轨道交通区间隧道火灾探测研究范文

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《地下工程与隧道杂志》2016年第1期

摘要：

轨道交通区间隧道的火灾烟气控制有多种模式，关键是对火灾位置的准确判断。隧道内受到列车行驶的影响，高温烟气的扩散会异于常规的火灾烟气分布和扩散规律，提出了以烟气迁移规律为导向的车载火灾探测方案，为在区间隧道发生火灾时第一时间启动事故通风模式，组织人员疏散和火灾救援创造有利条件。

关键词：

轨道交通；区间隧道；救援；火灾探测；烟气迁移；扩散规律

轨道交通区间隧道狭长、空间有限，人员疏散、救援及火灾扑救非常困难。受到客观条件限制，相对于其他区域，区间隧道的火灾安全设施较薄弱，其中火灾探测就是其中之一。火灾探测是轨道交通火灾应急体系统中最基础的环节，准确、及时地火灾探测可以将火灾危害降至最低。区间隧道中，列车发生火灾时人员疏散的方向、烟气控制模式都基于列车火灾部位的准确判别。常用的温感、烟感火灾探测器是利用对烟气和温度的感应来探测火灾，达到预警的目的。列车发生火灾时，车厢对火灾烟气扩散的阻隔、列车行驶对烟气迁移的影响，以及列车行驶过程中形成移动火源的特殊性，都使得区间隧道这一特殊环境条件下的火灾探测非常困难。本文试图从火灾烟气扩散情况着眼，探讨区间隧道的火灾探测方案。

1区间隧道火灾探测现状

《地铁设计规范》（GB50157—2013）第19.1.1条规定：“车站、区间隧道、区间变电所及系统设备用房、主变电所、集中冷站、控制中心、车辆基地，应设置火灾自动报警系统。”根据相关统计，不考虑人为纵火及恐怖爆炸等因素，区间隧道火灾约有65%是由车辆本体引起，而其中80%为车辆底部电气引起。由于区间隧道呈狭长型，行车时风速较高，粉尘多，且空气相对湿度大，电磁干扰严重，照度低，因而传统的点式火灾探测器（感烟型、感温型、感光型）和摄影摄像器材并不适用于狭长空间内快速移动物体的火源探测。目前，国内部分城市的轨道交通（如深圳、宁波）采用光纤感温电缆作为火灾探测手段。感温电缆安装在隧道侧顶部或与区间电缆桥架结合设置在隧道侧壁（见图1），区间电缆按长度划分为若干个区域，单个感温探测单元的覆盖长度约为50m。主要工作原理是根据测温区域内空气温度变化引起光线散射密度的变化，确定火灾位置。对于静态火源（静止列车、区间电缆等），火灾后烟气迅速扩散到隧道顶部并沿轴向对称扩散。光纤型探测器因其传感线缆长度大、抗电磁干扰性强，可用于采集火灾时区间温度场信息[1]，但对于快速移动的列车，存在着火源定位难、报警滞后等问题。虽然区间隧道内还设有手动报警按钮、轨旁电话、车载无线电话等辅助报警手段，但都无法有效解决上述问题。

2区间隧道的烟气迁移

列车在区间隧道内的行驶速度一般为40～70km/h，单节车厢长度约20m，整车长度为100～140m。正常运行的列车一旦发生火灾，在其减速运动至停车的过程中，火灾的烟气迁移受活塞风和机械风的控制。按时间-速度关系曲线可分为3个阶段（见图2）。阶段1：列车车速大于烟气及隧道内的风速。此时列车外的气流速度由车头指向车尾，烟气受到活塞风的控制贴附在车底部，并向后拖拽形成约100m长的“烟柱”，烟气横向扩散程度与距火源距离成正比关系。无论是前部或后部车厢火灾，此阶段内烟气都受活塞风形成的流速场绝对控制，隧道内温度因在火灾早期，所以并未显著提高。阶段2：列车减速至停车，直至机械通风开启。此时列车已经快速机械制动，隧道内的活塞风由于需要与列车及隧道表面摩擦阻力的作用缓慢减速，故列车外的气流速度由车尾指向车头。该阶段内烟气将向前漂移至距火源约300m距离，受热压和活塞风的双重影响，烟气逐步扩散充满隧道整个断面。阶段3：区间事故通风系统启动。按车头/车尾通风模式，烟气受机械风的影响，在区间内形成不小于2m/s的断面风速。由此分析，运行中的列车在区间发生火灾后，在火灾初期（v车≥v烟），烟气贴附在车底，在列车尾部形成拖拽，着火车厢的后部车底受到烟气污染；待列车制动至停止后（v车<v烟），烟气由于惯性力作用向列车头快速移动，并扩散满整个隧道断面，此时无论哪节车厢发生火灾，整辆列车都已经“浸没”在烟气中。

3火灾探测的效果分析

火灾初始，烟气贴附在车底向后漂移（阶段1），并未横向扩散，且火源四周空气的温度并不高，安装在隧道侧上方的感温单元很难探测到烟气温度；若仅依靠光纤感温电缆探测火灾，必须要在列车停止，待温度场形成后才会触发报警，但此时隧道内的烟气已包围整辆列车（阶段2），车内的司机和乘客根本无法判断火源的位置和疏散方向。此外，若由于烟气漂移触发多个感温探测单元同时报警，则更无法准确定位着火列车车厢的位置。笔者根据列车实际运行轨迹和火灾早期烟气运动规律，提出以烟气迁移规律为导向的车载火灾探测方案，为在区间隧道发生火灾时第一时间启动事故通风模式，组织人员疏散和火灾救援创造有利条件。

4基于烟气迁移的火灾探测方案

根据区间隧道内列车运动特性及火灾时烟气扩散的特点，引入目前在大型计算机中心、图书档案馆等公共场所较为常用的吸气式烟雾探测器。该类探测器的激光探测腔通过探测吸气管输入的环境空气内烟气粒子密度，可检测到极低浓度的烟雾，能在火灾极早期进行烟雾探测预警。为避免空气采样管对车辆限界造成影响，可在列车每节车厢尾及车头、车尾的底部设置空气采样烟雾探测管（ϕ25mm金属软管），管上开4～5个采样孔，主机则安装在车厢内的电气柜内（见图3），各节车厢的主机可串接成网络并接入车载控制系统，将监测信号同步无线传输至中央OCC系统（见图4）。一旦列车在区间内发生火灾，着火车厢所在的吸气管和探测主机能够马上探测到烟雾，发出预警信号；车头或车尾的主机二次确认火灾后，第一时间传送信号给列车司机和中央OCC。例如：车厢1发生火灾时，则主机2、主机3～7及车尾主机依次报警；车厢6发生火灾，则主机7和车尾主机依次报警，便可确认火源位置。列车反向运行时同理，不再赘述。在列车尚未制动减速前（阶段1）车外烟气迁移速度达到20m/s，而探测系统和报警系统基本可瞬时传输信号，实现了真正意义上的“第一时间”报警。此时若列车仍能正常行驶，应行至前方车站后组织救援；若列车因火灾失去动力而迫停在区间内，则应根据应急救援流程，启动区间事故通风模式，有序疏散乘客；同时，为了充分利用车厢本身的隔断作用，应将烟气探测器与车载空调联动，确认火情后自动关闭空调、切断空气通路。

5结语

1）基于烟气迁移规律的吸气式烟雾探测器是车载系统的火灾探测装置，能够在火灾初期较为准确地探明火源位置，并向司机及中央OCC传输报警信号；第一时间关闭车载空调、启动事故应急模式，尽可能地减少人员和财产损失。

2）利用吸气式烟雾探测器作为列车火灾的主要探测手段，同时结合光纤感温电缆及车载信号系统确定着火列车在区间的准确位置，该电缆亦可作为静态火源（区间电缆等）的主要监控手段。

3）考虑到隧道内空气环境较为潮湿污浊，在设定报警阈值时可根据环境空气参数进行适当调整；同时，为防止隧道内的粉尘、油污、潮气对激光腔精度造成影响，可在吸气管接入主机前串联1台可清洗更换的空气过滤器，以保证仪器的使用效果。

参考文献：

［1］刘苏敏，刘辉，姚斌.光纤光栅感温火灾探测系统在地铁区间隧道中的应用[J].城市轨道交通研究.2012，15（9）49-52.

作者:张文斌 郑晋丽 周丹 单位:上海市隧道工程轨道交通设计研究院