同效果，最大程度地保障隧道在火灾等紧急情况下人员的生命安全，为隧道的安全运营提供有力保障。5.3协同效果验证为了验证所提出的协同优化策略在妈湾跨海隧道中的实际效果，通过数值模拟对比了协同优化前后的人员疏散时间、烟雾扩散范围和人员伤亡情况等关键指标，以评估协同优化策略的有效性和可靠性。在人员疏散时间方面，以中型火灾场景（热释放速率为20MW）且人员密度为1.5人/平方米为例，模拟结果显示，在未实施协同优化策略时，从火灾发生到所有人员安全疏散至隧道外，所需的疏散时间约为25分钟。这是因为在这种情况下，排烟系统与人员疏散之间缺乏有效的协同，排烟系统未能及时有效地控制烟雾蔓延，导致人员在疏散过程中受到烟雾的阻碍，行走速度减慢，疏散时间延长。而在实施协同优化策略后，通过优化排烟系统启动时间，在火灾探测与报警后迅速启动排烟系统，并根据火灾规模和位置自动调整排烟参数，同时合理调整人员疏散路径，使其与排烟方向相协调，人员疏散时间缩短至约20分钟。例如，在火灾发生后，排烟系统在极短的时间内启动，快速排出烟雾，降低隧道内的烟雾浓度和温度，为人员疏散创造了良好的环境。同时，人员根据调整后的疏散路径，能够更快速地找到安全出口，避免了在烟雾中盲目行走，从而提高了疏散效率，显著缩短了疏散时间。烟雾扩散范围是衡量协同优化效果的另一个重要指标。在未实施协同优化策略时，烟雾迅速在隧道内扩散，10分钟内烟雾蔓延长度可达400m以上，严重影响了人员疏散的安全性