分布式光纖測溫系統監測地鐵火災的試驗研究

劉 輝 劉蘇敏 姚 斌 劉炳海 石曉龍 王文偉

（1.中鐵第四勘察設計院集團有限公司，430063，武漢；2.合肥科大立安安全技術股份有限公司，230088，合肥；3.中國科學技術大學火災科學國家重點實驗室，230026，合肥∥第一作者，高級工程師）

城市軌道交通系統的地下區間隧道由于空間狹小、隧道長度長、交通流量大，消防救災十分困難，因此，為保證軌道交通線路運營和人生安全，滿足消防和安全的要求，火災的早期發現和早期撲救對消防救災來說顯得尤為重要［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，地鐵火災具備了地下空間火災的顯著特征：①氧含量急劇下降；②發煙量、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］。

國內外很多人已經通過數值模擬和全尺寸的火災實驗對隧道內火災的發展以及溫度場的分布進行研究［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行了一次大規模的試驗來測定火災功率［5］；2006年，中國科學技術大學火災科學國家重點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現場模擬試驗［6］。目前，分布式光纖測溫系統已經開始在我國各類交通隧道中應用，但是一直缺乏針對在隧道內應用的適用性研究，如火災規模和報警閾值如何確定。隧道風對火災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在地鐵區間隧道中的實際應用。本文簡要介紹了分布式光纖測溫系統，并將其安裝敷設在模擬地鐵區間隧道中進行火災探測實驗研究，為分布式光纖測溫系統在地鐵區間隧道中的實際應用提供參考與建議。

1 測量原理及系統組成

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

圖1 分布式光纖測溫系統原理圖

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，產生不同于入射光的拉曼散射光，光纖測溫的機理是依據后向拉曼散射光譜的溫度效應。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更為敏感。因此，光纖所處空間各點溫度場調制了光纖中背向拉曼散射中的反斯托克斯光的強度，經波分復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，再經信號處理、解調后，將溫度信息實時地從噪聲中提取出來并進行顯示。

2 試驗場景設置及工況設計

2.1 地鐵區間隧道模型

為最大限度地模擬地鐵區間隧道內列車發生火災時的情景，并考察分布式光纖測溫系統的溫度響應性能，特建立地鐵區間隧道模型。模擬隧道長30m、寬7.6m、高7.8m，采用鋼框架結構如圖2所示。其特點如下：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在模擬隧道一側壁面縱向中間位置設有高2m、寬2m的高溫玻璃觀察窗，可以清晰地觀測隧道火災火焰和煙氣變化的實時情況。

圖2 地鐵區間隧道模型

2.2 試驗工況

圖3 試驗工況設計圖

如圖3所示，模擬隧道采取縱向通風方式，其內部安裝2臺射流風機。可對模擬隧道內部進行風速模擬實驗。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。目前我國并沒有統一的關于分布式光纖測溫系統在隧道中施工安裝的國家規范，湖南省地方規范DB 43／T 480—2009《線型光纖感溫火災探測系統設計、施工及驗收規范》規定公路、地鐵、鐵路等交通隧道中設置的感溫光纖應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距離隧道頂部50～100mm［8］。湖北省地方規范DB42／348—2006《光纖光柵感溫火災報警系統設計、施工及驗收規范》中規定在交通隧道內安裝探測器，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］。在本文試驗工況設計中，設置距離隧道頂部100mm和300mm的位置以考察在模擬地鐵區間隧道中光纖距頂安裝位置對火災報警的影響。

根據前人的研究結果，列車火災功率約為5MW。本試驗主要針對早期區間隧道火災探測設計，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。火源放置位置分別為地面及靠隧道左側壁1.6m處和車頂及感溫光纖正下方。工況設計如表1所示。

表1 工況設計

3 試驗結果及分析

3.1 火源功率對光纖測溫系統的影響

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置了0.4MW、1.6MW、3.2MW 的火源，通過設置在距隧道頂部10cm的分布式光纖測溫系統將整個模擬隧道內部的溫度記錄下來。圖5是各試驗工況溫度達到最高值時的位置與溫度對應曲線。

從圖5可以看出，在無風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均為火源正上方處即隧道中部。當火源功率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）的初期火災均不能達到一般定溫型的火災報警探測器設置的報警閾值68℃。而差溫型火災探測器則可以對其進行報警響應。

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系

3.2 隧道內風速對光纖測溫系統的影響

3.2.1 風速測量

為測試風機運行時模擬隧道內的風速分布，需在模擬隧道內進行風速標定試驗。本試驗在隧道試驗平臺兩端各布置一臺風機。利用風速計測量隧道內的風速值，試驗時，風速計在3min內采集數據，最后求風速平均值。考慮到試驗時，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高處的點作為試驗時風速的參考值。

表2 隧道內不同工作頻率的風機風速分布

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

3.2.2 溫度響應情況

如圖6所示，對工況4、5、6進行試驗。將功率為1.6MW的火源放置在隧道中央車廂頂部，并分別設置了0m／s、2m／s、4m／s三組風速來考察風速對分布式光纖測溫系統的影響。在無風條件下，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系如圖7所示，在無風條件下，火源正上方隧道頂部中央溫升最大值達到了167.4℃。當風速2m／s時，溫升最高點為102.3℃，位置則出現在隧道頂部火源正上方下游1m處。當風速4m／s時，溫升最高點為64.9℃，位置則出現在隧道頂部火源正上方下游2.5m處。因此，在隧道內的縱向大風速通風條件下，隨著空氣的快速流通，煙氣層到達前方頂棚，探測器的溫升最高位置出現在火源位置的下游。

圖6 不同風速條件下的試驗場景

圖7 不同風速條件下位置和溫度變化的關系

3.3 感溫光纖安裝高度對光纖測溫系統的影響

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，考察在模擬地鐵區間隧道中感溫光纖距頂安裝位置對測溫系統溫度響應的影響。圖8為在試驗工況4時系統所測得的溫度響應結果。因為光纖測溫系統主要對火源產生的熱煙氣層的溫度進行響應，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，這和試驗結果相符。光纖測溫系統在地鐵區間隧道內實際應用時應安裝敷設在距頂棚越近的位置，這樣對溫度響應也越快，可有效減少報警響應時間。

圖8 不同安裝高度的感溫光纖對溫度的響應

4 結語

通過在模擬地鐵區間隧道中開展全尺寸模擬火災試驗，測試了分布式光纖感溫火災探測器在地鐵區間隧道內發生火災時的響應性能，結果表明：

（1）在隧道內發生的小功率初期火災（如0.4MW 、1.6MW）均不能達到一般定溫型的火災報警探測器設置的報警閾值（為68℃）。而差溫型火災探測器則可以對其進行報警響應。

（2）隧道內無通風時，分布式光纖測溫系統能對火源進行準確定位，但是在隧道內縱向大風速通風條件下，隨著空氣的快速流通，煙氣層到達前方頂棚，分布式光纖測溫系統的溫升最高位置會在火源位置的下游。

（3）光纖測溫系統主要對火源產生的熱煙氣層的溫度進行響應，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，這和試驗結果相符。光纖測溫系統在地鐵區間隧道內實際應用時應安裝敷設在距頂棚越近的位置，這樣對溫度響應也越快，可有效降低報警響應時間。

結合上面的分析結果可以看出，當發生火災時，頂棚的煙氣溫度受縱向風速等環境條件的影響較大，應根據隧道所處環境溫度以及風速條件等特點，設置火災探測系統的報警閾值；隧道內的火災規模和火源位置對探測系統的報警也產生較大影響。

［1］毛保華.城市軌道交通［M］.北京：科學出版社，2001.

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［5］胡隆華，霍然.公路隧道內火災煙氣溫度及層化高度分布特征試驗［J］.中國公路學報，2006，19（6）：79.

［6］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.

［7］DB 43／T480—2009線型光纖感溫火災探測系統設計、施工及驗收規范［S］.

［8］DB 42／348—2006光纖光柵感溫火災報警系統設計、施工及驗收規范［S］.

［9］汪海.地鐵區間隧道火災與防范［J］.城市軌道交通研究，2011（10）：18.