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摘要:

熱釋放速率(HRR)是影響火災發展和嚴重程度的重要指標。受自身結構影響，鐵路隧道內旅客列車一旦發生火災，影響極為嚴重，因此需在確定熱釋放速率的前提下對隧道火災進行預防設計，但目前并無針對我國普通旅客列車和動車組的實車試驗成果可供設計采用。為此，在充分調研歐洲、美國等國內外學者對HRR的有關研究成果和規定的基礎上，現場實測我國鐵路列車參數及乘車人特征，通過數值模擬和現場試驗對比分析的方法，得到不同火災增長速率(FGR)條件下，最高溫度和HRR之間的關系類似;同一FGR條件下，隨HRR峰值的增大，最高溫度隨之升高。并結合國外大尺寸列車火災試驗曲線，對不同火災規模、不同FGR下列車HRR峰值展開研究，最終確定動車組的HRR峰值為15MW，普通旅客列車的HRR峰值為20MW，FGR為慢速，為防災規范的修訂和相關工程設計提供理論支撐。

關鍵詞:

鐵路隧道;列車火災;熱釋放速率;火災增長速率;數值模擬;現場試驗

鐵路隧道重大災害主要有火災、碰撞和脫軌，由于隧道環境的特殊性，一旦客運列車發生火災，將造成災難性后果，國際鐵路聯盟UIC認為火災是鐵路隧道最為嚴重的災害［1］，國際隧道協會ITA、國際道路協會PIARC及歐洲各國均對隧道火災開展了大量研究［2］。熱釋放速率是反映火災規模和預測火災危險程度最重要的指標［3］，其值的確定是防災疏散救援工程設計的基礎和難點。歐盟互通性技術規范要求在隧道建筑材料和列車材料上使用一些阻燃材料，從而降低火災發生概率和減小火災規模［4-5］，美國有軌列車和乘客軌道系統標準針對火災場景的設計給出了一些參考信息，但并未明確列車熱釋放速率與時間的發展規律［6］。目前國內外標準缺乏隧道列車火災最大熱釋放速率的相關條文，我國望京鐵路隧道在防災設計中采用的熱釋放速率峰值為14MW［7］，關角鐵路隧道在防災設計中采用的熱釋放速率峰值為20MW［8］，陳俊敏等采用車體內材料和行李的燃燒性能作為輸入參數進行數值模擬，得到CRH1型動車組一等座車廂的最大熱釋放速率為15.38MW［9］，國內外學者在研究過程中采用的列車火災熱釋放速率峰值多為5～20MW之間［10-15］，由于火源熱釋放速率與火災中可燃物成分及燃燒是否充分等諸多因素有關，目前主要依據半經驗的理論公式或國外的火災試驗數據進行預測，對于我國普通旅客列車和動車組熱釋放速率的相關研究尚處于空白階段，嚴重制約了我國鐵路隧道防災疏散救援工程的設計。通過數值模擬和現場試驗對比分析的方法，得到熱釋放速率與最高溫度及火災增長速率的關系，并結合列車火災試驗曲線，最終確定鐵路隧道火災的列車最大熱釋放速率及火災增長速率。

1大尺寸火災試驗及列車參數

自20世紀60年代開始，隧道列車火災頻發驅動了軌道客車火災研究的發展和相關標準的制定和修改。歐洲、美國、日本等國家及地區的研究機構先后開展了列車材料特性測試、火災動力學、火災風險分析等一系列研究項目，由于全尺寸隧道列車火災試驗的成本太高，有關隧道列車火災熱釋放速率的公開數據很少，具體見表1［16］。通過表1可以看出，各國進行火災試驗所得到的不同車型的最大熱釋放速率并無統一的結論。在以上大尺寸的隧道列車火災試驗中，具有代表性的是歐洲九國聯合開展的EUREKA項目，它是迄今為止最大范圍和規模的隧道火災試驗項目，是20世紀90年代初在挪威一個廢棄的隧道內進行的一系列火災試驗，包括城際列車、地鐵列車、小汽車、木垛等全尺寸實體火災試驗。表2為試驗所用部分列車的尺寸、材料及火源荷載［16-17］。為對比分析我國旅客列車的熱釋放速率，測量和統計我國旅客列車車廂尺寸及可燃物類別見表3、表4。通過對比表2～表4可以看出，我國旅客列車與試驗列車的尺寸相差不大，可燃物都包括聚氨酯、聚碳酸酯、PVC材料等。由于我國新型動車組大量采用了阻燃材料，均滿足防火設計標準［18］，故其熱釋放速率峰值應較國內普通旅客列車小。

2列車火災增長速率

火災增長速率的計算需綜合考慮可燃物、通風風速等外界環境的影響。在美國消防協會SFPE(SocietyofFireProtectionEngineers)的分類中，將火災的發展分為超快速、快速、中速和慢速4種類型［19］。不同火災發展級別的火災增長速率，以及與典型可燃材料的對應關系如表5所示。基于調研發現:乘客人均所攜帶的行李質量約為3.9kg，最大的行李質量約為11kg。在所有旅客中，探親旅客行李較多，多數攜帶有大行李包和旅行箱，行李物品多為衣服和食品，其平均質量在6.37kg左右。天津消防所據此開展了實驗研究，獲得了旅客攜帶行李的燃燒發展速度曲線，經比對，行李的增長速率為慢速，如圖1所示。

3熱釋放速率與最高溫度及火災增長速率的關系

3.1熱釋放速率與最高溫度的關系

對于隧道火災拱頂最高溫度，以日本的Kurioka等人的研究最具代表性。Kurioka等人通過不同尺寸模型對不同縱向通風速率下隧道火災時火源區域附近的溫度進行研究，通過對試驗所得數據的擬合分析，得到了預測隧道火源上方拱頂處最高溫度的理論模型［20］ΔTmaxTa=γ(Q*2/3Fr1/3)ε(1)式中，Q*2/3Fr1/3＜1．35，γ=1．77，ε=6/5;Q*2/3Fr1/3≥1．35，γ=2．54，ε=0;Q*為無量綱的火源熱釋放速率。該理論模型表明，拱頂最高溫度同熱釋放速率和通風風速、隧道斷面等存在直接關系，隨著熱釋放速率的增大，最高溫度隨之升高。

3.2熱釋放速率和火災增長速率的關系

為獲得不同列車的熱釋放速率峰值，需基于試驗溫度曲線反推火災規模及火災增長速率。為此，運用三維CFD模擬軟件FDS進行數值模擬。模型尺寸寬8m，高9m，長900m，各類車廂尺寸按實際量測的表3選取，所用材料為不銹鋼，火源位于車廂中部，計算工況見表6。隧道無通風，以火源位置前后200m的拱頂溫度為監測點。通過計算，得到不同增長速率下的溫度曲線如圖2所示。通過以上結果可以看出:圖2(a)所示的慢速增長速率下，隨HRR的增大溫度逐漸升高，具體為:HRR峰值為5MW時，火源點位置拱頂最高溫度達到近550℃;HRR峰值為10MW時，火源點位置拱頂最高溫度達到850℃;HRR峰值為15MW時，火源點位置拱頂最高溫度達到900℃;HRR峰值為20MW的情況下，火源點位置拱頂最高溫度稍高于1000℃。圖2(b)所示的中速增長速率下規律相似。HRR峰值為5MW時，火源點位置拱頂最高溫度達到600℃;HRR峰值為10MW的情況下，火源點位置拱頂最高溫度達到1000℃;HRR峰值為15MW時，火源點位置拱頂最高溫度達到1200℃;HRR峰值為20MW時，火源點位置拱頂最高溫度接近1250℃。圖2(c)的快速增長速率下規律相似。HRR峰值為5MW時，火源點位置拱頂最高溫度達到650℃，HRR峰值為10MW時，火源點位置拱頂最高溫度達到1150℃;HRR峰值為15MW時，火源點位置拱頂最高溫度達到1250℃;HRR峰值為20MW時，火源點位置拱頂最高溫度約為1350℃。由以上分析可以看出，不同火災增長速率條件下，最高溫度和熱釋放速率之間的關系比較相似;但是在同一種火災增長速率下，隨熱釋放速率峰值的增大，最高溫度也在增加。

4最大熱釋放速率的確定

根據國外現場試驗測試數據(圖3)，可以確定IC－Wage城際列車單節車廂燃燒的最高溫度達到700℃;ICE－Wagen(st)城際特快列車單節車廂燃燒的最高溫度達到850℃;1/2ICE(AL)+1/2D－zug混合編組普通列車燃燒的最高溫度達到1000℃。基于隧道火災最高溫度與火災規模的關系，結合列車火災試驗曲線，對數值計算和現場試驗進行對比，如圖4和圖5所示。由圖4、圖5可以看出:20MW，慢速情況下，在距離火源點50m的位置，拱頂溫度在360℃左右。距離火源點100m的位置，拱頂溫度在220℃左右。10MW，中速情況下，在距離火源點50m的位置，拱頂溫度在400℃左右。距離火源點100m的位置，拱頂溫度在220℃左右。表7為各工況最高溫度與普通列車的現場試驗最高溫度對比。表8為各工況最高溫度與城際列車的現場試驗最高溫度對比。表9為各工況最高溫度與城際特快列車的現場試驗最高溫度對比。根據熱釋放速率與溫度的關系，以及現場試驗與數值模擬的對比，可以發現10～15MW，慢速的火災最高溫度與城際特快列車現場試驗符合較好;15～20MW，慢速的火災最高溫度與普通列車符合較好。結合目前我國旅客列車所用材料及乘車人特征，獲得不同列車類型下的熱釋放速率峰值及火災增長速率見表10。

5結論

本文為探究我國鐵路旅客列車火災熱釋放速率及火災增長速率的規律，在調研了歐洲、美國等國內外學者對火災規模的有關研究成果和規定的基礎上，根據天津消防研究所關于旅客攜帶行李的燃燒發展速度曲線的研究，基于熱釋放速率峰值與最高溫度的關系，對比分析數值計算和現場試驗結果，結合我國旅客列車的所用材料及乘車人的特征，確定普通旅客列車發生火災時的熱釋放速率峰值為20MW，動車組發生火災時的熱釋放速率峰值為15MW，火災增長速率為慢速。

參考文獻:

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［9］陳俊敏，姚小林，閻剛，錢昶．CRH1型動車組一等座車廂火源熱釋放速率研究［J］．中國安全生產科學技術，2014，10(1):5-10．

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作者:代仲宇 于麗 王明年 趙勇 羅欣宇 單位:西南交通大學交通隧道工程教育部重點實驗室 中國鐵路經濟規劃研究院