特大断面公路隧道线型感温火灾探测系统适用性研究

孙东旭，姚 斌

(中国科学技术大学火灾科学国家重点实验室，合肥，230026)

0 引言

随着我国经济的蓬勃进步，以及交通运输业的迅猛发展，中国隧道及地下工程得到了前所未有的发展。据中国交通运输部统计，截至2019年年底，我国公路隧道共有19 067处、总长1 896.66万米，其中新建、扩建的大断面及特大断面公路隧道频频出现[1]。2014年，深圳莲塘分岔隧道段最大开挖断面30 m×18.4 m，断面面积430 m2，是中国目前断面最大的公路隧道[2]。而随着地下空间利用的深化，规模更大的地下互通工程将会不断出现，届时分岔隧道的断面可能为五车道甚至六车道断面，公路隧道的断面尺寸也将不断刷新。隧道为社会生活和区域经济带来便利性的同时，自身的建设和经营也遇到很多问题，其中隧道消防安全问题日益突出。公路隧道中设置灵敏、有效、可靠的火灾探测报警系统，能够在火灾初期及时响应，显著减少人员伤亡和财产损失。因隧道为狭长型空间，车辆通过时风速较大，粉尘较多，且空气相对湿度大，存在电磁干扰等原因，传统的感烟探测器、气体探测器等并不适用于隧道内火灾探测，线型感温火灾探测器和火焰探测器是目前主流的隧道火灾探测方案。

Kurioka等[3]通过小尺寸模型和大尺寸模型对隧道火灾近火源处温度场开展了研究，预测了不同隧道内不同风速下的羽流倾斜角度和羽流撞击顶棚的位置，并得到了隧道火源上方顶棚处最高温度的预测模型。郭庆华等[4]通过数值模拟研究了火源功率、隧道宽度、隧道高度对顶棚温度分布的影响，结果表明对于大规模火灾，隧道越宽，顶棚最高温度越小，并发现隧道火灾数学模型可较好预测小规模隧道火灾或弱羽流烟气顶棚纵向温度分布。胡隆华等[5]开展了公路隧道火灾探测系统响应特性的全尺寸实验研究，实验结果表明感温光缆安装于顶棚下方6.5 cm～36.5 cm的范围内进行探测是可行的，风速达到3.0 m/s及以上时，无论是采用定温报警或是差温报警均无法达到早期报警效果。胡澄宇等[6]开展了公路隧道火灾探测全尺寸实验研究，结果表明火源功率大小和火源位置会影响线型感温火灾探测器的报警时间，环境风会影响报警时间和报警定位，同时发现图像型火焰探测器响应快于感温探测器。江梦梦[7]搭建了全尺寸隧道火灾实验平台，并结合FDS数值模拟对光纤感温探测系统进行了研究，给出了不同高度隧道对应的线性感温探测器最大敷设间距建议值。陈炳云和刘昌[8]开展了公路隧道火灾探测系统的现场试验研究，对感温火灾探测器和火焰探测器的性能进行了对比分析。范典等[9]根据隧道火灾实体试验数据采集，提出了根据温度场修正着火点报警位置的智能算法。

前人研究多集中于常规断面下的公路隧道火灾探测系统，对于大断面、特大断面公路隧道火灾探测系统的布置方案，以及线型感温火灾探测器在纵向通风条件下报警位置偏移量与其他外界影响因素之间的定量关系式研究不足。同时我国现行规范并未对大断面、特大断面隧道内火灾探测器的选型及布置做出明确规定。对于公路隧道，断面尺寸可能会影响火灾探测器选型及布置方案，但其对应关系需要进一步开展相应研究。本文在前人工作的基础上，综合考虑隧道断面尺寸、火源功率、纵向通风、火源位置等多种复杂因素，运用火灾动力学模拟软件FDS开展各工况下的火灾烟气运动的模拟研究，分析隧道内温度场，火灾烟气运动等特性。以期获得特大断面公路隧道内线型感温火灾探测器的报警规律及特性，进而确定火灾探测器的选型、布置方案，为今后大断面及特大断面公路隧道建筑消防设计提供技术支撑。

1 研究对象

本文采用美国国家标准与技术研究院研发的FDS6.6软件对公路隧道内火灾烟气运动进行模拟分析。选取了6种不同断面的全尺寸水平公路隧道模型，如图1所示。断面形状为马蹄形，A、B、C断面尺寸取自《公路隧道设计规范》(JTG 3370.1-2018)[10]，D、E、F尺寸取自相关文献[2]。根据国际隧道协会(ITA)按照横断面积大小对隧道的划分，A断面隧道为大断面隧道(横断面积50 m2～100 m2)，其余断面为特大断面隧道(横断面积大于100 m2)。

图1 隧道断面尺寸Fig. 1 Internal Cross-section of the tunnels

对于公路隧道火灾，一辆小轿车起火对应的火灾功率为5 MW左右，一辆载重卡车起火为20 MW左右。因本文主要针对小规模火灾和普通轿车火灾探测，故火源功率分别设置为2 MW和5 MW。火源分为中心火源和偏置火源，中心火源位于隧道中轴线处，偏置火源位于隧道最外侧车道处，F场景的中心火源和偏置火源如图2所示。

隧道内通风选取0.0 m/s～3.0 m/s的速度区间，环境温度设定为20 ℃，环境气压设置为标准大气压，隧道壁面在FDS中设置为“CONCRETE”属性。火源模型分为热释放速率不变的稳态模型和热释放速率随时间变化的非稳态模型，本文选用t2火源模型来近似非稳态火灾。隧道火灾取为超快速火灾，火灾增长系数为0.178 kW/s2，稳定时的火源热释放速率设置为1 000 kW/m2。隧道内工况设置如表1所示。

表1 模拟工况表Table 1 Simulation conditions

本文在距离隧道顶部0.1 m处设置温度监测点以模拟隧道内线型光纤感温探测器。温度监测点沿隧道纵向每隔0.5 m设置1个，每列共有250个探测器；横向沿隧道顶棚每隔2 m设置1列。横向布置时仅布置半边，其中A场景设置2列，B场景和C场景设置4列，D场景和E场景设置5列， F场景设置6列。F场景的温度监测点布置情况如图2所示。本文选取的线型感温火灾探测器对应的定温报警阈值为68.0 ℃，差温报警阈值为60 s温升13.0 ℃(需要说明的是，文中的定温报警时间和差温报警时间均指探测器所测得的温度数据中首次满足报警阈值的时间，未考虑实际火灾探测系统中感温元件响应时间和系统解调响应时间等)。

图2 F断面的火源位置及温度监测点分布情况Fig. 2 Fire location and heat detector distribution

本文统一选取隧道长度为125 m，网格尺寸可用下式估算：

(1)

(2)

式中：δx为网格尺寸；D*为火源特征直径；Q为火源功率；ρ0为空气密度；cp为比热容；T0为环境温度；g为重力加速度。

δx的建议范围在4～16之间[11]。以2 MW火源功率为例，计算可得网格尺寸的取值范围为0.08 m～0.32 m。本文对整个网格空间划分为3个计算域，在区域1近火源处及隧道拱顶处进行网格加密，网格尺寸为0.25 m×0.25 m×0.1 m，在区域2隧道顶部远火源处网格划分为0.5 m×0.5 m×0.1 m，区域3网格尺寸选取为0.5 m×0.5 m×0.5 m，具体设置如图3所示。由于各工况实际参数不同，各隧道计算模型达到稳定的时间不同，但计算结果显示在160 s左右时，各组数据已趋于稳定。同时本文更关注早期火灾的探测情况，故火灾模拟时间设置为200 s。

图3 网格设置情况Fig. 3 Mesh division

2 模拟结果及分析

2.1 隧道火灾危险性分析

断面尺寸和纵向风速对隧道内火灾烟气温度分布规律有着重要影响，图4为火源功率为2 MW时，200 s内隧道断面尺寸和纵向风速对隧道内烟气运动分布和温度场的影响。当风速较小时，烟气层较为稳定，烟气蔓延情况在火源上下游基本是对称的，在火源上游有烟气回流现象。随着风速不断加大，烟羽流向火源下游倾斜，且下游烟气沉降的速度也逐渐变快，而上游烟气蔓延速度减慢，烟气回流距离也变短。当风速大于1.5 m/s后，从图4中可以观察到，烟气层逐渐失去稳定性，这是因为纵向风与烟气层发生的水平剪切效应破坏了烟气层的稳定性，当风速继续增大时，剪切流边界的惯性力导致的失稳效应将逐渐大于热浮力下的稳定效应。

图4 风速与断面尺寸对隧道内烟气运动分布和温度场分布的影响Fig. 4 Spread of fire smoke and temperature distribution at various velocities and sections

风速为1.5 m/s时，各断面所对应的烟雾逆流距离不同，总体呈现随断面尺寸增大，逆流距离减小的趋势。从温度场分布来看，在风速相同的情况下，断面尺寸越大，烟羽流到达顶棚距离越长，上升到顶棚所花费的时间也就越长，烟羽流在抬升阶段受风速的冷却效果越明显。

图5展示了风速为0.0 m/s、1.5 m/s、3.0 m/s，火源功率为2 MW时，B断面、D断面、F断面隧道顶棚温度监测点在200 s时的温度曲线。由图5可得，隧道内初始风速为0.0 m/s时，纵向温度分布呈现对称性，且温度沿纵向距离的衰减近似符合指数分布。随着断面尺寸变大，顶棚温度降低，但各隧道拱顶着火点附近温度均超过感温探测器的定温报警阈值。当风速为1.5 m/s时，火源上游顶棚温度大于火源下游的温度，并且在纵向分布上，火源上游温度衰减更快。这是因为，在火源下游，烟雾蔓延方向与纵向通风方向相同，烟雾与纵向风之间作用主要为黏性力和惯性力，表现为同向流剪切，而火源上游因烟雾蔓延方向与风向相反，表现为反向流剪切。反向流剪切的作用力比同向流大，在距离火源较近的区域，因羽流浮力效应较强，反向流剪切会使烟雾能量在顶棚下积聚，进而表现为纵向火源上游温度衰减比下游更快，而随着羽流向外蔓延，反向流剪切会使得上游羽流卷吸大量周围冷空气使其温度迅速降低。从顶棚最高温度来看，B断面、D断面、F断面均低于68 ℃，探测器无法触发定温报警阈值。当风速为3.0 m/s时，顶棚最高温度进一步降低，因纵向风速已超过临界风速，火源上游顶棚温度与环境温度一致。

图5 隧道顶棚温度纵向分布Fig. 5 Temperature distribution of tunnel roof

图6显示不同风速下，F断面隧道中央发生5 MW火灾时，顶棚最高温度随起火时间的变化曲线。当风速为0.0 m/s时，顶棚温度上升较快，在17 s时烟气到达顶棚，21 s时顶棚温度达到29.0 ℃；而随着隧道内风速的增大，烟气到达顶棚的时间不断推迟，隧道顶棚的升温速率也逐渐减小，风速为3.0 m/s时，烟气45 s到达顶棚，55 s时顶棚温度为23.3 ℃，温升幅度较小。

图6 风速对顶棚最高温度的影响Fig. 6 Maximum temperature at various velocities

隧道内的纵向风速同样影响了火灾探测系统的报警时间及报警位置。表2列出了不同风速下，F断面隧道中央发生2 MW火灾时，隧道顶棚的最高温度以及探测器的定温报警和差温报警情况，从表2中可知，探测器先触发差温报警阈值再触发定温报警阈值。而当风速为1.0 m/s时，F场景内顶棚最高温度为55.7 ℃，线型感温探测器已无法触发定温报警阈值；在风速为3.0 m/s时，探测器仍可通过差温算法来进行报警。随着风速不断增大，隧道内顶棚最高温度逐渐降低，这是因为纵向风会导致烟羽流倾斜，改变了烟羽流质量卷吸速率，延长了烟雾到达隧道顶部的距离。风速越大，烟羽流倾斜角越大，烟雾冷却效果就越好，探测器到达报警阈值的时间越长。

表2 F断面隧道顶棚最高温度及探测器报警情况Table 2 Maximum temperature and alarm time

隧道内风速会影响线型感温火灾探测器对火源的定位，如果火灾刚好发生在隧道内两个火灾探测分区之间，在隧道内有环境风的情况下，就可能会产生错误的火灾报警分区信号。例如秦岭终南山隧道“1.19”火灾事故中，报警点为实际火源的下游，消防人员在得到报警信息后，通过视频搜寻才确定实际火源位置，延误了到达火场的时间，错过了火灾初期的最佳灭火时间。本文对不同风速和隧道断面尺寸下隧道内感温探测器的报警位置偏移进行了研究。通过前文描述可知，在相同条件下，隧道内线型感温火灾探测系统采用差温报警的灵敏度更高。故本文所取的偏移值均为差温报警时所对应的报警位置偏移。为了减少烟羽流脉动的影响，取各工况到达报警阈值时刻的前5 s与后5 s，隧道顶棚中央探测器测得温度最高点的位置与着火点之间的偏移值，并对其取平均值作为该工况的最终差温报警偏移值。火灾场景考虑普通小轿车火灾，火源功率设置为5 MW。表3展示了不同风速下，各断面隧道的最终差温报警偏移值数据。从表3中可以看到，当风速为0.5 m/s左右时，各工况的偏移值均为2 m左右，而随着风速的变大，偏移距离逐渐变大，隧道断面尺寸越大，其增大的速率也越快。同一风速下，断面尺寸更大的隧道其偏移距离也更长。为修正因隧道内纵向风引起的火灾报警位置偏差，本文对各工况的偏移数据进行回归分析。在风速较小时，因报警时间短，偏移距离小，实际报警点与着火点位置距离较近，修正误差意义不大，故取风速1.0 m/s～3.0 m/s的模拟结果进行回归分析，得到偏移距离与隧道风速及隧道断面的关系式如下：

d=6.404v+0.923Hd-6.762

(3)

式中：d为报警位置偏移值，m；v为隧道内风速，m/s；Hd为火源表面到隧道顶部探测器的距离，m。

上式中R2=0.96，说明该关系式具有较好的拟合效果。通过对比式中各变量系数，发现隧道内风速是造成火灾报警位置偏移的主要原因，并且在同一风速下，隧道断面高度越大其偏移距离也越大。实际隧道中，若探测器报警阈值选择与本文研究条件一致，根据隧道内风速计获取的纵向风速，结合隧道断面高度，即可实时计算出顶棚烟气最高温度点相比于火源位置向下游的偏移距离，进而对报警位置进行修正。图7给出了C断面和F断面的隧道的偏移值和拟合曲线。

表3 不同风速下各隧道报警位置偏移值Table 3 Alarm offset at various velocities

图7 隧道火灾报警位置偏移值拟合曲线Fig. 7 Fitting curve of offset value of tunnel fire alarm position

2.2 隧道火灾探测系统布置方案

隧道内发生火灾时，其火源所处位置对火灾探测的结果有重要影响，而隧道中火灾实际发生位置较为随机。当火源处于隧道中央时，隧道顶棚中轴线处所对应的感温探测器先触发报警，而当火源位置处于隧道边侧时，烟羽流则随隧道侧墙蔓延至隧道顶棚。考虑不利条件，以隧道内小规模火灾展开研究，火源功率设置为2 MW。图8展示了E场景中火源位置对隧道断面温度场分布的影响。从图8中可以看出，隧道中央发生火灾时，火源加热上方空气，使其密度降低，烟羽流在浮力作用下向上运动，并在此过程中不断卷吸周围空气和火灾烟雾，当烟羽流上升到隧道拱顶时，撞击顶棚，转为径向蔓延，因隧道断面形状为马蹄形，受隧道侧壁的限制，烟羽流随后将转为沿隧道纵向蔓延。而隧道边缘发生火灾时，火羽流在上升过程中，将提前受到隧道断面形状的约束，烟羽流沿弧形壁面蔓延至隧道顶棚，烟雾在蔓延过程中损失的能量更多。

图8 火源位置对隧道温度场的影响Fig. 8 Tunnel temperature at various fire locations

表4列出了初始风速为0.0 m/s，火源功率为2 MW时，各隧道场景中拱顶温度最高值随火源位置的变化。由表4可得，当火源功率与位置固定时，随着隧道断面尺寸的增大，顶棚最高温度降低，而对于同一个断面尺寸，偏置火源所对应的顶棚最高温度要远低于中心火源。例如E断面隧道中心火源的顶棚最高温度为132.8 ℃，而偏置火源则为66.2 ℃。

表4 隧道顶棚中心线温度最高值Table 4 Maximum temperature at the centerline of the tunnel roof

图9给出了不同风速下，火源功率为2 MW，仅在顶棚中央设置1条感温光纤时，各隧道的差温报警时间。从图9中可以看出，偏置火源的工况中，温度监测点到达报警阈值的时间均比中心火源要长。当风速为3.0 m/s时，E断面和F断面的偏置火源工况已无法触发差温报警。此时B断面到达报警阈值的时间为79.8 s，报警时间较长，为提升火灾探测器的报警性能，应对感温光纤按照一定安装间距并行敷设。

图9 火源位置对到达报警时间阈值的影响Fig. 9 Alarm time at various fire locations

本文在特大断面隧道内并行等宽设置多条感温光纤，通过获取不同间距下各束探测器报警数值来确定最终的布置方案。以D断面隧道火源功率为2 MW，风速为3.0 m/s的偏置火源工况为例，模拟结果发现，当隧道内布置2条感温光纤时，报警时间为85.6 s；增加到3条时为81.2 s；布置4条时为69.6 s；布置5条时为60.0 s。由此可见，对于偏置火源，增加感温光纤的敷设数量，报警时间会显著减小，D断面隧道在布置5条感温光线时，报警性能最佳。表5列出了隧道内感温光纤的建议敷设数量和优化后到达报警阈值的时间。

由表5可得，隧道高度H≥8 m时，感温光纤的建议敷设数量为2条，H≥10 m时，建议敷设3条，H≥11 m时，建议敷设5条。《公路隧道消防技术规范》(DB 43/729-2012)中要求在隧道纵向风速小于3 m/s和火灾规模不大于设计火灾规模的1%时，探测器应在60 s内准确报警[12]。注意到火源功率为2 MW，风速为3.0 m/s的偏置火源工况中，E断面隧道在敷设5条感温光纤时，探测器被触发的时间为69.2 s，而当火源功率为5 MW时，时间为61 s，报警时间仍较长。故对于隧道高度H≥12 m的隧道，需在设置线型感温探测器的基础上增设基于火焰和烟气特征的非接触式火灾探测方式。

表5 隧道内感温光纤的建议敷设数量Table 5 Recommended number of fibers in tunnels

3 结论和建议

本文对大断面、特大断面公路隧道火灾开展数值模拟研究，综合考虑断面尺寸、纵向风速、火源功率、火源位置情况等因素对火灾探测的影响，得到结论和建议如下：

(1)隧道断面尺寸，纵向通风对隧道顶棚温度及感温探测器的探测结果存在耦合性影响。随着隧道断面尺寸、纵向风速的变大，隧道顶棚最高温度不断降低，温升速率逐渐减慢，感温探测器到达报警阈值的时间也不断延长。

(2)在本文研究条件下，隧道内使用线型感温火灾探测系统时，差温报警相比定温报警更为灵敏。当隧道高度为8 m，风速为1.5 m/s时，定温报警已无法触发，差温报警仍可触发(2 MW)，因此隧道内所布置的线型感温探测器需设置为差温报警方式来进行有效探测。

(3)隧道内存在纵向通风时，线型感温探测器的报警位置与着火点之间存在偏移值。本文通过数据拟合，得到隧道内线型感温火灾探测器使用差温报警时，报警位置偏移值d与隧道纵向风速v和火源到隧道顶棚距离Hd的关系式：d=6.404v+0.923Hd-6.762，实际隧道中火灾探测报警系统可用此关系式来修正报警位置。

(4)文中得到了不同断面隧道需要的感温光纤敷设数量。隧道高度H≥8 m时，建议敷设2条；H≥10 m时，建议敷设3条，H≥11 m时，建议敷设5条。对于隧道高度H≥12 m时隧道，还需配备基于火焰和烟气特征的非接触式火灾探测器。