高速公路隧道火灾自动报警系统优化改造与应用分析

■马茂凉

（福建省高速公路集团有限公司宁德管理分公司， 宁德 352100）

随着我国高速公路建设事业的快速发展，高速公路隧道总里程迅速增加，隧道内发生火灾事故的几率也越来越大，而高速公路隧道因其半封闭的特殊环境，一旦发生火灾，火势将迅速蔓延并威胁司乘人员的生命与财产安全，严重的甚至会影响隧道的主体结构。 随着新型传感技术的快速发展，感温型和感光型火灾自动报警系统在高速公路隧道上大量推广使用， 已成为主流的隧道火灾报警系统。由于各类型系统的检测原理、检测效率、适用性不同，为快速响应和处置隧道火灾事故，提高人员生命安全和降低路产损失，对主流的隧道火灾自动报警系统的投资造价、后期维护及实际应用等方面进行比较分析， 对保障隧道安全运营具有一定的意义，也为高速公路隧道火灾自动报警系统建设提供借鉴参考。

1 福宁高速隧道火灾自动报警系统优化改造方案

福宁高速公路作为同三线（黑龙江同江-海南三亚） 福建段的重要组成部分， 全长约141 km，于2003 年建成通车。全线共有8 条长隧道安装有线型光纤感温火灾自动报警系统，通车运营以来，隧道内发生过多起车辆着火事故，该系统均能及时准确报警， 有效保障了福宁高速公路隧道的安全运营。随着系统投入运行多年，系统在维护、应用过程中逐渐暴露出原设计和施工方面的一些缺陷及不足，影响隧道的安全运营：（1）随着运行年限的增加，光纤感温主机设备老化，性能指标不能满足新的规范要求；（2）隧道内原悬挂感温光缆的钢丝绳、支架、挂钩等部件由于长期锈蚀等原因断裂， 造成钢丝绳、感温光缆垂落，存在安全隐患；（3）隧道内行驶的车辆有异常情况时，通常会选择停靠在紧急停车带内， 而原设计紧急停车带上方未布设感温光缆，当车辆在紧急停车带内发生着火事故时，受感温光缆布设位置的影响， 原系统报警响应时间较长，存在一定的安全隐患；（4）原感温光缆安装在隧道洞顶的正上方， 需单洞全封闭才能开展检修工作，造成日常维护困难，影响维护及时性。

针对上述问题， 宁德高速公司于2020 年组织相关专家和一线运维人员研究讨论，制定了优化方案并对福宁高速8 条长隧道线型光纤感温火灾自动报警系统进行优化改造， 大大提高了系统可靠性、适用性和维护便利。

1.1 线型光纤感温火灾自动报警系统工作原理

线型光纤感温火灾自动报警系统主要由线型光纤感温报警主机及分布式感温光缆（光纤）组成。系统工作原理是在光纤中注入一定能量和宽度的激光脉冲，它在光纤中传输的同时不断产生背向拉曼散射，背向散射光的强度会受到所在光纤散射点的温度影响而改变，通过散射回来的拉曼光波经波分复用、光电转换、放大、解调并送入报警主机分析处理后便可将温度信号实时显示出来。 根据光纤中光波的传输速度和背向散射光回波的时间等信息的定位，便能获得一个精确的温度分布（图1），系统具备传输数据量大和损耗小的特点，在无需中继的情况下，可以实现最大约12 km 的远程监测。

图1 线型光纤测温系统原理示意图

线型光纤感温火灾报警主机可在显示器上实时显示光缆的温度轨迹，突出显示报警信号，系统校定、隧道监控区域、报警点划分等功能均可通过软件来完成。 处理后的隧道温度信息通过网络上传至管理中心火灾报警工作站（图2）。

图2 线型光纤测温系统传输示意图

1.2 钢丝绳及感温光缆洞内布设方案

（1）福宁高速地处东南沿海，常年高温、高湿，存在车流量大、大货车多等情况，部分隧道区域还处于镍合金厂、燃煤火电厂等容易产生酸雨和腐蚀性气体的特殊环境，从2018 年开始，部分处于特殊环境的隧道陆续出现钢丝绳、支架锈蚀垂落的情况（图3、图4），存在严重的安全隐患。

图3 钢丝绳腐蚀断裂

图4 固定支架处钢丝绳腐蚀情况

针对上述问题，本次改造选用包塑304 不锈钢丝绳作为感温光缆承重材料，同时固定支架、膨胀螺栓、挂钩、夹头等辅材也采用304 不锈钢材质，通过塑料和不锈钢两种材质的耐腐蚀特性来加强钢丝绳和其他辅材的抗腐蚀能力，并对原来吊挂光缆的钢丝绳固定方式加以改进， 在原50 m 间距的两个支架之间每10 m 增加1 个挂钩， 用以分摊固定钢丝绳时所受的拉力和重力（图5），尽量保证在系统服役期限内感温光缆的稳定可靠。

图5 改造后隧道内光缆吊装布设示意图

（2）针对原感温光缆检修时需单洞全封闭影响维护便利性和及时性的情况，本次优化改造将钢丝绳和感温光缆沿隧道顶部中央往主车道方向偏移0.5 m 安装， 优化后光缆的垂影线与超车道的最外边距离小于5 m，既能满足规范要求，又能在单洞半封闭情况下开展日常检修工作， 大大提高了维护效率。

（3）针对原紧急停车带上方没有布设感温光缆的缺陷，本次优化改造在紧急停车带上方铺设感温光缆，以提高现有系统对紧急停车带发生火灾时的检测灵敏度（图6）。

图6 紧急停车带内的钢丝绳和感温光缆铺设示意图

1.3 更换感温光缆

改造选用符合最新国家标准GB16280-2014《线型感温火灾探测器》 的GTH-01 型铠装感温光缆，光缆外径3.0 mm、重量18 g/m、长期抗拉力达到300 N，具有重量轻、抗拉性好、防护等级高、响应速度快等优点。

1.4 更换线型光纤感温火灾报警主机

改造前所使用线型光纤感温主机是基于GB/T 21197-2007《线型光纤感温火灾探测器》[1]研制，该标准已被GB16280-2014 《线型感温火灾探测器》[2]替代，原线型光纤感温主机已不满足新标准，且使用年限较长，设备老化，出现频繁死机情况，因此本次优化改造更换为符合新国标的新一代感温火灾报警主机。

新主机采用了一体化、模块化、低功耗设计，单通道具备最大6 km 测温能力， 可以同时配接4 根感温光缆，在系统可靠性、响应速度、最大测量长度等方面都有了很大的提升。

1.5 模拟点火测试

2020 年11 月30 日，项目改造完成后业主在赤岭隧道组织了模拟点火测试，测试按照交通运输部制定的《公路隧道火灾自动报警系统技术条件》[3]的要求实施， 点火开始至主机发出报警时间为36 s，优于规范要求的60 s 响应时间[4]，证明此次优化改造取得了良好效果（点火测试现场见图7，主机报警界面见图8）。

图7 赤岭隧道点火测试

图8 点火测试报警时主机界面

2 高速公路隧道火灾自动报警系统介绍及应用分析

2.1 高速公路隧道火灾自动报警系统介绍

隧道火灾自动报警系统由火灾探测器、火灾报警主机等部分组成，火灾探测器通过探测物质燃烧过程中产生的气、烟、热、光（火焰）等各种表征火灾信号的物理量做出有效响应，并转化为火灾报警主机可接收的电信号，再由报警主机分析处理后发出火警。 火灾探测器作为整个系统的核心组成，对能否及时、准确发现火情至关重要。 自动火灾报警系统根据其选用的探测器类型可以分为感烟型、感温型、感光型、图像型4 大类。

2.1.1 感烟型火灾自动报警系统

感烟型火灾自动报警系统通过探测、分析空气中的烟尘颗粒浓度来实现火灾报警，由于公路隧道车流引起的气流使烟雾不易聚集，且一些大型车辆排放的的尾气、刹车产生的气体等容易造成感烟型火灾自动报警系统误报，同时隧道中较多灰尘也容易造成感烟型探测器失灵，因此感烟型火灾自动报警系统在公路隧道中应用极少。

2.1.2 感温型火灾自动报警系统

感温型火灾自动报警系统常见的有光纤光栅感温和线型光纤感温2 小类，线型光纤感温火灾自动报警系统前文已作介绍，不再赘述。 光纤光栅感温火灾自动报警系统是在光纤拉制的过程中实时进行光栅刻写，将光纤光栅作为温度传感器内部的敏感元件，通过光纤光栅所反射的光信号中心波长变化量与温度成线性关系的原理来检测环境温度值。 光纤光栅感温报警系统与线型光纤感温报警系统都是以光纤作为信号传输和传感媒体，光纤在隧道的布设与安装方式基本相同，火灾报警主机在数据处理、区域划分、系统设置和报警信号上传等方面也都相似。

2.1.3 感光型火灾自动报警系统

感光型火灾自动报警系统主要包括双波长和三波长2 小类，双波长火灾自动报警系统是检测火灾发生时所产生辐射光的特定波长（4.1～4.7 μm）和火焰闪烁频率（1～15 Hz）来判定是否发生火灾并进行报警的。 每个双波长火灾探测器（火灾报警综合盘）为独立检测单元，可检测50 m 范围内发生的火灾，因此，双波长探测器在隧道内必须以≤50 m 的间距连续布设，避免出现检测盲区。 所有独立检测单元通过通信电缆以总线形式连接至报警主机，通过报警主机发出报警信号上传管理中心。 三波长火灾自动报警系统与双波长类似， 只是在检测距离、检测角度、抗干扰能力方面更优于双波长系统。

2.1.4 图像型火灾自动报警系统

图像型火灾自动报警系统利用前端摄像机采集的视频图像进行处理、分析，判断图像中是否有烟雾、火光等特征，从而对火灾进行识别并报警。 但受前端采集的视频图像质量、 隧道照明亮度变化、车辆遮挡等因素影响，容易产生误报、漏报的情况，目前主要作为辅助检测使用。

综上，应用于国内高速公路隧道主流的火灾自动报警系统主要感温型和感光型2 大类。

2.2 宁德高速公路隧道火灾自动报警系统应用效果比较

宁德高速公司现有感温型的纤光栅火灾自动报警系统、线型光纤火灾自动报警系统、感光型双波长火灾自动报警系统3 小类。 下面根据公司多年来的建设管理和运营维护经验，对感温型和感光型隧道火灾自动报警系统在所辖路段投资造价、检测效果、后期维护等方面进行比较分析。

2.2.1 各系统运作情况比较

新建或改造的隧道火灾自动报警系统投入使用之前， 均会按照国家相关规范进行模拟点火测试，在笔者参与的多次测试中，模拟点火测试的结果均能满足规范要求。 就宁德高速公司现有的3 小类火灾自动报警系统而言，在模拟测试环境中双波长火灾自动报警系统响应更灵敏， 报警时间更短，其探测报警时间基本不受隧道内风速影响，火灾位置定位准确。 而感温型火灾自动报警系统需火灾发生到一定程度，感温光缆周围温度上升到阈值或一定时间内温差发生巨大变化才会报警，受隧道内风速影响，火焰产生的热量容易扩散，系统报警响应时间会出现一定延迟。

在实际的通车运营环境中，双波长探测器窗口受灰尘污染、火灾发生时过往车辆的遮挡等因素都会导致双波长报警系统响应时间延长，且系统结构复杂，信号、供电线缆沿电缆沟布设等方式极易受到环境、 雷电等因素的影响导致故障率居高不下，系统维护工作量大，难以保证系统始终处于完好状态。 而感温型火灾自动报警系统检测光缆沿洞顶敷设，系统结构简单，探测器与主机通过光缆连接，不易受环境、雷电等因素出现故障，相比双波长火灾报警系统其稳定性和可靠性、维护工作量等均有优势，且系统具有连续分布式测量的特性，可通过比较相邻区域的温度及同区域温度变化的速率来判断是否有火情产生，在一定程度上弥补了隧道风速对感温型报警系统响应时间的影响。

2.2.2 各系统造价比较

双波长火灾自动报警系统中双波长探测器在隧道内必须以≤50 m 的间距连续布设，才能保证不存在盲区，其安装数量与隧道长度成正比，且数量众多，由于独立检测单元单价高，因此双波长报警系统投资基本与隧道长度成正比。 而感温型火灾自动报警系统中光纤既是温度传感器又是检测信号传输通道， 光纤价格便宜， 仅有报警主机单价较高，但主机单通道的最大测量长度较长，按照每公里综合造价测算， 感温型报警系统具有明显的优势（表1）。 另外，光纤本身所具有的耐腐蚀、防电磁干扰、寿命长的等特性，也使得感温型火灾自动报警系统的服役年限更长。

表1 宁德同期通车的两路段双波长与光纤光栅火灾报警系统的造价比较

综合比较，在长隧道中使用感温型火灾自动报警系统既能在符合规范要求，又能降低整个系统的运营维护成本。

2.2.3 各系统后期维护比较

双波长火灾报警系统其探测器感光窗口容易被汽车尾气或尘土污染而导致灵敏度降低，需要定期清洗； 探测器的安装高度也容易受到大型车辆（如蓬布未绑扎好、拉绿化树木）的刮擦导致探测器方向角度发生变化而无法正常工作； 而数千米信号、供电线缆沿隧道壁和电缆沟布设，导致设备易遭受雷电感应损坏， 在山区隧道这种情况尤其严重； 另鼠害或电缆沟盖板损坏都可能造成信号、供电线缆中断且此类故障不易排查，总体维护工作量较大， 特别是维护工作主要在隧道电缆沟上操作，隧道车辆呼啸而过，对维护人员也存在较大的安全风险。

相较而言， 光纤式感温探测器中的光纤集检测、定位、信号传输于一体，由于光纤传输信号是光信号而非传统的电信号，监测现场无需供电，实现了真正意义上的本质安全， 同时具有抗电磁干扰、电绝缘性好、防雷击、抗腐蚀、体积小、重量轻等优点；光缆断点便于定位的特性使得光缆故障的排查简单易行，同时光缆悬挂在隧道顶部，也避免了探测器受车辆刮擦、鼠害或电缆沟盖板等因素影响出现故障，后期维护工作量小，但系统施工时须对吊挂光缆的支架、钢丝绳、挂钩等部件和辅材所选用的材质的抗锈蚀性能严格要求，严格把关安装方式和施工工艺，充分考虑到隧道恶劣的环境对钢构件的腐蚀可能导致钢丝绳、固定支架的影响，即可大大降低后期的维护工作量。

2.2.4 实际应用效果分析

综上所述，感光型火灾自动报警系统检测灵敏度较高，但受环境影响大，可靠性不如感温型火灾报警系统，投资高，后期维护工作量大、维护费用高。 感温型火灾自动报警系统受环境影响小，系统可靠性高，投资少，后期维护工作量小、维护费用低，但在检测灵敏度方面略逊于前者，二者各有其局限性。

结合宁德高速公路隧道在用的3 小类火灾报警系统实际应用情况分析，感温型自动火灾报警系统在隧道火灾事故中响应时间略慢，但也在在规范要求的时间内，而隧道车辆着火若要在火灾初期消灭，主要依靠司乘人员在火灾初期就利用隧道内设置的消防栓、灭火器等消防器材自救。 因此，在整个火灾事故救援过程中，双波长系统提前约15 s 响应时间起到的作用并不大，同时感温型自动火灾报警系统可靠性较高，维护工作量及费用较低，在实际发生的多起隧道火灾事故中均能有效报警且误报率极低，相较而言，感温型自动火灾报警系统更符合宁德高速公路隧道安全运营管理的需求。

3 结语

在笔者从事机电设备管理和维护过程中，接触过许多不同类型的火灾报警设备厂家，各家多片面突出自身产品优点，攻击竞争产品缺点，少有能对自身产品做到全面客观评价。 因此隧道火灾自动报警系统的的选择要经过广泛深入的调查，本着实事求是的原则，在充分考虑其灵敏度、可靠性、误报率、耐污损性、安装和维护的难易程度及长期运维投入的综合情况下，结合隧道车流量、车辆装载货物特点、地理环境等因素选用合适的设备类型和型号，有条件的情况下重点隧道火灾报警系统可以考虑感温型、感光型组合或感温型、图像型组合方式建设，取长补短，才能最大程度地满足隧道火灾探测的需要，保证隧道安全正常运营。