李盎 曹松

摘 ?要：結合列車火災發(fā)生的典型原因分析，該文針對不同火源條件下的車廂火災煙氣分布及人員疏散安全性進行仿真分析。通過建立FDS車內火災煙氣數(shù)值計算模型，對不同火源發(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行數(shù)值計算，得到了車廂內溫度、CO濃度、出口處可見度隨時間和位置變化的分布規(guī)律，并基于人員疏散危險性分析給出影響人員安全疏散的火源發(fā)展限值。

關鍵詞：高速列車 ?煙氣分布 ?火災危險性 ?人員疏散

中圖分類號：U458 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A文章編號：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。一旦在車廂內部發(fā)生火災，火災產(chǎn)生的熱煙氣會很快充滿整個車廂，降低車內能見度，對車內乘客的疏散造成阻礙，而煙氣的高溫及毒性會對乘客的人身安全造成極大的威脅。

統(tǒng)計結果表明，火災中有85%以上的死亡者是死于煙氣影響?；馂臒煔夥植疾粌H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，從而導致車廂內的煙氣分布和疏散環(huán)境存在差異。該文通過FDS建立車廂火災煙氣計算模型，分析不同火源情況下車廂內的溫度、CO濃度分布情況，并通過FDS Evac模擬計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

車廂內部產(chǎn)生的火災主要類型主要分為列車內部的電氣設備短路發(fā)生火災、列車上人員無意識行為引起火災、人為縱火等[1]。由于列車上人員的無意識行為，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重的后果。因此該文重點討論車上人員無意識行為引起的行李著火和人為縱火情形。

1.2 火災發(fā)展過程

火災的發(fā)展分為“陰燃階段—初期增長階段—充分發(fā)展階段—衰退階段”，通?；馂牡某跗诎l(fā)展階段采用“時間-平方火災（t-square fire）”模型來進行描述[2]：

（1）

式（1）中，α為火災增長系數(shù)（kW/s2）;t為點火后的時間（s）。對于不同可燃材料，α的參考值如表1所示。

對于人為縱火火災情形，通常是通過攜帶汽油等易燃液體，在車內潑灑并點燃，形成超快速發(fā)展的火勢;對于行李著火的情形，瑞典梅拉達倫大學對大規(guī)模運輸系統(tǒng)中攜帶行李的火災載荷進行燃燒試驗，天津消防研究所對人均旅客行李質量分別為10 kg、20 kg兩種情況的熱釋放速率進行燃燒試驗，試驗結果均表明，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等不同火源功率進行模擬分析。

1.3 煙氣對人員疏散的影響

1.3.1 能見度

煙氣由于刺激、窒息和降低能見度的作用而使人的運動速度降低。FDS Evac中采用Frantzich和Nilsson的實驗數(shù)據(jù)和速度隨煙氣濃度增加而降低的關系式[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，人員不會因為煙氣濃度過大而停止運動，而是以設定的最小速度緩慢地運動，直至由于毒性而喪失行動能力。

1.3.2 毒性

煙氣毒性是造成火災人員傷亡的主要因素之一。而煙氣毒性主要來自于CO，CO經(jīng)呼吸道吸入后，通過肺泡進入血液循環(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。當人眼高度處于CO濃度為500 ppm時，8 h內對人的影響并不是很大;后達到2 000 ppm時，2 h內會出現(xiàn)頭暈、惡心癥狀。該文選取CO濃度達到2 000 ppm為臨界危險值。

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有效暴露劑量（Fractional Effective Dose，F(xiàn)ED）來衡量，F(xiàn)ED的計算如下[6]。

（3）

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

1.3.3 高溫

空氣溫度過高會導致熱沖擊（中暑）和燒傷。在空氣溫度達到或高于100 ℃時，人一般只能忍受幾分鐘;人一般無法呼吸溫度高達65 ℃的空氣[7]。該文取人眼高度處溫度達到65 ℃為臨界危險溫度。

2 ?模擬仿真條件與方法

2.1 煙氣計算模型

選取CRH某車型二等座中部著火的情形，建立車廂中部火災煙氣計算模型，邊界條件的設置，如圖1所示。

2.2 人員疏散參數(shù)設置

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算模型，如圖2所示。

綜合文獻[8-12]的相關數(shù)據(jù)可知，人員參數(shù)的設置具體見表2數(shù)據(jù)。

由于車內乘客對疏散出口十分熟悉，不會出現(xiàn)建筑火災中優(yōu)先選擇熟悉出口，且在人員不跨越火區(qū)的前提下，人員可以通過的出口唯一，不會出現(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為：（1）人員在疏散過程中不攜帶行李;（2）人員在疏散過程中按指定出口疏散，不會在疏散過程中產(chǎn)生擁堵現(xiàn)象;（3）人員在疏散過程中不考慮結伴等群組現(xiàn)象;（4）在能見度達到嚴重阻礙人員前進的程度而煙氣溫度和毒性尚沒有對人員造成傷害時，默認人員以最小行走速度繼續(xù)前進，直至疏散成功或者死亡。

3 ?煙氣危險性分析

3.1 溫度分布規(guī)律

設定火災情形下，車廂內煙氣溫度分布具體見圖3所示。100 s時200 kW以上的火源情形已經(jīng)使得人員路徑上的測點3位置處溫度達到危險標準。而隨著時間的延長，100 s以后測點9位置處溫度也逐步超過臨界危險狀態(tài)值。其余測點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狀態(tài)溫度以下，且增長速度相對緩慢。

3.2 CO及FED分布規(guī)律

設定火災情形下，車廂內煙氣毒性指標分布具體見圖4所示。對于車內煙氣毒性進行分析，在200 s以內，車廂內煙氣毒性遠小于臨界危險標準。

3.3 出口可見度分布規(guī)律

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

4 ?人員安全性分析

基于對以上車廂內煙氣環(huán)境危險性評價指標可以看出，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。當火源功率小于或等于150 kW時，200 s以內，車內人員不會因為高溫或毒性受到傷害，但會由于車內能見度的降低，行走速度減小;當火源功率大于或等于150 kW時100 s左右測點3及測點9處溫度達到且最先達到危險溫度，經(jīng)分析，測點3位于走道入口，煙氣從客室進入走道時，由于空間突然減小，存在突變，使得測點3位置的煙氣濃度增大，疏散環(huán)境進一步惡劣。

而對煙氣毒性進行分析，CO濃度始終遠小于危險臨界值2 000 ppm，F(xiàn)ED值也小于1，可以判定車廂內的煙氣毒性不會阻礙人員安全疏散。

綜上所述，對于不同火源情況下，可用安全疏散時間（ASET）和所需安全疏散時間（RSET）具體見表3所示。

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

5 ?結語

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

對于超快速發(fā)展和快速發(fā)展的火災，當火源充分發(fā)展階段功率達到150 kW時，在人員疏散路徑上，由于溫度的影響，100 s左右已經(jīng)達到危險狀態(tài)，可用安全疏散時間小于所需安全疏散時間，可判定人員疏散不安全。因此，對于車廂中部著火，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。

參考文獻

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[6] Korhonen T， Hostikka S.Fire Dynamics Simulator with Evacuation： FDS+Evac Technical Reference and User's Guide[M].VTT Technical