消防管理研究
典型地铁车厢潜在火灾危险性评价和分析
王振华
１，
２，
王智文２，
尤
飞
１，
２，
陈小伟３，
徐雅清１
（
１．南京工业大学城市建设与安全工程学院江苏省城市与工业安全重点实验室，
江苏南京
２１０００９；
２．南京工业大学火灾与消防工程研究所，
江苏南京
２１０００９；
３．南车南京浦镇车辆有限公司，
江苏南京
２１１０３１）
摘
要：
为评价和分析地铁车厢潜在火灾危险性，
在资料
查阅和现场调研的基础上，
运用性能化防火设计理论，
确定南
京地铁一号线车辆内典型可燃物分布、
材质、
形式、
数量和燃烧
热值，
统计火灾载荷密度，
设计火灾场景，
对火源强度（
热释放
速率）、
火灾持续时间、
火场最高温度等重要火灾动力学参数着
手进行计算和分析，
判定车厢内火灾燃烧类型，
并提出相应建
议。
结果表明：
典型地铁车厢着火时，
燃烧类型为燃料表面控
制型，
火灾发展模式介于中速和快速之间（
火灾增长因子约为
０．０３２
５ｋＷ／
ｓ２），
最大热释放速率达到
５ＭＷ时乘客在
６ｍｉｎ
内不能安全逃生，
在不采取任何措施情况下火灾可持续约
８．９
ｈ、
最高火场温度约达
１
３００℃，
周围建（
构）
筑物存在延烧或坍
塌危险；
典型地铁车厢综合潜在火灾危险性偏高，
在进行性能
化防火设计时应设计和选择不同防火等级、
阻燃水平和结构形
式的可用材料。
关键词：
地铁火灾；
车厢；
热释放速率；
性能化防火设计；
火灾场景；
火灾特性；
火灾危险性
中图分类号：
Ｘ９１３．４，
Ｕ２３１．９６，
ＴＫ１２１
文献标志码：
Ａ
文章编号：
１００９－００２９（
２０１５）
０９－１２４３－０４
２１世纪以来，
一线、
二线甚至三线城市交通、
环境以
及文物保护等问题日益突出，
为了满足城市功能需要，
我
国城市轨道交通工程建设已进入高峰期。
与传统交通方
式相比，
地铁车辆运行始终处在复杂、
狭窄、
密闭的地下
空间内，
乘客出入频繁且流量庞大，
移动火灾荷载密度显
著，
电气系统集成度和隐蔽性较高，
火灾隐患长期存在。
通常电力故障、
线路老化、
过热、
过载等是地铁火灾的主
要起因。
近年来，
国内外学者对地铁火灾研究主要集中于烟
气流动数值模拟及人员安全疏散、
缩尺寸试验研究等领
域，
地铁车厢潜在危险性评价和分析研究较少。
Ａｌｅｘａｎ
－
ｄｅｒ
Ｃｌａｅｓｓｏｎ等人针对地铁车厢燃烧达到轰燃前的初始
火灾增长阶段展开了试验研究，
通过不同火源在
１／
３尺
寸车厢内燃烧试验得出：
达到轰燃前最大热释放率为
３．５ＭＷ，
火灾发生后达到轰燃的时间取决于初始火源类
型。
Ｗｏｎ
－Ｈｅｅ
Ｐａｒｋ设计
１／
１０尺寸地铁车厢模型，
运用
质量损失法对三种不同材料的模型着火后所达到的最大
热释放率进行了研究，
结果表明：
火源位置对火灾初期的
增长有显著影响，
当火源处于车厢地板、
车厢内的可燃物燃烧后，
能在最短时间内达到最大热释放速率。
这些研
究在试验模拟时多选择木垛和塑料构件作为内在可燃
物，
火灾荷载较低、
涉及种类偏少；
未对地铁系统使用的
新型材料、
结构和环境设计进行跟踪，
设定火灾场景不能
与时俱进；
针对中国地铁系统可燃材料单件及组件火灾
特性的基础数据十分缺乏；
未能结合实际火灾发展场景
对地铁车辆系统固有火灾危险性进行分级评价。
笔者以南京一号线地铁某节车厢为例，
通过现场调
研和资料查阅确定地铁系统特别是车厢内特色可燃物种
类、
类型、
数量及燃烧热值，
依据性能化防火设计理论中
火灾场景设计方法，
计算了典型地铁车厢整体着火后的
火灾发展类型及对应热释放速率和持续时间等火灾动力
学参数，
对地铁车厢潜在火灾危险性进行评价，
并以材料
设计和优化为指导思想提出技术性防火安全对策，
以期
为地铁车辆性能化防火设计及火灾风险评估提供基础数
据及理论支持。
１
地铁车辆火灾场景设计与火灾危险性分析
地铁系统主要由地铁车辆、
地铁站台及地铁隧道组
成。
统计资料及相关研究显示，
地铁车辆和地铁站台是
最可能发生火灾的区域。
对于前者：
人员聚集和逗留效
应更为明显，
群体乘客在同一空间内共同乘坐至少
１站；
内部固有电气和乘客随机火灾隐患较多；
火灾荷载更为
集中；
乘客危机意识和应急水平参差不齐；
且未设置专职
消防管理员。
对于后者：
目前绝大多数开通地铁的城市
均在地铁站台配备了巡逻人员，
有效降低了地铁站台火
灾事故发生可能性。
因此，
可定性判断前者火灾发生概
率和潜在危险性相对更高，
选定为设计火灾场景。
１．１
地铁车辆火灾载荷密度统计
地铁车辆内可燃物构成的火灾荷载分为两种：
固定
火灾荷载，
如车内的座椅、
地板、
侧板、
广告牌、
顶板、
车体
中隐蔽的电气设备及电线电缆、
装饰装修材料等物品；
活
动或临时性火灾荷载，
如乘客携带的行李用品、
纸张、
违
规易燃易爆物品以及乘客的着装饰品。
为了对地铁车辆内可燃物特性进行描述，
笔者以南
京地铁
１号线某节车厢为例，
统计火灾载荷和计算其密
度。
表
１显示了地铁车辆内典型可燃物的材料、
相态、
热值及火灾载荷。
基金项目：
国家自然科学基金资助项目（
５０９０６０３９；
５１３７６０８９）
３４２１
消防科学与技术
２０１５年
９月第
３４卷第
９期表
１
地铁典型车厢内火灾荷载统计
名
称材
质形
式相
态质量／
ｋ
ｇ发热量／
ＭＪ／
ｋ
ｇ火灾载荷／
ＭＪ
座
椅玻璃钢固定式固
态六人座椅：
２１．４；
二人座椅：
８．５———
５６５．１８５
６
＊
地板表面层橡胶布固定式固
态——————
２
８５０
＊
侧
墙三聚氰胺泡棉固定式固
态
２０
２８．７８
５７５．６
底架与车顶三聚氰胺泡棉固定式固
态
２０
２８．７８
５７５．６
电
线线性低密度聚乙烯（
ＬＬＤＰＥ）
固定式固 态——————
２
８２０
＊
油
漆聚氨酯漆固定式液态／
固态
２００
２９．３０２
５
８６０．４
胶黏剂丙烯酸甲酯固定式液态／
固态
２０
２３．８５
４７７
注：
表中数据由南车集团南京浦镇车辆有限公司提供；
＊为德国供应商产品数据
现场调研资料显示，
南京地铁
１号线地铁车辆一节
车厢地表面积为
５０ｍ２。
利用直接计算和资料查阅可统
计出一节车厢总体火灾载荷为
１３
４０３．８ＭＪ，
火灾载荷密
度为
２６８．１ＭＪ／
ｍ２。
１．２
地铁车辆火灾燃烧类型估测
根据火灾场景设计理论：
通风因子较小时受限空间
室内与室外通风不畅，
供氧不足，
燃烧方式为通风控制。
此时燃烧类型符合式（
１）
的关系。
ρ槡ｇＡ
ｗ槡Ｈ
Ａ
ｆ＜０．２３５（
１）
当通风因子足够大时，
受限空间室内与室外通风自
由，
室内燃烧与开放空间的燃烧已无本质上的差别，
燃烧
的方式为燃料表面积控制，
此时有式（
２）
所示的关系。
ρ槡ｇＡ
ｗ槡Ｈ
Ａ
ｆ＞０．２９０（
２）
式中：
ρ为空气密度，
ｋ
ｇ／
ｍ３；
Ａ
ｗ为一节车厢的通风开口
面积，
ｍ２；
Ａ
ｆ为可燃物表面积，
ｍ２；
Ｈ为通风口高度，
ｍ。
南京地铁通风空调系统采用空调季（
夏季）
闭式运
行、
非空调季（
过渡季和冬季）
开式运行的方案。
考虑到
非空调季比空调季时间长，
设定地铁通风空调系统为开
式系统，
即自然通风，
利用机械或活塞效应使地铁内部与
外部换气。
此外，
理想情况下，
车厢起火后在应急状况下
单侧门或双侧门均即刻打开，
车门未被人员拥堵。
开口
面积和高度分别为
１３．３ｍ２和
１．９ｍ，
可燃物表面积近似
为
２００ｍ２，
空气密度为
１．２９ｋ
ｇ／
ｍ３。
将所获取数值分别
代入式（
１）
和式（
２）
可计算得出：
发生火灾时地铁典型车
辆燃烧属于燃料表面控制型。
１．３
地铁车辆火灾热释放速率估算
性能化防火设计理论中一般假设火灾经历完整的过
程。
地铁火灾往往是车厢内一件物品先起火，
然后引燃
周围其他物品并逐渐扩大。
车厢内可燃物组合情况多种
多样，
不可能逐一进行全尺寸燃烧实验，
从工程角度出发
提出如下假设：（
１）
车厢内同类可燃物分布均匀；（
２）
所有
可燃物都会起火；（
３）
所有可燃物将全部燃尽。
采用
ｔ２简
化模型描述受限空间内火灾发展模式，
估算最严重的火
灾形势。对于受限空间内火灾，
热释放速率发展存在两种情
况：（
１）
火灾发展迅速达到轰燃，
之后整个空间内热释放
速率很快达到最大值；（
２）
火灾发展由于被主动消防系统
抑制，
无法达到轰燃，
此时火灾热释放率达到最大值并在
一定时间内保持不变。
地铁火灾发生后
６
～１０ｍｉｎ对人
员疏散和防止火灾蔓延都具有重要意义。
因此，
采用比
较保守的假设，
忽略火灾衰减期，
认为地铁火灾以一定增
长速率发展到最大值并维持。
火灾增长因子
α是以热释放速率表征火灾增长快慢
的重要参数，
应综合考虑可燃物荷载密度影响（
α
ｆ）
及墙
和吊顶影响（
α
ｍ），
如式（
３）、
式（
４）
所示。
α＝
α
ｆ＋
α
ｍ（
３）
α
ｆ＝２．６×１０－６
×
ｑ５／
３（
４）
式中：
ｑ为一节车厢的火灾载荷密度，
ＭＪ／
ｍ２。
α
ｍ依据壁面装修材料不同等级取值，
当墙面装修等
级为
Ａ、
Ｂ
１、
Ｂ
２、
Ｂ
３级时，
分别取
０．０３５、
０．０１４、
０．０５６、
０．３５０ｋＷ／
ｓ２。
地铁车辆内墙面装修材料等级为
Ａ级，
结
合车辆内火灾荷载调研结果，
由计算可得火灾增长因子
约为
０．０３２
５ｋＷ／
ｓ２，则
Ｑ
ｆ＝０．０３２
５ｔ２。
美国消防协会将火灾发展分为极快、
快速、
中速和缓
慢
４种发展等级，
其对应典型可燃材料和火灾增长因子，
如表
２所示。
表
２
火灾不同发展级别参考值
火灾发展等级典型可燃材料
α／
ｋＷ／
ｓ２
慢速火粗木条厚木板制成的家具
０．００２
９
中速火无棉制品，
聚氨酯床垫
０．１１２
７
快速火塑料泡沫，
堆积的木板，装满邮件的邮袋
０．０４６
９超快速火油池火，
轻质窗帘，
快速燃烧的软垫座椅
０．１８７
６
将计算所得火灾增长速率与表
２中
α参考值对比，
可界定典型地铁车厢火灾介于中速火与快速火之间。
参
照香港地铁车辆火灾最大发热量，
选取
５ＭＷ作为一节
车厢火灾最大热释放速率并设为快速增长火，
其热释放
速率曲线，
如图
１所示。
计算可得：
火灾持续到
６．５４ｍｉｎ时最大热释放速率
可达
５ＭＷ。
ＧＢ
５０１５７－２０１３《
地铁设计规范》
规定了提
升高度不超过
３层的车站内火灾时人员逃生时间应不超
４４２１
Ｆｉｒｅ
Ｓｃｉｅｎｃｅ
ａｎｄ
Ｔｅｃｈｎｏｌｏ
ｇｙ，
Ｓｅ
ｐｔｅｍｂｅｒ
２０１５，
Ｖｏｌ
３４，
Ｎｏ．９