铁路隧道旅客列车火灾热释放速率探析范文

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摘要:

热释放速率(HRR)是影响火灾发展和严重程度的重要指标。受自身结构影响，铁路隧道内旅客列车一旦发生火灾，影响极为严重，因此需在确定热释放速率的前提下对隧道火灾进行预防设计，但目前并无针对我国普通旅客列车和动车组的实车试验成果可供设计采用。为此，在充分调研欧洲、美国等国内外学者对HRR的有关研究成果和规定的基础上，现场实测我国铁路列车参数及乘车人特征，通过数值模拟和现场试验对比分析的方法，得到不同火灾增长速率(FGR)条件下，最高温度和HRR之间的关系类似;同一FGR条件下，随HRR峰值的增大，最高温度随之升高。并结合国外大尺寸列车火灾试验曲线，对不同火灾规模、不同FGR下列车HRR峰值展开研究，最终确定动车组的HRR峰值为15MW，普通旅客列车的HRR峰值为20MW，FGR为慢速，为防灾规范的修订和相关工程设计提供理论支撑。

关键词:

铁路隧道;列车火灾;热释放速率;火灾增长速率;数值模拟;现场试验

铁路隧道重大灾害主要有火灾、碰撞和脱轨，由于隧道环境的特殊性，一旦客运列车发生火灾，将造成灾难性后果，国际铁路联盟UIC认为火灾是铁路隧道最为严重的灾害［1］，国际隧道协会ITA、国际道路协会PIARC及欧洲各国均对隧道火灾开展了大量研究［2］。热释放速率是反映火灾规模和预测火灾危险程度最重要的指标［3］，其值的确定是防灾疏散救援工程设计的基础和难点。欧盟互通性技术规范要求在隧道建筑材料和列车材料上使用一些阻燃材料，从而降低火灾发生概率和减小火灾规模［4-5］，美国有轨列车和乘客轨道系统标准针对火灾场景的设计给出了一些参考信息，但并未明确列车热释放速率与时间的发展规律［6］。目前国内外标准缺乏隧道列车火灾最大热释放速率的相关条文，我国望京铁路隧道在防灾设计中采用的热释放速率峰值为14MW［7］，关角铁路隧道在防灾设计中采用的热释放速率峰值为20MW［8］，陈俊敏等采用车体内材料和行李的燃烧性能作为输入参数进行数值模拟，得到CRH1型动车组一等座车厢的最大热释放速率为15.38MW［9］，国内外学者在研究过程中采用的列车火灾热释放速率峰值多为5～20MW之间［10-15］，由于火源热释放速率与火灾中可燃物成分及燃烧是否充分等诸多因素有关，目前主要依据半经验的理论公式或国外的火灾试验数据进行预测，对于我国普通旅客列车和动车组热释放速率的相关研究尚处于空白阶段，严重制约了我国铁路隧道防灾疏散救援工程的设计。通过数值模拟和现场试验对比分析的方法，得到热释放速率与最高温度及火灾增长速率的关系，并结合列车火灾试验曲线，最终确定铁路隧道火灾的列车最大热释放速率及火灾增长速率。

1大尺寸火灾试验及列车参数

自20世纪60年代开始，隧道列车火灾频发驱动了轨道客车火灾研究的发展和相关标准的制定和修改。欧洲、美国、日本等国家及地区的研究机构先后开展了列车材料特性测试、火灾动力学、火灾风险分析等一系列研究项目，由于全尺寸隧道列车火灾试验的成本太高，有关隧道列车火灾热释放速率的公开数据很少，具体见表1［16］。通过表1可以看出，各国进行火灾试验所得到的不同车型的最大热释放速率并无统一的结论。在以上大尺寸的隧道列车火灾试验中，具有代表性的是欧洲九国联合开展的EUREKA项目，它是迄今为止最大范围和规模的隧道火灾试验项目，是20世纪90年代初在挪威一个废弃的隧道内进行的一系列火灾试验，包括城际列车、地铁列车、小汽车、木垛等全尺寸实体火灾试验。表2为试验所用部分列车的尺寸、材料及火源荷载［16-17］。为对比分析我国旅客列车的热释放速率，测量和统计我国旅客列车车厢尺寸及可燃物类别见表3、表4。通过对比表2～表4可以看出，我国旅客列车与试验列车的尺寸相差不大，可燃物都包括聚氨酯、聚碳酸酯、PVC材料等。由于我国新型动车组大量采用了阻燃材料，均满足防火设计标准［18］，故其热释放速率峰值应较国内普通旅客列车小。

2列车火灾增长速率

火灾增长速率的计算需综合考虑可燃物、通风风速等外界环境的影响。在美国消防协会SFPE(SocietyofFireProtectionEngineers)的分类中，将火灾的发展分为超快速、快速、中速和慢速4种类型［19］。不同火灾发展级别的火灾增长速率，以及与典型可燃材料的对应关系如表5所示。基于调研发现:乘客人均所携带的行李质量约为3.9kg，最大的行李质量约为11kg。在所有旅客中，探亲旅客行李较多，多数携带有大行李包和旅行箱，行李物品多为衣服和食品，其平均质量在6.37kg左右。天津消防所据此开展了实验研究，获得了旅客携带行李的燃烧发展速度曲线，经比对，行李的增长速率为慢速，如图1所示。

3热释放速率与最高温度及火灾增长速率的关系

3.1热释放速率与最高温度的关系

对于隧道火灾拱顶最高温度，以日本的Kurioka等人的研究最具代表性。Kurioka等人通过不同尺寸模型对不同纵向通风速率下隧道火灾时火源区域附近的温度进行研究，通过对试验所得数据的拟合分析，得到了预测隧道火源上方拱顶处最高温度的理论模型［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*为无量纲的火源热释放速率。该理论模型表明，拱顶最高温度同热释放速率和通风风速、隧道断面等存在直接关系，随着热释放速率的增大，最高温度随之升高。

3.2热释放速率和火灾增长速率的关系

为获得不同列车的热释放速率峰值，需基于试验温度曲线反推火灾规模及火灾增长速率。为此，运用三维CFD模拟软件FDS进行数值模拟。模型尺寸宽8m，高9m，长900m，各类车厢尺寸按实际量测的表3选取，所用材料为不锈钢，火源位于车厢中部，计算工况见表6。隧道无通风，以火源位置前后200m的拱顶温度为监测点。通过计算，得到不同增长速率下的温度曲线如图2所示。通过以上结果可以看出:图2(a)所示的慢速增长速率下，随HRR的增大温度逐渐升高，具体为:HRR峰值为5MW时，火源点位置拱顶最高温度达到近550℃;HRR峰值为10MW时，火源点位置拱顶最高温度达到850℃;HRR峰值为15MW时，火源点位置拱顶最高温度达到900℃;HRR峰值为20MW的情况下，火源点位置拱顶最高温度稍高于1000℃。图2(b)所示的中速增长速率下规律相似。HRR峰值为5MW时，火源点位置拱顶最高温度达到600℃;HRR峰值为10MW的情况下，火源点位置拱顶最高温度达到1000℃;HRR峰值为15MW时，火源点位置拱顶最高温度达到1200℃;HRR峰值为20MW时，火源点位置拱顶最高温度接近1250℃。图2(c)的快速增长速率下规律相似。HRR峰值为5MW时，火源点位置拱顶最高温度达到650℃，HRR峰值为10MW时，火源点位置拱顶最高温度达到1150℃;HRR峰值为15MW时，火源点位置拱顶最高温度达到1250℃;HRR峰值为20MW时，火源点位置拱顶最高温度约为1350℃。由以上分析可以看出，不同火灾增长速率条件下，最高温度和热释放速率之间的关系比较相似;但是在同一种火灾增长速率下，随热释放速率峰值的增大，最高温度也在增加。

4最大热释放速率的确定

根据国外现场试验测试数据(图3)，可以确定IC－Wage城际列车单节车厢燃烧的最高温度达到700℃;ICE－Wagen(st)城际特快列车单节车厢燃烧的最高温度达到850℃;1/2ICE(AL)+1/2D－zug混合编组普通列车燃烧的最高温度达到1000℃。基于隧道火灾最高温度与火灾规模的关系，结合列车火灾试验曲线，对数值计算和现场试验进行对比，如图4和图5所示。由图4、图5可以看出:20MW，慢速情况下，在距离火源点50m的位置，拱顶温度在360℃左右。距离火源点100m的位置，拱顶温度在220℃左右。10MW，中速情况下，在距离火源点50m的位置，拱顶温度在400℃左右。距离火源点100m的位置，拱顶温度在220℃左右。表7为各工况最高温度与普通列车的现场试验最高温度对比。表8为各工况最高温度与城际列车的现场试验最高温度对比。表9为各工况最高温度与城际特快列车的现场试验最高温度对比。根据热释放速率与温度的关系，以及现场试验与数值模拟的对比，可以发现10～15MW，慢速的火灾最高温度与城际特快列车现场试验符合较好;15～20MW，慢速的火灾最高温度与普通列车符合较好。结合目前我国旅客列车所用材料及乘车人特征，获得不同列车类型下的热释放速率峰值及火灾增长速率见表10。

5结论

本文为探究我国铁路旅客列车火灾热释放速率及火灾增长速率的规律，在调研了欧洲、美国等国内外学者对火灾规模的有关研究成果和规定的基础上，根据天津消防研究所关于旅客携带行李的燃烧发展速度曲线的研究，基于热释放速率峰值与最高温度的关系，对比分析数值计算和现场试验结果，结合我国旅客列车的所用材料及乘车人的特征，确定普通旅客列车发生火灾时的热释放速率峰值为20MW，动车组发生火灾时的热释放速率峰值为15MW，火灾增长速率为慢速。

参考文献:

［2］朱合华，彭芳乐，闫治国．国内外交通隧道火灾安全研究现状及启示［J］．民防苑，2006(S1):135-139．

［9］陈俊敏，姚小林，阎刚，钱昶．CRH1型动车组一等座车厢火源热释放速率研究［J］．中国安全生产科学技术，2014，10(1):5-10．

［12］冯炼，刘应清．地铁火灾烟气控制的数值模拟［J］．地下空间，2002，22(1):61-64.

［13］王艳飞，张建文．地铁列车火灾烟气流动及传热的数值模拟［J］．消防理论研究，2007，26(5):485-488．

［14］王迪军，罗燕萍，李梅玲．地铁隧道火灾人员疏散与烟气控制［J］．消防科学与技术，2004，23(4):345-347．

［15］杨昀，曹丽英．地铁火灾场景设计探讨［J］．自然灾害学报，2006，15(4):121-125．

［18］王孟荣．高速动车组的防火系统设计［J］．电力机车与城轨车辆，2015，38(1):40-43．

作者:代仲宇 于丽 王明年 赵勇 罗欣宇 单位:西南交通大学交通隧道工程教育部重点实验室 中国铁路经济规划研究院