地鐵火災(zāi)場景設(shè)計(jì)

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摘要:近年來,地鐵火災(zāi)是火災(zāi)科學(xué)界研究的熱點(diǎn)。火災(zāi)場景設(shè)計(jì)是開展地鐵火災(zāi)研究的基礎(chǔ)環(huán)節(jié),它對(duì)地鐵內(nèi)的煙氣運(yùn)動(dòng)和人員疏散有重要的影響。通過對(duì)國內(nèi)外文獻(xiàn)的調(diào)研發(fā)現(xiàn),地鐵火災(zāi)場景的設(shè)計(jì)并無統(tǒng)一明確的表述。在綜合前人研究的基礎(chǔ)上,對(duì)地鐵火災(zāi)場景中需要確定的火災(zāi)荷載和起火點(diǎn)位置進(jìn)行了初步探討,并給出了分析結(jié)果。

關(guān)鍵詞:地鐵;火災(zāi)場景;火災(zāi)荷載

地鐵火災(zāi)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(fā)生火災(zāi),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(kuò)大,塑料、橡膠等新型材料燃燒時(shí)還會(huì)產(chǎn)生毒性氣體,加上地下供氧不足,燃燒不完全,煙霧濃,發(fā)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(gè)洞口向外涌;最后,在地鐵火災(zāi)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(zāi)的研究是國內(nèi)外火災(zāi)科學(xué)研究的熱點(diǎn),主要從實(shí)驗(yàn)測試和計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬兩個(gè)方面進(jìn)行大量的研究。在地鐵火災(zāi)研究中,不論是火災(zāi)實(shí)驗(yàn),還是火災(zāi)模型的建立,火災(zāi)場景設(shè)計(jì)都是首要的基礎(chǔ)研究,它決定了火災(zāi)發(fā)展的趨勢和預(yù)測目標(biāo)[1,2]。然而,通過大量的文獻(xiàn)調(diào)研發(fā)現(xiàn),國內(nèi)外對(duì)于地鐵火災(zāi)場景的設(shè)計(jì)沒有統(tǒng)一的表述,因此本文旨在對(duì)地鐵火災(zāi)場景的設(shè)計(jì)方法進(jìn)行初步討論。

1典型火災(zāi)場景的設(shè)定方法

火災(zāi)場景是一類特定的火災(zāi),其主要反映在兩個(gè)方面:一是對(duì)于一個(gè)具體建筑物需要考慮的火災(zāi)場景數(shù)量不能是無窮多個(gè),即不可能把所有的場景窮舉出來,它應(yīng)是一個(gè)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(zāi)場景的集合;二是火災(zāi)場景不是真實(shí)火災(zāi),它是在對(duì)大量的,已發(fā)生的火災(zāi)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)基礎(chǔ)上,集成抽象出來具有典型特征的特定火災(zāi),因而其具有一系列嚴(yán)格、規(guī)整的火災(zāi)發(fā)生、發(fā)展的演進(jìn)條件[3]。

典型火災(zāi)場景就是在具體建筑中針對(duì)幾個(gè)危險(xiǎn)性較大的功能單元,根據(jù)火災(zāi)的雙重性特點(diǎn),考慮在該位置發(fā)生局部火災(zāi)后的火災(zāi)發(fā)展特性。評(píng)價(jià)火災(zāi)發(fā)展特性的重要參數(shù)是火災(zāi)過程的熱釋放速率變化。在性能化防火設(shè)計(jì)中,常采用t2模型來描述火災(zāi)過程的熱釋放速率隨時(shí)間的變化。

Q=αt2(1)

式中:Q———火源熱釋放速率,kW;

α———火災(zāi)發(fā)展速率,kW/s2;

t———火災(zāi)發(fā)展時(shí)間,s。

火災(zāi)發(fā)展速率的計(jì)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(zāi)的發(fā)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(zāi)發(fā)展級(jí)別的火災(zāi)發(fā)展速率,以及與典型可燃材料的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

2地鐵火災(zāi)場景設(shè)計(jì)的原則

火災(zāi)場景的選取通常采用最不利的原則,即根據(jù)火災(zāi)危害較大與火災(zāi)最可能發(fā)生的情況來選取火災(zāi)場景,但在實(shí)際操作過程上,設(shè)計(jì)者往往不能事先完全判斷出哪一個(gè)火災(zāi)場景危害較大或最可能發(fā)生的情況來選取火災(zāi)場景[3,4]。但在實(shí)際操作過程上,設(shè)計(jì)者往往不可能完全判斷出哪一個(gè)火災(zāi)場景危害較大或最可能發(fā)生,所以在確定火災(zāi)場景時(shí)應(yīng)全面科學(xué)合理的篩選,以避免由于設(shè)計(jì)者本人對(duì)火災(zāi)規(guī)律認(rèn)識(shí)的局限性,導(dǎo)致選取的片面性。一般設(shè)計(jì)的原則包括以下3個(gè)方面:

(1)客觀反映真實(shí)火災(zāi)?；馂?zāi)場景的設(shè)計(jì)雖然不能完全重復(fù)真實(shí)火災(zāi)場景,但必須能夠?qū)φ鎸?shí)地鐵火災(zāi)的主要特點(diǎn)作出描述,不能用某種統(tǒng)一的模式來反映所有真實(shí)火災(zāi)。

(2)突出火源特性,具有代表性。根據(jù)地鐵火災(zāi)的實(shí)際狀況,確定其火源形式,進(jìn)而通過對(duì)火源的全尺寸實(shí)驗(yàn)或者建立數(shù)學(xué)模型來研究,找出地鐵火災(zāi)的火源特性,并且這種火源特性能夠代表最一般的火災(zāi)特性,以適應(yīng)地鐵火災(zāi)研究。

(3)充分考慮地鐵的建筑結(jié)構(gòu),使用功能以及環(huán)境等因素的影響,將這些不同的影響因素作為火災(zāi)模型的邊界條件結(jié)合到火源特性的研究中去,以體現(xiàn)地鐵火災(zāi)發(fā)展和蔓延的特點(diǎn)。

3地鐵火災(zāi)場景的確定

在地鐵火災(zāi)場景進(jìn)行確定過程中,要以火源特性為基礎(chǔ),結(jié)合建筑結(jié)構(gòu)、使用功能、環(huán)境因素等邊界條件,確定地鐵火災(zāi)場景中的可燃材料物性、火災(zāi)荷載、起火點(diǎn)位置等。

3.1地鐵火災(zāi)荷載的確定

火災(zāi)荷載是指涉火空間內(nèi)所有可燃物燃燒所產(chǎn)生的總熱量值?；馂?zāi)荷載越大,發(fā)生火災(zāi)的危險(xiǎn)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(shí)間變化的曲線來表示。

地鐵火災(zāi)荷載的確定需要考慮兩個(gè)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(dòng)荷載,考慮旅客攜帶的行李物品。地鐵內(nèi)的人員流動(dòng)非常大,難以統(tǒng)計(jì)所有可燃物的荷載分布,世界各國對(duì)于地鐵火災(zāi)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(shù)值。

3.1.1固定荷載

有關(guān)地鐵列車火災(zāi)的熱釋放速率僅有很少的公開數(shù)據(jù),主要原因是開展列車火災(zāi)的全尺寸實(shí)驗(yàn)非常困難。國外發(fā)達(dá)國家對(duì)于此問題的研究大都采用5～50MW,且重點(diǎn)研究10MW情況的火災(zāi)實(shí)驗(yàn)。如美國的Miclea和Mckinney,英國的Rhodes,加拿大的Slusarczyk,Sinclair和Bliemel等學(xué)者均對(duì)一系列不同結(jié)構(gòu)的地鐵系統(tǒng)在10MW下的火災(zāi)工況進(jìn)行了相應(yīng)的研究[4]。香港周允基教授在常用交通工具火災(zāi)中給出地鐵火災(zāi)的熱釋放速率峰值約為35MW,地鐵車輛火災(zāi)后25min時(shí)相應(yīng)的熱釋放速率變化范圍在8～13MW[5]。

中國礦業(yè)大學(xué)程遠(yuǎn)平教授給出了實(shí)驗(yàn)測得列車車廂火災(zāi)的熱釋放速率[6-8]。由地鐵車廂實(shí)驗(yàn)測定參數(shù),運(yùn)用氧消耗原理計(jì)算得到的地鐵車廂火災(zāi)熱釋放速率的計(jì)算結(jié)果如圖1所示。從圖1中可以看出一節(jié)車廂火災(zāi)的最大熱釋放速率為23.8MW,3節(jié)車廂火災(zāi)的最大熱釋放速率為50.9MW。為了比較地鐵列車火災(zāi)發(fā)展的快慢,圖1中還給出了火災(zāi)模型中快速和超快速火災(zāi)發(fā)展的熱釋放速率曲線,從該圖可以看出地鐵列車火災(zāi)的發(fā)展速度接近火災(zāi)模型中的超快速火災(zāi)。

馮煉在模擬計(jì)算中采用的列車火災(zāi)熱釋放速率峰值為13.6MW[9]。根據(jù)我國相關(guān)的軌道交通工程安全預(yù)評(píng)價(jià)報(bào)告,地鐵列車車廂發(fā)生火災(zāi)后的熱釋放速率峰值一般可取為6.8MW,并設(shè)為快速增長t2,則火災(zāi)將在380s時(shí)達(dá)到峰值,清華大學(xué)陳濤等研究人員按照最不利原則,取該場景下的火災(zāi)熱釋放速率為標(biāo)準(zhǔn)場景的1.5倍,并設(shè)定火災(zāi)為超快速增長火,則對(duì)應(yīng)的熱釋放速率峰值為10.2MW,火災(zāi)達(dá)到峰值的時(shí)間為233s,如表2所示[10]。

廣州市地下鐵道設(shè)計(jì)研究院的王迪軍認(rèn)為,對(duì)于舊式車廂,由于其內(nèi)部結(jié)構(gòu)和座椅是用可燃材料做成的,其最大熱釋放速率可達(dá)15MW,甚至更大。同時(shí)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(zāi)燃燒發(fā)熱量也在不斷下降,香港新機(jī)場線的列車已降低至5MW。對(duì)于國內(nèi)新投入運(yùn)行的地鐵車輛,由于其結(jié)構(gòu)都是不燃或阻燃材料組成,車輛著火時(shí)熱釋放速率取7.5MW[11]。

隨著近年來發(fā)生的若干起地鐵火災(zāi)事故造成的重大人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失,新型的地鐵機(jī)車普遍采用不燃難燃物質(zhì)為材料,大大降低了列車車廂發(fā)生火災(zāi)后的熱釋放速率,相對(duì)提高了疏散的安全性。因此,本文建議選取10MW作為一節(jié)車廂火災(zāi)的最大熱釋放速率是合適的,并設(shè)為超快速增長火,如圖2所示。

3.1.2移動(dòng)荷載

英國BuildingResearchEstablish出版報(bào)告:DesignPrinciplesforSmokeVentilationinEnclosedShoppingCenter中,其統(tǒng)計(jì)在人員聚集公共場所火災(zāi)規(guī)模為2.0～2.5MW。臺(tái)灣學(xué)者楊冠雄在考察臺(tái)灣地鐵車站火災(zāi)發(fā)生后車站內(nèi)部設(shè)備及實(shí)際進(jìn)出站人員攜帶行李等可燃物,并參考英國BuildingResearchEstablish出版報(bào)告與美國NIST實(shí)際測量售貨亭燃燒結(jié)果,選取火災(zāi)規(guī)模為2.0MW[4]。

香港的地鐵工程技術(shù)人員選用的保守火災(zāi)規(guī)模為2MW,其主要根據(jù)是以下兩點(diǎn):(1)行李著火是其主要原因,由旅客帶往列車內(nèi)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(fā)展到轟燃階段的概率非常低。因?yàn)榛鹪吹娜剂鲜怯邢薜?手提箱材料),因此在絕大多數(shù)情況下,火可能會(huì)在10～20min后熄滅;與此同時(shí),在列車滯留隧道后2.5min,緊急風(fēng)機(jī)將被開啟[12]。國內(nèi)部分研究人員也認(rèn)為列車旅客的行李著火時(shí)最大熱釋放速率不超過2MW[7,8,10]。

通過對(duì)北京、上海、廣州、深圳等地鐵的實(shí)地調(diào)研,考慮存在乘坐地鐵趕往機(jī)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(shí)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(dòng)荷載,并設(shè)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(diǎn)位置的確定

實(shí)際火源可能位于地鐵內(nèi)的不同位置。在地鐵火災(zāi)研究或消防設(shè)計(jì)中,需考慮對(duì)煙氣流動(dòng)和人身安全具有重要影響的某些場景。需要強(qiáng)調(diào)的是,對(duì)煙氣流動(dòng)和人身安全具有重要影響的某些場景的選擇,不是從個(gè)人主觀判斷或經(jīng)驗(yàn)出發(fā)進(jìn)行選擇,而是在全面考慮各種可能的火災(zāi)場景情況下從中進(jìn)行篩選,并盡可能的排除因個(gè)人主觀判斷或經(jīng)驗(yàn)不同所帶來的隨意性以及可能造成的錯(cuò)誤分析[13]。

地鐵起火點(diǎn)位置的確定從以下兩個(gè)方面考慮:(1)在列車車廂發(fā)生火災(zāi),此時(shí)列車停泊在地鐵站臺(tái);(2)地鐵站臺(tái)上的移動(dòng)可燃物點(diǎn)燃。通過對(duì)國內(nèi)多個(gè)城市的地鐵調(diào)研發(fā)現(xiàn),地鐵站臺(tái)主要分為島式、側(cè)式和混和式3種情況,本文將以側(cè)式站臺(tái)為例進(jìn)行說明。

列車車廂火災(zāi)根據(jù)位置不同分為兩種情況:(1)列車車廂中部發(fā)生火災(zāi),圖3(a)給出了示意圖;(2)列車車廂尾部發(fā)生火災(zāi),如圖3(b)所示。

站臺(tái)上移動(dòng)可燃物火災(zāi)建議考慮兩種情況:(1)在站臺(tái)的中部,如圖4(a)所示,此時(shí)發(fā)生火災(zāi)會(huì)卷吸大量空氣,產(chǎn)生非常大的煙氣;(2)靠近疏散出口位置,考慮發(fā)生火災(zāi)時(shí)該出口被封堵的場景,如圖4(b)所示。

4結(jié)語

火災(zāi)場景設(shè)計(jì)是開展地鐵火災(zāi)研究的基礎(chǔ)環(huán)節(jié),它對(duì)地鐵內(nèi)的煙氣運(yùn)動(dòng),人員疏散和建筑財(cái)產(chǎn)保護(hù)有重要的影響。本文在前人研究的基礎(chǔ)上,對(duì)地鐵火災(zāi)場景中需要確定的火災(zāi)荷載和起火點(diǎn)位置進(jìn)行了探討,初步給出了如下建議:

(1)建議列車車廂火災(zāi)荷載選取10MW,移動(dòng)可燃物荷載選取5MW;

(2)列車車廂火災(zāi)的火源位置設(shè)有兩個(gè),一個(gè)設(shè)置在中間部位,另一個(gè)設(shè)置在尾部;

(3)站臺(tái)移動(dòng)可燃物的火源位置設(shè)有兩個(gè),一個(gè)設(shè)置在站臺(tái)的中間位置,另一個(gè)設(shè)置在靠近樓梯口的位置。

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