劉 輝 劉蘇敏 姚 斌 劉炳海 石曉龍 王文偉

（1.中鐵第四勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司，430063，武漢；2.合肥科大立安安全技術(shù)股份有限公司，230088，合肥；3.中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)火災(zāi)科學(xué)國家重點(diǎn)實驗室，230026，合肥∥第一作者，高級工程師）

城市軌道交通系統(tǒng)的地下區(qū)間隧道由于空間狹小、隧道長度長、交通流量大，消防救災(zāi)十分困難，因此，為保證軌道交通線路運(yùn)營和人生安全，滿足消防和安全的要求，火災(zāi)的早期發(fā)現(xiàn)和早期撲救對消防救災(zāi)來說顯得尤為重要［1］。地鐵處于地面以下，大部分路段黑暗、潮濕，空間狹小，且僅有與地面連接的通道作為出入口。正是由于這些特點(diǎn)，地鐵火災(zāi)具備了地下空間火災(zāi)的顯著特征：①氧含量急劇下降；②發(fā)煙量、毒性大；③排煙排熱差；④火情探測和撲救困難；⑤人員疏散困難［2］。

國內(nèi)外很多人已經(jīng)通過數(shù)值模擬和全尺寸的火災(zāi)實驗對隧道內(nèi)火災(zāi)的發(fā)展以及溫度場的分布進(jìn)行研究［3－4］。如1992年，Luchian等人在美國弗吉尼亞（Virginia）某高速公路上一個廢棄的雙車道隧道中進(jìn)行了一次大規(guī)模的試驗來測定火災(zāi)功率［5］；2006年，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)火災(zāi)科學(xué)國家重點(diǎn)實驗室的胡隆華等人與云南省公安消防總隊合作，在昆明——石林高速公路的陽宗隧道開展了具有針對性的火災(zāi)現(xiàn)場模擬試驗［6］。目前，分布式光纖測溫系統(tǒng)已經(jīng)開始在我國各類交通隧道中應(yīng)用，但是一直缺乏針對在隧道內(nèi)應(yīng)用的適用性研究，如火災(zāi)規(guī)模和報警閾值如何確定。隧道風(fēng)對火災(zāi)探測的影響以及感溫光纖的安裝高度等問題限制了分布式光纖測溫系統(tǒng)在地鐵區(qū)間隧道中的實際應(yīng)用。本文簡要介紹了分布式光纖測溫系統(tǒng)，并將其安裝敷設(shè)在模擬地鐵區(qū)間隧道中進(jìn)行火災(zāi)探測實驗研究，為分布式光纖測溫系統(tǒng)在地鐵區(qū)間隧道中的實際應(yīng)用提供參考與建議。

1 測量原理及系統(tǒng)組成

分布式光纖測溫系統(tǒng)是一種用于實時測量空間溫度場分布的傳感器系統(tǒng)［7］。它利用同一根光纖作為溫度信息的傳感和傳導(dǎo)介質(zhì)，利用光纖后向拉曼（Raman）散射光譜的溫度效應(yīng)測量光纖所在的溫度場信息，利用光纖的光時域反射（OTDR）技術(shù)對測量點(diǎn)進(jìn)行定位（見圖1）。

圖1 分布式光纖測溫系統(tǒng)原理圖

如圖1所示，激光脈沖由光纖始端處注入，脈沖光大部分能傳到傳感光纖末端而消失。當(dāng)激光脈沖在光纖中傳輸時，由于光纖中存在折射率的微觀不均勻性，脈沖光子與光纖材料分子熱振動會相互作用，產(chǎn)生不同于入射光的拉曼散射光，光纖測溫的機(jī)理是依據(jù)后向拉曼散射光譜的溫度效應(yīng)。長波長的光為斯托克斯光，短波長的為反斯托克斯光。而反斯托克斯光對溫度響應(yīng)更為敏感。因此，光纖所處空間各點(diǎn)溫度場調(diào)制了光纖中背向拉曼散射中的反斯托克斯光的強(qiáng)度，經(jīng)波分復(fù)用器和光電檢測器采集帶有溫度信息的背向拉曼散射光電信號，再經(jīng)信號處理、解調(diào)后，將溫度信息實時地從噪聲中提取出來并進(jìn)行顯示。

2 試驗場景設(shè)置及工況設(shè)計

2.1 地鐵區(qū)間隧道模型

為最大限度地模擬地鐵區(qū)間隧道內(nèi)列車發(fā)生火災(zāi)時的情景，并考察分布式光纖測溫系統(tǒng)的溫度響應(yīng)性能，特建立地鐵區(qū)間隧道模型。模擬隧道長30m、寬7.6m、高7.8m，采用鋼框架結(jié)構(gòu)如圖2所示。其特點(diǎn)如下：①模擬隧道為大斷面全尺寸隧道模型，與實際隧道橫截面尺寸相同；②模型中部為10m長燃燒試驗段，考慮到試驗火源燃燒功率大，在燃燒段增加一段鋼梁加固；③在模擬隧道一側(cè)壁面縱向中間位置設(shè)有高2m、寬2m的高溫玻璃觀察窗，可以清晰地觀測隧道火災(zāi)火焰和煙氣變化的實時情況。

圖2 地鐵區(qū)間隧道模型

2.2 試驗工況

圖3 試驗工況設(shè)計圖

如圖3所示，模擬隧道采取縱向通風(fēng)方式，其內(nèi)部安裝2臺射流風(fēng)機(jī)。可對模擬隧道內(nèi)部進(jìn)行風(fēng)速模擬實驗。距模擬隧道頂部0.1m和0.3m位置分別縱向布置2條鋼絞線，然后將感溫光纖捆綁在鋼絞線上。目前我國并沒有統(tǒng)一的關(guān)于分布式光纖測溫系統(tǒng)在隧道中施工安裝的國家規(guī)范，湖南省地方規(guī)范DB 43／T 480—2009《線型光纖感溫火災(zāi)探測系統(tǒng)設(shè)計、施工及驗收規(guī)范》規(guī)定公路、地鐵、鐵路等交通隧道中設(shè)置的感溫光纖應(yīng)采用吊夾安裝在隧道頂部不高于8m的位置，同時感溫光纖的安裝應(yīng)距離隧道頂部50～100mm［8］。湖北省地方規(guī)范DB42／348—2006《光纖光柵感溫火災(zāi)報警系統(tǒng)設(shè)計、施工及驗收規(guī)范》中規(guī)定在交通隧道內(nèi)安裝探測器，一般呈縱向布置在距隧道頂部0.3m左右的位置，成直線排列［9］。在本文試驗工況設(shè)計中，設(shè)置距離隧道頂部100mm和300mm的位置以考察在模擬地鐵區(qū)間隧道中光纖距頂安裝位置對火災(zāi)報警的影響。

根據(jù)前人的研究結(jié)果，列車火災(zāi)功率約為5MW。本試驗主要針對早期區(qū)間隧道火災(zāi)探測設(shè)計，因此分別選取（0.5×0.5）m2、（1×1）m2、（1×2）m2，以及90＃汽油火作為模擬火源?；鹪捶胖梦恢梅謩e為地面及靠隧道左側(cè)壁1.6m處和車頂及感溫光纖正下方。工況設(shè)計如表1所示。

表1 工況設(shè)計

3 試驗結(jié)果及分析

3.1 火源功率對光纖測溫系統(tǒng)的影響

如表1，試驗工況1、2、3和圖4所示，分別在模擬隧道地面設(shè)置了0.4MW、1.6MW、3.2MW 的火源，通過設(shè)置在距隧道頂部10cm的分布式光纖測溫系統(tǒng)將整個模擬隧道內(nèi)部的溫度記錄下來。圖5是各試驗工況溫度達(dá)到最高值時的位置與溫度對應(yīng)曲線。

從圖5可以看出，在無風(fēng)速等其他外界條件影響時，探測器首先報警位置和溫升最高點(diǎn)均為火源正上方處即隧道中部。當(dāng)火源功率0.4MW時溫度最高升到38.7℃，火源功率為1.6MW時溫度最高升到62.5℃，火源功率為3.2MW時溫度最高升到112.2℃。因此小功率（如0.4MW 、1.6 MW）的初期火災(zāi)均不能達(dá)到一般定溫型的火災(zāi)報警探測器設(shè)置的報警閾值68℃。而差溫型火災(zāi)探測器則可以對其進(jìn)行報警響應(yīng)。

圖4 不同火源功率試驗場景

圖5 不同火源功率條件下位置和溫度變化的關(guān)系

3.2 隧道內(nèi)風(fēng)速對光纖測溫系統(tǒng)的影響

3.2.1 風(fēng)速測量

為測試風(fēng)機(jī)運(yùn)行時模擬隧道內(nèi)的風(fēng)速分布，需在模擬隧道內(nèi)進(jìn)行風(fēng)速標(biāo)定試驗。本試驗在隧道試驗平臺兩端各布置一臺風(fēng)機(jī)。利用風(fēng)速計測量隧道內(nèi)的風(fēng)速值，試驗時，風(fēng)速計在3min內(nèi)采集數(shù)據(jù)，最后求風(fēng)速平均值?？紤]到試驗時，油盤位置在隧道中心處，因此以位于距隧道口15m處3.5m高即距車廂頂0.7m高處的點(diǎn)作為試驗時風(fēng)速的參考值。

表2 隧道內(nèi)不同工作頻率的風(fēng)機(jī)風(fēng)速分布

試驗結(jié)果如表2所示。在2臺風(fēng)機(jī)的工作頻率均為15Hz時，隧道正中央油盤處3.5m高的風(fēng)速平均值為2.07m／s，滿足試驗計劃風(fēng)速2m／s的要求。在2臺風(fēng)機(jī)的工作頻率均為30Hz時，隧道正中央油盤處3.5m高的風(fēng)速平均值為3.94m／s，滿足試驗計劃風(fēng)速4m／s的要求。

3.2.2 溫度響應(yīng)情況

如圖6所示，對工況4、5、6進(jìn)行試驗。將功率為1.6MW的火源放置在隧道中央車廂頂部，并分別設(shè)置了0m／s、2m／s、4m／s三組風(fēng)速來考察風(fēng)速對分布式光纖測溫系統(tǒng)的影響。在無風(fēng)條件下，熱煙氣垂直向上快速升至火源的正上方，火源高度也較高。而在2m／s和4m／s風(fēng)速的影響下，火源高度受到壓制，熱煙氣層也快速上升至火源正上方的下游。溫升最高值和位置的關(guān)系如圖7所示，在無風(fēng)條件下，火源正上方隧道頂部中央溫升最大值達(dá)到了167.4℃。當(dāng)風(fēng)速2m／s時，溫升最高點(diǎn)為102.3℃，位置則出現(xiàn)在隧道頂部火源正上方下游1m處。當(dāng)風(fēng)速4m／s時，溫升最高點(diǎn)為64.9℃，位置則出現(xiàn)在隧道頂部火源正上方下游2.5m處。因此，在隧道內(nèi)的縱向大風(fēng)速通風(fēng)條件下，隨著空氣的快速流通，煙氣層到達(dá)前方頂棚，探測器的溫升最高位置出現(xiàn)在火源位置的下游。

圖6 不同風(fēng)速條件下的試驗場景

圖7 不同風(fēng)速條件下位置和溫度變化的關(guān)系

3.3 感溫光纖安裝高度對光纖測溫系統(tǒng)的影響

距模擬隧道頂部100mm和300mm位置分別縱向布置2條鋼絞線，然后將感溫光纖捆綁在鋼絞線上，考察在模擬地鐵區(qū)間隧道中感溫光纖距頂安裝位置對測溫系統(tǒng)溫度響應(yīng)的影響。圖8為在試驗工況4時系統(tǒng)所測得的溫度響應(yīng)結(jié)果。因為光纖測溫系統(tǒng)主要對火源產(chǎn)生的熱煙氣層的溫度進(jìn)行響應(yīng)，越靠近頂棚位置熱煙氣層聚集濃度越高，因此，溫度越高，升溫速率也越快，這和試驗結(jié)果相符。光纖測溫系統(tǒng)在地鐵區(qū)間隧道內(nèi)實際應(yīng)用時應(yīng)安裝敷設(shè)在距頂棚越近的位置，這樣對溫度響應(yīng)也越快，可有效減少報警響應(yīng)時間。

圖8 不同安裝高度的感溫光纖對溫度的響應(yīng)

4 結(jié)語

通過在模擬地鐵區(qū)間隧道中開展全尺寸模擬火災(zāi)試驗，測試了分布式光纖感溫火災(zāi)探測器在地鐵區(qū)間隧道內(nèi)發(fā)生火災(zāi)時的響應(yīng)性能，結(jié)果表明：

（1）在隧道內(nèi)發(fā)生的小功率初期火災(zāi)（如0.4MW 、1.6MW）均不能達(dá)到一般定溫型的火災(zāi)報警探測器設(shè)置的報警閾值（為68℃）。而差溫型火災(zāi)探測器則可以對其進(jìn)行報警響應(yīng)。

（2）隧道內(nèi)無通風(fēng)時，分布式光纖測溫系統(tǒng)能對火源進(jìn)行準(zhǔn)確定位，但是在隧道內(nèi)縱向大風(fēng)速通風(fēng)條件下，隨著空氣的快速流通，煙氣層到達(dá)前方頂棚，分布式光纖測溫系統(tǒng)的溫升最高位置會在火源位置的下游。

（3）光纖測溫系統(tǒng)主要對火源產(chǎn)生的熱煙氣層的溫度進(jìn)行響應(yīng)，越靠近頂棚位置熱煙氣層聚集濃度越高，因此，溫度越高，升溫速率也越快，這和試驗結(jié)果相符。光纖測溫系統(tǒng)在地鐵區(qū)間隧道內(nèi)實際應(yīng)用時應(yīng)安裝敷設(shè)在距頂棚越近的位置，這樣對溫度響應(yīng)也越快，可有效降低報警響應(yīng)時間。

結(jié)合上面的分析結(jié)果可以看出，當(dāng)發(fā)生火災(zāi)時，頂棚的煙氣溫度受縱向風(fēng)速等環(huán)境條件的影響較大，應(yīng)根據(jù)隧道所處環(huán)境溫度以及風(fēng)速條件等特點(diǎn)，設(shè)置火災(zāi)探測系統(tǒng)的報警閾值；隧道內(nèi)的火災(zāi)規(guī)模和火源位置對探測系統(tǒng)的報警也產(chǎn)生較大影響。

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