王 獻 石曉龍 楊曉娟 姚 斌 肖 淵

（1.武漢消防支隊江漢大隊，430000，武漢；2.合肥科大立安安全技術股份有限公司，230088，合肥；3.安徽華盾安全技術有限公司，230088，合肥∥第一作者，助理工程師）

隧道在給人們帶來交通便利的同時也潛伏了自然的或人為的災害?；馂氖侵饕乃淼罏暮χ?，可能造成巨大的經濟損失和不良的社會影響［1］。隧道自動滅火系統通常在火災發(fā)生的初期能有效地發(fā)揮作用，所以及早地啟動自動滅火系統成為有效滅火的關鍵［2］。由于隧道自然通風具有不確定性，致使正常運營風速小于3 m／s的被保護隧道發(fā)生火災時，存在高風速時段報警不及時或報警部位不準確的風險，影響火災早期的自動滅火聯動（一個滅火分區(qū)通常不大于25 m）和隧道應急救援的啟動。在隧道風作用下，隧道頂部溫度雖然升高，但有時不會超過定溫報警閾值，因此需要將火災探測報警系統設置為差溫報警模式［7］。

隧道火災報警系統應同時滿足及時性（響應時間）、準確性（定位正確）和有效性（誤報漏報率）等要素。

（1）快速響應：火災報警響應時間＜60 s，工況條件為敞開和封閉火、有風和無風等。

（2）正確響應：無誤報漏報是系統工作有效性的基礎，需要系統的靈敏度和穩(wěn)定性都能達到要求。

（3）精確定位：修正隧道縱向風的影響，保證在隧道風的作用下火災定位誤差小于1／2個消防分區(qū)。

（4）普適性強：報警系統必須能響應不同熱釋放率的火災，火災工況為油類和其它可燃物火災等。

（5）實時檢測：系統應具有實時檢測功能，隨時監(jiān)測區(qū)間溫度的動態(tài)變化，并反饋火災現場的真實信息［4－6］。

本文研究光纖光柵火災探測器隨隧道內不同風速條件下的溫度分布和溫度梯度分布，由此引出對火災報警響應以及火災位置判斷的分析。

1 火災模擬試驗

試驗隧道長30m，寬7.6m，高7.8m，采用鋼框架結構。隧道內置24m火車車廂模型。試驗隧道采用縱向通風方式，內部安裝2臺射流風機。隧道可調風速為0～6m／s。距隧道頂0.2m縱向布置鋼絞線，獨立光柵溫度傳感器串固定于鋼絞線下方。探頭采用串聯連接方式，探頭間距為2.5m，共布置12個探頭。光纖尾纜為100m。如圖1所示。

圖1 火災試驗布置圖

模擬火災布置在縱向10m處。火盆容器尺寸為0.5m×0.5m，使用93＃汽油，預計火災功率約0.5 MW?；鹋枞萜髦糜谀M列車上方。車廂高3.5m。

2 試驗結果與分析

2.1 不同風速條件下獨立光纖光柵傳感器的溫度響應

試驗選取不同的風速條件，風速分別為0、3m／s和6m／s。設計風速與實際測量風速誤差小于±5%［7］。試驗用光纖光柵感溫火災探測系統每秒采樣一次。火源以極快的速度加熱周圍的空氣，熱空氣夾帶著微粒形成煙，逐漸上升到隧道頂部。煙氣接觸隧道頂后沿著隧道頂部向兩側流動。在煙氣的不斷作用下，掛在鋼絞線下方的光纖光柵探測器被加熱，引起顯示溫度上升［3］。

一般地鐵隧道發(fā)生火災時熱煙氣從熱源到達隧道頂部的時間小于10s。在隧道縱向通風作用下，煙氣在垂直上升的同時飄向下風側，使得煙氣層的溫度對頂部傳感器的傳熱效率有所下降，因此系統的報警響應時間較無風工況延長。常用的火災位置識別模式認為，光纖光柵傳感器探測的空間最高溫度點正下方為火災發(fā)生的位置，但在隧道風作用下，處于火焰正上方的傳感器的溫度往往低于下風側某一傳感器的溫度，因此造成火災報警位置偏離。位置偏差的大小取決于風速、火焰功率和隧道的幾何尺寸。

試驗采用的火災熱釋放率約0.5MW，點火前隧道環(huán)境溫度約30℃，火災發(fā)生在縱向10m處。火災發(fā)生后20s內風速分別為0、3m／s、6m／s時隧道頂部溫度增長量的分布曲線如圖2所示，不同風速條件下的定溫報警試驗結果見表1。

圖2 0.5MW火災發(fā)生后20s內隧道頂部溫度增長量的一維分布曲線（每1s顯示一條分布曲線）

表1 不同風速條件下定溫報警試驗結果

在風速為0的情況下，位于火源正上方的探測器在火災發(fā)生20s內顯示溫度升高到約57℃，約2 min達到105℃。試驗數據顯示，高溫區(qū)的溫度沿隧道縱向呈規(guī)則的對稱型分布，如圖2a）所示。

在有風條件下，火災發(fā)生20s后隧道頂部的最高溫度仍遠低于35℃，即使1min后仍未達到常規(guī)的定溫報警閾值60℃（見表1）；隨著風速的增加，隧道頂部傳感器探測到的溫度下降。試驗數據顯示，高溫區(qū)的溫度分布延隧道縱向大大偏離對稱型分布，如圖2中b）和c）所示。由此可知，即使在夏天（環(huán)境溫度為30℃），發(fā)生0.5MW火災時，隧道頂部溫度也很難達到定溫報警閾值。所以，在火災功率較小并且有風的情況下，必須采用差溫報警技術進行早期火災報警。

2.2 不同風速下獨立光纖光柵傳感器的溫度梯度響應

實現早期報警是隧道設置火災報警系統的主要目的之一。實際工程中，采用傳統的定溫報警技術識別火災時不得不依據環(huán)境溫度調整定溫報警閾值，否則很難做出正確的早期報警，降低虛警誤報率。

溫升梯度是另一個火災識別參數，可以依據溫升速度達到或超過差溫報警閾值做出是否發(fā)生火災的判斷。圖3顯示了隧道風速分別為0、3m／s、6 m／s時光纖光柵傳感器探測的溫度梯度隨時間的變化。曲線分別對應沿著隧道縱向布置的不同的傳感器位置。

圖3 三種不同風速工況下的溫升梯度隨時間的變化曲線

當風速為0時，位于火源正上方的探測器（10m處）在火災發(fā)生30s內溫升梯度達到130℃／min。按照GB 16280—2014《淺型高溫火災探測器》的規(guī)定，火災差溫報警閾值為12℃／min，所以點火后約5s即達到火災報警條件。在有風條件下，火災發(fā)生后30s內隧道頂部的溫升梯度遠小于無風工況。在3m／s和6m／s風速工況下，達到報警條件所需時間分別為10s和28s（見表2），均小于30s，并隨風速增加明顯延長。

表2 不同風速條件下的差溫報警實驗結果

火災產生的煙氣攜帶著熱量向火災下游飄動，可能使得著火點下游的某傳感器率先報警。獨立光柵火災報警系統具有報警位置識別功能，以率先達到差溫報警閾值的傳感器所對應的位置為火災報警位置。在試驗的3種不同風速（0、3m／s、6m／s）下，火災位置分別被確定在10.0m、12.5m和17.5m處（見表2）。這與實際火災發(fā)生位置存在一定偏差。若考慮工程中有些隧道截面會大于試驗隧道，這一偏差還可能被放大。

火災響應速度、火災定位精度和火災虛警抑制特性是隧道火災報警系統的關鍵三要素，必須同時優(yōu)化。在設備和工況一定的情況下，火災報警的響應速度取決于設備的靈敏度以及所設定的報警閾值。提高系統的靈敏度將廣泛涉及技術層面的改進和設備成本的提高。調低報警閾值雖然可達到快速報警的目的，但低閾值會導致系統在實際運行中虛警率增高，不宜使用。在有風條件下，采用差溫報警可滿足火災響應速度和火災虛警抑制特性的要求，而同時滿足火災定位精度的要求還需要進一步研究。

3 結語

試驗證實，獨立光纖光柵火災報警系統可對隧道火災引起的溫升梯度變化做出快速響應（響應時間＜30s）。當火災功率小于0.5MW，隧道環(huán)境溫度為30℃時，無風條件下隧道頂部溫度可急劇升高達到105℃，有風條件下隧道頂部溫度則很難達到定溫報警啟動條件（60℃）。獨立光纖光柵火災探測系統可提供可靠的實時溫升梯度數據，即使在有風的條件下溫升梯度也可在火災發(fā)生30s內啟動差溫火災報警系統。獨立光纖光柵火災報警系統結合高效自動滅火設備，可為地鐵及其他交通隧道的安全提供可靠的技術保障。

［1］崔澤艷.城市地鐵火災的特點及防護措施［J］.中國公共安全，2007，9（3）：18.

［2］彭偉，霍然，胡隆華，等.隧道火災的全尺寸試驗研究［J］.火災科學，2006，15（4）：212.

［3］姜德生，何偉.光纖光柵傳感器的應用概況［J］.光電子激光，2002，13（4）：420.

［4］Kurioka H，Oka Y，Satoh H，et al.Fire properties in near field of square fire source with longitudinal ventilation in tunnels［J］.Fire Safety Journal，2003，38（4）：319.

［5］Carvel R，Beard A，Jowitt P.Fire spread between vehicles in tunnels：effects of tunnel size，longitudinal ventilation and vehicle spacing［J］.Fire Technology，2005，41（4）：271.

［6］Anders Lonnermark，Haukur Ingason.Gas temperatures in heavy goods vehicle fires in tunnels［J］.Fire Safety Journal，2005，40（9）：506.

［7］劉蘇敏，劉輝.光纖光柵感溫火災探測系統在地鐵區(qū)間隧道中的應用［J］.城市軌道交通研究，2012，15（9）：49.