关于城市隧道火灾报警探测器选择的探讨

周科

（重庆市设计院 重庆 400015）

前言

重庆是一个典型的山地城市。近年来，随着城市建设的加快发展，城市隧道的建设也越来越多。

作为一种特殊的地下建筑，城市隧道结构复杂，环境密闭，交通量大，人员密集。火灾是城市隧道面临的高度危险之一，越来越引起了城市隧道电气消防设计工作者的高度重视。

1 隧道的火灾特点

发生在隧道中的火灾，多数是开放性火灾，它带有浓烟，其热辐射率为数兆瓦级，在数分钟内便可形成火灾。经广泛的试验(包括路面车辆和地铁列车)，一起火灾通常在8～10分钟完全形成。对于大型货运卡车，大约为20～30分钟。当有燃料泄漏并形成坑池时，火灾在1～3分钟内完全形成。“隧道火灾”实例的测试显示，在大约5分钟之后，车辆火灾的温度升至大约200摄氏度。

隧道火灾的主要特征是耀眼的明火及强的辐射热 （危险性在于汽车的动力燃料）且发展速度极快。其蔓延程度还取决于隧道洞内的风速，所以隧道机电工程中的火灾自动检测和及时报告无疑是保障隧道营运安全的重要手段之一。同时，由于隧道环境的特殊性，其火灾自动报警探测器选用必须做到可靠、先进并具有高灵敏度和极低的误报率的特点，这样才能防患未然并进行早期自救。

现行国际国内的隧道火灾报警探测器主要有双波长火灾探测器、光纤光栅感温探测器及图像型火灾探测器等几种类型的自动火灾报警探测器。下面就该几类探测器的特点及设计使用方式作简单的概述。

2 双波长火灾探测器

双波长火灾探测器是通过捕捉火焰辐射光的闪动频率的两种波长进行比较从而判断火灾是否发生的报警探测器。双波长火灾探测器检测火灾灵敏度很高，且不受日光及人工照明光的影响，不会因此而动作。其设计的基本结构如下：

2.1 捕捉火焰特有的燃烧变化频率

火灾的火焰一边燃烧一边放射的光，是按周期变化。利用这种现象，通过探测器的电带状过滤器检测火焰特有的频率（1-15HZ），这是判断发生火灾的因素之一。

2.2 捕捉火灾特有的光谱分布特性

火灾的火焰所放射出的光的光谱分布情况与自然光或各种人工照明灯光（环境光）的光谱分布情况不同。双波长火灾探测器对一般照明用环境光的光学输入相对光谱和车辆火灾或汽油火灾时检测器的相对光谱比较，捕捉1.0μm的β值和1.7um的α值，在波长1.0um～1.8um范围内汽车灯光、自然光、荧光灯、钠光灯及其他光源的曲线呈下降趋势，汽油燃烧曲线呈上升趋势，对非火灾曲线的β值和α值进行比较得出Pα-pβ<0，对火灾曲线的β值和α值进行比较得出Pα-p β>0，因此当α值>β值时判定为火灾信号。利用这个特性，探测器通过对于不同波长带域各具灵敏度的二个检测元件，比较辐射光的输入值，做为检测火灾的判断因素之一。

由于双波长火灾探测器拥有白天的日光、白炽灯、水银灯、荧光灯、纳灯等人工照明灯等都不会使检测器动作的特点，且不受风速、环境、温度影响。能够较好地实现在正常情况下零误报，在现行国内的隧道消防中应用较为广泛。

3 光纤光栅感温探测器

光纤感温探测系统是一套利用光纤作为线性感温探测器的高新技术，其基本原理是利用光纤中石英分子键会受温度上升而产生晶格振动。这种振动会导致在光纤中传输的光产生散射(喇曼散射及Rayleigh散射)，而散射量的大小可以直接反应温度的高低，因此光纤感温探测系统可以将环境温度以连续的线性方式表示出来。光纤感温探测系统的另一个崭新的技术是可以准确地定位温度变化的确切位置。系统通过OTDR、OFDR(光时域及光频域反射测量法)及连续FFT(快速傅立叶变换)对讯息进行处理，将微小的时空差别以频率方式体现出来实现精确定位，从而构成一套精密的光纤线性感温探测系统。

光纤感温探测系统包括一个分析单元(频率生成器、激光源、光模、HF合成器和微处理器)以及一个石英光纤缆(LG)作为线性温度传感器，其应用于城市隧道火灾探测的优势有：

（1）它不包含任何电子器件，所以不会受到任何种类的电磁干扰的影响。

（2）光纤传感线缆设计了优异的耐用性(可以预期大约50年的服务寿命)，所以对环境影响如温度、压力和湿度波动极具抵抗力，同样也适用于多尘和含有腐蚀性物质的空气中。

（3）安装传感线缆和维护都十分容易，在线缆有损伤的地方可以像修复普通光纤一样接合。

（4）传感线缆能够不受限制地被切割成要求的长度，为每一个工程提供所需的长度，最长可达4km。

同时，光纤感温探测系统能够精确定位火灾位置，对隧道可进行大范围的或局部范围的显示，而且能指明火灾蔓延方向和速率。

但光纤光栅感温线型探测器一般安装于隧道顶部，如隧道顶部较高，感温线型探测器达到报警温度时，则火灾已发展到相当规模，不利于早期消防灭火。且设计车速较高的隧道常年保持的风速为（2～10米/秒），并且一年四季的季节变换，环境温度变化较大，给测温方式检测火灾带来不稳定性及滞后性。

4 图像型火灾探测器

智能图像型火灾探测器的现行应用主要领域是石油、化工等产业，近几年在隧道消防中的应用也逐渐增多。

图像型火灾探测器采用的是智能图像分析技术，属于成像型非接触式面型探测方式，具有视频监控和火灾探测双重功能，能够区别真实的火灾和干扰源（如太阳强光、各类光源、CO2热气排放、黑体辐射等），实现了“眼睛与大脑”的完美统一，能够在各种复杂环境下对火灾（火焰、烟雾）作出快速准确的判断。在火灾探测方面，一旦有火情出现，可以在2～15秒内做出准确判断，并给出火灾定位信息（误差小于1.5m），为及时控制火情，迅速启动应急预案赢得了时间。图像型火灾探测器集成了视频监控和明火的即时分析、即时报警功能，而且在传统隧道视频监控的基础上稍做改造就能使监控系统具有火焰探测功能，避免了重复投资，减小了施工难度。

随着技术水平的提高，由于综合了监控及火灾报警功能，图像型火灾探测器在隧道消防报警系统中有着一定优势：

（1）利用前端智能视频分析，通过火焰、烟雾的图像意义上的检测可及时发现火情、预测火势，属于火灾早期探测报警（最小检测火焰15cm×15cm汽油盘火，响应速度快20秒以内），大大缩短发现火灾、发出报警时间。

（2）光线的变化不会误报火警，隧道内气流的单向流动，不会影响火灾检测的灵敏度。

（3）隧道内的轻微抖动不影响探测器正常工作。

（4）在隧道内风速较快、场内有火的情况下，同样可以不降低灵敏度，迅速报警。

（5）利用视频监控，可以掌握第一手甚至实时现场影像资料。

5 比较及结论

光纤光栅感温监测系统是基于光纤光栅传感器的传感系统，该系统在国内的石化、电力、冶金行业应用较为广泛，在公路隧道的消防探测领域也有一定的应用。

近年来，双波长火灾探测器由于其稳定性高、响应时间短的特点，在隧道消防的应用中越来越多。笔者参与设计的重庆嘉华隧道，根据其隧道特点就采用双波长火灾探测器。嘉华隧道是嘉华大桥及南北引道工程的一部分，隧道全长1435m，道路等级按城市快速路进行设计，时速每小时80km，采用上、下行分离式双洞，双向六车道，出口端黄沙溪段为双向8车道，最大断面220m2，最宽宽度达21m，居亚洲同类型城市隧道之首。由于嘉华隧道采用的是拱顶结构，断面大，洞宽较宽，洞高较高，且洞内已按相关规范设置了独立的监控系统，通过技术经济比较后，火灾探测器未采用图像型火灾探测器和光纤光栅探测系统，而是选用了双波长火灾探测器。探测器与手动报警按钮组成综合探测盘，安装在洞内一侧1.5m高的侧墙上，探测器间距为50m。通过安装后的火灾试验表明，在发生火灾时，双波长火灾探测器能够迅速响应来联动其他消防系统，较好地达到了设计及消防部门的要求。

图像型火灾探测器结合了监控与火灾探测两大功能，随着图形软件处理技术及前端摄像机技术的提升，应该是未来隧道消防火灾探测器的发展方向。

通过对三种探测器的比较并结合城市隧道的特点，笔者认为在城市隧道内可以优先选择双波长火灾型探测器来作为火灾探测报警器。对于部分隧道断面较小、洞顶不高、设计车速较低或洞内常年风速小的城市隧道可选用光纤光栅型报警器。图像型火灾探测器在工程实例中应用较少，其技术水平的提高应该代表着隧道消防探测的新方向。对于消防等级要求较高的隧道，则可以采用多种探测器结合的方式以保证前期火灾探测的准确性。

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