地鐵火災場景設計
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摘要:近年來,地鐵火災是火災科學界研究的熱點。火災場景設計是開展地鐵火災研究的基礎環節,它對地鐵內的煙氣運動和人員疏散有重要的影響。通過對國內外文獻的調研發現,地鐵火災場景的設計并無統一明確的表述。在綜合前人研究的基礎上,對地鐵火災場景中需要確定的火災荷載和起火點位置進行了初步探討,并給出了分析結果。
關鍵詞:地鐵;火災場景;火災荷載
地鐵火災容易造成人員大量傷亡的原因首先是地鐵客流量大,人員集中,一旦發生火災,極易造成群死群傷;其次,地鐵列車的車座、頂棚及其他裝飾材料大多可燃,容易造成火勢蔓延擴大,塑料、橡膠等新型材料燃燒時還會產生毒性氣體,加上地下供氧不足,燃燒不完全,煙霧濃,發煙量大,而地鐵的出入口一般較少,大量煙霧只能從少量幾個洞口向外涌;最后,在地鐵火災中,煙氣蔓延方向與人員疏散方向有可能同向而相互影響,大量有毒有害的煙霧及其造成的可見度的降低給疏散和救援工作造成困難。
近些年來,地鐵火災的研究是國內外火災科學研究的熱點,主要從實驗測試和計算機數值模擬兩個方面進行大量的研究。在地鐵火災研究中,不論是火災實驗,還是火災模型的建立,火災場景設計都是首要的基礎研究,它決定了火災發展的趨勢和預測目標[1,2]。然而,通過大量的文獻調研發現,國內外對于地鐵火災場景的設計沒有統一的表述,因此本文旨在對地鐵火災場景的設計方法進行初步討論。
1典型火災場景的設定方法
火災場景是一類特定的火災,其主要反映在兩個方面:一是對于一個具體建筑物需要考慮的火災場景數量不能是無窮多個,即不可能把所有的場景窮舉出來,它應是一個有限的集合,一般是把可能最不利,危害后果最大的典型情況作為火災場景的集合;二是火災場景不是真實火災,它是在對大量的,已發生的火災數據的統計基礎上,集成抽象出來具有典型特征的特定火災,因而其具有一系列嚴格、規整的火災發生、發展的演進條件[3]。
典型火災場景就是在具體建筑中針對幾個危險性較大的功能單元,根據火災的雙重性特點,考慮在該位置發生局部火災后的火災發展特性。評價火災發展特性的重要參數是火災過程的熱釋放速率變化。在性能化防火設計中,常采用t2模型來描述火災過程的熱釋放速率隨時間的變化。
Q=αt2(1)
式中:Q———火源熱釋放速率,kW;
α———火災發展速率,kW/s2;
t———火災發展時間,s。
火災發展速率的計算一般需要綜合考慮可燃物、墻及吊頂材料的作用來完成。在NFPA的分類中,將火災的發展分為極快、快速、中速和緩慢4種類型。表1給出了不同火災發展級別的火災發展速率,以及與典型可燃材料的對應關系。
2地鐵火災場景設計的原則
火災場景的選取通常采用最不利的原則,即根據火災危害較大與火災最可能發生的情況來選取火災場景,但在實際操作過程上,設計者往往不能事先完全判斷出哪一個火災場景危害較大或最可能發生的情況來選取火災場景[3,4]。但在實際操作過程上,設計者往往不可能完全判斷出哪一個火災場景危害較大或最可能發生,所以在確定火災場景時應全面科學合理的篩選,以避免由于設計者本人對火災規律認識的局限性,導致選取的片面性。一般設計的原則包括以下3個方面:
(1)客觀反映真實火災。火災場景的設計雖然不能完全重復真實火災場景,但必須能夠對真實地鐵火災的主要特點作出描述,不能用某種統一的模式來反映所有真實火災。
(2)突出火源特性,具有代表性。根據地鐵火災的實際狀況,確定其火源形式,進而通過對火源的全尺寸實驗或者建立數學模型來研究,找出地鐵火災的火源特性,并且這種火源特性能夠代表最一般的火災特性,以適應地鐵火災研究。
(3)充分考慮地鐵的建筑結構,使用功能以及環境等因素的影響,將這些不同的影響因素作為火災模型的邊界條件結合到火源特性的研究中去,以體現地鐵火災發展和蔓延的特點。
3地鐵火災場景的確定
在地鐵火災場景進行確定過程中,要以火源特性為基礎,結合建筑結構、使用功能、環境因素等邊界條件,確定地鐵火災場景中的可燃材料物性、火災荷載、起火點位置等。
3.1地鐵火災荷載的確定
火災荷載是指涉火空間內所有可燃物燃燒所產生的總熱量值。火災荷載越大,發生火災的危險性越大,需要防火的措施越多[2]。一般情況下,用熱釋放速率隨時間變化的曲線來表示。
地鐵火災荷載的確定需要考慮兩個方面:一是固定荷載,考慮地鐵車廂本身的可燃物,主要包括列車車體的地板、窗體、墻壁及天花板材料,座椅及裝飾材料;二是移動荷載,考慮旅客攜帶的行李物品。地鐵內的人員流動非常大,難以統計所有可燃物的荷載分布,世界各國對于地鐵火災荷載的確定沒有明確表述,以美國NFPA130而言,并無可供參考的數值。
3.1.1固定荷載
有關地鐵列車火災的熱釋放速率僅有很少的公開數據,主要原因是開展列車火災的全尺寸實驗非常困難。國外發達國家對于此問題的研究大都采用5～50MW,且重點研究10MW情況的火災實驗。如美國的Miclea和Mckinney,英國的Rhodes,加拿大的Slusarczyk,Sinclair和Bliemel等學者均對一系列不同結構的地鐵系統在10MW下的火災工況進行了相應的研究[4]。香港周允基教授在常用交通工具火災中給出地鐵火災的熱釋放速率峰值約為35MW,地鐵車輛火災后25min時相應的熱釋放速率變化范圍在8～13MW[5]。
中國礦業大學程遠平教授給出了實驗測得列車車廂火災的熱釋放速率[6-8]。由地鐵車廂實驗測定參數,運用氧消耗原理計算得到的地鐵車廂火災熱釋放速率的計算結果如圖1所示。從圖1中可以看出一節車廂火災的最大熱釋放速率為23.8MW,3節車廂火災的最大熱釋放速率為50.9MW。為了比較地鐵列車火災發展的快慢,圖1中還給出了火災模型中快速和超快速火災發展的熱釋放速率曲線,從該圖可以看出地鐵列車火災的發展速度接近火災模型中的超快速火災。
馮煉在模擬計算中采用的列車火災熱釋放速率峰值為13.6MW[9]。根據我國相關的軌道交通工程安全預評價報告,地鐵列車車廂發生火災后的熱釋放速率峰值一般可取為6.8MW,并設為快速增長t2,則火災將在380s時達到峰值,清華大學陳濤等研究人員按照最不利原則,取該場景下的火災熱釋放速率為標準場景的1.5倍,并設定火災為超快速增長火,則對應的熱釋放速率峰值為10.2MW,火災達到峰值的時間為233s,如表2所示[10]。
廣州市地下鐵道設計研究院的王迪軍認為,對于舊式車廂,由于其內部結構和座椅是用可燃材料做成的,其最大熱釋放速率可達15MW,甚至更大。同時隨著地鐵列車制造工藝不斷提高,可燃材料的使用已大幅降低,其一輛車火災燃燒發熱量也在不斷下降,香港新機場線的列車已降低至5MW。對于國內新投入運行的地鐵車輛,由于其結構都是不燃或阻燃材料組成,車輛著火時熱釋放速率取7.5MW[11]。
隨著近年來發生的若干起地鐵火災事故造成的重大人員傷亡和財產損失,新型的地鐵機車普遍采用不燃難燃物質為材料,大大降低了列車車廂發生火災后的熱釋放速率,相對提高了疏散的安全性。因此,本文建議選取10MW作為一節車廂火災的最大熱釋放速率是合適的,并設為超快速增長火,如圖2所示。
3.1.2移動荷載
英國BuildingResearchEstablish出版報告:DesignPrinciplesforSmokeVentilationinEnclosedShoppingCenter中,其統計在人員聚集公共場所火災規模為2.0～2.5MW。臺灣學者楊冠雄在考察臺灣地鐵車站火災發生后車站內部設備及實際進出站人員攜帶行李等可燃物,并參考英國BuildingResearchEstablish出版報告與美國NIST實際測量售貨亭燃燒結果,選取火災規模為2.0MW[4]。
香港的地鐵工程技術人員選用的保守火災規模為2MW,其主要根據是以下兩點:(1)行李著火是其主要原因,由旅客帶往列車內的手提箱引起的或在地鐵車站的車廂下著火;(2)由2MW的火發展到轟燃階段的概率非常低。因為火源的燃料是有限的(手提箱材料),因此在絕大多數情況下,火可能會在10～20min后熄滅;與此同時,在列車滯留隧道后2.5min,緊急風機將被開啟[12]。國內部分研究人員也認為列車旅客的行李著火時最大熱釋放速率不超過2MW[7,8,10]。
通過對北京、上海、廣州、深圳等地鐵的實地調研,考慮存在乘坐地鐵趕往機場、火車站、換乘站等場所,乘客攜帶的行李較多,行李中可能包括較易燃燒的纖維織物、紙張、食品等,同時考慮到人為縱火及其他爆炸物等,作者建議選取5MW作為移動荷載,并設為超快速增長火,熱釋放速率曲線在圖2中給出。
3.2地鐵起火點位置的確定
實際火源可能位于地鐵內的不同位置。在地鐵火災研究或消防設計中,需考慮對煙氣流動和人身安全具有重要影響的某些場景。需要強調的是,對煙氣流動和人身安全具有重要影響的某些場景的選擇,不是從個人主觀判斷或經驗出發進行選擇,而是在全面考慮各種可能的火災場景情況下從中進行篩選,并盡可能的排除因個人主觀判斷或經驗不同所帶來的隨意性以及可能造成的錯誤分析[13]。
地鐵起火點位置的確定從以下兩個方面考慮:(1)在列車車廂發生火災,此時列車停泊在地鐵站臺;(2)地鐵站臺上的移動可燃物點燃。通過對國內多個城市的地鐵調研發現,地鐵站臺主要分為島式、側式和混和式3種情況,本文將以側式站臺為例進行說明。
列車車廂火災根據位置不同分為兩種情況:(1)列車車廂中部發生火災,圖3(a)給出了示意圖;(2)列車車廂尾部發生火災,如圖3(b)所示。
站臺上移動可燃物火災建議考慮兩種情況:(1)在站臺的中部,如圖4(a)所示,此時發生火災會卷吸大量空氣,產生非常大的煙氣;(2)靠近疏散出口位置,考慮發生火災時該出口被封堵的場景,如圖4(b)所示。
4結語
火災場景設計是開展地鐵火災研究的基礎環節,它對地鐵內的煙氣運動,人員疏散和建筑財產保護有重要的影響。本文在前人研究的基礎上,對地鐵火災場景中需要確定的火災荷載和起火點位置進行了探討,初步給出了如下建議:
(1)建議列車車廂火災荷載選取10MW,移動可燃物荷載選取5MW;
(2)列車車廂火災的火源位置設有兩個,一個設置在中間部位,另一個設置在尾部;
(3)站臺移動可燃物的火源位置設有兩個,一個設置在站臺的中間位置,另一個設置在靠近樓梯口的位置。
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