高速公路隧道火災自動報警系統優化改造與應用分析

■馬茂涼

（福建省高速公路集團有限公司寧德管理分公司， 寧德 352100）

隨著我國高速公路建設事業的快速發展，高速公路隧道總里程迅速增加，隧道內發生火災事故的幾率也越來越大，而高速公路隧道因其半封閉的特殊環境，一旦發生火災，火勢將迅速蔓延并威脅司乘人員的生命與財產安全，嚴重的甚至會影響隧道的主體結構。 隨著新型傳感技術的快速發展，感溫型和感光型火災自動報警系統在高速公路隧道上大量推廣使用， 已成為主流的隧道火災報警系統。由于各類型系統的檢測原理、檢測效率、適用性不同，為快速響應和處置隧道火災事故，提高人員生命安全和降低路產損失，對主流的隧道火災自動報警系統的投資造價、后期維護及實際應用等方面進行比較分析， 對保障隧道安全運營具有一定的意義，也為高速公路隧道火災自動報警系統建設提供借鑒參考。

1 福寧高速隧道火災自動報警系統優化改造方案

福寧高速公路作為同三線（黑龍江同江-海南三亞） 福建段的重要組成部分， 全長約141 km，于2003 年建成通車。全線共有8 條長隧道安裝有線型光纖感溫火災自動報警系統，通車運營以來，隧道內發生過多起車輛著火事故，該系統均能及時準確報警， 有效保障了福寧高速公路隧道的安全運營。隨著系統投入運行多年，系統在維護、應用過程中逐漸暴露出原設計和施工方面的一些缺陷及不足，影響隧道的安全運營：（1）隨著運行年限的增加，光纖感溫主機設備老化，性能指標不能滿足新的規范要求；（2）隧道內原懸掛感溫光纜的鋼絲繩、支架、掛鉤等部件由于長期銹蝕等原因斷裂， 造成鋼絲繩、感溫光纜垂落，存在安全隱患；（3）隧道內行駛的車輛有異常情況時，通常會選擇停靠在緊急停車帶內， 而原設計緊急停車帶上方未布設感溫光纜，當車輛在緊急停車帶內發生著火事故時，受感溫光纜布設位置的影響， 原系統報警響應時間較長，存在一定的安全隱患；（4）原感溫光纜安裝在隧道洞頂的正上方， 需單洞全封閉才能開展檢修工作，造成日常維護困難，影響維護及時性。

針對上述問題， 寧德高速公司于2020 年組織相關專家和一線運維人員研究討論，制定了優化方案并對福寧高速8 條長隧道線型光纖感溫火災自動報警系統進行優化改造， 大大提高了系統可靠性、適用性和維護便利。

1.1 線型光纖感溫火災自動報警系統工作原理

線型光纖感溫火災自動報警系統主要由線型光纖感溫報警主機及分布式感溫光纜（光纖）組成。系統工作原理是在光纖中注入一定能量和寬度的激光脈沖，它在光纖中傳輸的同時不斷產生背向拉曼散射，背向散射光的強度會受到所在光纖散射點的溫度影響而改變，通過散射回來的拉曼光波經波分復用、光電轉換、放大、解調并送入報警主機分析處理后便可將溫度信號實時顯示出來。 根據光纖中光波的傳輸速度和背向散射光回波的時間等信息的定位，便能獲得一個精確的溫度分布（圖1），系統具備傳輸數據量大和損耗小的特點，在無需中繼的情況下，可以實現最大約12 km 的遠程監測。

圖1 線型光纖測溫系統原理示意圖

線型光纖感溫火災報警主機可在顯示器上實時顯示光纜的溫度軌跡，突出顯示報警信號，系統校定、隧道監控區域、報警點劃分等功能均可通過軟件來完成。 處理后的隧道溫度信息通過網絡上傳至管理中心火災報警工作站（圖2）。

圖2 線型光纖測溫系統傳輸示意圖

1.2 鋼絲繩及感溫光纜洞內布設方案

（1）福寧高速地處東南沿海，常年高溫、高濕，存在車流量大、大貨車多等情況，部分隧道區域還處于鎳合金廠、燃煤火電廠等容易產生酸雨和腐蝕性氣體的特殊環境，從2018 年開始，部分處于特殊環境的隧道陸續出現鋼絲繩、支架銹蝕垂落的情況（圖3、圖4），存在嚴重的安全隱患。

圖3 鋼絲繩腐蝕斷裂

圖4 固定支架處鋼絲繩腐蝕情況

針對上述問題，本次改造選用包塑304 不銹鋼絲繩作為感溫光纜承重材料，同時固定支架、膨脹螺栓、掛鉤、夾頭等輔材也采用304 不銹鋼材質，通過塑料和不銹鋼兩種材質的耐腐蝕特性來加強鋼絲繩和其他輔材的抗腐蝕能力，并對原來吊掛光纜的鋼絲繩固定方式加以改進， 在原50 m 間距的兩個支架之間每10 m 增加1 個掛鉤， 用以分攤固定鋼絲繩時所受的拉力和重力（圖5），盡量保證在系統服役期限內感溫光纜的穩定可靠。

圖5 改造后隧道內光纜吊裝布設示意圖

（2）針對原感溫光纜檢修時需單洞全封閉影響維護便利性和及時性的情況，本次優化改造將鋼絲繩和感溫光纜沿隧道頂部中央往主車道方向偏移0.5 m 安裝， 優化后光纜的垂影線與超車道的最外邊距離小于5 m，既能滿足規范要求，又能在單洞半封閉情況下開展日常檢修工作， 大大提高了維護效率。

（3）針對原緊急停車帶上方沒有布設感溫光纜的缺陷，本次優化改造在緊急停車帶上方鋪設感溫光纜，以提高現有系統對緊急停車帶發生火災時的檢測靈敏度（圖6）。

圖6 緊急停車帶內的鋼絲繩和感溫光纜鋪設示意圖

1.3 更換感溫光纜

改造選用符合最新國家標準GB16280-2014《線型感溫火災探測器》 的GTH-01 型鎧裝感溫光纜，光纜外徑3.0 mm、重量18 g/m、長期抗拉力達到300 N，具有重量輕、抗拉性好、防護等級高、響應速度快等優點。

1.4 更換線型光纖感溫火災報警主機

改造前所使用線型光纖感溫主機是基于GB/T 21197-2007《線型光纖感溫火災探測器》[1]研制，該標準已被GB16280-2014 《線型感溫火災探測器》[2]替代，原線型光纖感溫主機已不滿足新標準，且使用年限較長，設備老化，出現頻繁死機情況，因此本次優化改造更換為符合新國標的新一代感溫火災報警主機。

新主機采用了一體化、模塊化、低功耗設計，單通道具備最大6 km 測溫能力， 可以同時配接4 根感溫光纜，在系統可靠性、響應速度、最大測量長度等方面都有了很大的提升。

1.5 模擬點火測試

2020 年11 月30 日，項目改造完成后業主在赤嶺隧道組織了模擬點火測試，測試按照交通運輸部制定的《公路隧道火災自動報警系統技術條件》[3]的要求實施， 點火開始至主機發出報警時間為36 s，優于規范要求的60 s 響應時間[4]，證明此次優化改造取得了良好效果（點火測試現場見圖7，主機報警界面見圖8）。

圖7 赤嶺隧道點火測試

圖8 點火測試報警時主機界面

2 高速公路隧道火災自動報警系統介紹及應用分析

2.1 高速公路隧道火災自動報警系統介紹

隧道火災自動報警系統由火災探測器、火災報警主機等部分組成，火災探測器通過探測物質燃燒過程中產生的氣、煙、熱、光（火焰）等各種表征火災信號的物理量做出有效響應，并轉化為火災報警主機可接收的電信號，再由報警主機分析處理后發出火警。 火災探測器作為整個系統的核心組成，對能否及時、準確發現火情至關重要。 自動火災報警系統根據其選用的探測器類型可以分為感煙型、感溫型、感光型、圖像型4 大類。

2.1.1 感煙型火災自動報警系統

感煙型火災自動報警系統通過探測、分析空氣中的煙塵顆粒濃度來實現火災報警，由于公路隧道車流引起的氣流使煙霧不易聚集，且一些大型車輛排放的的尾氣、剎車產生的氣體等容易造成感煙型火災自動報警系統誤報，同時隧道中較多灰塵也容易造成感煙型探測器失靈，因此感煙型火災自動報警系統在公路隧道中應用極少。

2.1.2 感溫型火災自動報警系統

感溫型火災自動報警系統常見的有光纖光柵感溫和線型光纖感溫2 小類，線型光纖感溫火災自動報警系統前文已作介紹，不再贅述。 光纖光柵感溫火災自動報警系統是在光纖拉制的過程中實時進行光柵刻寫，將光纖光柵作為溫度傳感器內部的敏感元件，通過光纖光柵所反射的光信號中心波長變化量與溫度成線性關系的原理來檢測環境溫度值。 光纖光柵感溫報警系統與線型光纖感溫報警系統都是以光纖作為信號傳輸和傳感媒體，光纖在隧道的布設與安裝方式基本相同，火災報警主機在數據處理、區域劃分、系統設置和報警信號上傳等方面也都相似。

2.1.3 感光型火災自動報警系統

感光型火災自動報警系統主要包括雙波長和三波長2 小類，雙波長火災自動報警系統是檢測火災發生時所產生輻射光的特定波長（4.1～4.7 μm）和火焰閃爍頻率（1～15 Hz）來判定是否發生火災并進行報警的。 每個雙波長火災探測器（火災報警綜合盤）為獨立檢測單元，可檢測50 m 范圍內發生的火災，因此，雙波長探測器在隧道內必須以≤50 m 的間距連續布設，避免出現檢測盲區。 所有獨立檢測單元通過通信電纜以總線形式連接至報警主機，通過報警主機發出報警信號上傳管理中心。 三波長火災自動報警系統與雙波長類似， 只是在檢測距離、檢測角度、抗干擾能力方面更優于雙波長系統。

2.1.4 圖像型火災自動報警系統

圖像型火災自動報警系統利用前端攝像機采集的視頻圖像進行處理、分析，判斷圖像中是否有煙霧、火光等特征，從而對火災進行識別并報警。 但受前端采集的視頻圖像質量、 隧道照明亮度變化、車輛遮擋等因素影響，容易產生誤報、漏報的情況，目前主要作為輔助檢測使用。

綜上，應用于國內高速公路隧道主流的火災自動報警系統主要感溫型和感光型2 大類。

2.2 寧德高速公路隧道火災自動報警系統應用效果比較

寧德高速公司現有感溫型的纖光柵火災自動報警系統、線型光纖火災自動報警系統、感光型雙波長火災自動報警系統3 小類。 下面根據公司多年來的建設管理和運營維護經驗，對感溫型和感光型隧道火災自動報警系統在所轄路段投資造價、檢測效果、后期維護等方面進行比較分析。

2.2.1 各系統運作情況比較

新建或改造的隧道火災自動報警系統投入使用之前， 均會按照國家相關規范進行模擬點火測試，在筆者參與的多次測試中，模擬點火測試的結果均能滿足規范要求。 就寧德高速公司現有的3 小類火災自動報警系統而言，在模擬測試環境中雙波長火災自動報警系統響應更靈敏， 報警時間更短，其探測報警時間基本不受隧道內風速影響，火災位置定位準確。 而感溫型火災自動報警系統需火災發生到一定程度，感溫光纜周圍溫度上升到閾值或一定時間內溫差發生巨大變化才會報警，受隧道內風速影響，火焰產生的熱量容易擴散，系統報警響應時間會出現一定延遲。

在實際的通車運營環境中，雙波長探測器窗口受灰塵污染、火災發生時過往車輛的遮擋等因素都會導致雙波長報警系統響應時間延長，且系統結構復雜，信號、供電線纜沿電纜溝布設等方式極易受到環境、 雷電等因素的影響導致故障率居高不下，系統維護工作量大，難以保證系統始終處于完好狀態。 而感溫型火災自動報警系統檢測光纜沿洞頂敷設，系統結構簡單，探測器與主機通過光纜連接，不易受環境、雷電等因素出現故障，相比雙波長火災報警系統其穩定性和可靠性、維護工作量等均有優勢，且系統具有連續分布式測量的特性，可通過比較相鄰區域的溫度及同區域溫度變化的速率來判斷是否有火情產生，在一定程度上彌補了隧道風速對感溫型報警系統響應時間的影響。

2.2.2 各系統造價比較

雙波長火災自動報警系統中雙波長探測器在隧道內必須以≤50 m 的間距連續布設，才能保證不存在盲區，其安裝數量與隧道長度成正比，且數量眾多，由于獨立檢測單元單價高，因此雙波長報警系統投資基本與隧道長度成正比。 而感溫型火災自動報警系統中光纖既是溫度傳感器又是檢測信號傳輸通道， 光纖價格便宜， 僅有報警主機單價較高，但主機單通道的最大測量長度較長，按照每公里綜合造價測算， 感溫型報警系統具有明顯的優勢（表1）。 另外，光纖本身所具有的耐腐蝕、防電磁干擾、壽命長的等特性，也使得感溫型火災自動報警系統的服役年限更長。

表1 寧德同期通車的兩路段雙波長與光纖光柵火災報警系統的造價比較

綜合比較，在長隧道中使用感溫型火災自動報警系統既能在符合規范要求，又能降低整個系統的運營維護成本。

2.2.3 各系統后期維護比較

雙波長火災報警系統其探測器感光窗口容易被汽車尾氣或塵土污染而導致靈敏度降低，需要定期清洗； 探測器的安裝高度也容易受到大型車輛（如蓬布未綁扎好、拉綠化樹木）的刮擦導致探測器方向角度發生變化而無法正常工作； 而數千米信號、供電線纜沿隧道壁和電纜溝布設，導致設備易遭受雷電感應損壞， 在山區隧道這種情況尤其嚴重； 另鼠害或電纜溝蓋板損壞都可能造成信號、供電線纜中斷且此類故障不易排查，總體維護工作量較大， 特別是維護工作主要在隧道電纜溝上操作，隧道車輛呼嘯而過，對維護人員也存在較大的安全風險。

相較而言， 光纖式感溫探測器中的光纖集檢測、定位、信號傳輸于一體，由于光纖傳輸信號是光信號而非傳統的電信號，監測現場無需供電，實現了真正意義上的本質安全， 同時具有抗電磁干擾、電絕緣性好、防雷擊、抗腐蝕、體積小、重量輕等優點；光纜斷點便于定位的特性使得光纜故障的排查簡單易行，同時光纜懸掛在隧道頂部，也避免了探測器受車輛刮擦、鼠害或電纜溝蓋板等因素影響出現故障，后期維護工作量小，但系統施工時須對吊掛光纜的支架、鋼絲繩、掛鉤等部件和輔材所選用的材質的抗銹蝕性能嚴格要求，嚴格把關安裝方式和施工工藝，充分考慮到隧道惡劣的環境對鋼構件的腐蝕可能導致鋼絲繩、固定支架的影響，即可大大降低后期的維護工作量。

2.2.4 實際應用效果分析

綜上所述，感光型火災自動報警系統檢測靈敏度較高，但受環境影響大，可靠性不如感溫型火災報警系統，投資高，后期維護工作量大、維護費用高。 感溫型火災自動報警系統受環境影響小，系統可靠性高，投資少，后期維護工作量小、維護費用低，但在檢測靈敏度方面略遜于前者，二者各有其局限性。

結合寧德高速公路隧道在用的3 小類火災報警系統實際應用情況分析，感溫型自動火災報警系統在隧道火災事故中響應時間略慢，但也在在規范要求的時間內，而隧道車輛著火若要在火災初期消滅，主要依靠司乘人員在火災初期就利用隧道內設置的消防栓、滅火器等消防器材自救。 因此，在整個火災事故救援過程中，雙波長系統提前約15 s 響應時間起到的作用并不大，同時感溫型自動火災報警系統可靠性較高，維護工作量及費用較低，在實際發生的多起隧道火災事故中均能有效報警且誤報率極低，相較而言，感溫型自動火災報警系統更符合寧德高速公路隧道安全運營管理的需求。

3 結語

在筆者從事機電設備管理和維護過程中，接觸過許多不同類型的火災報警設備廠家，各家多片面突出自身產品優點，攻擊競爭產品缺點，少有能對自身產品做到全面客觀評價。 因此隧道火災自動報警系統的的選擇要經過廣泛深入的調查，本著實事求是的原則，在充分考慮其靈敏度、可靠性、誤報率、耐污損性、安裝和維護的難易程度及長期運維投入的綜合情況下，結合隧道車流量、車輛裝載貨物特點、地理環境等因素選用合適的設備類型和型號，有條件的情況下重點隧道火災報警系統可以考慮感溫型、感光型組合或感溫型、圖像型組合方式建設，取長補短，才能最大程度地滿足隧道火災探測的需要，保證隧道安全正常運營。