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摘要:

熱釋放速率(HRR)是影響火災(zāi)發(fā)展和嚴(yán)重程度的重要指標(biāo)。受自身結(jié)構(gòu)影響，鐵路隧道內(nèi)旅客列車一旦發(fā)生火災(zāi)，影響極為嚴(yán)重，因此需在確定熱釋放速率的前提下對(duì)隧道火災(zāi)進(jìn)行預(yù)防設(shè)計(jì)，但目前并無針對(duì)我國(guó)普通旅客列車和動(dòng)車組的實(shí)車試驗(yàn)成果可供設(shè)計(jì)采用。為此，在充分調(diào)研歐洲、美國(guó)等國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)HRR的有關(guān)研究成果和規(guī)定的基礎(chǔ)上，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)我國(guó)鐵路列車參數(shù)及乘車人特征，通過數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)對(duì)比分析的方法，得到不同火災(zāi)增長(zhǎng)速率(FGR)條件下，最高溫度和HRR之間的關(guān)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(jié)合國(guó)外大尺寸列車火災(zāi)試驗(yàn)曲線，對(duì)不同火災(zāi)規(guī)模、不同F(xiàn)GR下列車HRR峰值展開研究，最終確定動(dòng)車組的HRR峰值為15MW，普通旅客列車的HRR峰值為20MW，F(xiàn)GR為慢速，為防災(zāi)規(guī)范的修訂和相關(guān)工程設(shè)計(jì)提供理論支撐。

關(guān)鍵詞:

鐵路隧道;列車火災(zāi);熱釋放速率;火災(zāi)增長(zhǎng)速率;數(shù)值模擬;現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

鐵路隧道重大災(zāi)害主要有火災(zāi)、碰撞和脫軌，由于隧道環(huán)境的特殊性，一旦客運(yùn)列車發(fā)生火災(zāi)，將造成災(zāi)難性后果，國(guó)際鐵路聯(lián)盟UIC認(rèn)為火災(zāi)是鐵路隧道最為嚴(yán)重的災(zāi)害［1］，國(guó)際隧道協(xié)會(huì)ITA、國(guó)際道路協(xié)會(huì)PIARC及歐洲各國(guó)均對(duì)隧道火災(zāi)開展了大量研究［2］。熱釋放速率是反映火災(zāi)規(guī)模和預(yù)測(cè)火災(zāi)危險(xiǎn)程度最重要的指標(biāo)［3］，其值的確定是防災(zāi)疏散救援工程設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)和難點(diǎn)。歐盟互通性技術(shù)規(guī)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(zāi)發(fā)生概率和減小火災(zāi)規(guī)模［4-5］，美國(guó)有軌列車和乘客軌道系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)針對(duì)火災(zāi)場(chǎng)景的設(shè)計(jì)給出了一些參考信息，但并未明確列車熱釋放速率與時(shí)間的發(fā)展規(guī)律［6］。目前國(guó)內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)缺乏隧道列車火災(zāi)最大熱釋放速率的相關(guān)條文，我國(guó)望京鐵路隧道在防災(zāi)設(shè)計(jì)中采用的熱釋放速率峰值為14MW［7］，關(guān)角鐵路隧道在防災(zāi)設(shè)計(jì)中采用的熱釋放速率峰值為20MW［8］，陳俊敏等采用車體內(nèi)材料和行李的燃燒性能作為輸入?yún)?shù)進(jìn)行數(shù)值模擬，得到CRH1型動(dòng)車組一等座車廂的最大熱釋放速率為15.38MW［9］，國(guó)內(nèi)外學(xué)者在研究過程中采用的列車火災(zāi)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(zāi)中可燃物成分及燃燒是否充分等諸多因素有關(guān)，目前主要依據(jù)半經(jīng)驗(yàn)的理論公式或國(guó)外的火災(zāi)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)測(cè)，對(duì)于我國(guó)普通旅客列車和動(dòng)車組熱釋放速率的相關(guān)研究尚處于空白階段，嚴(yán)重制約了我國(guó)鐵路隧道防災(zāi)疏散救援工程的設(shè)計(jì)。通過數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)對(duì)比分析的方法，得到熱釋放速率與最高溫度及火災(zāi)增長(zhǎng)速率的關(guān)系，并結(jié)合列車火災(zāi)試驗(yàn)曲線，最終確定鐵路隧道火災(zāi)的列車最大熱釋放速率及火災(zāi)增長(zhǎng)速率。

1大尺寸火災(zāi)試驗(yàn)及列車參數(shù)

自20世紀(jì)60年代開始，隧道列車火災(zāi)頻發(fā)驅(qū)動(dòng)了軌道客車火災(zāi)研究的發(fā)展和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的制定和修改。歐洲、美國(guó)、日本等國(guó)家及地區(qū)的研究機(jī)構(gòu)先后開展了列車材料特性測(cè)試、火災(zāi)動(dòng)力學(xué)、火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)分析等一系列研究項(xiàng)目，由于全尺寸隧道列車火災(zāi)試驗(yàn)的成本太高，有關(guān)隧道列車火災(zāi)熱釋放速率的公開數(shù)據(jù)很少，具體見表1［16］。通過表1可以看出，各國(guó)進(jìn)行火災(zāi)試驗(yàn)所得到的不同車型的最大熱釋放速率并無統(tǒng)一的結(jié)論。在以上大尺寸的隧道列車火災(zāi)試驗(yàn)中，具有代表性的是歐洲九國(guó)聯(lián)合開展的EUREKA項(xiàng)目，它是迄今為止最大范圍和規(guī)模的隧道火災(zāi)試驗(yàn)項(xiàng)目，是20世紀(jì)90年代初在挪威一個(gè)廢棄的隧道內(nèi)進(jìn)行的一系列火災(zāi)試驗(yàn)，包括城際列車、地鐵列車、小汽車、木垛等全尺寸實(shí)體火災(zāi)試驗(yàn)。表2為試驗(yàn)所用部分列車的尺寸、材料及火源荷載［16-17］。為對(duì)比分析我國(guó)旅客列車的熱釋放速率，測(cè)量和統(tǒng)計(jì)我國(guó)旅客列車車廂尺寸及可燃物類別見表3、表4。通過對(duì)比表2～表4可以看出，我國(guó)旅客列車與試驗(yàn)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(guó)新型動(dòng)車組大量采用了阻燃材料，均滿足防火設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)［18］，故其熱釋放速率峰值應(yīng)較國(guó)內(nèi)普通旅客列車小。

2列車火災(zāi)增長(zhǎng)速率

火災(zāi)增長(zhǎng)速率的計(jì)算需綜合考慮可燃物、通風(fēng)風(fēng)速等外界環(huán)境的影響。在美國(guó)消防協(xié)會(huì)SFPE(SocietyofFireProtectionEngineers)的分類中，將火災(zāi)的發(fā)展分為超快速、快速、中速和慢速4種類型［19］。不同火災(zāi)發(fā)展級(jí)別的火災(zāi)增長(zhǎng)速率，以及與典型可燃材料的對(duì)應(yīng)關(guān)系如表5所示。基于調(diào)研發(fā)現(xiàn):乘客人均所攜帶的行李質(zhì)量約為3.9kg，最大的行李質(zhì)量約為11kg。在所有旅客中，探親旅客行李較多，多數(shù)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(zhì)量在6.37kg左右。天津消防所據(jù)此開展了實(shí)驗(yàn)研究，獲得了旅客攜帶行李的燃燒發(fā)展速度曲線，經(jīng)比對(duì)，行李的增長(zhǎng)速率為慢速，如圖1所示。

3熱釋放速率與最高溫度及火災(zāi)增長(zhǎng)速率的關(guān)系

3.1熱釋放速率與最高溫度的關(guān)系

對(duì)于隧道火災(zāi)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(duì)不同縱向通風(fēng)速率下隧道火災(zāi)時(shí)火源區(qū)域附近的溫度進(jìn)行研究，通過對(duì)試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)的擬合分析，得到了預(yù)測(cè)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(fēng)風(fēng)速、隧道斷面等存在直接關(guān)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(zāi)增長(zhǎng)速率的關(guān)系

為獲得不同列車的熱釋放速率峰值，需基于試驗(yàn)溫度曲線反推火災(zāi)規(guī)模及火災(zāi)增長(zhǎng)速率。為此，運(yùn)用三維CFD模擬軟件FDS進(jìn)行數(shù)值模擬。模型尺寸寬8m，高9m，長(zhǎng)900m，各類車廂尺寸按實(shí)際量測(cè)的表3選取，所用材料為不銹鋼，火源位于車廂中部，計(jì)算工況見表6。隧道無通風(fēng)，以火源位置前后200m的拱頂溫度為監(jiān)測(cè)點(diǎn)。通過計(jì)算，得到不同增長(zhǎng)速率下的溫度曲線如圖2所示。通過以上結(jié)果可以看出:圖2(a)所示的慢速增長(zhǎng)速率下，隨HRR的增大溫度逐漸升高，具體為:HRR峰值為5MW時(shí)，火源點(diǎn)位置拱頂最高溫度達(dá)到近550℃;HRR峰值為10MW時(shí)，火源點(diǎn)位置拱頂最高溫度達(dá)到850℃;HRR峰值為15MW時(shí)，火源點(diǎn)位置拱頂最高溫度達(dá)到900℃;HRR峰值為20MW的情況下，火源點(diǎn)位置拱頂最高溫度稍高于1000℃。圖2(b)所示的中速增長(zhǎng)速率下規(guī)律相似。HRR峰值為5MW時(shí)，火源點(diǎn)位置拱頂最高溫度達(dá)到600℃;HRR峰值為10MW的情況下，火源點(diǎn)位置拱頂最高溫度達(dá)到1000℃;HRR峰值為15MW時(shí)，火源點(diǎn)位置拱頂最高溫度達(dá)到1200℃;HRR峰值為20MW時(shí)，火源點(diǎn)位置拱頂最高溫度接近1250℃。圖2(c)的快速增長(zhǎng)速率下規(guī)律相似。HRR峰值為5MW時(shí)，火源點(diǎn)位置拱頂最高溫度達(dá)到650℃，HRR峰值為10MW時(shí)，火源點(diǎn)位置拱頂最高溫度達(dá)到1150℃;HRR峰值為15MW時(shí)，火源點(diǎn)位置拱頂最高溫度達(dá)到1250℃;HRR峰值為20MW時(shí)，火源點(diǎn)位置拱頂最高溫度約為1350℃。由以上分析可以看出，不同火災(zāi)增長(zhǎng)速率條件下，最高溫度和熱釋放速率之間的關(guān)系比較相似;但是在同一種火災(zāi)增長(zhǎng)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(jù)國(guó)外現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)(圖3)，可以確定IC－Wage城際列車單節(jié)車廂燃燒的最高溫度達(dá)到700℃;ICE－Wagen(st)城際特快列車單節(jié)車廂燃燒的最高溫度達(dá)到850℃;1/2ICE(AL)+1/2D－zug混合編組普通列車燃燒的最高溫度達(dá)到1000℃。基于隧道火災(zāi)最高溫度與火災(zāi)規(guī)模的關(guān)系，結(jié)合列車火災(zāi)試驗(yàn)曲線，對(duì)數(shù)值計(jì)算和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)進(jìn)行對(duì)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(diǎn)50m的位置，拱頂溫度在360℃左右。距離火源點(diǎn)100m的位置，拱頂溫度在220℃左右。10MW，中速情況下，在距離火源點(diǎn)50m的位置，拱頂溫度在400℃左右。距離火源點(diǎn)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(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)最高溫度對(duì)比。表8為各工況最高溫度與城際列車的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)最高溫度對(duì)比。表9為各工況最高溫度與城際特快列車的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)最高溫度對(duì)比。根據(jù)熱釋放速率與溫度的關(guān)系，以及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)與數(shù)值模擬的對(duì)比，可以發(fā)現(xiàn)10～15MW，慢速的火災(zāi)最高溫度與城際特快列車現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)符合較好;15～20MW，慢速的火災(zāi)最高溫度與普通列車符合較好。結(jié)合目前我國(guó)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(zāi)增長(zhǎng)速率見表10。

5結(jié)論

本文為探究我國(guó)鐵路旅客列車火災(zāi)熱釋放速率及火災(zāi)增長(zhǎng)速率的規(guī)律，在調(diào)研了歐洲、美國(guó)等國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)火災(zāi)規(guī)模的有關(guān)研究成果和規(guī)定的基礎(chǔ)上，根據(jù)天津消防研究所關(guān)于旅客攜帶行李的燃燒發(fā)展速度曲線的研究，基于熱釋放速率峰值與最高溫度的關(guān)系，對(duì)比分析數(shù)值計(jì)算和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果，結(jié)合我國(guó)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(fā)生火災(zāi)時(shí)的熱釋放速率峰值為20MW，動(dòng)車組發(fā)生火災(zāi)時(shí)的熱釋放速率峰值為15MW，火災(zāi)增長(zhǎng)速率為慢速。

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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(xué)交通隧道工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 中國(guó)鐵路經(jīng)濟(jì)規(guī)劃研究院