国内外地铁消防系统研究综述

防火设计２０１０消防科技与工程学术会议论文集・５３－

国内外地铁消防系统研究综述王晓怀（汕尾市公安消防支队）摘要本文通过对国内外有关地铁消防系统的研究进行归纳总结，指出地铁消防系统的重要性，针对火灾中烟气流动特性和各种消防设施的特点进行分析，提出了在紧急情况下地铁中人员疏散的有效方法一建立疏散模型。同时，还强调必须加大对在地铁中建立消防安全系统，对火灾进行探测的监控预防技术的研究力度。关键词地铁；消防系统；疏散模型；监控预防；人员疏散

１国内外地铁火灾概况由于地铁具有运量大、速度快、干扰小、能耗低、污染轻、无废气、噪音污染，乘坐舒适等优点，１８６３年英国伦敦建世界上第一条铁路之后，地铁迅速发展，普遍应用于世界各大城市，发挥着重要作用。但是，自地铁产生之日起，就存在着各种安全隐患。由于它是一个地下密闭轨道，通风管道系统比较脆弱，人员疏散及救援更是困难，一旦发生火灾，会造成严重后果。２００３年２月１８日，韩国大邱市地铁中央路段站发生火灾，死亡１９６人，受伤１４７人，失踪３１８人。２００３年１月，英国伦敦发生地铁列车撞月台引发大火事故，至少造成３２人受伤。２００１年８月，英国伦敦发生地铁爆炸，造成６人受伤。１９９８年元旦，俄罗斯莫斯科发生地铁爆炸，造成３人受伤。１９９５年１０月２８日夜里，阿塞拜疆首都巴库地铁由于电动机车电路故障发生一起恶性地铁火灾惨剧。这场火灾造成５５８人死亡（其中３名是消防队员），２６９人受伤。据调查，死亡的５５８名乘客中大多数不是被烧死，而是窒息而死。据媒体报道，韩国大邱市地铁火灾发生当天上午，当开往安心方面的地铁抵达中央车站时，放火犯从放在座席右侧的皮包中取出装有约２Ｌ汽油的塑料瓶，打开瓶盖使用打火机点燃，火焰迅速从该放火犯衣服及座席处蔓延到整个列车的六节车厢，４ｒａｉｎ后到达反向站台的第二列地铁的六节车厢，造成１２节车厢烧毁，站台、地下１、２层（车站共三层）有关设施损坏。事后研究人员利用计算机对地铁进行原始模拟，假设火灾发生时，地铁内所有消防设施正常启动，并都应用于救助火灾。模拟结果显示，内部消防系统启动后能较好的抑制火灾发展，控制烟气蔓延；在允许疏散时间（６ｍｉｎ）内，多数人员能及时逃生，伤亡人数大大降低。２国内外地铁消防系统研究进展２．１材料燃烧性能研究地铁火灾中主要可燃物包括列车车体的地板、窗体、顶棚及墙壁材料，座椅及其装饰材料，旅客携带的行李物品，地铁站内的多种可燃物等。随着新型材料的广泛应用，材料燃烧后产生越来越多的有毒气体，且因为地下通风条件不良，通常为不完全燃烧，产生大量的烟气，整个燃烧空间基本密闭，热量不易及时散出且烟气无法及时排出，在上层聚集后可迅速扩散，加速火势蔓延，直至扩散到整个地下空间。２．１．１国外主要研究成果就地铁消防而言，这方面研究在国外已经

开展了较长时间，首先是对列车车体本身和车站内附属建筑可燃材料的研究。ＮＩＳＴ的研究人员研究了列车内部材料的燃烧行为，通过小尺寸锥形量热仪实验和大尺寸家具量热仪实验对・５４・２０１０消防科技与工程学术会议论文集比研究了小尺寸与全尺寸实验的着火特性与烟气数据。从９０年代中期开始，ＮＩＳＴ对列车内火灾危险度的量化作了一个系统的研究，Ｐｅａｃｏｃｋ回顾了美国和欧洲对列车火灾所做的研究工作，其主要是根据小尺寸实验结果评估材料的火灾特性，其后进行了三个阶段的研究工作。从火灾分析结果可以看出，即使最恶劣的着火条件也允许人员有足够的逃生时间，火焰功率在２５～２００Ｗ之间形成明显的火源蔓延。大部分的火焰蔓延，烟气释放实验以及车体内部材料的性能指标都包括在ＮＦＰＡｌ３０标准中，该标准中指出危险度分析及性能适合材料的应用是进行火灾危险性评估的两个方法。鼓励使用对特定部位材料的评估实验及全尺寸实验，其中还提供了对车站、铁轨、车辆存储与维修区，紧急事故应变程序及通讯等的要求。随着新型材料的不断发展，欧洲一些研究人员对隧道火灾及隧道防火技术进行研究，认为在拱顶的侧壁涂喷防火涂料是实施隧道防火保护的重要手段之一。他们对防火涂料的防火机理、组成及其作用进行研究，最终提供了一种由无机材料和高分子材料复合、具有优良耐水性柔性和防火性能的隧道防火涂料。另外，德国的研究人员通过对高分子复合材料进行改性（调整树脂分子结构及材料组成），使材料具有良好的防火性能、耐高温性能及抗电化腐蚀性能，成为高性能的热固性复合材料。２．１．２国内主要研究成果我国四川、天津消防研究所采用地铁站厅中的杂货亭模型实体火灾试验，研究地铁站厅杂货亭的火灾场景，得出了模拟站厅杂货亭在火灾中的热释放速率、烟气浓度、温度、烟密度的变化规律，站厅杂货亭发生轰燃的时间、最大热释放量。试验结果表明，站厅杂货亭发生轰燃的时间为１９０ｓ，其最大热释放量为２．５ＭＷ。且随着燃烧的进行，ＣＯ：体积分数快速升高。第一个ＣＯ：峰值出现在轰燃之前，第二个峰值出现在轰燃之后。另外，就地铁车站隧道的主体结构钢筋、隧道内的金属管线、构件极容易被腐蚀等问题，广州地铁对不受潮湿环境、杂散电流电化腐蚀等影响的非金属材料进行了研究，并将电缆支架、管线支架与疏散平台构件组合设计，形成电缆支架、管线支架与疏散平台一体化的组合式复合材料构件。２．２火灾情况下地铁中人员疏散及救援地下铁道由于其构造特点，导致人员疏散时间较长。再加上地铁内可燃物甚多，发烟量大，火势蔓延快，热量积聚后不易散开，疏散距离长，出口少，报警设施不完善等原因，使得地铁中人员疏散极为困难。同时，烟气通过出口向上蔓延，消防救援人员在高温、浓烟下，难以深入内部抢救人员和攻击火点，使救援很难迅速有效的进行。因此地铁发生火灾情况下人员的疏散问题已经引起国际社会的广泛关注。本文主要从地铁烟气模拟研究及疏散模拟研究两方面介绍国内外对该问题的研究状况。２．２．１基于地铁火灾中烟气模拟研究从基本构造上看，地铁建筑与外界的联系只有车站的出人口，而且站台和车厢内人员密集，一旦发生火灾危险极大。当高速行驶的列车在隧道内来回往返时，由于隧道空间相对封闭性，运转形成的强大气流，会让地面的空气通过隧道上方的通风排气孔形成的一种上下抽动式的反应一“活塞效应”，产生带动的强大不稳定逆转气流加大火灾的燃烧与扩散蔓延，使火灾危险性加大。另外由于隧道内热烟气流的错综复杂，高温烟气难以排出，又因为热烟气流具有减光性、毒害性、恐怖性等特点，极易造成群死群伤事故，燃烧产生的浓烟使隧道变成烟雾的通道，烟雾扩散极为迅速，隧道建筑的特殊性使高温浓烟的排除极为困难。所以地铁火灾从本质上讲首先是一类典型的非线性灾变过程，火情的发生到发展整个过程始终贯穿着非确定性的因素作用。地铁发生火灾时对人员最直接的威胁往往不是火本身，而是火灾过程中产生的烟气。因此将地铁火灾中烟气运动规律与人员疏散相结合的研究具有重要意义。烟气是地铁火灾中造成人员伤亡的主要因素，认识烟气的流动规律对于采用合理的消防措施具有重要意义。研究空间火灾烟气运动的手段，主要有３种，即全尺寸火灾实验、小尺寸模拟实验和计算机数值模拟。但由于影响火灾发展过程的因素很多，有些因素难以精确再现。盐水实验是利用一定浓度盐水在清水中流动来模拟火灾烟气的流动规律，其基本思想是国内外地铁消防系统研究综述・５５・

用湍浮的盐水在清水中运动和扩散来模拟火灾烟气在空气中蔓延和热量传递。最早用该方法来研究烟气运动的是Ｔｈｏｍａｓ等人。Ｔｈｏｍａｓ等人也于１９７８年运用此方法在ｌ／５模型里研究带走走廊或窗口的房间火灾所产生的热烟气层密度和位置。新西兰坎持伯格大学和美国加州大学以及其他国家的相关研究人员也开展了这方面研究。我国于１９８７年在中国科学技术大学建立了国家唯一以火灾科学为主攻方向的火灾科学国家重点实验室。１９９３年设立了我国第１座盐水模拟实验室。通过实验得出：ＣＦＤ数值模拟与盐水实验得到得烟气到达楼梯口所需时间相差为１．５～２ｓ，到达远侧楼梯口所需时间相差７．２ｓ。二者之间存在着一定误差，误差不大。同一时刻，数值模拟比盐水实验得到的无量纲烟层高度高０．１左右，变化趋势均为随火灾发生时间的增加，烟气层下沉，下降趋势一致。而且，只要实验条件选取合理，方程模型选用恰当，盐水实验和ＣＦＤ数值方法模拟地铁火灾都是可行的。英国的建筑研究小组对隧道火灾中烟气及有毒气体的运动进行了模拟研究。他们所采用的主要是经验模拟、区域模拟、网络模拟以及ＣＦＤ模拟等。经验模拟、区域模拟和网络模拟是建立在火灾实验基础之上的，经验模拟和区域模拟这两种模拟方法是在一维或二维空间对火灾进行模拟－ｏ它们能够快速而有效的给出一些近似值，比如抑制烟气回流的临界速度等。ＣＦＤ模拟建立在人们对火灾现象理解的基础之上，包括湍流模型、燃烧模拟、辐射模拟以及隧道墙壁热传递模型四个模型，是在三维空间对火灾的瞬态过程进行模拟，在进行详细的定量分析方面非常有用。我国研究人员采用ＣＦＤ模拟技术，模拟分析了屏蔽门对地铁火灾烟气的影响。模拟结果显示，有屏蔽门时烟气向站台上扩散的速度要比无屏蔽门时要小的多；有屏蔽门时站台上烟气下降的速度要比无屏蔽门时小；有屏蔽门时火源顶部的温度要比无屏蔽门时高；有屏蔽门时烟气向隧道上扩散的速度比无屏蔽门时大。另外，研究人员针对设有屏蔽门的地铁车站中部发生火灾的最不利情形，模拟了自然排烟和机械排烟模式下的烟气扩散情况，给出了烟气的温度场和浓度场，考察了车站现有机械排烟系统的排烟能力。因此，针对车站中部发生火灾且设有屏蔽门的情形，模拟发现发生在车站现有排烟系统的基础上关掉轨底排烟系统，排烟效果更好，对人员的安全疏散更有利。２．２．２基于疏散模型的研究目前疏散研究中最行之有效的方法之一便是建立疏散模型，地铁中的疏散研究也不例外。人员疏散模型基本上可以分成两种类型，即只考虑人运动的模型和综合考虑人的运动行为与环境关系的模型。第一类模型，只考虑建筑物各部分的疏散能力，称为“滚珠”模型。它将每个人当作是只对外部信号产生自动响应的无意识客体。在这类模型中，假定人逃离建筑时马上停止其他一切活动。并且，疏散方向和疏散速度仅仅由物理因素决定。比如人群密度、出口能力等，而忽略了人群中的个体特性，将人群的疏散作为一种整体运动。这些模型适用于较大人群或将所有人员当作一个共同特性的整体来考虑的情况。第二类模型不仅考虑了建筑物的物理特性，而且将每个人当作一个主动因素，考虑他对各种火灾信号的响应及个体行为，比如个体响应时间、如何选择出口等等。中国科技大学火灾科学国家重点实验室研究了一种基于精细网络的元胞自动机模型。其运行规则主要有：所有元胞的状态是同时发生变化的；同时，在时刻ｔ＋１的第ｉ个元胞的状态是由时刻ｔ的第ｉ个元胞以及相邻的有限个元胞的状态决定的。一般可以通过制定不同的规则来满足实际应用的需要。另外一类常用的疏散模型是采用网络模拟方法，原理是将建筑物的房间、走廊作为网络中的节点来考虑，把众多的人群作为一个整体来考虑。该群体具有相同的移动特性，通过考虑建筑物每个单元内的群体人员的移动进而确定建筑物的疏散时间。此外，为了进一步寻找有效的疏散模式，研究人员针对列车停靠在区间隧道内两种特殊位置：隧道中部和靠近一端站台，考虑列车前、中、后部发生火灾的情况，分析了隧道内人员疏散模式，并提出一些疏散方案。研究得出，采取不同的疏散模式，取决于对区间隧道火灾位置和列车停靠位置的准确判定。且应考虑人烟分离，背着乘客疏散方向排烟、迎着乘客疏