列车车厢内火源发展对人员疏散的影响分析

李盎 曹松

摘  要：结合列车火灾发生的典型原因分析，该文针对不同火源条件下的车厢火灾烟气分布及人员疏散安全性进行仿真分析。通过建立FDS车内火灾烟气数值计算模型，对不同火源发展速度、火源功率条件下车厢中部着火情形的烟气分布进行数值计算，得到了车厢内温度、CO浓度、出口处可见度随时间和位置变化的分布规律，并基于人员疏散危险性分析给出影响人员安全疏散的火源发展限值。

关键词：高速列车  烟气分布  火灾危险性  人员疏散

中图分类号：U458                           文献标识码：A文章编号：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

隨着我国轨道交通的快速发展，高速列车极大地提高了人们的出行效率。但是，与普通建筑相比，车厢环境更加密闭，人员繁杂，不可控因素众多，人员密度大且疏散空间狭窄。一旦在车厢内部发生火灾，火灾产生的热烟气会很快充满整个车厢，降低车内能见度，对车内乘客的疏散造成阻碍，而烟气的高温及毒性会对乘客的人身安全造成极大的威胁。

统计结果表明，火灾中有85%以上的死亡者是死于烟气影响。火灾烟气分布不仅决定着人员疏散环境的安全性，也影响人员疏散的效率。对于不同着火原因，不同可燃材料起火，火源功率的大小和发展速率存在差异，从而导致车厢内的烟气分布和疏散环境存在差异。该文通过FDS建立车厢火灾烟气计算模型，分析不同火源情况下车厢内的温度、CO浓度分布情况，并通过FDS Evac模拟计算不同火源情形下的车厢人员疏散情况，讨论火源发展对人员疏散的影响。

1  高速列车人员疏散情形

1.1 着火原因及火源位置

车厢内部产生的火灾主要类型主要分为列车内部的电气设备短路发生火灾、列车上人员无意识行为引起火灾、人为纵火等[1]。由于列车上人员的无意识行为，如携带易燃易爆物品，引起行李着火在初期发展阶段很难被发现，等到发现时火源已经发展到一定阶段;而人为纵火这类突发性事件往往造成更严重的后果。因此该文重点讨论车上人员无意识行为引起的行李着火和人为纵火情形。

1.2 火灾发展过程

火灾的发展分为“阴燃阶段—初期增长阶段—充分发展阶段—衰退阶段”，通常火灾的初期发展阶段采用“时间-平方火灾（t-square fire）”模型来进行描述[2]：

（1）

式（1）中，α为火灾增长系数（kW/s2）;t为点火后的时间（s）。对于不同可燃材料，α的参考值如表1所示。

对于人为纵火火灾情形，通常是通过携带汽油等易燃液体，在车内泼洒并点燃，形成超快速发展的火势;对于行李着火的情形，瑞典梅拉达伦大学对大规模运输系统中携带行李的火灾载荷进行燃烧试验，天津消防研究所对人均旅客行李质量分别为10 kg、20 kg两种情况的热释放速率进行燃烧试验，试验结果均表明，行李着火后火源发展介于快速火和中速火之间[3-4]。

因此，该文重点讨论人为纵火和行李着火的情形，火源发展阶段选取超快速火和快速火两种情形，选取100 kW、150 kW、200 kW、250 kW、300 kW等不同火源功率进行模拟分析。

1.3 烟气对人员疏散的影响

1.3.1 能见度

烟气由于刺激、窒息和降低能见度的作用而使人的运动速度降低。FDS Evac中采用Frantzich和Nilsson的实验数据和速度随烟气浓度增加而降低的关系式[5]：

v（Ks）=α+βKs （2）

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

FDS Evac軟件中，人员不会因为烟气浓度过大而停止运动，而是以设定的最小速度缓慢地运动，直至由于毒性而丧失行动能力。

1.3.2 毒性

烟气毒性是造成火灾人员伤亡的主要因素之一。而烟气毒性主要来自于CO，CO经呼吸道吸入后，通过肺泡进入血液循环，立即形成碳氧血红蛋白，使血红蛋白失去携带氧气的能力。当人眼高度处于CO浓度为500 ppm时，8 h内对人的影响并不是很大;后达到2 000 ppm时，2 h内会出现头晕、恶心症状。该文选取CO浓度达到2 000 ppm为临界危险值。

除去CO的影响以外，烟气中多种有毒气体成分的综合毒性通常用相对有效暴露剂量（Fractional Effective Dose，FED）来衡量，FED的计算如下[6]。

（3）

式（3）中，FEDCO为CO单一作用下使人丧失行动能力的计量分数;FEDCN为氰化物单一作用下使人丧失行动能力的计量分数;为氮氧化物单一作用下使人丧失行动能力的计量分数，主要指NO和NO2的总和;FLDirr为致死计量分数，主要包含HCl、HBr、HF、SO2、NO2、C3H4O、CH2O等致死成分在某段时间内的暴露剂量;表征由于CO2含量升高，导致人员过度换气的影响;表示缺氧使人丧失行动能力的计量分数。当FED=1时，判定人没有行动能力。该文分别对主要毒害气体成分CO和烟气综合毒性指标FED进行计算分析。

1.3.3 高温

空气温度过高会导致热冲击（中暑）和烧伤。在空气温度达到或高于100 ℃时，人一般只能忍受几分钟;人一般无法呼吸温度高达65 ℃的空气[7]。该文取人眼高度处温度达到65 ℃为临界危险温度。

2  模拟仿真条件与方法

2.1 烟气计算模型

选取CRH某车型二等座中部着火的情形，建立车厢中部火灾烟气计算模型，边界条件的设置，如图1所示。

2.2 人员疏散参数设置

选取CRH某车型二等座中部着火的情形，建立车厢中部人员疏散计算模型，如图2所示。

综合文献[8-12]的相关数据可知，人员参数的设置具体见表2数据。

由于车内乘客对疏散出口十分熟悉，不会出现建筑火灾中优先选择熟悉出口，且在人员不跨越火区的前提下，人员可以通过的出口唯一，不会出现发现出口不满足疏散条件后折返的现象。

该文人员疏散模型条件假设为：（1）人员在疏散过程中不携带行李;（2）人员在疏散过程中按指定出口疏散，不会在疏散过程中产生拥堵现象;（3）人员在疏散过程中不考虑结伴等群组现象;（4）在能见度达到严重阻碍人员前进的程度而烟气温度和毒性尚没有对人员造成伤害时，默认人员以最小行走速度继续前进，直至疏散成功或者死亡。

3  烟气危险性分析

3.1 温度分布规律

设定火灾情形下，车厢内烟气温度分布具体见图3所示。100 s时200 kW以上的火源情形已经使得人员路径上的测点3位置处温度达到危险标准。而随着时间的延长，100 s以后测点9位置处温度也逐步超过临界危险状态值。其余测点除火源中心处温度继续升高以外，人眼高度处温度基本保持在临界危险状态温度以下，且增长速度相对缓慢。

3.2 CO及FED分布规律

设定火灾情形下，车厢内烟气毒性指标分布具体见图4所示。对于车内烟气毒性进行分析，在200 s以内，车厢内烟气毒性远小于临界危险标准。

3.3 出口可见度分布规律

车厢一位端与二位端端门处能见度变化情况具体见图5所示。可以看出，同一火灾发展速率，不同火源功率大小的条件下，两端端门处的能见度达到限值的时间几乎相同。而超快速火源情形下，出口处能见度达到5 m以下的时刻约为35 s，早于快速火源发展情形下，出口能见度达到限值的时间（50 s）。

4  人员安全性分析

基于对以上车厢内烟气环境危险性评价指标可以看出，人员疏散的安全性主要取决于人员疏散路径上的温度分布。当火源功率小于或等于150 kW时，200 s以内，车内人员不会因为高温或毒性受到伤害，但会由于车内能见度的降低，行走速度减小;当火源功率大于或等于150 kW时100 s左右测点3及测点9处温度达到且最先达到危险温度，经分析，测点3位于走道入口，烟气从客室进入走道时，由于空间突然减小，存在突变，使得测点3位置的烟气浓度增大，疏散环境进一步恶劣。

而对烟气毒性进行分析，CO浓度始终远小于危险临界值2 000 ppm，FED值也小于1，可以判定车厢内的烟气毒性不会阻碍人员安全疏散。

综上所述，对于不同火源情况下，可用安全疏散时间（ASET）和所需安全疏散时间（RSET）具体见表3所示。

由表3可知，由于烟气的影响，随着火灾发展越快、火源功率越大，人员所需安全疏散时间越长。对于该文所分析的不同工况，车厢内人员基本能在200 s以内全部转移到相邻车厢。结合以上对人员疏散路径上的温度、CO浓度变化情况可知，100 s以后，车厢内的烟气温度、CO浓度分布情况达到稳定，火源功率在150 kW以内时，人员可以安全疏散。

5  结语

该文对不同火源情形下高速列车二等座车厢中部着火的情形进行火灾烟气数值计算和人员疏散仿真分析，得到车厢内烟气分布规律和人员所需安全疏散时间的值。

对于超快速发展和快速发展的火灾，当火源充分发展阶段功率达到150 kW时，在人员疏散路径上，由于温度的影响，100 s左右已经达到危险状态，可用安全疏散时间小于所需安全疏散时间，可判定人员疏散不安全。因此，对于车厢中部着火，火源为快速发展情况下，人员安全疏散的火源功率临界值为150 kW。

参考文献

[1] 于恒.基于火灾动力学与人群疏散模拟的地铁车站火灾安全疏散问题研究[D].华南理工大学，2020.

[2] 白娇娇.基于BIM的地铁车站火灾模拟与疏散研究[D].石家庄铁道大学，2020.

[3] 李毅.天消所开展地铁车厢燃烧性能实体火灾实验[EB/OL].（2015-01-19）[2018-04-30].https：//www.info.fire.hc360.com/2015/01/191432848274.shtml.

[4] 朱杰，马金梅，程奉梅，等.火焰引燃高速列车行李燃烧特性全尺寸试验研究[J].安全与环境学报，2017，17（5）：1772-1776.

[5] Frantzich H，Nilsson D.Utrymning genom ttrk： beteende och frflyttning[D].Sweden：Lund University，2003.

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