隧道自动化（共7篇）
隧道自动化 篇1
1前言
随着自动化测量技术、无线传输技术、激光测距的普及, 很多施工过程中的测量, 可以实现远程控制测量。目前激光测距的精度在1mm以上, 对于部分精度要求毫米以下的工程测量, 还有待改进。
2激光测距仪工作原理
激光测距仪广泛用于地形测量, 由于激光测距仪价格不断下调, 工业上也逐渐开始使用激光测距仪, 可以广泛应用于工业测控、矿山、港口等领域。激光测距仪, 是利用激光对目标的距离进行准确测定的仪器。激光测距仪在工作时向目标射出一束很细的激光, 由光电元件接收目标反射的激光束, 计时器测定激光束从发射到接收的时间, 计算出从观测者到目标的距离。激光测距仪重量轻、体积小、操作简单速度快而准确, 其误差仅为其它光学测距仪的五分之一到数百分之一。
激光测距有脉冲法和相位法, 相位法采用相位比较原理进行测量。激光传感器发射不同频率的可见激光束, 接收从被测物返回的散射激光, 将接收到的激光信号与参考信号进行比较, 最后用微处理器计算出相应相位偏移所对应的物体间距离, 可以达到mm级测量精度。
3隧道内激光测距仪的布设
隧道施工进度的测量就是当前的掘进进度是多少米, 也就是掌子面到洞口的距离。激光测距仪要保持精度在1mm, 最远测量距离要控制在300米以内。
3.1进度测量原理
隧道施工进度采取激光测距的方法, 实时监测施工进度。在二衬台车安装两套激光测距仪和可转动的摄像头 (摄像头和激光测距仪固定在一起, 同时转动) , 分别测量出二衬台车到掌子面的距离和二衬台车到台车后面一定距离隧道壁上的反光板距离, 作为初始值, 然后, 每天测出的值, 和初始值相减, 就是施工进度。
考虑到施工现场放炮和出渣时的灰层对激光的遮挡, 以及掌子面台车移动对激光的遮挡, 采取加装摄像头实时观察现场情况, 选取合适时间, 进行测量。
考虑到二衬台车和掌子面施工中要移动位置, 台车后面隧道壁上的反光板也要移动, 保持和二衬台车距离不超过200米, 按照每天3.5米的平均速度, 反光板50天移动一次位置。
3.2安装方法
在二衬台车安装两套激光测距仪和高清摄像头, 激光测距仪和摄像头一起固定在云台上, 实现同步转动。一套安装在二衬台车朝向掌子面的一面, 另一套安装在二衬台车朝向洞口的一面。
激光测距仪和摄像头的信号通过无线模块和二衬台车上的视频采集前端上的无线中继器, 实现互联, 然后通过洞内设置的直放站传输到洞外的监控室, 实现在监控室就可以实时观察和控制激光测距仪和摄像头。
3.3监测方法
隧道壁的反光板每次移动位置并固定好后, 监控人员需要通过摄像头观察隧道内施工情况, 选择洞内灰层最少, 能见度最高, 无人员遮挡测量位置的时候, 分别调整二衬台车上的两套摄像头, 一方面使掌子面台车正下方能直接看见掌子面墙壁的位置移到监控画面正中央, 另一方面, 移动另外一部摄像头, 把激光反光板移到监控画面正中央, 然后点击软件里面的“进度监测初始化”按钮, 将测距仪移动位置后的第一次采集到的数据作为初始值。以后每天, 用同样方法, 选择一个时间, 然后点击软件里面的“进度监测”按钮, 则自动更新当天的施工进度数据。下一次移动测距仪位置后, 又按照先“进度监测初始化”, 后“进度监测”的方法, 循环进行。
4结束语
综上分析, 激光测距在隧道施工进度上的应用, 使得隧道远程自动测量有了很大进步, 缩短了测量时间, 节约了人力、物力、财力。激光测距的毫米精度, 已能完全满足工程测量上的需要。在现在的施工进度测量中, 基本上都采用人工法测量, 此方法费工费时, 影响施工, 且人为误差较大。非接触式监测的应用研究已迫在眉睫, 随着激光测距技术及电子技术的发展。远程自动测量必将逐步取代人工测量。
摘要：隧道施工进度, 目前采用人工测量的方法进行, 本文介绍一种远程自动测量施工进度的方法, 节省人力, 规避隧道内测量的安全风险。
关键词：激光测距,自动化监控,无线传输,摄像头
参考文献
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[2]陈秀忠等编著.工程测量[M].北京:清华大学出版社, 2013.
[3]宋秀清, 刘杰主编.隧道施工[M].北京:人民交通出版社, 2009.
隧道自动化 篇2
1.1 工程简介
广州猎德大桥系统工程第一标段属于广州新光公司主建, 广州市质量监督站、广州市市政工程监理有限公司监造, 广州市市政工程设计研究院设计, 中铁隧道集团三处市政三公司 (暨广州猎德大桥系统工程第一标段项目经理部) 负责整体事实, 工程地点位于繁华的天河区猎德大道与花城大道衔接处。但由于项目部所处地点, 道路封闭, 公交系统不畅通, 市内交通出行不是很便利。
本工程机电安装工程, 指花城大道明挖暗埋段隧道泵房机电安装工程, 施工范围为两泵房内水泵及配套管道附件、电源及自控设备、电缆及配线桥架等设备的选择、安装、调试, 同时考虑到隧道通行安全, 在市政电源引入外还设计了一台220 kW的整体式 (含消声罩、底座油箱) 柴油发电机组做为备用电源。
1.2 工程特点
(1) 项目工程量少, 而且种类分散。本工程仅局限于泵房内设备安装调试, 工程数量比较少, 而且种类分散, 各种材料设备的采购量都很小, 给采购加大了难度和成本。
(2) 管理人员投入早, 隐性成本大。本工程从开始阶段, 项目部就强烈要求安装公司派人员参与项目实施, 前期预埋方案、图纸会审、清理工程量、变更资料的准备等都全程参与, 技术人员长期驻点, 因此, 发生了工资、差旅、通信、交通等各种费用 (兼顾北三标技术工作) , 而这部分额外产生的费用, 加大了项目成本。
(3) 偏重设备安装, 材料安装少。本工程施工中主要对象为水泵及其控制设备, 其他小电器、照明灯具的材料数量很少, 因此, 设备安装主要依托供货商, 如箱柜、柴油机组的安装。
(4) 设备选型技术性强, 专业性强, 难度大。机电设备安装中, 设备选型为重中之中, 关系着项目的实施质量和单位信誉。机电设备不是一次性消耗产品, 除了安装完成后能够满足验收的强制性标准, 还必须保证在质保期的无故障运行, 出现故障后的快速维护修理, 以及能保证质保期满后的有偿维护。
2 设备安装前期准备
在了解机电设备安装图、土建图的设计思想基础上, 编写机电安装工程施工组织设计。确定机泵、电气设备的施工工艺, 建立施工质量检查程序和控制措施。
(1) 施工质量检查程序:施工班组长自查→专职质检员全面检查→技术负责人关键工序抽查。
(2) 施工质量控制措施:施工安装工艺科学合理安排控制;施工安装所需技术规范和标准图选用控制;施工工序技术交底控制;施工安装使用的仪器、仪表和主辅材料控制;施工安装过程中关键工序的质量控制;施工安装项目联动试车前, 单体设备安装质量检查, 单体初试结果控制。
(3) 在施工开始前按规范要求和工程的特点, 确定工程施工关键工序。机泵安装施工:主水泵解体检查稳位安装、主泵与电机联轴器安装、主水泵及电机地脚螺栓的浇筑。电气设备安装施工:高压电缆头制作、高低压柜主线路开断触头调整、变压器各种参数的测试、机电控制系统调试。
3 设备安装施工安排
3.1 电缆支架制作安装
隧道电缆支架采用L50×5角钢焊接而成, 其中横杆长度300, 两层结构, 横杆间距150, 纵杆则需250长度, 角钢背面垂直焊接, 焊接质量要求达到无虚焊、漏焊、脱焊。安装时采用膨胀螺栓固定在检修道电缆沟侧墙的靠墙面上, 固定拧紧。电缆支架采用国标等边角钢, 焊接钻眼后送番禺的热镀锌厂进行热镀锌。其大样图如图1所示。
安装支架间距1000±10, 基准面水平面为电缆沟上盖面和墙面, 安装时为盖板往下150 mm。采用φ10膨胀螺栓, 连接要求牢固, 螺栓应垂直。
3.2 电缆桥架安装
本项目泵房内采用铝合金桥架进行电缆的放置, 桥架沿墙角走向水平安装在距天花1 m下的平面上 (距离地面高3.5 m) , 采用自行加工的金具进行固定安装, 金具采用L50×5角钢与10号牙杆焊接而成, 热镀锌防腐处理。横担则直接使用L50×5热镀锌角钢钻眼。安装方法比较简单, 考虑的美观因素必须使用水平尺对所有桥架进行校正。安装间距2 m。
3.3 电缆敷设
电缆敷设的范围为五种功能:第一部分, 隧道外箱式变电站到1号泵房的电源引入;第二部分, 隧道外箱式变电站到2号泵房的电源引入;第三部分为2号泵房的柴油发电机组从泵房内引出走到1号泵房, 以上三部分均走隧道检修道电缆沟;第四部分为两泵房用点设备箱或设备到控制柜的电源线或控制线, 走电缆桥架;第五部分从泵房引出走预埋管道到隧道维修电源箱。
走电缆沟部分电缆长度在300 m以上, 电缆较重, 因此电缆敷设必须依靠车辆, 放线前需把电缆从线盘上盘出, 盘成圈挽好堆放在小货车上, 在车辆后安排3～5人, 车辆上安排2人, 将电缆缓缓放下, 人工将电缆放入电缆沟支架上, 崩紧绑扎好标志牌, 绑扎带。
泵房内电缆安装均为走电缆桥架, 人工将电缆一段段的放置进电缆桥架, 理好顺序绑扎好标志牌, 将规格型号等全部标清楚。过埋地管电缆需用到电缆穿线器, 将电缆穿到配电箱位置。
所有电缆头均按规范要求制作热缩电缆头, 终端压制塘锡铜耳, 按设计图纸要求将电缆进入一次线路中。
3.4 水泵及附属设备的安装
水泵为本项目中最重要的设备, 因此, 必须精心选择, 精心施工, 严把各道施工工序, 把工作做好做透。本泵站使用2台220 kW的200WQ-400-10-22的水泵, 流量460 m3/h, 扬程8.8 m/s, 采用自藕装置做固定件, 使用钢质管道作为抽水管引出泵房。泵房上安装带滑轨小车的手动葫芦作为维修、安装时用。
本工程中最关键的工序是管道焊接、管道防腐处理两道工序, 其中管道焊接, 在技术上主要依靠经验丰富的专业焊工, 焊接完成后肉眼检测没道焊缝, 要求无焊缝、漏点, 焊接处需饱满圆滑, 所有焊渣需清理干净。管道防腐工序是关系管道运行后是否能抗锈蚀的关键工艺, 因此, 必须严格要求, 不要害怕耗费工时, 我们要求对管道进行防绣漆二道, 沥青漆三道, 油漆前使用铁砂布对管道进行精心的打磨, 将表面抛光, 使油漆更好地与管道壁粘结。
首先, 施工前可先焊接弯头、三通、变通等管件的法兰, 直管等需要等水泵就位后现场测量后下管焊接。其次, 在水泵到位前安装工钢滑轨、手动葫芦等辅助设备, 水泵设备到场后先根据自藕装置制作水泥承台, 安装固定好自藕装置, 然后安装导轨。最后使用葫芦导轨等将水泵一一就位。完成水泵就位后将管件一一安装上相应部位, 连接法兰处加装1～3 mm的橡胶密封圈防漏。连接使用的螺栓全部选镀锌螺栓, 防止锈蚀影响今后的美观。
3.5 其他设备安装
除了上述设备外, 本工程需安装的还有照明灯具、开关插座等, 安装工艺就不再详细说明。低压开关柜、控制柜由专业的厂家进行生产、系统集成、安装调试工作, 我方只负责电源引入的工作, 软件和二次接线, 共箱母线的连接都由设备商负责解决。
柴油发电机组为整体式带消声罩和底座油箱的220 kW机组, 由设备商负责安装调试, 负责环保安装验收。我单位只负责将发电机的出线引至1号柜的并柜端子处, 保证在市电断电情况下能自动投入运行。
在设备商完成安装后进行系统联动调试, 我方根据设计要求检测系统能否满足各种操作的要求, 所有试验记录必须有文字记录送监理工程师检查签字。
4 结束语
泵站机电设备安装工程的质量是整个工程的关键部分, 工程质量的好坏直接影响泵站功能是否正常运行, 影响该工程的社会效益及经济效益。在施工过程中质量控制方面需注意的细节问题很多, 人、材料、机械、方法和环境等各方面, 要抓住关键点, 重点检查和及时控制。
参考文献
[1]胡建平.建筑电气工程中的问题和预防措施分析[J].山西建筑, 2009, (20) .
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隧道自动化 篇3
雪峰山隧道位于国道主干线上海至瑞丽高速公路湖南省邵阳至怀化段, 雪峰山隧道为上下行分离的双洞隧道, 其中左线隧道长6 946 m, 右线长6 956 m。
雪峰山隧道供电设计为4路独立10 kV双环网供电, 当1路或2路失电时要确保隧道正常供电。当3路失电时要自动甩掉部分负荷, 保证一级负荷正常运转, 其逻辑控制关系复杂, 因此必须有一套分析、判断、控制系统。配电网自动化就是在此背景下提出来, 它可以与电力监控系统相互配合, 以确保雪峰山隧道供电的正常运行。
1.1 供电电源的引入
雪峰山隧道供电采用10 kV系统, 由地方电力公司的塘湾、铁山两座变电站双回线通过架空线路供电至雪峰山隧道口的#1和#4变电站。
(1) 为雪峰山隧道供电的塘湾、铁山两座35 kV变电站电源来源于安江110 kV变电站的两段母线, 35 kV供电线路通过安江变、雪峰变、塘湾变和铁山变形成双电源环网供电, 其供电方式已按照一类负荷设计。
(2) 塘湾、铁山两座35 kV变电站分别设有两台35/10 kV-6 300 kVA的变压器, 10 kV侧采用单母线分段的供电方式。 (3) 为保障供电可靠性, 在安江变110 kV侧, 以及各35 kV变电站35 kV侧、各变电站的10 kV隧道用电的出线侧均设有备用电源自投装置。
1.2 雪峰山隧道变电所的设置
在隧道洞室内设置4座10/0.4 kV变电站, 系统正常运行时, 4路外电电源同时工作, 并互为备用, 在故障状态下, 要求至少有2路外电电源保证供电不中断。隧道内各变电站之间通过YJV22-10 kV, 3X120高压电缆构成2个相对独立的单环网, 连接开关采用负荷开关。开环点分别设在#2变电所的AH3柜和#3变电所的AH9柜。通过电力监控系统中的配电网自动化功能实现两个单环之间的联络。
2雪峰山配电网综合自动化系统
综合考虑雪峰山隧道供电网络的复杂性, 以及供电的可靠性和安全性, 经多方论证, 采用如图1所示10 kV配电网络。各变电站的正常用电回路并不会影响到配电自动化的实施。以下叙述中均依照图1所示网络拓扑图。
在正常工作时, 各变电站母联开关均保持分位。
(1) 塘湾变#1进线经雪峰山隧道#1变电站进线开关AH2, 为#1变电站I段母线供电;经#1变电站进线开关AH3, 为#2变电站AH2给#2变电站I段母线供电。
(2) 塘湾变#2进线经雪峰山隧道#1变电站进线开关AH9, 为#1变电站Ⅱ段母线供电, 经#1变电站AH8、#3变电站AH2给#3变电站I段母线供电。
(3) 铁山变#1进线经雪峰山隧道#4变电站进线开关AH2, 为#4变电站I段母线供电, 经#4变电站AH3、#2变电站AH10给#2变电站Ⅱ段母线供电。
(4) 铁山变#2进线经雪峰山隧道#4变电站进线开关AH9, 为#4变电站Ⅱ段母线供电, 经4#变电站AH8、#3变电站AH9给#3变电站I段母线供电。
3配网自动化系统故障诊断、隔离与网架重构
雪峰山隧道配电网故障分为区间内故障和区间外故障;区间内故障应能与通过#1, #4变电站的进线开关隔离, 确保区间内故障不会将事故扩散到外部。
3.1 外部电源故障配网自动化实现方案
外部电源故障只作用于#1和#4变电站的进线开关, 由安装在开关柜上保护测控单元检测并发出外部电源故障信号, 然后上传到配网自动化主机进行网架重构。
如图2所示, 在发生外部电源故障时, 对侧开关跳闸。雪峰山隧道进线失电, 开关柜带电指示器发出失电信号, 同时母线电压下降低于保护设定值时, 经延时躲过对侧重合闸延时后, 跳开进线开关, 在确认没有发生内部故障后, 发出网架重构信号。
如图3所示, 在配电网监控主机系统收到网络重构信号后, 确认#1变进线开关跳位后, 根据事先设定的逻辑, 向#2变电站母联开关AH6发出遥控合闸指令, 控制母联开关AH6合闸, 通过母联开关向#2变电站和#1变电站的I段母线供电。
当另一环进线电源发生故障失电时, 则通过#3变电站的母联开关AH5闭合恢复供电。
3.2 判断依据及动作
判据一:
(1) #2变电站AH6开关合闸判据为:#1站AH2开关或#4站AH2开关分位;
(2) #3变电站AH5开关合闸判据为:#1站AH9开关或#4站AH9开关分位。
当塘湾变#1进线电源消失, #1变电站AH2开关跳闸, #2站母联闭合。之后同一个环路上的铁山变#1进线继发故障失电, #4站AH2开关跳闸, 导致整个环路失电后, 铁山变母联开关AH6合闸;通过#4变电站的母联开关向另一个环路供电, 其工作过程如图4所示。
判据二:
#1, #4变电站AH6开关合闸判据为:当#1、#4变电站同一环上的进线开关同时处于分闸位置时合闸, 并选择后发生失电动作变电站的母联开关闭合。
在继续发生外部电源故障, 导致3路电源消失时, 在控制部分预先设定好的负荷切除后, 控制#3变电站母联开关AH5合闸。AH5开关合闸的条件应满足判据一的条件。其动作过程如图5所示。
4结论
在配网自动化实现方案中故障定位, 网架重构全部依靠后台配电网自动化系统。因此对通信系统的要求也比较高, 此方案可以解决较为复杂的配电网故障时网架的重构。
参考文献
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隧道自动化 篇4
1 自动巡查系统的功能需求
根据工务、供电等专业对固定设备巡查的基本要求, 确定了遴选检测项目的基本原则, 即剔除已有完善检测保证的轨道检查、通信试验和接触网检测等检查项目, 从保证运营安全和技术可行性出发, 选定的检测 (监测) 对象主要有路基沉降、隧道断面 (含变形, 衬砌混凝土开裂、脱落) 、漏 (涌) 水, 其他附属设施 (接触网支架、照明、电缆、挂钩等) 的安装固定状态。同时, 为适应目前铁路运营维护管理的需要, 在隧道外设置巡查设备存放箱, 工程管理人员能通过远程指令, 命令巡查机自动从存放箱出发, 沿固定轨道进行检测, 完成检测后, 自动返回巡查机存放箱存放、充电和向远程服务器传输检测数据。
2 自动巡查系统的构成
2.1 系统总体架构
系统由数据采集层 (巡查机) 、数据存储层和操作管理层组成, 基本框见图1。
2.2 数据采集层的设计
以ARM9处理器的6410为基础, 对Android系统进行裁剪, 以最精简的操作系统为运行本系统的基础控制软件, 提高稳定性, 降低功耗, 在隧道内的安装及检测见图2。
2.2.1 精确测量部分
以激光测距为基础对固定设备、设施进行相对位置的精确测定, 检测路基沉降、隧道断面形变和重要悬挂设施的绝对位置。基本检测原理见图3。
图中A点为断面测量仪安装点, B点为激光器发射的激光束在隧道壁面形成的光斑。O点为隧道中心线轨面上的点, 为整体坐标系的原点。A点相对O点的坐标 (yA, zA) 及α角度可由智能相机拍摄相关的标识, 通过图像分析得到;θ角度可由云台上的编码器得到;AB距离由激光测距仪获得。由图中直角三角形ABC的三角关系可计算出AC间的距离R为AC=AB×cosα, 则监测点C的坐标为:
采用上述原理, 依次对分布在同一个断面上的多个测点进行扫描检测, 可得到一个断面上多个点的坐标。将上述同一断面上多个测点的坐标通过拟合 (系统采用最小二乘法) , 得出此次隧道断面检测轮廓, 与原始设计轮廓相比, 便可判断出断面是否发生形变, 并能计算出各监测点的相对变形量 (见图4) 。
其他隧道附属设施, 如接触网悬挂装置, 均可采用本测量原理进行测量、比较后确定是否产生形变。
2.2.2 图像采集辅助判别部分
由于隧道衬砌表面脱落、裂纹、变形和附属设施的移位、脱落等与其所在位置密切相关, 同时各种设备结构复杂, 难以采用接触式测量方式测量, 所以, 可以利用机器视觉检测方法, 采用计算机算法进行初步判别, 必要时可人工调用图像进行辅助分析, 解决远程巡查的快捷性和精准性。
工作流程如下:对重点监控断面或附属设施的初始状态进行拍照, 将其作为标准相片, 以后每一次检测都与初始相片 (或前一次检测的相片) 进行比对, 但两者相减后的灰度在设定的阈值以上时, 认为产生了不可忽视的变化。为确保比对时两相片的拍摄角度一致, 需要在所需拍摄的范围内粘贴标识, 通过标识匹配, 修正相片的角度后再进行比对, 经实验验证, 该方案效果良好。
2.2.3 通信部分
系统设计了GPRS和光纤通信2种通信接口, 由于在隧道现场往往没有网络通信接口, 所以必要时采用GPRS与远端服务器进行通信。为减少通信流量, 在巡查机采集的的基本数据由本机暂存, 经检测初判为病害的数据、图片通过通信端口发回服务器, 由设备管理人员进行人工分析判断。
2.2.4 走行控制
采集系统采用在隧道壁安装悬挂走行轨道的方式运行, 在需要停止检测的位置安装短距离RFID卡 (小天线M0卡, 距离仅2 cm) , 通过读取IC卡信息, 判断该停留点的位置, 检测要求和修正参数等, 同时, 为提高检测精度, 在机械上设计了两轴姿态调整功能。
3 自动巡查系统关键技术
系统主要是应用成熟的激光测距和机器视觉判别技术进行检测, 为达到检测精度, 同时适应现有铁路运营管理工作, 必须解决3个关键点。
3.1 机械走行的重复性与误差的可修正性
由于测量体 (车体) 是运动体, 在运动到测量点后的三维坐标必然存在误差, 如何进行修正是关系到能否准确测量的关键, 所以, 系统设计了两轴的姿态修正和固定标定点的方式进行误差修正, 经过实际试验, 效果良好。
3.2 可靠的机械性能和安装简易性
虽然该巡查系统在在天窗期间运行, 但自动走行设备同样存在故障的可能性, 为确保行车安全, 在任何情况下均不能侵入限界, 同时, 隧道壁并非平直光滑, 复杂的安装往往难以实施, 所以, 可靠的机械性能和安装的简易性是决定项目成败的关键。
3.3 完善的设备自检功能
该巡查系统由于网络通信原因, 在进入长大隧道巡查中属于完全自主运行 (也可以考虑采用走行轨道到存放箱之间通信) , 其运行姿态的调整, 测量设备的校准、标定均需做好规划设计, 尽量减小误差的叠加放大, 同时不定期进行自检判断, 确保环境温湿度、光线、灰尘、振动等因素影响其测量精度和可靠性。
4 结束语
隧道自动化 篇5
目前, 我国公路和城市道路隧道广泛采用线型光纤感温火灾探测器作为隧道自动火灾报警系统, 以适应快速报警和精准灭火, 但各类系统的适应性和实用性参差不齐, 尤其是系统稳定性、火灾报警灵敏度、误报率等方面仍存在问题。通常, 火灾报警系统安装完毕, 一经通过验收, 设备供应商即完成了合同, 并移交运营方。但由于业界尚不具备对隧道专用火灾报警设备的整体可靠性开展评估的手段, 若隧道运营方不具备强有力的技术支撑, 则无法确保该系统常年处于正常的工作状态。这一困难导致平时某些自动火灾报警系统误报警高企, 但有火灾突然发生时却难以发挥应有的报警作用。且事后责任难以界定, 影响各方对火灾报警技术可靠性的信心。
隧道是大都市交通网络的关键节点, 随着一线城市交通走过高速建设阶段, 政府和社会期待着有效保障交通网络长期安全的完整解决方案, 碎片化的服务很难或根本不能解决隧道火灾安全问题。完整的火灾安全解决方案至少应回答以下问题:
(1) 如何根据隧道的具体情况选择隧道火灾自动报警系统;
(2) 如何评估火灾报警系统的性价比;
(3) 如何合理地使用该系统;
(4) 如何评估该系统的实时工作状态 (灵敏度和响应速度) ;
(5) 如何针对具体使用环境确定火灾报警系统的工作参数, 包括报警阈值;
(6) 如何确定系统的使用寿命;
(7) 如何检查评估火灾信息传递的流畅性和联动响应等。
欧美各国发展较早, 已经就运营隧道中设置的火灾自动报警系统的误报率、灵敏度等性能评估进行了大量的统计和研究工作。正确的火灾报警系统检验通常要求探测器在一辆轿车失火的规模条件下60s内启动报警。为了检验报警系统的响应质量, 不同的标准采用了不同的实验火灾功率, 如德国RABT规定5 MW试验火功率, 而奥地利的RVS9.282标准已经开始使用更严格的1.5 MW试验火功率来检验线型感温火灾报警系统的各种性能。针对虚警误报特性, 瑞士标准严格规定系统的误报率应该每2km隧道每年小于1次。国内尚未实施类似标准, 尤其是尚未见到支持类似标准的有说服力的研究报告。
笔者以某运营隧道为评估对象, 统计分析独立光纤光栅火灾自动报警系统在实际运行中采集的大量温度数据, 提出针对该系统部分重要性能的在线评估方法, 希望对提高同类重要交通隧道的安全运营水平有所促进。
1 运营隧道工况
该隧道始建于2003年, 总长度2.5km。隧道为双孔双向4车道盾构式, 车道宽3.75m, 高4.5m, 设计车速为40km/h。
火灾自动报警系统采用独立光纤光栅感温火灾探测器。系统主要包括传感、传输光缆和光纤光栅解调仪三大部分, 如图1所示。1组约20只, 设计成不同的中心波长的光纤光栅首尾相连串接成一条光链路, 多条链路组成独立光栅准分布式温度测量系统。
隧道的探测链路布设于行车道和电缆通道内。200m为一条链路, 使用1个光学通道, 监测覆盖区域的平时温度和火灾信息, 光纤光栅探测器间隔10m, 探头链路布置见图2所示。多条光缆汇合进入主熔接包, 再经由多心主干光缆直接接入工作井内的光纤光栅解调仪。
单幅隧道含约70个消防分区。全隧道所有传感器以1Hz的采样速度并行测温。
2 报警系统稳定性和灵敏度评估
稳定性常常是指测量仪器的计量特性随时间不变化的能力。为了确保在任何情况下隧道发生火灾时系统都能迅速报警并即刻进入火灾工作模式。线型独立光纤光栅火灾自动报警系统必须时刻处于紧张的测温状态, 不允许出现丝毫停滞或跳变。隧道内共安装有642个独立光栅温度探头, 每个探头均以1 Hz的采样速度同步测温。每次显示的测量值与实际温度之间会有测量误差, 测量误差随时间的变化关系是系统稳定性的定量表达。显然, 温度测量值的不稳定有可能触发火灾报警, 称为仪器噪声误报警。减小仪器噪声会有利于消除这类误报, 同时提高测温的灵敏度和可靠性。
温度探头实际采集并记录2014年2月11日9时48分前后隧道的全程温度。分别选择处于隧道入口、中部和出口处各1只探头, 取任意60s数据流统计标准差和最大偏差 (即60s内温度最大值和最小值之差) , 用于评估仪器噪声, 结果见表1。噪声评估可以选在温度稳定时段进行, 正常运行条件下, 短时间 (60s) 内隧道温度测量值的波动主要归因于仪器噪声, 而温度的真实波动可以忽略不计。作为感温火灾报警系统稳定性参数, 噪声标准差小于0.15℃, 最大温度偏差不大于0.6℃。
实时温度监测发现, 隧道自身的温度随时间可能产生波动。例如, 车辆进入隧道必然携带外界环境的温度, 通行的车辆会引发隧道内稳定温度场的微扰动, 在正常运营条件下这种扰动可视为温度自然波动, 其波动周期远大于仪器噪声的周期。随着车辆深入隧道内部, 运行车辆的温度逐步接近隧道固有的温度。实际观察发现, 隧道入口处所测温度的自然波动最大, 见图3所示。
任意选取2014年2月11日9时48分前后隧道入口、中部和出口处探头较长时间段 (600s) 的温度数据, 统计标准差和最大温度偏差发现, 入口处标准差0.23℃, 温度偏差为1.1℃, 如表2所示。
温度自然波动触发的差温报警称为自然温度波动误报警。除了车辆通行会导致的隧道自然温度波动之外, 通风条件、天气变化、季节变化等也会影响隧道内的自然温度波动。长期不断积累隧道的温度分布数据, 掌握隧道温度波动的统计规律如波动的幅值和周期等, 有助于提高系统的长期稳定性指标。
3 火灾报警阈值区间的科学选取
感温型火灾探测器依赖于实时采集隧道全线各个点的温度, 由软件判断火灾。如果仅以温度值作为火灾发生与否的判据, 称为定温火灾报警模式。大量试验表明, 在火灾发生的早期, 即使是火灾正上方, 隧道环境温度也不可能在短时间内达到并触发高温阈值。为了在火灾规模较小或早期阴燃状态下能顺利触发火灾报警, 可以采用温升梯度作为火灾发生与否的判据, 称为差温报警模式。与定温报警相比较, 差温报警模式更加灵敏和可靠, 且不必随季节气温的变化更改报警阈值。运营火灾报警系统采用差温报警为主的差/定温复合报警模式。
火灾自动报警系统的灵敏度、报警响应时间以及误报率等关键技术指标都与状态判别所采用的阈值有关。降低火灾报警阈值无疑会提高报警灵敏度, 缩短报警响应时间, 但同时造成系统抗干扰能力恶化, 严重时会导致虚警误报率高企, 危害隧道的安全运营。反之, 提高报警阈值自然会减少误报, 但对真实火灾的响应能力可能被弱化甚至完全丧失, 尤其在实际火灾发生早期规模尚未充分发展时造成延迟报警, 贻误救灾时机。如何在运营隧道中选择合理的报警阈值成为困扰设备生产商和隧道养护运营单位的棘手问题。
实际火灾报警阈值的选取至少与以下因素有关:
(1) 设备的噪声水平:仪器测量噪声、灵敏度、跳变、光源稳定性等;
(2) 隧道自然环境条件:气候、季节、风力、风向等;
(3) 隧道运营参数:车流量、车辆种类、通风等;
(4) 火灾探头工作状态:封装结构、老化程度、浮灰厚度等因素。
改变报警阈值将影响多个目标的达成, 采用多目标优化分析可以优化火灾报警阈值。然而, 实际火灾工况如此复杂, 很难通过解析法得到最优解, 笔者针对运营隧道开发了确定阈值的通用技术, 即:针对给定隧道给定时段的实测特征量进行统计分析, 计算火灾报警阈值的选择区间。
在正常运营环境下, 探头测量的温升梯度是随机变量, 服从一个数学期望为μ、标准方差为σ的正态分布。概率论的观点认为:从正态分布的母体中抽取一个个体测定其特性, 该个体的测定值大于7σ或小于-7σ的可能性只有10-9。实际探头测量采样速度为1Hz, 出现7σ的概率应小于1次/a, 即火灾报警系统允许的最大误报率。将7σ值定义为火灾报警温升梯度阈值区间的下限。理论上, 当探测器测定的温升梯度大于阈值下限时, 可以判断为正常运行隧道的不可能事件, 即发生火灾。
每个探头有其特定的报警阈值下限, 运营隧道全线所有探头的报警阈值下限VS探头的位置 (里程) 作图, 给出大连路隧道的火灾报警阈值下限-位置关系曲线 (图4中的7σ曲线) , 报警阈值应该设置在阈值下限曲线以上。
阈值增加有利于防止虚警误报, 但也会造成系统迟钝、漏报警, 所以阈值选值上限定义为:规定隧道及火灾规模, 在规定时间内可能达到的最大温升梯度。开展的验证性实验确定为1 MW火灾, 60s内, 在隧道顶部所能达到的最大温升梯度值为12℃/min, 定为火灾报警上限。上下限共同构成了阈值选取区间。给定隧道的阈值选取区间是隧道的特征量。
阈值选取区间确定后, 最终选定的阈值还应综合满足以下三项主观条件:一是该隧道发生火灾的经济、政治和社会危害性;二是隧道运营环境的稳定性;三是该隧道对火灾虚警误报的容忍度。例如:对那些火灾危害影响较大、损失较大而营运环境较为稳定的重要隧道, 报警阈值应该选在区间较接近下限的位置, 同时必须对误报警有较大的宽容度。依据大连路的具体情况, 选择8℃/min为实用阈值。
必须强调的是, 每条隧道都会有特定的阈值下限纵向自然分布, 故隧道全线统一阈值似不甚合理。独立光纤光栅技术允许给每个探头设置特定的火灾报警阈值, 使自动报警系统更趋科学合理。
4 温度响应与移动火灾判别
该运营隧道为公共交通隧道, 一般不允许大型载重车辆通行, 温度自然波动应比上海长江隧道及外环隧道小。因此, 以火灾报警探头测得的正常温升梯度不会大于3℃/min, 但若将火灾报警阈值设定在3℃/min, 偶尔会发生误报警。
系统在试运行期间发现:某日0时左右西线隧道发生了一系列探头温升梯度达到或超过3℃/min的情况, 一连串探头依次记录下温度异常升高, 部分探头触发火灾报警, 见图5所示。
在图5中, 探头编号沿着隧道出口方向由小到大排列。调阅当晚视频记录发现当时有一辆隧道侧墙清洗车沿隧道工作, 缓慢移动。每当移近某探头下方时引起该探头的温度急速升高, 车辆离开后温度迅速下降。隧道内所有探头都对隧道侧墙清洗车引起的温升有所响应, 其中一部分触发报警。
假设探头温升梯度出现最大的时间即隧道维护车经过该探头下方的时间, 作报警时间-对应的报警探头 (里程) 关系图, 见图6所示。实验点可以拟合一条直线, 直线的斜率表征隧道侧墙清洗车移动的速度, 约为5.4km/h。显然, 隧道中某些探头的温升梯度并未达到火灾报警阈值, 所以并未报警。
长期收集隧道的温度数据并对大数据进行合理性分析, 可得到特定隧道温升梯度的最大值、最大值出现的频次等统计数据。统计结果可用于火灾报警系统灵敏度评估, 为确定火灾报警系统阈值提供可靠的科学依据。
在隧道正常运行期间, 内部温度场可能出现较大异常波动, 这种非火灾的温度波动大部分是人工所为, 会导致误报警。运营方应结合隧道监控录像对所有的误报进行研判和分析, 同一原因导致的频繁误报应重点分析, 并在软件中引入智能判别程序, 使得系统更加坚强。
上述监测结果显示, 独立光纤光栅火灾自动报警系统可通过合理的逻辑分析实现车载移动火灾判别。
5 结论
对运营隧道安装的独立光纤光栅火灾自动报警系统进行考察并给出评估方法。系统的稳定性和灵敏度要求噪声统计标准差控制在0.15℃以内, 最大偏差小于0.6℃。对运行系统的温度大数据进行分析可以科学合理地确定火灾报警阈值选取区间, 保证在误报率小于1次/a的情况下, 对1 MW火灾在60s内报警。分析日常隧道非火灾引发的较大温度波动可作为系统灵敏度评估的手段。独立光纤光栅感温火灾报警系统可以用于车载移动火灾的判别与报警。针对隧道温度监测数据的应用研究为隧道运营管理者评估感温火灾自动报警系统的可靠性以及该系统的在线运行状态做了有益尝试。
摘要：为了进一步提高城市重要交通隧道的火灾安全运营水平, 使得已装备的隧道火灾自动报警系统始终正常工作, 结合独立光纤光栅火灾报警系统的特点, 利用系统实时采集的温度数据评估系统自身灵敏度、稳定性、火灾报警阈值等特性。
关键词：隧道,光纤光栅,火灾报警
参考文献
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[5]黄鑫, 陈伟, 董政.数字感温线缆在隧道火灾探测中的应用[J].消防科学与技术, 2008, 27 (2) :120-122.
隧道自动化 篇6
随着城市轨道交通的快速发展,新建地铁线路影响既有地铁线路的现象越来越普遍。当新建隧道在既有线路附近进行施工时,既有隧道结构的受力发生变化,将产生变形或位移。为了时时监控新线隧道施工对既有隧道和地铁运营的影响,以便及时根据变形量大小调整施工措施,确保隧道的安全和列车的正常运行,需要在受施工影响的既有隧道内实施自动化的监测。
1. 工程概况
六号线东山口站~区庄站盾构隧道左线于2008年1月在广州地铁一号线运营隧道及东山口过街隧道下方穿过,地铁一号线与六号线两条隧道竖向间距为3.5~5.8m左右,东山口过街隧道与六号线盾构隧道相距为11.4m,走向均基本正交。
由于地铁一号线的运营时间一般是6:00至23:00,运营期间地铁隧道内实行全封闭管理,人员是不允许进入隧道作业的。因此,为了实现时时监测、时时数据处理传输及预警等功能,必须建立自动测量系统实现对运营地铁隧道结构三维变形位移的自动监测。
2. 监测系统的组成
2.1 自动监测系统的组成
为实现本项目监测的自动化,工作基点站应设在隧道侧壁,同时设置四个校核点以校核工作基点。安装于基点站的TCA2003全站仪与监测系统机房建立通讯联系,由机房控制全站仪对校核点和变形点按一定的顺序进行逐点扫描、记录、计算及自校,并将测量结果发送至机房入库存储或并进行整编分析,实现了自动观测、记录、处理、储存、变形量报表编制和监测结果自动远程发送等功能。
2.2 徕卡自动全站仪
徕卡TCA系列自动化全站仪,又称“测量机器人”,该仪器精度高、性能稳定,其内置自动目标识别系统,可以自动搜索目标、精确照准目标、跟踪目标、自动测量、自动记录数据,在几秒内完成一目标点的观测,像机器人一样对多个目标作持续和重复观测,并具有计算机远程控制等优异的性能。采用地铁结构变形自动化监测系统进行变形监测,可以实现无人值守及自动进行监测预报,即实现变形监测全自动化。它不仅便捷、准确,而且可以减少传统意义上形变观测中的人为观测误差及资料整编分析中可能造成的数据差错。
2.3 工作基站及校核点设置
为使各点误差均匀并使全站仪容易自动寻找目标,工作基站布设于监测点中部,校核点布设在远离变形区以外,最外观测断面以外40米左右的隧道中,先制作全站仪托架,托架安装在隧道侧壁,离道床距离1.2米左右,以便全站仪容易自动寻找目标。监测基准点使用位于东山口站台内的平面、高程控制点。
2.4 隧道监测断面布置及监测断面内监测点布置
变形监测点按照设计要求的断面布设,上下行隧道各布置5个监测断面,每个断面在轨道附近的道床上布设两个沉降监测点,中腰位置两侧各布设两个水平位移监测点,即每个监测断面布设6个监测点。各观测点用连接件(人字形钢架)配小规格反射棱镜,用膨胀螺丝及云石胶锚固于监测位置的侧壁及道床的混凝土中,棱镜反射面指向工作基点,各观测点位的布设见点位布设图。布设监测点应严格注意避免设备侵入限界,可以将监测点布设在图中位置。监测点位置及编号如下图平面及剖面图1、2所示。
3. 监测方法
本次监测拟采用地铁结构变形自动化监测系统软件进行自动变形监测,该系统由武汉大学测绘学院开发用于自动型TCA系列的全站仪的自动监测,具有自动控制及变形数据分析功能,是目前该方面最先进的系统。该系统将自动完成测量周期、实时评价测量成果、实时显示变形趋势等智能化的功能合为一体,是进行自动变形监测的理想系统。
4. 观测精度分析
影响变形观测精度的主要因素包括系统误差和偶然误差的影响,对本系统而言,系统误差主要有仪器仪器本身构造引起的误差、测站和目标点固定的对中误差、仪器随时间的度盘零方位的漂移、外界气象条件引起的观测值的变化等;偶然误差主要是仪器测量时的随机误差,主要体现为仪器的标称精度。系统误差可以通过采用差分方法或坐标转换方法予以消除。
4.1 基准点的精度估算
依据点位布置图中的点位,用武汉大学测绘学院商用平差软件“科傻”系统进行模拟平差计算。
模拟控制参数:TCA2003方向中误差0.25秒,距离0.2mm+0.4ppm。
模拟平差结果:
最弱点及其精度:
最弱点“基准点3”精度为0.4mm,误差椭圆比较均匀。0.4mm为基准点最低可接受精度,如再大就不能保证变形点位1mm的精度要求,采取差分措施提高测量机器人的测量精度是必须要做的工作,且差分后能达到设计精度要求。
4.2 监测点的精度估算
按极坐标公式求各变形点的三维坐标计算公式为:
极坐标差分三维坐标测量的精度估算公式:
当距离为100米时,选取TCA角度测量精度为±0.5″,距离测量精度为±0.4mm,可估算出精度平面点位精度约0.66mm,高程精度与差分距离有关,据现场情况和有关资料可推算高程精度约为0.45mm。
与此可见,再加上控制点的点位误差,变形点可达到小于1 m m的精度要求。
5. 监测信息化
实现监测过程的信息化,建立顺畅、快捷的信息反馈渠道,及时、准确地测定各监测项目的变化量及变化速率,及时反馈获取的与施工过程有关的监测信息,供设计、施工及有关工程技术人员决策使用,才能最终实现信息化施工。
对于现场采集到的各项监测数据,首先需利用统计模型进行粗差探测检验,确认不含粗差后再进行整体平差计算及测量精度统计,采用科学、合理的数据处理方法对监测成果进行整理分析,最终形成监测成果报告。
监测成果报告中包含技术说明、监测时间、使用仪器、依据规范、监测方案及所达到精度,列出了监测值、累计值、变形率、变形差值、变形曲线,并根据规范及监测情况提出结论性意见。
6. 结论和体会
利用测量机器人及配套的监测软件在运营地铁隧道内进行全自动监测,与传统监测相比较,具有简便、灵活、无人值守、实时、动态的监测特点,并实现了测量数据的自动处理、传输、预警等功能,节省人力物力,是运营地铁隧道变形不间断三维监测的理想手段。
参考文献
[1]GB50308—1999,地下铁道、轻轨交通工程测量规范[S].北京:中国计划出版社.2000
[2]GB50157—2003,地下铁道设计规范[S].北京:中国计划出版社.2004
隧道自动化 篇7
本文结合湖北省黄石市月亮山公路隧道的相关数据,用FDS软件对黄石市月亮山隧道的试验隧道火灾时的烟气与温度场的分布规律进行了模拟,并且使用EVAC对设置自动喷水灭火系统的隧道疏散进行了研究,得出了设置自动喷水灭火系统的火灾特性参数与模拟隧道疏散参数,为实际隧道的车辆火灾消防安全管理中自动喷水灭火系统的设置提供了理论依据。
1模型的建立
1. 1边界初始条件
模拟研究的对象是湖北省黄石月亮山城区公路隧道,全长3. 04 km。隧道设计的机械通风标准为3 m / s。本次模拟取其中一段为模型隧道( 图1 ) 长250 m,宽10 m,高5 m,行人横洞2. 0 m( 宽) × 2. 5 m( 高) ,网格划分为100 000个。边界材料属性均设置为混凝土绝热状态,隧道初始温度为20 ℃,大气压力设置为101 325 Pa,开口处压力设置为0 Pa。 火源点设置: 在隧道右车道设置一个模拟车辆尺寸的燃烧区域,长4 m,宽2 m,底盘高0. 9 m,热释放速率为500 k W/m2,之后每隔5 m设置一个方块作为发生火灾时最坏情况下可能存在的车辆障碍物。
1. 2模型方案设置
火灾模拟设置两种工况,第一种有自动喷水灭火系统,喷头纵向间距为3. 5 m,喷液类型: 水。如图1所示。第二种无自动喷水灭火系统,其他条件都不变。在隧道内每隔10 m在人的正常平均身高1. 6 m设置温度探测器与CO探测器,并在Z = 1. 6 m平面内生成CO体积分数的切片文件。
2模拟结果及分析
2. 1温度分析
2. 1. 1温度变化情况分析
在火灾发生的时候,火源点处烟气快速上升,在2 s内分布满车辆周围0. 9 ~ 1. 8 m高度范围的空间; 并且于第3 s时达到隧道顶部,在此期间,火源周围温度剧烈上升,燃烧区域处上方的温度达300 ~ 400 ℃ 。烟气到达隧道拱顶后沿着拱顶向隧道两边蔓延,并沿着隧道侧壁下沉,同时随着纵向通风的作用向火源下游扩散,在第8 s的时候达到火源下游20 m距地面1. 6 m高处( 一般行人呼吸高度) , 之后烟气一直随着纵向通风向火源下方蔓延,在第63 s的时候,烟气蔓延至火源点下游200 m的范围, 火源下游烟气的温度随着通风与冷空气交换而逐渐降低。由烟气的运动规律可知,烟气运动使隧道内的的温度分布情况在与烟气的分布情况相同,本文考虑到现在对喷水灭火系统是否能扑灭隧道内车辆火灾的争议[2—7],所以只对隧道内的烟气与温度的变化进行分析,没有考虑水喷淋系统会减弱火源燃烧功率的情况,即隧道内火源点燃烧并且长时间处于最大火势的最坏情况,即温度长时间处于较高的稳定状态。即隧道内烟气和温度在200 s之后趋于一个稳定情况,隧道内的热烟气温度分布如图2所示。
隧道内1. 6 m高度的测点显示( 图3,图4) ,温度在有自动喷水灭火系统装置的时候大部分时间内比没有安装自动喷水灭火系统装置的时候都要低。 在火源附近5 m处,隧道内温度都随着烟气不断向火源下游蔓延而匀速的上升,有喷水的工况在4 min内温度均匀上升,经过4 min稳定在300 ℃ 左右,由两图( 图3,图4) 中的A点可知,有喷水工况与无喷水工况的温度相差不大。在隧道下风向距离火源30 m处,有喷水工况时,隧道内温度均匀上升,经过4 min后温度稳定在200 ℃ 左右,平均比无喷水工况的时候要低20 ℃。在距离火源下游100 m处,有喷水工况时的隧道温度最高达到170 ℃,经过4 min稳定在170 ℃左右,平均比无喷水工况的温度要低10 ℃ 。在距离火源下游200 m处,有喷水工况时的隧道温度最高达到127 ℃,经过4 min稳定在125 ℃ 左右,由两图( 图3,图4 ) 中的B点可知,有喷水工况平均比无喷水工况的温度要低10 ℃。综上可以得出: 隧道内的温度在4 min内迅速升高,达到一定的值后趋于稳定,且距离火源点越近,温度越高, 火源点10 m范围附近为高温危险区域,4 min后隧道内温度保持稳定,离开火源点超过10 m外则温度显著降低。
2. 1. 2克拉尼公式
由此之前的研究可以知火灾发生的时候[9—11], 隧道内较高的温度对人体具有很大的危害性。克拉尼公式是人在高温条件下最大的忍受时间和温度的对应关系,
在不同的高温下人的极限忍受时间分别为: 120 ℃ 时极限忍受时间为615 s,140 ℃ 时极限忍受时间为350 s,170 ℃ 时极限忍受时间为200 s,300 ℃ 及以上时片刻也不能停留。
由克拉尼公式的曲线与各个工况温度相交的点( 图3,图4) 所在的时间可知: 在火源附近5 m的范围内,无喷水工况的情况下人员最多停留125 s,有喷水的工况下人员最多停留130 s。在火源下游30 m的范围内,无喷水工况的情况下人员最多停留190 s,有喷水的工况下人员最多停留200 s。在火源下游100 m的范围内,无喷水工况的情况下人员最多停留230 s,有喷水的工况下人员最多停留250 s。 在火源下游200 m的范围内,无喷水工况的情况下人员最多停留290 s,有喷水的工况下人员最多停留450 s。相比没有喷水灭火系统装置,安装喷水灭火系统会将整个隧道内的温度降低,使人员疏散过程中的安全时间增加,而且距离火源点越远,温度降低越明显,可供安全疏散时间增加越多。
2. 2 CO浓度分析
2. 2. 1 CO浓度变化情况分析
在火灾发生的时候主要产生对人体有害的气体是CO,人员如果长时间处于浓度较高的CO环境中,会导致人体缺氧而引起窒息导致死亡。烟气模拟结果如图5所示,CO经过100 s分布满隧道下游200 m的范围,在第200 s的时候CO的浓度在隧道内各处的分布范围基本稳定,在CO在火灾发生的时候会随着烟气的运动向隧道下风向扩散,而且在扩散的过程中,CO会先分布满隧道的两侧,再向中间扩散。有喷水工况的CO浓度在相同的时刻明显高于无喷水的工况。
从1. 6 m高度的测点数据图( 图5,图6) 可以观察到CO的浓度,其中无喷水工况的在火源点下游10 m以内的区域CO浓度比较高,随着火灾的发生在10 min内上升到500 × 10- 6( ppm) ,为高CO浓度的危险区域,50 m以后到150 m以内的区域CO浓度在5 min上升到400 × 10- 6( ppm) 而后在10 min内一直稳定到450 × 10- 6( ppm) 左右,到200 m以后的区域CO的浓度相对较稀薄,在10 min内最高达到210 × 10- 6( ppm) 。有喷水工况的在火源点下游10 m以内的区域CO浓度比无喷水的工况要高在10 min内可以上升到600 × 10- 6( ppm) ,为高CO浓度的危险区域,50 m以后到150 m以内的区域CO浓度在5 min上升到500 × 10- 6( ppm) 而后在10 min内一直稳定到500 × 10- 6( ppm) 左右,到200 m以后的区域CO的浓度显著降低,在最高达到250 × 10- 6( ppm) 。由以上分析可知,在隧道的火灾过程中,隧道中线下游的CO浓度相对隧道两边的浓度要低。人员在向火灾下游疏散的过程中可以选择隧道中心附近向下游疏散。
2. 2. 2 FED窒息模型
由此前的研究可以得[11—13],火灾中产生的大量的烟气对人体造成伤害从而导致人员在疏散过程中失去行动能力而死亡,所以用FED窒息模型分析来判断人员是否失能,FED经验计算公式为:
即当CO浓度为2 100 × 10- 6( ppm) 时人的极限忍受时间为60 s,当CO浓度为420 × 10- 6( ppm) 时人的极限忍受时间为300 s,当CO浓度为210 × 10- 6( ppm) 时人的极限忍受时间为600 s。
从图7FED窒息模型曲线与各个断面的CO浓度曲线相交的点可以得出在无喷水的工况下,在离火源下游50 m以内停留最多不能超过270 s,在离火源下游50 ~ 150 m的范围区域停留最多不能超过350 s,在离火源下游150 m以后的区域停留最多不能超过600 s。从图8得出在有喷水的工况下,在离火源下游50 m以内停留最多不能超过240 s,由两图( 图7,图8) 中的A点对比可知有喷淋工况下人员在隧道内的最大停留时间减少了约30 s,在离火源下游50 ~ 150 m的范围区域停留最多不能超过300 s,在离火源下游150 m以后的区域停留最多不能超过550 s,由两图( 图7,图8) 中的B点对比可知有喷淋工况下人员在隧道内的最大停留时间减少了约50 s。
综上结果所得,主要是因为喷水,水与烟气的混合,导致火源处发生不完全燃烧反应,产生了更多的CO,而且CO的气体密度为1. 25 g / L,和空气密度( 标准状况下1. 293 g /L) 相差很小,则容易与空气混合,并随着机械通风向火源点下游运动。所以,从降低CO浓度的角度考虑,如果隧道采用喷水灭火系统装置,则需要在适当的位置增加机械通风机与隧道通风斜井,将有害气体及时排放出去,保证人身安全。
2. 3与现实结果对比
游宇航,张琳等人[14,15]曾进行了实体实验,研究了水喷淋作用下对小室火灾与灭火作用的特性, 得出了设置不同流量的水喷淋装置对小室内的温度,CO体积分数的影响规律。图5、图6为本文温度模拟结果,图9为现场实验所得的温度结果。 由图9可知,在现实实验中第200 s时温度如图9中A点所示,不进行水喷淋会达到620 ℃ 的高温, 有水喷淋则温度显著降低到500 ℃ 。采取水喷淋系统都有效的降低了室内温度,这是因为水喷淋的作用降低了火源的热释放速率,同时,热烟气的温度随着水的冷却作用而降低,从而降低了整个室内的温度,这与本文所得的模拟结果大致相吻合。不同的是本文考虑到现在对喷水灭火系统是否能扑灭隧道内车辆火灾的争议[2—7],所以只对隧道内的烟气与温度的变化进行分析,没有考虑水喷淋系统会减弱火源燃烧功率的情况,即车辆燃烧并且长时间处于最大火势的最坏情况,即温度长时间处于较高的稳定状态。
图7、图8为本文CO浓度模拟结果,图10为现场实验所得的CO生成速率监测结果。同样考虑到争议,没有考虑水喷淋系统会减弱火源燃烧功率的情况,即车辆燃烧并且长时间处于最大火势的最坏情况,即CO浓度产生速率长时间处于较高的最坏状态。由图10可知,在现实实验中第200 s时CO生成速率如图10中A点所示,进行水喷淋CO生成速率显著提高到1. 5 g·s- 1,没有水喷淋则CO生成速率显著降低为0. 6 g·s- 1。由两图对比可知,采取水喷淋系统都显著提高了火灾中CO的生成速率,增加了场景内CO的浓度。这是因为水喷淋的作用增加了火源的不完全燃烧反应,同时,热烟气的浓度随着时间而不断增加,使火源附近的CO浓度不断上升,在火势最大之后一段时间达到稳定; 这与本文所得的模拟结果相吻合。证明了本文对温度与烟气模拟的可靠性。
2. 4疏散分析
对于拥堵地区的火灾疏散分析要以其最坏的情况做为参考[15—17],据实地调查了黄石市月亮山公路隧道路口的交通量拥堵状况来看,一旦发生火灾,火灾前方的车辆由于交通拥堵难以及时成功远离火灾危险区域,所以假设最坏情况火灾前方50 m范围内的车辆堵塞[18—20],所有司乘人员下车选择行人横洞进行疏散。由于本隧道设计为行人横洞平均相距200 m,发生火灾时,最坏情况是火灾发生在一个行人横洞处,则所有人必须使用火灾下游的下一个行人横洞进行疏散。以一辆客车荷载人数为38人计算,根据车辆行驶规律车辆行驶速度为20 km/h一般需要10 m间距,最坏情况是火灾发生时火源点下游50 m有5辆客车发生拥堵,而且火灾发生时候造成的拥堵导致不能往火源点上游进行疏散,即火灾滞留人数约200人。
从图11中可以看出,200个人成功全部疏散的总时间不超过250 s,一般按人的正常步行速度都可以很快脱离火源点附近10 m的高温,高CO浓度的危险区域。根据之前的两个判断条件结果对比得出,在隧道火灾中以温度对逃生人员的影响最大。 而且相比起来有喷水的工况有效降低了隧道的温度,并且使火灾下游200 m处( 人行横洞的位置) 的温度显著降低,使人员疏散的安全得到更好的保障。 因为水与烟气的混合,导致火源处发生不完全燃烧反应,产生了更多的CO,但是均在人员可承受的CO浓度极限值范围以内。
从图12状态图可以看出,即由于人的行走速度不同,经过一定距离的步行后人员到达疏散出口的时间各不相同,在出口处人群密集度不高,使疏散出口的压力处于一个均衡的状态,疏散曲线相对平缓, 使因拥挤导致踩踏事故发生的概率也比较低。而且温度与CO的浓度均在极限值下方可承受范围内, 不会影响疏散人员的人身安全。
2. 5存在的不足
( 1) 该模拟实验没有考虑人员受到高温,和高浓度CO对人体的影响会导致人员的行走速度的减慢,从而影响疏散效率与人身安全。
( 2) 该模拟实验没有考虑人员因隧道火灾高温和烟气会导致在疏散的时候人群发生恐慌状态。
3结论
( 1) 隧道火灾一旦发生,在火源点附近的温度和CO的浓度会迅速升高,影响人员疏散。在隧道内安装自动喷水灭火系统可以有效的降低整个隧道的温度,冷却热气流,但是会导致CO的浓度因不完全燃烧而增加。
综合考虑,因喷水降低的温度使人在疏散过程中忍受的极限时间的增加量,大于因CO浓度的增加导致人员在疏散过程中忍受CO浓度极限时间的减少量。而且在模拟的疏散过程中所有人员都可以安全疏散。所以安装自动喷水灭火系统为隧道火灾发生的疏散人员的救援提供了有利条件。
( 2) 安装自动喷水灭火系统可以降低烟气温度,在隧道发生火灾时对隧道的结构及隧道内的设施的起到保护作用,并在适当的位置增加机械通风机与隧道通风斜井,将有害气体及时排放出去,使疏散人员与消防救援人员的安全得到更多的保障。