孫東旭，姚 斌

(中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)火災(zāi)科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，合肥，230026)

0 引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的蓬勃進(jìn)步，以及交通運(yùn)輸業(yè)的迅猛發(fā)展，中國(guó)隧道及地下工程得到了前所未有的發(fā)展。據(jù)中國(guó)交通運(yùn)輸部統(tǒng)計(jì)，截至2019年年底，我國(guó)公路隧道共有19 067處、總長(zhǎng)1 896.66萬米，其中新建、擴(kuò)建的大斷面及特大斷面公路隧道頻頻出現(xiàn)[1]。2014年，深圳蓮塘分岔隧道段最大開挖斷面30 m×18.4 m，斷面面積430 m2，是中國(guó)目前斷面最大的公路隧道[2]。而隨著地下空間利用的深化，規(guī)模更大的地下互通工程將會(huì)不斷出現(xiàn)，屆時(shí)分岔隧道的斷面可能為五車道甚至六車道斷面，公路隧道的斷面尺寸也將不斷刷新。隧道為社會(huì)生活和區(qū)域經(jīng)濟(jì)帶來便利性的同時(shí)，自身的建設(shè)和經(jīng)營(yíng)也遇到很多問題，其中隧道消防安全問題日益突出。公路隧道中設(shè)置靈敏、有效、可靠的火災(zāi)探測(cè)報(bào)警系統(tǒng)，能夠在火災(zāi)初期及時(shí)響應(yīng)，顯著減少人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。因隧道為狹長(zhǎng)型空間，車輛通過時(shí)風(fēng)速較大，粉塵較多，且空氣相對(duì)濕度大，存在電磁干擾等原因，傳統(tǒng)的感煙探測(cè)器、氣體探測(cè)器等并不適用于隧道內(nèi)火災(zāi)探測(cè)，線型感溫火災(zāi)探測(cè)器和火焰探測(cè)器是目前主流的隧道火災(zāi)探測(cè)方案。

Kurioka等[3]通過小尺寸模型和大尺寸模型對(duì)隧道火災(zāi)近火源處溫度場(chǎng)開展了研究，預(yù)測(cè)了不同隧道內(nèi)不同風(fēng)速下的羽流傾斜角度和羽流撞擊頂棚的位置，并得到了隧道火源上方頂棚處最高溫度的預(yù)測(cè)模型。郭慶華等[4]通過數(shù)值模擬研究了火源功率、隧道寬度、隧道高度對(duì)頂棚溫度分布的影響，結(jié)果表明對(duì)于大規(guī)?；馂?zāi)，隧道越寬，頂棚最高溫度越小，并發(fā)現(xiàn)隧道火災(zāi)數(shù)學(xué)模型可較好預(yù)測(cè)小規(guī)模隧道火災(zāi)或弱羽流煙氣頂棚縱向溫度分布。胡隆華等[5]開展了公路隧道火災(zāi)探測(cè)系統(tǒng)響應(yīng)特性的全尺寸實(shí)驗(yàn)研究，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明感溫光纜安裝于頂棚下方6.5 cm～36.5 cm的范圍內(nèi)進(jìn)行探測(cè)是可行的，風(fēng)速達(dá)到3.0 m/s及以上時(shí)，無論是采用定溫報(bào)警或是差溫報(bào)警均無法達(dá)到早期報(bào)警效果。胡澄宇等[6]開展了公路隧道火災(zāi)探測(cè)全尺寸實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)果表明火源功率大小和火源位置會(huì)影響線型感溫火災(zāi)探測(cè)器的報(bào)警時(shí)間，環(huán)境風(fēng)會(huì)影響報(bào)警時(shí)間和報(bào)警定位，同時(shí)發(fā)現(xiàn)圖像型火焰探測(cè)器響應(yīng)快于感溫探測(cè)器。江夢(mèng)夢(mèng)[7]搭建了全尺寸隧道火災(zāi)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，并結(jié)合FDS數(shù)值模擬對(duì)光纖感溫探測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行了研究，給出了不同高度隧道對(duì)應(yīng)的線性感溫探測(cè)器最大敷設(shè)間距建議值。陳炳云和劉昌[8]開展了公路隧道火災(zāi)探測(cè)系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究，對(duì)感溫火災(zāi)探測(cè)器和火焰探測(cè)器的性能進(jìn)行了對(duì)比分析。范典等[9]根據(jù)隧道火災(zāi)實(shí)體試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集，提出了根據(jù)溫度場(chǎng)修正著火點(diǎn)報(bào)警位置的智能算法。

前人研究多集中于常規(guī)斷面下的公路隧道火災(zāi)探測(cè)系統(tǒng)，對(duì)于大斷面、特大斷面公路隧道火災(zāi)探測(cè)系統(tǒng)的布置方案，以及線型感溫火災(zāi)探測(cè)器在縱向通風(fēng)條件下報(bào)警位置偏移量與其他外界影響因素之間的定量關(guān)系式研究不足。同時(shí)我國(guó)現(xiàn)行規(guī)范并未對(duì)大斷面、特大斷面隧道內(nèi)火災(zāi)探測(cè)器的選型及布置做出明確規(guī)定。對(duì)于公路隧道，斷面尺寸可能會(huì)影響火災(zāi)探測(cè)器選型及布置方案，但其對(duì)應(yīng)關(guān)系需要進(jìn)一步開展相應(yīng)研究。本文在前人工作的基礎(chǔ)上，綜合考慮隧道斷面尺寸、火源功率、縱向通風(fēng)、火源位置等多種復(fù)雜因素，運(yùn)用火災(zāi)動(dòng)力學(xué)模擬軟件FDS開展各工況下的火災(zāi)煙氣運(yùn)動(dòng)的模擬研究，分析隧道內(nèi)溫度場(chǎng)，火災(zāi)煙氣運(yùn)動(dòng)等特性。以期獲得特大斷面公路隧道內(nèi)線型感溫火災(zāi)探測(cè)器的報(bào)警規(guī)律及特性，進(jìn)而確定火災(zāi)探測(cè)器的選型、布置方案，為今后大斷面及特大斷面公路隧道建筑消防設(shè)計(jì)提供技術(shù)支撐。

1 研究對(duì)象

本文采用美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院研發(fā)的FDS6.6軟件對(duì)公路隧道內(nèi)火災(zāi)煙氣運(yùn)動(dòng)進(jìn)行模擬分析。選取了6種不同斷面的全尺寸水平公路隧道模型，如圖1所示。斷面形狀為馬蹄形，A、B、C斷面尺寸取自《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG 3370.1-2018)[10]，D、E、F尺寸取自相關(guān)文獻(xiàn)[2]。根據(jù)國(guó)際隧道協(xié)會(huì)(ITA)按照橫斷面積大小對(duì)隧道的劃分，A斷面隧道為大斷面隧道(橫斷面積50 m2～100 m2)，其余斷面為特大斷面隧道(橫斷面積大于100 m2)。

圖1 隧道斷面尺寸Fig. 1 Internal Cross-section of the tunnels

對(duì)于公路隧道火災(zāi)，一輛小轎車起火對(duì)應(yīng)的火災(zāi)功率為5 MW左右，一輛載重卡車起火為20 MW左右。因本文主要針對(duì)小規(guī)模火災(zāi)和普通轎車火災(zāi)探測(cè)，故火源功率分別設(shè)置為2 MW和5 MW?；鹪捶譃橹行幕鹪春推没鹪?，中心火源位于隧道中軸線處，偏置火源位于隧道最外側(cè)車道處，F(xiàn)場(chǎng)景的中心火源和偏置火源如圖2所示。

隧道內(nèi)通風(fēng)選取0.0 m/s～3.0 m/s的速度區(qū)間，環(huán)境溫度設(shè)定為20 ℃，環(huán)境氣壓設(shè)置為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，隧道壁面在FDS中設(shè)置為“CONCRETE”屬性。火源模型分為熱釋放速率不變的穩(wěn)態(tài)模型和熱釋放速率隨時(shí)間變化的非穩(wěn)態(tài)模型，本文選用t2火源模型來近似非穩(wěn)態(tài)火災(zāi)。隧道火災(zāi)取為超快速火災(zāi)，火災(zāi)增長(zhǎng)系數(shù)為0.178 kW/s2，穩(wěn)定時(shí)的火源熱釋放速率設(shè)置為1 000 kW/m2。隧道內(nèi)工況設(shè)置如表1所示。

表1 模擬工況表Table 1 Simulation conditions

本文在距離隧道頂部0.1 m處設(shè)置溫度監(jiān)測(cè)點(diǎn)以模擬隧道內(nèi)線型光纖感溫探測(cè)器。溫度監(jiān)測(cè)點(diǎn)沿隧道縱向每隔0.5 m設(shè)置1個(gè)，每列共有250個(gè)探測(cè)器；橫向沿隧道頂棚每隔2 m設(shè)置1列。橫向布置時(shí)僅布置半邊，其中A場(chǎng)景設(shè)置2列，B場(chǎng)景和C場(chǎng)景設(shè)置4列，D場(chǎng)景和E場(chǎng)景設(shè)置5列， F場(chǎng)景設(shè)置6列。F場(chǎng)景的溫度監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置情況如圖2所示。本文選取的線型感溫火災(zāi)探測(cè)器對(duì)應(yīng)的定溫報(bào)警閾值為68.0 ℃，差溫報(bào)警閾值為60 s溫升13.0 ℃(需要說明的是，文中的定溫報(bào)警時(shí)間和差溫報(bào)警時(shí)間均指探測(cè)器所測(cè)得的溫度數(shù)據(jù)中首次滿足報(bào)警閾值的時(shí)間，未考慮實(shí)際火災(zāi)探測(cè)系統(tǒng)中感溫元件響應(yīng)時(shí)間和系統(tǒng)解調(diào)響應(yīng)時(shí)間等)。

圖2 F斷面的火源位置及溫度監(jiān)測(cè)點(diǎn)分布情況Fig. 2 Fire location and heat detector distribution

本文統(tǒng)一選取隧道長(zhǎng)度為125 m，網(wǎng)格尺寸可用下式估算：

(1)

(2)

式中：δx為網(wǎng)格尺寸；D*為火源特征直徑；Q為火源功率；ρ0為空氣密度；cp為比熱容；T0為環(huán)境溫度；g為重力加速度。

δx的建議范圍在4～16之間[11]。以2 MW火源功率為例，計(jì)算可得網(wǎng)格尺寸的取值范圍為0.08 m～0.32 m。本文對(duì)整個(gè)網(wǎng)格空間劃分為3個(gè)計(jì)算域，在區(qū)域1近火源處及隧道拱頂處進(jìn)行網(wǎng)格加密，網(wǎng)格尺寸為0.25 m×0.25 m×0.1 m，在區(qū)域2隧道頂部遠(yuǎn)火源處網(wǎng)格劃分為0.5 m×0.5 m×0.1 m，區(qū)域3網(wǎng)格尺寸選取為0.5 m×0.5 m×0.5 m，具體設(shè)置如圖3所示。由于各工況實(shí)際參數(shù)不同，各隧道計(jì)算模型達(dá)到穩(wěn)定的時(shí)間不同，但計(jì)算結(jié)果顯示在160 s左右時(shí)，各組數(shù)據(jù)已趨于穩(wěn)定。同時(shí)本文更關(guān)注早期火災(zāi)的探測(cè)情況，故火災(zāi)模擬時(shí)間設(shè)置為200 s。

圖3 網(wǎng)格設(shè)置情況Fig. 3 Mesh division

2 模擬結(jié)果及分析

2.1 隧道火災(zāi)危險(xiǎn)性分析

斷面尺寸和縱向風(fēng)速對(duì)隧道內(nèi)火災(zāi)煙氣溫度分布規(guī)律有著重要影響，圖4為火源功率為2 MW時(shí)，200 s內(nèi)隧道斷面尺寸和縱向風(fēng)速對(duì)隧道內(nèi)煙氣運(yùn)動(dòng)分布和溫度場(chǎng)的影響。當(dāng)風(fēng)速較小時(shí)，煙氣層較為穩(wěn)定，煙氣蔓延情況在火源上下游基本是對(duì)稱的，在火源上游有煙氣回流現(xiàn)象。隨著風(fēng)速不斷加大，煙羽流向火源下游傾斜，且下游煙氣沉降的速度也逐漸變快，而上游煙氣蔓延速度減慢，煙氣回流距離也變短。當(dāng)風(fēng)速大于1.5 m/s后，從圖4中可以觀察到，煙氣層逐漸失去穩(wěn)定性，這是因?yàn)榭v向風(fēng)與煙氣層發(fā)生的水平剪切效應(yīng)破壞了煙氣層的穩(wěn)定性，當(dāng)風(fēng)速繼續(xù)增大時(shí)，剪切流邊界的慣性力導(dǎo)致的失穩(wěn)效應(yīng)將逐漸大于熱浮力下的穩(wěn)定效應(yīng)。

圖4 風(fēng)速與斷面尺寸對(duì)隧道內(nèi)煙氣運(yùn)動(dòng)分布和溫度場(chǎng)分布的影響Fig. 4 Spread of fire smoke and temperature distribution at various velocities and sections

風(fēng)速為1.5 m/s時(shí)，各斷面所對(duì)應(yīng)的煙霧逆流距離不同，總體呈現(xiàn)隨斷面尺寸增大，逆流距離減小的趨勢(shì)。從溫度場(chǎng)分布來看，在風(fēng)速相同的情況下，斷面尺寸越大，煙羽流到達(dá)頂棚距離越長(zhǎng)，上升到頂棚所花費(fèi)的時(shí)間也就越長(zhǎng)，煙羽流在抬升階段受風(fēng)速的冷卻效果越明顯。

圖5展示了風(fēng)速為0.0 m/s、1.5 m/s、3.0 m/s，火源功率為2 MW時(shí)，B斷面、D斷面、F斷面隧道頂棚溫度監(jiān)測(cè)點(diǎn)在200 s時(shí)的溫度曲線。由圖5可得，隧道內(nèi)初始風(fēng)速為0.0 m/s時(shí)，縱向溫度分布呈現(xiàn)對(duì)稱性，且溫度沿縱向距離的衰減近似符合指數(shù)分布。隨著斷面尺寸變大，頂棚溫度降低，但各隧道拱頂著火點(diǎn)附近溫度均超過感溫探測(cè)器的定溫報(bào)警閾值。當(dāng)風(fēng)速為1.5 m/s時(shí)，火源上游頂棚溫度大于火源下游的溫度，并且在縱向分布上，火源上游溫度衰減更快。這是因?yàn)?，在火源下游，煙霧蔓延方向與縱向通風(fēng)方向相同，煙霧與縱向風(fēng)之間作用主要為黏性力和慣性力，表現(xiàn)為同向流剪切，而火源上游因煙霧蔓延方向與風(fēng)向相反，表現(xiàn)為反向流剪切。反向流剪切的作用力比同向流大，在距離火源較近的區(qū)域，因羽流浮力效應(yīng)較強(qiáng)，反向流剪切會(huì)使煙霧能量在頂棚下積聚，進(jìn)而表現(xiàn)為縱向火源上游溫度衰減比下游更快，而隨著羽流向外蔓延，反向流剪切會(huì)使得上游羽流卷吸大量周圍冷空氣使其溫度迅速降低。從頂棚最高溫度來看，B斷面、D斷面、F斷面均低于68 ℃，探測(cè)器無法觸發(fā)定溫報(bào)警閾值。當(dāng)風(fēng)速為3.0 m/s時(shí)，頂棚最高溫度進(jìn)一步降低，因縱向風(fēng)速已超過臨界風(fēng)速，火源上游頂棚溫度與環(huán)境溫度一致。

圖5 隧道頂棚溫度縱向分布Fig. 5 Temperature distribution of tunnel roof

圖6顯示不同風(fēng)速下，F(xiàn)斷面隧道中央發(fā)生5 MW火災(zāi)時(shí)，頂棚最高溫度隨起火時(shí)間的變化曲線。當(dāng)風(fēng)速為0.0 m/s時(shí)，頂棚溫度上升較快，在17 s時(shí)煙氣到達(dá)頂棚，21 s時(shí)頂棚溫度達(dá)到29.0 ℃；而隨著隧道內(nèi)風(fēng)速的增大，煙氣到達(dá)頂棚的時(shí)間不斷推遲，隧道頂棚的升溫速率也逐漸減小，風(fēng)速為3.0 m/s時(shí)，煙氣45 s到達(dá)頂棚，55 s時(shí)頂棚溫度為23.3 ℃，溫升幅度較小。

圖6 風(fēng)速對(duì)頂棚最高溫度的影響Fig. 6 Maximum temperature at various velocities

隧道內(nèi)的縱向風(fēng)速同樣影響了火災(zāi)探測(cè)系統(tǒng)的報(bào)警時(shí)間及報(bào)警位置。表2列出了不同風(fēng)速下，F(xiàn)斷面隧道中央發(fā)生2 MW火災(zāi)時(shí)，隧道頂棚的最高溫度以及探測(cè)器的定溫報(bào)警和差溫報(bào)警情況，從表2中可知，探測(cè)器先觸發(fā)差溫報(bào)警閾值再觸發(fā)定溫報(bào)警閾值。而當(dāng)風(fēng)速為1.0 m/s時(shí)，F(xiàn)場(chǎng)景內(nèi)頂棚最高溫度為55.7 ℃，線型感溫探測(cè)器已無法觸發(fā)定溫報(bào)警閾值；在風(fēng)速為3.0 m/s時(shí)，探測(cè)器仍可通過差溫算法來進(jìn)行報(bào)警。隨著風(fēng)速不斷增大，隧道內(nèi)頂棚最高溫度逐漸降低，這是因?yàn)榭v向風(fēng)會(huì)導(dǎo)致煙羽流傾斜，改變了煙羽流質(zhì)量卷吸速率，延長(zhǎng)了煙霧到達(dá)隧道頂部的距離。風(fēng)速越大，煙羽流傾斜角越大，煙霧冷卻效果就越好，探測(cè)器到達(dá)報(bào)警閾值的時(shí)間越長(zhǎng)。

表2 F斷面隧道頂棚最高溫度及探測(cè)器報(bào)警情況Table 2 Maximum temperature and alarm time

隧道內(nèi)風(fēng)速會(huì)影響線型感溫火災(zāi)探測(cè)器對(duì)火源的定位，如果火災(zāi)剛好發(fā)生在隧道內(nèi)兩個(gè)火災(zāi)探測(cè)分區(qū)之間，在隧道內(nèi)有環(huán)境風(fēng)的情況下，就可能會(huì)產(chǎn)生錯(cuò)誤的火災(zāi)報(bào)警分區(qū)信號(hào)。例如秦嶺終南山隧道“1.19”火災(zāi)事故中，報(bào)警點(diǎn)為實(shí)際火源的下游，消防人員在得到報(bào)警信息后，通過視頻搜尋才確定實(shí)際火源位置，延誤了到達(dá)火場(chǎng)的時(shí)間，錯(cuò)過了火災(zāi)初期的最佳滅火時(shí)間。本文對(duì)不同風(fēng)速和隧道斷面尺寸下隧道內(nèi)感溫探測(cè)器的報(bào)警位置偏移進(jìn)行了研究。通過前文描述可知，在相同條件下，隧道內(nèi)線型感溫火災(zāi)探測(cè)系統(tǒng)采用差溫報(bào)警的靈敏度更高。故本文所取的偏移值均為差溫報(bào)警時(shí)所對(duì)應(yīng)的報(bào)警位置偏移。為了減少煙羽流脈動(dòng)的影響，取各工況到達(dá)報(bào)警閾值時(shí)刻的前5 s與后5 s，隧道頂棚中央探測(cè)器測(cè)得溫度最高點(diǎn)的位置與著火點(diǎn)之間的偏移值，并對(duì)其取平均值作為該工況的最終差溫報(bào)警偏移值?；馂?zāi)場(chǎng)景考慮普通小轎車火災(zāi)，火源功率設(shè)置為5 MW。表3展示了不同風(fēng)速下，各斷面隧道的最終差溫報(bào)警偏移值數(shù)據(jù)。從表3中可以看到，當(dāng)風(fēng)速為0.5 m/s左右時(shí)，各工況的偏移值均為2 m左右，而隨著風(fēng)速的變大，偏移距離逐漸變大，隧道斷面尺寸越大，其增大的速率也越快。同一風(fēng)速下，斷面尺寸更大的隧道其偏移距離也更長(zhǎng)。為修正因隧道內(nèi)縱向風(fēng)引起的火災(zāi)報(bào)警位置偏差，本文對(duì)各工況的偏移數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析。在風(fēng)速較小時(shí)，因報(bào)警時(shí)間短，偏移距離小，實(shí)際報(bào)警點(diǎn)與著火點(diǎn)位置距離較近，修正誤差意義不大，故取風(fēng)速1.0 m/s～3.0 m/s的模擬結(jié)果進(jìn)行回歸分析，得到偏移距離與隧道風(fēng)速及隧道斷面的關(guān)系式如下：

d=6.404v+0.923Hd-6.762

(3)

式中：d為報(bào)警位置偏移值，m；v為隧道內(nèi)風(fēng)速，m/s；Hd為火源表面到隧道頂部探測(cè)器的距離，m。

上式中R2=0.96，說明該關(guān)系式具有較好的擬合效果。通過對(duì)比式中各變量系數(shù)，發(fā)現(xiàn)隧道內(nèi)風(fēng)速是造成火災(zāi)報(bào)警位置偏移的主要原因，并且在同一風(fēng)速下，隧道斷面高度越大其偏移距離也越大。實(shí)際隧道中，若探測(cè)器報(bào)警閾值選擇與本文研究條件一致，根據(jù)隧道內(nèi)風(fēng)速計(jì)獲取的縱向風(fēng)速，結(jié)合隧道斷面高度，即可實(shí)時(shí)計(jì)算出頂棚煙氣最高溫度點(diǎn)相比于火源位置向下游的偏移距離，進(jìn)而對(duì)報(bào)警位置進(jìn)行修正。圖7給出了C斷面和F斷面的隧道的偏移值和擬合曲線。

表3 不同風(fēng)速下各隧道報(bào)警位置偏移值Table 3 Alarm offset at various velocities

圖7 隧道火災(zāi)報(bào)警位置偏移值擬合曲線Fig. 7 Fitting curve of offset value of tunnel fire alarm position

2.2 隧道火災(zāi)探測(cè)系統(tǒng)布置方案

隧道內(nèi)發(fā)生火災(zāi)時(shí)，其火源所處位置對(duì)火災(zāi)探測(cè)的結(jié)果有重要影響，而隧道中火災(zāi)實(shí)際發(fā)生位置較為隨機(jī)。當(dāng)火源處于隧道中央時(shí)，隧道頂棚中軸線處所對(duì)應(yīng)的感溫探測(cè)器先觸發(fā)報(bào)警，而當(dāng)火源位置處于隧道邊側(cè)時(shí)，煙羽流則隨隧道側(cè)墻蔓延至隧道頂棚。考慮不利條件，以隧道內(nèi)小規(guī)模火災(zāi)展開研究，火源功率設(shè)置為2 MW。圖8展示了E場(chǎng)景中火源位置對(duì)隧道斷面溫度場(chǎng)分布的影響。從圖8中可以看出，隧道中央發(fā)生火災(zāi)時(shí)，火源加熱上方空氣，使其密度降低，煙羽流在浮力作用下向上運(yùn)動(dòng)，并在此過程中不斷卷吸周圍空氣和火災(zāi)煙霧，當(dāng)煙羽流上升到隧道拱頂時(shí)，撞擊頂棚，轉(zhuǎn)為徑向蔓延，因隧道斷面形狀為馬蹄形，受隧道側(cè)壁的限制，煙羽流隨后將轉(zhuǎn)為沿隧道縱向蔓延。而隧道邊緣發(fā)生火災(zāi)時(shí)，火羽流在上升過程中，將提前受到隧道斷面形狀的約束，煙羽流沿弧形壁面蔓延至隧道頂棚，煙霧在蔓延過程中損失的能量更多。

圖8 火源位置對(duì)隧道溫度場(chǎng)的影響Fig. 8 Tunnel temperature at various fire locations

表4列出了初始風(fēng)速為0.0 m/s，火源功率為2 MW時(shí)，各隧道場(chǎng)景中拱頂溫度最高值隨火源位置的變化。由表4可得，當(dāng)火源功率與位置固定時(shí)，隨著隧道斷面尺寸的增大，頂棚最高溫度降低，而對(duì)于同一個(gè)斷面尺寸，偏置火源所對(duì)應(yīng)的頂棚最高溫度要遠(yuǎn)低于中心火源。例如E斷面隧道中心火源的頂棚最高溫度為132.8 ℃，而偏置火源則為66.2 ℃。

表4 隧道頂棚中心線溫度最高值Table 4 Maximum temperature at the centerline of the tunnel roof

圖9給出了不同風(fēng)速下，火源功率為2 MW，僅在頂棚中央設(shè)置1條感溫光纖時(shí)，各隧道的差溫報(bào)警時(shí)間。從圖9中可以看出，偏置火源的工況中，溫度監(jiān)測(cè)點(diǎn)到達(dá)報(bào)警閾值的時(shí)間均比中心火源要長(zhǎng)。當(dāng)風(fēng)速為3.0 m/s時(shí)，E斷面和F斷面的偏置火源工況已無法觸發(fā)差溫報(bào)警。此時(shí)B斷面到達(dá)報(bào)警閾值的時(shí)間為79.8 s，報(bào)警時(shí)間較長(zhǎng)，為提升火災(zāi)探測(cè)器的報(bào)警性能，應(yīng)對(duì)感溫光纖按照一定安裝間距并行敷設(shè)。

圖9 火源位置對(duì)到達(dá)報(bào)警時(shí)間閾值的影響Fig. 9 Alarm time at various fire locations

本文在特大斷面隧道內(nèi)并行等寬設(shè)置多條感溫光纖，通過獲取不同間距下各束探測(cè)器報(bào)警數(shù)值來確定最終的布置方案。以D斷面隧道火源功率為2 MW，風(fēng)速為3.0 m/s的偏置火源工況為例，模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn)，當(dāng)隧道內(nèi)布置2條感溫光纖時(shí)，報(bào)警時(shí)間為85.6 s；增加到3條時(shí)為81.2 s；布置4條時(shí)為69.6 s；布置5條時(shí)為60.0 s。由此可見，對(duì)于偏置火源，增加感溫光纖的敷設(shè)數(shù)量，報(bào)警時(shí)間會(huì)顯著減小，D斷面隧道在布置5條感溫光線時(shí)，報(bào)警性能最佳。表5列出了隧道內(nèi)感溫光纖的建議敷設(shè)數(shù)量和優(yōu)化后到達(dá)報(bào)警閾值的時(shí)間。

由表5可得，隧道高度H≥8 m時(shí)，感溫光纖的建議敷設(shè)數(shù)量為2條，H≥10 m時(shí)，建議敷設(shè)3條，H≥11 m時(shí)，建議敷設(shè)5條?！豆匪淼老兰夹g(shù)規(guī)范》(DB 43/729-2012)中要求在隧道縱向風(fēng)速小于3 m/s和火災(zāi)規(guī)模不大于設(shè)計(jì)火災(zāi)規(guī)模的1%時(shí)，探測(cè)器應(yīng)在60 s內(nèi)準(zhǔn)確報(bào)警[12]。注意到火源功率為2 MW，風(fēng)速為3.0 m/s的偏置火源工況中，E斷面隧道在敷設(shè)5條感溫光纖時(shí)，探測(cè)器被觸發(fā)的時(shí)間為69.2 s，而當(dāng)火源功率為5 MW時(shí)，時(shí)間為61 s，報(bào)警時(shí)間仍較長(zhǎng)。故對(duì)于隧道高度H≥12 m的隧道，需在設(shè)置線型感溫探測(cè)器的基礎(chǔ)上增設(shè)基于火焰和煙氣特征的非接觸式火災(zāi)探測(cè)方式。

表5 隧道內(nèi)感溫光纖的建議敷設(shè)數(shù)量Table 5 Recommended number of fibers in tunnels

3 結(jié)論和建議

本文對(duì)大斷面、特大斷面公路隧道火災(zāi)開展數(shù)值模擬研究，綜合考慮斷面尺寸、縱向風(fēng)速、火源功率、火源位置情況等因素對(duì)火災(zāi)探測(cè)的影響，得到結(jié)論和建議如下：

(1)隧道斷面尺寸，縱向通風(fēng)對(duì)隧道頂棚溫度及感溫探測(cè)器的探測(cè)結(jié)果存在耦合性影響。隨著隧道斷面尺寸、縱向風(fēng)速的變大，隧道頂棚最高溫度不斷降低，溫升速率逐漸減慢，感溫探測(cè)器到達(dá)報(bào)警閾值的時(shí)間也不斷延長(zhǎng)。

(2)在本文研究條件下，隧道內(nèi)使用線型感溫火災(zāi)探測(cè)系統(tǒng)時(shí)，差溫報(bào)警相比定溫報(bào)警更為靈敏。當(dāng)隧道高度為8 m，風(fēng)速為1.5 m/s時(shí)，定溫報(bào)警已無法觸發(fā)，差溫報(bào)警仍可觸發(fā)(2 MW)，因此隧道內(nèi)所布置的線型感溫探測(cè)器需設(shè)置為差溫報(bào)警方式來進(jìn)行有效探測(cè)。

(3)隧道內(nèi)存在縱向通風(fēng)時(shí)，線型感溫探測(cè)器的報(bào)警位置與著火點(diǎn)之間存在偏移值。本文通過數(shù)據(jù)擬合，得到隧道內(nèi)線型感溫火災(zāi)探測(cè)器使用差溫報(bào)警時(shí)，報(bào)警位置偏移值d與隧道縱向風(fēng)速v和火源到隧道頂棚距離Hd的關(guān)系式：d=6.404v+0.923Hd-6.762，實(shí)際隧道中火災(zāi)探測(cè)報(bào)警系統(tǒng)可用此關(guān)系式來修正報(bào)警位置。

(4)文中得到了不同斷面隧道需要的感溫光纖敷設(shè)數(shù)量。隧道高度H≥8 m時(shí)，建議敷設(shè)2條；H≥10 m時(shí)，建議敷設(shè)3條，H≥11 m時(shí)，建議敷設(shè)5條。對(duì)于隧道高度H≥12 m時(shí)隧道，還需配備基于火焰和煙氣特征的非接觸式火災(zāi)探測(cè)器。