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学术前沿

澳大利亚铁路工程中的消防工程

发布日期:2017-01-17 22:17

澳大利亚铁路工程中的消防工程
 
1 背景
      目前,澳洲正在对铁路网进行大规模改扩建,包括增加新的路线和更新原有设施。大部分投资是花费在市政公交设施上,包括增加现有线路的运力。大多数的铁路线都是建在地上的,但是需要在人口密度较大的城区建设地铁线路。
      刚刚完工的地铁线路是从查茨伍德到埃平的铁路,它是一条 12 km 长的双隧道地下铁路,在两个站点间设有三个车站。下一步计划将其扩建到悉尼,包括新建地上和地下铁路线。包括墨尔本、布里斯班以及柏斯等其他城市也正在扩建其交通网。
      澳洲在城区内采用重轨系统,基于时刻表的火车运行和运行车辆适合于郊区通勤。地铁系统被建议用在人员密集的城市中心地区,或者作为全新的系统或者改变车厢设计和其运行以便增加载客量和减少在站台的换乘时间。
 
2 澳大利亚铁路系统的安全保证
      在澳洲,安全保证过程是铁路设计和运行的一项基础工作。这是一项基于风险的过程,包括所有影响安全的设计方面,包括信号、轨道设计、职业健康和安全,安防( 包括恐怖袭击的风险) 以及消防工程。铁路管理部门将风险进行整体考虑,为此,他们希望将火灾风险控制在很小程度。消防工程师可以期待着消防策略的诸多挑战。处方式规范可以给出一些消防策略,但是仅仅依赖于这些并不能表明所需要的安全水平可以达到。
      ALARP( As Low as Reasonably Practical) 原则和相关的风险评估过程已经被用来进行安全评估。设计、建设和运行的危险源被辨识,风险被评估。根据风险的后果和发生概率的描述来对风险进行排序以便告知设计团队那些是关键的风险因素。一般性的风险分级排序见表 1。表 2 表明了对应于风险分级排序所需要采取的行动。
 

3 澳洲铁路的火灾安全
      在澳洲鲜有人员死亡的铁路火灾事故。还没有一起类似于 1987 年发生在伦敦地铁国王十字站那样严重的火灾事故。其原因很多,一个重要的原因是运行人员能够快速行动来防止火灾升级。如何在运行变化、更多的运输人数以及铁路网扩建的情况下仍然将消防安全保持在可以接受的水平是一项挑战。
      在澳洲,建 筑 物 必 须 遵 守 澳 大 利 亚 建 筑 规 范( BCA) 。该处方式规范条款并没有对车站提出详细要求,尤其是对于具有较大疏散距离和扶梯的站台,也没有阐述关于电气风险和车辆运行的问题。
      对于隧道而言,一项新的标准草案在 2009 被发布用于征求意见。它采用了基于风险分析的方法,提供了设计指导原则,避免了处方式要求。
      在澳洲 NFPA 130 常被用做车站和隧道火灾安全设计规则,虽然它必须被谨慎地采用以便适合当地的铁路运行和火灾安全企业的习惯。
      机车车辆的火灾安全设计通过一系列的火灾安全标准和导则来阐述,包括室内标准、ad hoc 测试以及参照其他的标准如 BS 6853。某些铁路管理部门正在升级这些标准,目的是应考虑材料测试和消防工程方法的进展。
      国际消防指南则陈述了消防工程程序( IFEG) ,并做了某些改动以便和火灾安全保证过程相一致。铁路工程的消防问题常常采用基于风险的方法,对于设计方案由标准来提供支持。
 
4 消防工程师的作用
      作为一门学科,消防安全工程对于铁路领域而言是全新的。在其参与之前,不同的学科发展了消防安全设计,这些学科相互独立,通常没有专家的消防安全知识。这导致了重复以前的设计,而没有理解其设计背景。标准的解释也是独立的,各方使用不同的假设。常常,机车车辆、隧道和车辆设计的研发和设计是相互独立的。在某些关键因素上有协调,例如机车的运动包络线,但是很少和火灾安全相结合。使用这种方法,某些元素的火灾风险没有被控制,而有些元素却被过度设计。
      在公共建筑工程中应用性能化设计方法已经有15 年的历史。一个较早的例子是悉尼奥林匹克园区,该园区在 1998 年开放。消防工程的范围已经改变,变成了消防安全设计的整合以及解决某些特定的设计问题。随着铁路领域的投资扩展,消防安全设计过程及性能化设计的引入,消防工程的范围的确在改变。很多客户看到了利用消防工程开发早期火灾对策的价值,它们可以为隧道、机车车辆和车站点的设计提供参数。
 
5 定义消防工程的目标
      该过程一个必须的部分是定义消防工程的目标。这包括保护人员免于火灾伤害,避免火灾蔓延到临近的区域以及提供应急救援活动等。设计安全方法被所有的设计元素所采用,包括安装、运行和维护风险。其他的目标包括运行连续性和可靠性,包括小型火灾后的维修活动,大型火灾后退化模式的维修活动以及完成一种过程来防止火灾的升级。
      下面列举出一些消防工程被用来满足这些目标的实例。
5. 1 基于风险的火灾场景
      基于风险的火灾方法已经被用来选择火灾场景,并将这些火灾场景分类为: 标准设计火灾,高风险设计火灾和极端设计火灾。
      这种分类确定了应用于结果的安全裕度如图 1 所示。火灾场景包括了火灾的大小和人员的数量。

      所定义的场景按照 IFEG 所定义的子系统来进行评估。①火灾的发生、发展和控制; ②烟雾的产生、发展和控制; ③火灾蔓延、影响和控制; ④火灾探测、报警和扑救; ⑤人员疏散和控制; ⑥消防队员的干涉。
5. 2 机车车辆和运行
      铁路火灾安全是一个动态系统的组成部分。在发生火灾或者其他紧急情况时,列车上人员的数量、隧道中车厢的数量以及操作人员的最初响应均依赖于系统运行情况。疏散的最好位置就是在车站。直到车辆驶入车站,车厢中需要适宜的条件来控制火灾和烟雾扩展。在澳洲,关于材料燃烧性能的规范在变化,虽然主要是参照 BS 6853 和某些附加的当地要求。新的国际规范,如 EN 45545 已经开始被采用。Duggan 方法常常被用来限制车厢内部热量的输出。这可能高估实际的最大火灾规模,但是在缺乏详尽的分析时,提供了一个火灾规模作为一个参照点用于车辆材料规范和通风设计。Coles、Wolski 和 aylor 对现有机车车辆中火灾的发展进行了较为详尽的分析。其他车辆系统的适应能力可以改变消防安全性,例如:
      ( 1) 载人车厢的阻燃地板可以保护乘客免于车辆底盘上牵引和刹车系统火灾影响;
      ( 2) 借助于连接到电力传输装置的阻燃电缆,车厢间使用相互独立的电力连接;
      ( 3) 多电机装置,即使列车有一个或者两个电机故障,列车也能行驶到下一个车站。
      这些特征对于允许列车安全驶入下一站是至关重要的,甚至当一节车厢发生较严重大火时。
      新型机车车辆通常有火灾自动探测系统( 在车厢内或者在车厢的下部) ,闭路监控系统监控车厢内各个区域,以及各种通讯系统,如公共扩音器、乘客信息显示器以及乘客紧急信息系统。
      经常遇到的问题是运行在隧道中的旧式车辆防火性能很差,而且电力供应和通讯系统不稳定。老式的车辆,或者不是计划用于地下隧道使用的车辆可能不具有前面提到的防火特征。在这种情况下,不能确定车辆能够抵达下一站,或者在其驶向下一站时车厢内的条件能够满足生存要求。对于某些系统,人们已经进行了审查以确定是否能减少乘员,包括无驾驶员和服务员的运行。在这些情况下,紧急疏散响应需要在中央控制室中的远程控制员的指导和帮助下进行。这要求稳定的通讯,需要在车辆上、隧道和车站水平上的系统冗余。消防工程师需要理解这些系统是如何相互作用造成了各种事故场景。
      当一个起火车辆继续驶向下一个站点时,必须保证起火车厢具有恰当的安全程度。运行商已就车厢门的省略进行了不同程度上的研究,他们热衷于开放式的车厢设计,部分是为了安全。这可能导致烟雾在车厢间的大规模扩散。这可能影响到隧道的疏散设计,当起火车辆继续行驶或者车辆停留在隧道中。在澳洲铁路隧道系统是在城区,在车站间的行驶时间小于6 min,为此,其风险很低。
5. 3 经由车站的疏散
      影响从车站疏散的因素很多,包括烟气控制和人员的行为。关键的设计问题是预测乘客数量和可以接受的疏散时间,典型的做法是使用 NFPA 130 中的方法。NFPA 130 要求计算错过了一班车的人员数量,此外,还有很多的假设,例如从两个不同方向驶入拥挤的车辆,而不是根据估计的乘客量。这可能造成在乘客人数估计上的误差。关于目标疏散时间是 6 min 还是4 min 有很多的讨论。关于这些疏散目标通常是武断的,即使是对于开放式站点,尽管 NFPA 130 允许的疏散时间是变化的。
      乘员荷载以及火场可以被分成设计基准、敏感的以及极端情况。可以使用各级服务水平对疏散时间进行估计,在疏散通道受限地点队列中的人员应该具有最大的允许疏散时间。这可以同烟控系统可以达到的条件相比较。这提供了较好的方法来设计和评估疏散策略而不是试图去精确地理解 NFPA 130 中四个子句的精确内容。
      疏散分析面临的挑战之一是如何理解车站深度的影响。一些车站被计划建在地下 40 m 深处。关于使用消防楼梯和使用较长的扶梯时人员的运动速度而言,这可能带来挑战。人员运动速度要降低,楼梯变得拥挤,可能是十分拥挤,当人流慢下来或者在高处停留下来。关于在地下楼梯连续疏散的运动速度的资料十分有限。
      解决的办法包括人员的分流和提高通过量来提供扩展的空间。人们已经建议在通常的疏散中使用电梯作为大容量系统,作为对楼梯和扶梯的备选方案之一。这在 NFPA130 中是允许的,并在一些车站设计中被采用,但是在澳洲仅被用于残疾乘客。
      疏散分析可以使用利用不同来源的行进和人流速度以及计算机模型。计算机模型可以用来演示通过疏散路径 的整个人 流情况。并将某 些 因 素 的 影 响 可视化。
      利用计算流体动力学模型来对站台水平的烟雾进行分析。当站台屏蔽门被采用时,这种设计和建模变得困难。当火灾发生后,可能产生混乱,人员拥挤在站台上,在车箱中产生烟雾。人们并不确定乘客是否离开车厢,以及屏蔽门能否关闭并封闭烟气。在发生火灾过程中,烟气控制系统的设计必须允许屏蔽门能够打开。屏蔽门和车厢之间的空隙很小,小于 100 mm。为此,上部轨道通风系统( OTE) 将从这个间隙排出较少的烟气。从车厢中出来的烟气可能进入到站台区域,在站台的上部需要较大的排风系统。
      可以选择不同的设计选项来更好地利用 OTE 系统,例如在屏蔽门上部安装可开启的挡板,将站台区域的烟气抽入到轨道通风系统。但是这可能同其他的设计需求相矛盾,挡板开口可能和屏蔽门上部的深梁相矛盾。这需要相当的留心以便提供可行的设计方案。
5. 4 从隧道中进行疏散
      由于火灾导致车辆停在隧道中的故障概率很小,尽管后果很严重,当在车厢内部发生大型火灾时。
走廊和装备必须保留有最小的安全宽度以避免增加隧道的直径而影响隧道的经济性。从隧道中进行人员的疏散将是缓慢的。
      在铁路隧道中,轴向的烟气控制系统能够保护火灾上风向的乘客。下风向的条件被认为是不可承受的和可忽略的。当最可能的场景是在车厢下部发生火灾,这被认为是可以接受的。当地板采用阻燃地板时,乘客可以沿上风向穿过起火地板进行疏散。
      在车厢内部发生大型火灾的概率较小。但是,通常在下风向是有乘客的。应该对这种场景进行考虑。如果在车厢内部发生严重火灾,乘客不可能穿过起火点。他们将从下风向进行疏散。在澳洲这种情况作为安全保证过程的一部分加以评估。这需要进行详细的评估而不是仅仅使用 10 m 或者 7 m 的可视距离作为可以接受的指标。可视度对疏散的影响应该被评估,但是一系列火灾规模的、基于温度和烟气影响的耐受条件应该被评估。详细分析所确定的影响可能较小,但是,当影响很大时,需要采取附加的措施。
      实际的减少风险的措施包括减小联络通道的间距,减少了需要通过烟雾的距离。联络通道为乘客从事故隧道转移到非事故隧道提供了备用通道,为消防队员接近事故现场提供了辅助通道。澳洲标准对于联络通道没有提出特定的要求,尽管在 NFPA 130 中要求每隔 240 m 设置联络通道。隧道标准要求烟控系统能够保证疏散通道保持在人们可承受的条件。通常是采用一个轴向烟控系统避免回流层现象。
      烟控系统通常将产生小于 2 m/s 的上行风。并不是有意在下风向保持着可以耐受的条件,而是将烟雾有效地释以便保护乘客不受小型火灾的影响。
       当增大联络巷道的距离时,在火灾下风向的乘客很难到达安全的地点,而且消防队员也很难抵达火场或者从火场撤离。但是,借助于较好设计的机车车辆,将减少车辆发生故障以至于需要人员从下风向撤离的概率。
      在澳洲,当铁路隧道出口或者联络通道间距大于240 ~ 300 m 时乘客铁路隧道系统将不会被接受,除非它被无可置疑地表明耐受条件是能保持的,当下风向的火灾达到最大规模时。烟雾温度将被限制在使得乘客能够通过该间距而不受伤害。较大的联络通道空间将有助于烟气控制,即使使用和公路隧道系统相类似的排烟系统。