列車車廂內(nèi)火源發(fā)展對(duì)人員疏散的影響分析

李盎 曹松

摘 ?要：結(jié)合列車火災(zāi)發(fā)生的典型原因分析，該文針對(duì)不同火源條件下的車廂火災(zāi)煙氣分布及人員疏散安全性進(jìn)行仿真分析。通過(guò)建立FDS車內(nèi)火災(zāi)煙氣數(shù)值計(jì)算模型，對(duì)不同火源發(fā)展速度、火源功率條件下車廂中部著火情形的煙氣分布進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，得到了車廂內(nèi)溫度、CO濃度、出口處可見(jiàn)度隨時(shí)間和位置變化的分布規(guī)律，并基于人員疏散危險(xiǎn)性分析給出影響人員安全疏散的火源發(fā)展限值。

關(guān)鍵詞：高速列車 ?煙氣分布 ?火災(zāi)危險(xiǎn)性 ?人員疏散

中圖分類號(hào)：U458 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1672-3791（2021）04（c）-0103-06

Analysis on the Evacuation Influence of Fire Source Development in Train Compartment

LI Ang ?CAO Song

（Wuhan Metro Operation Co.， ltd.， Wuhan， Hubei Province， 430000 ?China）

Abstract： Combined with the typical cause of train fire， this paper analyzes the smoke distribution and evacuation safety of the car fire under different fire sources. By establishing a numerical calculation model of fire smoke in vehicle， the smoke distribution in the middle of the compartment was calculated under different fire source development speed and fire source power. The distribution rules of temperature， CO concentration and visibility at the exit change with time and position are obtained. Based on the analysis of the evacuation risk， the development limit of fire source which affects the safety of evacuation of personnel is given.

Key Words： High speed train; Smoke distribution; Fire risk; Evacuation

隨著我國(guó)軌道交通的快速發(fā)展，高速列車極大地提高了人們的出行效率。但是，與普通建筑相比，車廂環(huán)境更加密閉，人員繁雜，不可控因素眾多，人員密度大且疏散空間狹窄。一旦在車廂內(nèi)部發(fā)生火災(zāi)，火災(zāi)產(chǎn)生的熱煙氣會(huì)很快充滿整個(gè)車廂，降低車內(nèi)能見(jiàn)度，對(duì)車內(nèi)乘客的疏散造成阻礙，而煙氣的高溫及毒性會(huì)對(duì)乘客的人身安全造成極大的威脅。

統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，火災(zāi)中有85%以上的死亡者是死于煙氣影響?；馂?zāi)煙氣分布不僅決定著人員疏散環(huán)境的安全性，也影響人員疏散的效率。對(duì)于不同著火原因，不同可燃材料起火，火源功率的大小和發(fā)展速率存在差異，從而導(dǎo)致車廂內(nèi)的煙氣分布和疏散環(huán)境存在差異。該文通過(guò)FDS建立車廂火災(zāi)煙氣計(jì)算模型，分析不同火源情況下車廂內(nèi)的溫度、CO濃度分布情況，并通過(guò)FDS Evac模擬計(jì)算不同火源情形下的車廂人員疏散情況，討論火源發(fā)展對(duì)人員疏散的影響。

1 ?高速列車人員疏散情形

1.1 著火原因及火源位置

車廂內(nèi)部產(chǎn)生的火災(zāi)主要類型主要分為列車內(nèi)部的電氣設(shè)備短路發(fā)生火災(zāi)、列車上人員無(wú)意識(shí)行為引起火災(zāi)、人為縱火等[1]。由于列車上人員的無(wú)意識(shí)行為，如攜帶易燃易爆物品，引起行李著火在初期發(fā)展階段很難被發(fā)現(xiàn)，等到發(fā)現(xiàn)時(shí)火源已經(jīng)發(fā)展到一定階段;而人為縱火這類突發(fā)性事件往往造成更嚴(yán)重的后果。因此該文重點(diǎn)討論車上人員無(wú)意識(shí)行為引起的行李著火和人為縱火情形。

1.2 火災(zāi)發(fā)展過(guò)程

火災(zāi)的發(fā)展分為“陰燃階段—初期增長(zhǎng)階段—充分發(fā)展階段—衰退階段”，通?；馂?zāi)的初期發(fā)展階段采用“時(shí)間-平方火災(zāi)（t-square fire）”模型來(lái)進(jìn)行描述[2]：

（1）

式（1）中，α為火災(zāi)增長(zhǎng)系數(shù)（kW/s2）;t為點(diǎn)火后的時(shí)間（s）。對(duì)于不同可燃材料，α的參考值如表1所示。

對(duì)于人為縱火火災(zāi)情形，通常是通過(guò)攜帶汽油等易燃液體，在車內(nèi)潑灑并點(diǎn)燃，形成超快速發(fā)展的火勢(shì);對(duì)于行李著火的情形，瑞典梅拉達(dá)倫大學(xué)對(duì)大規(guī)模運(yùn)輸系統(tǒng)中攜帶行李的火災(zāi)載荷進(jìn)行燃燒試驗(yàn)，天津消防研究所對(duì)人均旅客行李質(zhì)量分別為10 kg、20 kg兩種情況的熱釋放速率進(jìn)行燃燒試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果均表明，行李著火后火源發(fā)展介于快速火和中速火之間[3-4]。

因此，該文重點(diǎn)討論人為縱火和行李著火的情形，火源發(fā)展階段選取超快速火和快速火兩種情形，選取100 kW、150 kW、200 kW、250 kW、300 kW等不同火源功率進(jìn)行模擬分析。

1.3 煙氣對(duì)人員疏散的影響

1.3.1 能見(jiàn)度

煙氣由于刺激、窒息和降低能見(jiàn)度的作用而使人的運(yùn)動(dòng)速度降低。FDS Evac中采用Frantzich和Nilsson的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和速度隨煙氣濃度增加而降低的關(guān)系式[5]：

v（Ks）=α+βKs （2）

式（2）中，Ks為消光系數(shù)，m-1;α=0.706 m/s，β=-0.057 m2/s。

FDS Evac軟件中，人員不會(huì)因?yàn)闊煔鉂舛冗^(guò)大而停止運(yùn)動(dòng)，而是以設(shè)定的最小速度緩慢地運(yùn)動(dòng)，直至由于毒性而喪失行動(dòng)能力。

1.3.2 毒性

煙氣毒性是造成火災(zāi)人員傷亡的主要因素之一。而煙氣毒性主要來(lái)自于CO，CO經(jīng)呼吸道吸入后，通過(guò)肺泡進(jìn)入血液循環(huán)，立即形成碳氧血紅蛋白，使血紅蛋白失去攜帶氧氣的能力。當(dāng)人眼高度處于CO濃度為500 ppm時(shí)，8 h內(nèi)對(duì)人的影響并不是很大;后達(dá)到2 000 ppm時(shí)，2 h內(nèi)會(huì)出現(xiàn)頭暈、惡心癥狀。該文選取CO濃度達(dá)到2 000 ppm為臨界危險(xiǎn)值。

除去CO的影響以外，煙氣中多種有毒氣體成分的綜合毒性通常用相對(duì)有效暴露劑量（Fractional Effective Dose，F(xiàn)ED）來(lái)衡量，F(xiàn)ED的計(jì)算如下[6]。

（3）

式（3）中，F(xiàn)EDCO為CO單一作用下使人喪失行動(dòng)能力的計(jì)量分?jǐn)?shù);FEDCN為氰化物單一作用下使人喪失行動(dòng)能力的計(jì)量分?jǐn)?shù);為氮氧化物單一作用下使人喪失行動(dòng)能力的計(jì)量分?jǐn)?shù)，主要指NO和NO2的總和;FLDirr為致死計(jì)量分?jǐn)?shù)，主要包含HCl、HBr、HF、SO2、NO2、C3H4O、CH2O等致死成分在某段時(shí)間內(nèi)的暴露劑量;表征由于CO2含量升高，導(dǎo)致人員過(guò)度換氣的影響;表示缺氧使人喪失行動(dòng)能力的計(jì)量分?jǐn)?shù)。當(dāng)FED=1時(shí)，判定人沒(méi)有行動(dòng)能力。該文分別對(duì)主要毒害氣體成分CO和煙氣綜合毒性指標(biāo)FED進(jìn)行計(jì)算分析。

1.3.3 高溫

空氣溫度過(guò)高會(huì)導(dǎo)致熱沖擊（中暑）和燒傷。在空氣溫度達(dá)到或高于100 ℃時(shí)，人一般只能忍受幾分鐘;人一般無(wú)法呼吸溫度高達(dá)65 ℃的空氣[7]。該文取人眼高度處溫度達(dá)到65 ℃為臨界危險(xiǎn)溫度。

2 ?模擬仿真條件與方法

2.1 煙氣計(jì)算模型

選取CRH某車型二等座中部著火的情形，建立車廂中部火災(zāi)煙氣計(jì)算模型，邊界條件的設(shè)置，如圖1所示。

2.2 人員疏散參數(shù)設(shè)置

選取CRH某車型二等座中部著火的情形，建立車廂中部人員疏散計(jì)算模型，如圖2所示。

綜合文獻(xiàn)[8-12]的相關(guān)數(shù)據(jù)可知，人員參數(shù)的設(shè)置具體見(jiàn)表2數(shù)據(jù)。

由于車內(nèi)乘客對(duì)疏散出口十分熟悉，不會(huì)出現(xiàn)建筑火災(zāi)中優(yōu)先選擇熟悉出口，且在人員不跨越火區(qū)的前提下，人員可以通過(guò)的出口唯一，不會(huì)出現(xiàn)發(fā)現(xiàn)出口不滿足疏散條件后折返的現(xiàn)象。

該文人員疏散模型條件假設(shè)為：（1）人員在疏散過(guò)程中不攜帶行李;（2）人員在疏散過(guò)程中按指定出口疏散，不會(huì)在疏散過(guò)程中產(chǎn)生擁堵現(xiàn)象;（3）人員在疏散過(guò)程中不考慮結(jié)伴等群組現(xiàn)象;（4）在能見(jiàn)度達(dá)到嚴(yán)重阻礙人員前進(jìn)的程度而煙氣溫度和毒性尚沒(méi)有對(duì)人員造成傷害時(shí)，默認(rèn)人員以最小行走速度繼續(xù)前進(jìn)，直至疏散成功或者死亡。

3 ?煙氣危險(xiǎn)性分析

3.1 溫度分布規(guī)律

設(shè)定火災(zāi)情形下，車廂內(nèi)煙氣溫度分布具體見(jiàn)圖3所示。100 s時(shí)200 kW以上的火源情形已經(jīng)使得人員路徑上的測(cè)點(diǎn)3位置處溫度達(dá)到危險(xiǎn)標(biāo)準(zhǔn)。而隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，100 s以后測(cè)點(diǎn)9位置處溫度也逐步超過(guò)臨界危險(xiǎn)狀態(tài)值。其余測(cè)點(diǎn)除火源中心處溫度繼續(xù)升高以外，人眼高度處溫度基本保持在臨界危險(xiǎn)狀態(tài)溫度以下，且增長(zhǎng)速度相對(duì)緩慢。

3.2 CO及FED分布規(guī)律

設(shè)定火災(zāi)情形下，車廂內(nèi)煙氣毒性指標(biāo)分布具體見(jiàn)圖4所示。對(duì)于車內(nèi)煙氣毒性進(jìn)行分析，在200 s以內(nèi)，車廂內(nèi)煙氣毒性遠(yuǎn)小于臨界危險(xiǎn)標(biāo)準(zhǔn)。

3.3 出口可見(jiàn)度分布規(guī)律

車廂一位端與二位端端門處能見(jiàn)度變化情況具體見(jiàn)圖5所示?？梢钥闯?，同一火災(zāi)發(fā)展速率，不同火源功率大小的條件下，兩端端門處的能見(jiàn)度達(dá)到限值的時(shí)間幾乎相同。而超快速火源情形下，出口處能見(jiàn)度達(dá)到5 m以下的時(shí)刻約為35 s，早于快速火源發(fā)展情形下，出口能見(jiàn)度達(dá)到限值的時(shí)間（50 s）。

4 ?人員安全性分析

基于對(duì)以上車廂內(nèi)煙氣環(huán)境危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)指標(biāo)可以看出，人員疏散的安全性主要取決于人員疏散路徑上的溫度分布。當(dāng)火源功率小于或等于150 kW時(shí)，200 s以內(nèi)，車內(nèi)人員不會(huì)因?yàn)楦邷鼗蚨拘允艿絺Γ珪?huì)由于車內(nèi)能見(jiàn)度的降低，行走速度減小;當(dāng)火源功率大于或等于150 kW時(shí)100 s左右測(cè)點(diǎn)3及測(cè)點(diǎn)9處溫度達(dá)到且最先達(dá)到危險(xiǎn)溫度，經(jīng)分析，測(cè)點(diǎn)3位于走道入口，煙氣從客室進(jìn)入走道時(shí)，由于空間突然減小，存在突變，使得測(cè)點(diǎn)3位置的煙氣濃度增大，疏散環(huán)境進(jìn)一步惡劣。

而對(duì)煙氣毒性進(jìn)行分析，CO濃度始終遠(yuǎn)小于危險(xiǎn)臨界值2 000 ppm，F(xiàn)ED值也小于1，可以判定車廂內(nèi)的煙氣毒性不會(huì)阻礙人員安全疏散。

綜上所述，對(duì)于不同火源情況下，可用安全疏散時(shí)間（ASET）和所需安全疏散時(shí)間（RSET）具體見(jiàn)表3所示。

由表3可知，由于煙氣的影響，隨著火災(zāi)發(fā)展越快、火源功率越大，人員所需安全疏散時(shí)間越長(zhǎng)。對(duì)于該文所分析的不同工況，車廂內(nèi)人員基本能在200 s以內(nèi)全部轉(zhuǎn)移到相鄰車廂。結(jié)合以上對(duì)人員疏散路徑上的溫度、CO濃度變化情況可知，100 s以后，車廂內(nèi)的煙氣溫度、CO濃度分布情況達(dá)到穩(wěn)定，火源功率在150 kW以內(nèi)時(shí)，人員可以安全疏散。

5 ?結(jié)語(yǔ)

該文對(duì)不同火源情形下高速列車二等座車廂中部著火的情形進(jìn)行火災(zāi)煙氣數(shù)值計(jì)算和人員疏散仿真分析，得到車廂內(nèi)煙氣分布規(guī)律和人員所需安全疏散時(shí)間的值。

對(duì)于超快速發(fā)展和快速發(fā)展的火災(zāi)，當(dāng)火源充分發(fā)展階段功率達(dá)到150 kW時(shí)，在人員疏散路徑上，由于溫度的影響，100 s左右已經(jīng)達(dá)到危險(xiǎn)狀態(tài)，可用安全疏散時(shí)間小于所需安全疏散時(shí)間，可判定人員疏散不安全。因此，對(duì)于車廂中部著火，火源為快速發(fā)展情況下，人員安全疏散的火源功率臨界值為150 kW。

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