分布式光纤测温系统监测地铁火灾的试验研究

刘 辉 刘苏敏 姚 斌 刘炳海 石晓龙 王文伟

（1.中铁第四勘察设计院集团有限公司，430063，武汉；2.合肥科大立安安全技术股份有限公司，230088，合肥；3.中国科学技术大学火灾科学国家重点实验室，230026，合肥∥第一作者，高级工程师）

城市轨道交通系统的地下区间隧道由于空间狭小、隧道长度长、交通流量大，消防救灾十分困难，因此，为保证轨道交通线路运营和人生安全，满足消防和安全的要求，火灾的早期发现和早期扑救对消防救灾来说显得尤为重要［1］。地铁处于地面以下，大部分路段黑暗、潮湿，空间狭小，且仅有与地面连接的通道作为出入口。正是由于这些特点，地铁火灾具备了地下空间火灾的显著特征：①氧含量急剧下降；②发烟量、毒性大；③排烟排热差；④火情探测和扑救困难；⑤人员疏散困难［2］。

国内外很多人已经通过数值模拟和全尺寸的火灾实验对隧道内火灾的发展以及温度场的分布进行研究［3－4］。如1992年，Luchian等人在美国弗吉尼亚（Virginia）某高速公路上一个废弃的双车道隧道中进行了一次大规模的试验来测定火灾功率［5］；2006年，中国科学技术大学火灾科学国家重点实验室的胡隆华等人与云南省公安消防总队合作，在昆明——石林高速公路的阳宗隧道开展了具有针对性的火灾现场模拟试验［6］。目前，分布式光纤测温系统已经开始在我国各类交通隧道中应用，但是一直缺乏针对在隧道内应用的适用性研究，如火灾规模和报警阈值如何确定。隧道风对火灾探测的影响以及感温光纤的安装高度等问题限制了分布式光纤测温系统在地铁区间隧道中的实际应用。本文简要介绍了分布式光纤测温系统，并将其安装敷设在模拟地铁区间隧道中进行火灾探测实验研究，为分布式光纤测温系统在地铁区间隧道中的实际应用提供参考与建议。

1 测量原理及系统组成

分布式光纤测温系统是一种用于实时测量空间温度场分布的传感器系统［7］。它利用同一根光纤作为温度信息的传感和传导介质，利用光纤后向拉曼（Raman）散射光谱的温度效应测量光纤所在的温度场信息，利用光纤的光时域反射（OTDR）技术对测量点进行定位（见图1）。

图1 分布式光纤测温系统原理图

如图1所示，激光脉冲由光纤始端处注入，脉冲光大部分能传到传感光纤末端而消失。当激光脉冲在光纤中传输时，由于光纤中存在折射率的微观不均匀性，脉冲光子与光纤材料分子热振动会相互作用，产生不同于入射光的拉曼散射光，光纤测温的机理是依据后向拉曼散射光谱的温度效应。长波长的光为斯托克斯光，短波长的为反斯托克斯光。而反斯托克斯光对温度响应更为敏感。因此，光纤所处空间各点温度场调制了光纤中背向拉曼散射中的反斯托克斯光的强度，经波分复用器和光电检测器采集带有温度信息的背向拉曼散射光电信号，再经信号处理、解调后，将温度信息实时地从噪声中提取出来并进行显示。

2 试验场景设置及工况设计

2.1 地铁区间隧道模型

为最大限度地模拟地铁区间隧道内列车发生火灾时的情景，并考察分布式光纤测温系统的温度响应性能，特建立地铁区间隧道模型。模拟隧道长30m、宽7.6m、高7.8m，采用钢框架结构如图2所示。其特点如下：①模拟隧道为大断面全尺寸隧道模型，与实际隧道横截面尺寸相同；②模型中部为10m长燃烧试验段，考虑到试验火源燃烧功率大，在燃烧段增加一段钢梁加固；③在模拟隧道一侧壁面纵向中间位置设有高2m、宽2m的高温玻璃观察窗，可以清晰地观测隧道火灾火焰和烟气变化的实时情况。

图2 地铁区间隧道模型

2.2 试验工况

图3 试验工况设计图

如图3所示，模拟隧道采取纵向通风方式，其内部安装2台射流风机。可对模拟隧道内部进行风速模拟实验。距模拟隧道顶部0.1m和0.3m位置分别纵向布置2条钢绞线，然后将感温光纤捆绑在钢绞线上。目前我国并没有统一的关于分布式光纤测温系统在隧道中施工安装的国家规范，湖南省地方规范DB 43／T 480—2009《线型光纤感温火灾探测系统设计、施工及验收规范》规定公路、地铁、铁路等交通隧道中设置的感温光纤应采用吊夹安装在隧道顶部不高于8m的位置，同时感温光纤的安装应距离隧道顶部50～100mm［8］。湖北省地方规范DB42／348—2006《光纤光栅感温火灾报警系统设计、施工及验收规范》中规定在交通隧道内安装探测器，一般呈纵向布置在距隧道顶部0.3m左右的位置，成直线排列［9］。在本文试验工况设计中，设置距离隧道顶部100mm和300mm的位置以考察在模拟地铁区间隧道中光纤距顶安装位置对火灾报警的影响。

根据前人的研究结果，列车火灾功率约为5MW。本试验主要针对早期区间隧道火灾探测设计，因此分别选取（0.5×0.5）m2、（1×1）m2、（1×2）m2，以及90＃汽油火作为模拟火源。火源放置位置分别为地面及靠隧道左侧壁1.6m处和车顶及感温光纤正下方。工况设计如表1所示。

表1 工况设计

3 试验结果及分析

3.1 火源功率对光纤测温系统的影响

如表1，试验工况1、2、3和图4所示，分别在模拟隧道地面设置了0.4MW、1.6MW、3.2MW 的火源，通过设置在距隧道顶部10cm的分布式光纤测温系统将整个模拟隧道内部的温度记录下来。图5是各试验工况温度达到最高值时的位置与温度对应曲线。

从图5可以看出，在无风速等其他外界条件影响时，探测器首先报警位置和温升最高点均为火源正上方处即隧道中部。当火源功率0.4MW时温度最高升到38.7℃，火源功率为1.6MW时温度最高升到62.5℃，火源功率为3.2MW时温度最高升到112.2℃。因此小功率（如0.4MW 、1.6 MW）的初期火灾均不能达到一般定温型的火灾报警探测器设置的报警阈值68℃。而差温型火灾探测器则可以对其进行报警响应。

图4 不同火源功率试验场景

图5 不同火源功率条件下位置和温度变化的关系

3.2 隧道内风速对光纤测温系统的影响

3.2.1 风速测量

为测试风机运行时模拟隧道内的风速分布，需在模拟隧道内进行风速标定试验。本试验在隧道试验平台两端各布置一台风机。利用风速计测量隧道内的风速值，试验时，风速计在3min内采集数据，最后求风速平均值。考虑到试验时，油盘位置在隧道中心处，因此以位于距隧道口15m处3.5m高即距车厢顶0.7m高处的点作为试验时风速的参考值。

表2 隧道内不同工作频率的风机风速分布

试验结果如表2所示。在2台风机的工作频率均为15Hz时，隧道正中央油盘处3.5m高的风速平均值为2.07m／s，满足试验计划风速2m／s的要求。在2台风机的工作频率均为30Hz时，隧道正中央油盘处3.5m高的风速平均值为3.94m／s，满足试验计划风速4m／s的要求。

3.2.2 温度响应情况

如图6所示，对工况4、5、6进行试验。将功率为1.6MW的火源放置在隧道中央车厢顶部，并分别设置了0m／s、2m／s、4m／s三组风速来考察风速对分布式光纤测温系统的影响。在无风条件下，热烟气垂直向上快速升至火源的正上方，火源高度也较高。而在2m／s和4m／s风速的影响下，火源高度受到压制，热烟气层也快速上升至火源正上方的下游。温升最高值和位置的关系如图7所示，在无风条件下，火源正上方隧道顶部中央温升最大值达到了167.4℃。当风速2m／s时，温升最高点为102.3℃，位置则出现在隧道顶部火源正上方下游1m处。当风速4m／s时，温升最高点为64.9℃，位置则出现在隧道顶部火源正上方下游2.5m处。因此，在隧道内的纵向大风速通风条件下，随着空气的快速流通，烟气层到达前方顶棚，探测器的温升最高位置出现在火源位置的下游。

图6 不同风速条件下的试验场景

图7 不同风速条件下位置和温度变化的关系

3.3 感温光纤安装高度对光纤测温系统的影响

距模拟隧道顶部100mm和300mm位置分别纵向布置2条钢绞线，然后将感温光纤捆绑在钢绞线上，考察在模拟地铁区间隧道中感温光纤距顶安装位置对测温系统温度响应的影响。图8为在试验工况4时系统所测得的温度响应结果。因为光纤测温系统主要对火源产生的热烟气层的温度进行响应，越靠近顶棚位置热烟气层聚集浓度越高，因此，温度越高，升温速率也越快，这和试验结果相符。光纤测温系统在地铁区间隧道内实际应用时应安装敷设在距顶棚越近的位置，这样对温度响应也越快，可有效减少报警响应时间。

图8 不同安装高度的感温光纤对温度的响应

4 结语

通过在模拟地铁区间隧道中开展全尺寸模拟火灾试验，测试了分布式光纤感温火灾探测器在地铁区间隧道内发生火灾时的响应性能，结果表明：

（1）在隧道内发生的小功率初期火灾（如0.4MW 、1.6MW）均不能达到一般定温型的火灾报警探测器设置的报警阈值（为68℃）。而差温型火灾探测器则可以对其进行报警响应。

（2）隧道内无通风时，分布式光纤测温系统能对火源进行准确定位，但是在隧道内纵向大风速通风条件下，随着空气的快速流通，烟气层到达前方顶棚，分布式光纤测温系统的温升最高位置会在火源位置的下游。

（3）光纤测温系统主要对火源产生的热烟气层的温度进行响应，越靠近顶棚位置热烟气层聚集浓度越高，因此，温度越高，升温速率也越快，这和试验结果相符。光纤测温系统在地铁区间隧道内实际应用时应安装敷设在距顶棚越近的位置，这样对温度响应也越快，可有效降低报警响应时间。

结合上面的分析结果可以看出，当发生火灾时，顶棚的烟气温度受纵向风速等环境条件的影响较大，应根据隧道所处环境温度以及风速条件等特点，设置火灾探测系统的报警阈值；隧道内的火灾规模和火源位置对探测系统的报警也产生较大影响。

［1］毛保华.城市轨道交通［M］.北京：科学出版社，2001.

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［7］DB 43／T480—2009线型光纤感温火灾探测系统设计、施工及验收规范［S］.

［8］DB 42／348—2006光纤光栅感温火灾报警系统设计、施工及验收规范［S］.

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