摘要:近年来,地铁火灾是火灾科学界研究的热点。火灾场景设计是开展地铁火灾研究的基础环节,它对地铁内的烟气运动和人员疏散有重要的影响。通过对国内外文献的调研发现,地铁火灾场景的设计并无统一明确的表述。在综合前人研究的基础上,对地铁火灾场景中需要确定的火灾荷载和起火点位置进行了初步探讨,并给出了分析结果。
关键词:地铁;火灾场景;火灾荷载
地铁火灾容易造成人员大量伤亡的原因首先是地铁客流量大,人员集中,一旦发生火灾,极易造成群死群伤;其次,地铁列车的车座、顶棚及其他装饰材料大多可燃,容易造成火势蔓延扩大,塑料、橡胶等新型材料燃烧时还会产生毒性气体,加上地下供氧不足,燃烧不完全,烟雾浓,发烟量大,而地铁的出入口一般较少,大量烟雾只能从少量几个洞口向外涌;最后,在地铁火灾中,烟气蔓延方向与人员疏散方向有可能同向而相互影响,大量有毒有害的烟雾及其造成的可见度的降低给疏散和救援工作造成困难。
近些年来,地铁火灾的研究是国内外火灾科学研究的热点,主要从实验测试和计算机数值模拟两个方面进行大量的研究。在地铁火灾研究中,不论是火灾实验,还是火灾模型的建立,火灾场景设计都是首要的基础研究,它决定了火灾发展的趋势和预测目标[1,2]。然而,通过大量的文献调研发现,国内外对于地铁火灾场景的设计没有统一的表述,因此本文旨在对地铁火灾场景的设计方法进行初步讨论。
1 典型火灾场景的设定方法
火灾场景是一类特定的火灾,其主要反映在两个方面:一是对于一个具体建筑物需要考虑的火灾场景数量不能是无穷多个,即不可能把所有的场景穷举出来,它应是一个有限的集合,一般是把可能最不利,危害后果最大的典型情况作为火灾场景的集合;二是火灾场景不是真实火灾,它是在对大量的,已发生的火灾数据的统计基础上,集成抽象出来具有典型特征的特定火灾,因而其具有一系列严格、规整的火灾发生、发展的演进条件[3]。
典型火灾场景就是在具体建筑中针对几个危险性较大的功能单元,根据火灾的双重性特点,考虑在该位置发生局部火灾后的火灾发展特性。评价火灾发展特性的重要参数是火灾过程的热释放速率变化。在性能化防火设计中,常采用t2模型来描述火灾过程的热释放速率随时间的变化。
Q=αt2 (1)
式中:Q———火源热释放速率,kW;
α———火灾发展速率,kW/s2;
t———火灾发展时间,s。
火灾发展速率的计算一般需要综合考虑可燃物、墙及吊顶材料的作用来完成。在NFPA的分类中,将火灾的发展分为极快、快速、中速和缓慢4种类型。表1给出了不同火灾发展级别的火灾发展速率,以及与典型可燃材料的对应关系。
2 地铁火灾场景设计的原则
火灾场景的选取通常采用最不利的原则,即根据火灾危害较大与火灾最可能发生的情况来选取火灾场景,但在实际操作过程上,设计者往往不能事先完全判断出哪一个火灾场景危害较大或最可能发生的情况来选取火灾场景[3,4]。但在实际操作过程上,设计者往往不可能完全判断出哪一个火灾场景危害较大或最可能发生,所以在确定火灾场景时应全面科学合理的筛选,以避免由于设计者本人对火灾规律认识的局限性,导致选取的片面性。一般设计的原则包括以下3个方面:
(1)客观反映真实火灾。火灾场景的设计虽然不能完全重复真实火灾场景,但必须能够对真实地铁火灾的主要特点作出描述,不能用某种统一的模式来反映所有真实火灾。
(2)突出火源特性,具有代表性。根据地铁火灾的实际状况,确定其火源形式,进而通过对火源的全尺寸实验或者建立数学模型来研究,找出地铁火灾的火源特性,并且这种火源特性能够代表最一般的火灾特性,以适应地铁火灾研究。
(3)充分考虑地铁的建筑结构,使用功能以及环境等因素的影响,将这些不同的影响因素作为火灾模型的边界条件结合到火源特性的研究中去,以体现地铁火灾发展和蔓延的特点。
3 地铁火灾场景的确定
在地铁火灾场景进行确定过程中,要以火源特性为基础,结合建筑结构、使用功能、环境因素等边界条件,确定地铁火灾场景中的可燃材料物性、火灾荷载、起火点位置等。
3.1 地铁火灾荷载的确定
火灾荷载是指涉火空间内所有可燃物燃烧所产生的总热量值。火灾荷载越大,发生火灾的危险性越大,需要防火的措施越多[2]。一般情况下,用热释放速率随时间变化的曲线来表示。
地铁火灾荷载的确定需要考虑两个方面:一是固定荷载,考虑地铁车厢本身的可燃物,主要包括列车车体的地板、窗体、墙壁及天花板材料,座椅及装饰材料;二是移动荷载,考虑旅客携带的行李物品。地铁内的人员流动非常大,难以统计所有可燃物的荷载分布,世界各国对于地铁火灾荷载的确定没有明确表述,以美国NFPA130而言,并无可供参考的数值。
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3.1.1 固定荷载
有关地铁列车火灾的热释放速率仅有很少的公开数据,主要原因是开展列车火灾的全尺寸实验非常困难。国外发达国家对于此问题的研究大都采用5～50MW,且重点研究10MW情况的火灾实验。如美国的Miclea和Mckinney,英国的Rhodes,加拿大的Slusarczyk,Sinclair和Bliemel等学者均对一系列不同结构的地铁系统在10MW下的火灾工况进行了相应的研究[4]。香港周允基教授在常用交通工具火灾中给出地铁火灾的热释放速率峰值约为35MW,地铁车辆火灾后25min时相应的热释放速率变化范围在8～13MW[5]。
中国矿业大学程远平教授给出了实验测得列车车厢火灾的热释放速率[6-8]。由地铁车厢实验测定参数,运用氧消耗原理计算得到的地铁车厢火灾热释放速率的计算结果如图1所示。从图1中可以看出一节车厢火灾的最大热释放速率为23.8MW,3节车厢火灾的最大热释放速率为50.9MW。为了比较地铁列车火灾发展的快慢,图1中还给出了火灾模型中快速和超快速火灾发展的热释放速率曲线,从该图可以看出地铁列车火灾的发展速度接近火灾模型中的超快速火灾。
冯炼在模拟计算中采用的列车火灾热释放速率峰值为13.6MW[9]。根据我国相关的轨道交通工程安全预评价报告,地铁列车车厢发生火灾后的热释放速率峰值一般可取为6.8MW,并设为快速增长t2,则火灾将在380s时达到峰值,清华大学陈涛等研究人员按照最不利原则,取该场景下的火灾热释放速率为标准场景的1.5倍,并设定火灾为超快速增长火,则对应的热释放速率峰值为10.2MW,火灾达到峰值的时间为233s,如表2所示[10]。
广州市地下铁道设计研究院的王迪军认为,对于旧式车厢,由于其内部结构和座椅是用可燃材料做成的,其最大热释放速率可达15MW,甚至更大。同时随着地铁列车制造工艺不断提高,可燃材料的使用已大幅降低,其一辆车火灾燃烧发热量也在不断下降,香港新机场线的列车已降低至5MW。对于国内新投入运行的地铁车辆,由于其结构都是不燃或阻燃材料组成,车辆着火时热释放速率取7.5MW[11]。
随着近年来发生的若干起地铁火灾事故造成的重大人员伤亡和财产损失,新型的地铁机车普遍采用不燃难燃物质为材料,大大降低了列车车厢发生火灾后的热释放速率,相对提高了疏散的安全性。因此,本文建议选取10MW作为一节车厢火灾的最大热释放速率是合适的,并设为超快速增长火,如图2所示。
3.1.2 移动荷载
英国BuildingResearchEstablish出版报告:DesignPrinciplesforSmokeVentilationinEnclosedShoppingCenter中,其统计在人员聚集公共场所火灾规模为2.0～2.5MW。台湾学者杨冠雄在考察台湾地铁车站火灾发生后车站内部设备及实际进出站人员携带行李等可燃物,并参考英国BuildingResearchEstablish出版报告与美国NIST实际测量售货亭燃烧结果,选取火灾规模为2.0MW[4]。
香港的地铁工程技术人员选用的保守火灾规模为2MW,其主要根据是以下两点:(1)行李着火是其主要原因,由旅客带往列车内的手提箱引起的或在地铁车站的车厢下着火;(2)由2MW的火发展到轰燃阶段的概率非常低。因为火源的燃料是有限的(手提箱材料),因此在绝大多数情况下,火可能会在10～20min后熄灭;与此同时,在列车滞留隧道后2.5min,紧急风机将被开启[12]。国内部分研究人员也认为列车旅客的行李着火时最大热释放速率不超过2MW[7,8,10]。
通过对北京、上海、广州、深圳等地铁的实地调研,考虑存在乘坐地铁赶往机场、火车站、换乘站等场所,乘客携带的行李较多,行李中可能包括较易燃烧的纤维织物、纸张、食品等,同时考虑到人为纵火及其他爆炸物等,作者建议选取5MW作为移动荷载,并设为超快速增长火,热释放速率曲线在图2中给出。
3.2 地铁起火点位置的确定
实际火源可能位于地铁内的不同位置。在地铁火灾研究或消防设计中,需考虑对烟气流动和人身安全具有重要影响的某些场景。需要强调的是,对烟气流动和人身安全具有重要影响的某些场景的选择,不是从个人主观判断或经验出发进行选择,而是在全面考虑各种可能的火灾场景情况下从中进行筛选,并尽可能的排除因个人主观判断或经验不同所带来的随意性以及可能造成的错误分析[13]。
地铁起火点位置的确定从以下两个方面考虑:(1)在列车车厢发生火灾,此时列车停泊在地铁站台;(2)地铁站台上的移动可燃物点燃。通过对国内多个城市的地铁调研发现,地铁站台主要分为岛式、侧式和混和式3种情况,本文将以侧式站台为例进行说明。
列车车厢火灾根据位置不同分为两种情况:(1)列车车厢中部发生火灾,图3(a)给出了示意图;(2)列车车厢尾部发生火灾,如图3(b)所示。
站台上移动可燃物火灾建议考虑两种情况:(1)在站台的中部,如图4(a)所示,此时发生火灾会卷吸大量空气,产生非常大的烟气;(2)靠近疏散出口位置,考虑发生火灾时该出口被封堵的场景,如图4(b)所示。
4 结语
火灾场景设计是开展地铁火灾研究的基础环节,它对地铁内的烟气运动,人员疏散和建筑财产保护有重要的影响。本文在前人研究的基础上,对地铁火灾场景中需要确定的火灾荷载和起火点位置进行了探讨,初步给出了如下建议:
(1)建议列车车厢火灾荷载选取10MW,移动可燃物荷载选取5MW;
(2)列车车厢火灾的火源位置设有两个,一个设置在中间部位,另一个设置在尾部;
(3)站台移动可燃物的火源位置设有两个,一个设置在站台的中间位置,另一个设置在靠近楼梯口的位置。
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