基于多尺度方法的道路隧道溫度場(chǎng)特征研究

劉江濤， 閆治國(guó), 3, *， 朱合華, 3， 田 野

( 1. 同濟(jì)大學(xué)土木工程學(xué)院地下建筑與工程系, 上海 200092; 2. 同濟(jì)大學(xué)巖土及地下工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,上海 200092; 3. 同濟(jì)大學(xué)土木工程防災(zāi)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 上海 200092)

0 引言

隧道火災(zāi)安全問(wèn)題在隧道運(yùn)營(yíng)中十分突出?；馂?zāi)發(fā)生后溫度上升快，煙氣擴(kuò)散迅猛，人員逃生在時(shí)間上十分緊迫；隧道空間狹長(zhǎng)，火災(zāi)發(fā)生后易造成交通堵塞，人員逃生在空間上極其困難；隧道對(duì)外出口少，消防人員缺乏進(jìn)攻路線(xiàn)，很難接近火源進(jìn)行撲救，導(dǎo)致救援工作十分艱難。因此，隧道一旦發(fā)生火災(zāi)往往會(huì)造成慘重的人員傷亡和重大的經(jīng)濟(jì)損失[1]。

越早發(fā)現(xiàn)隧道火災(zāi)，將其控制進(jìn)而撲滅的把握就越大，從而能防止其爆發(fā)成災(zāi)，避免造成嚴(yán)重的后果。因此，“及時(shí)發(fā)現(xiàn)、準(zhǔn)確報(bào)警”是隧道火災(zāi)研究中的關(guān)鍵[2]，能夠?yàn)槿藛T逃生、交通疏散、隧道救援提供寶貴的時(shí)間。目前上海越江隧道已普遍部署了火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)[3-5]，該系統(tǒng)中火災(zāi)探測(cè)裝置的任務(wù)就是要排除干擾，及時(shí)、正確地判斷出火災(zāi)是否發(fā)生。但是火災(zāi)探測(cè)器的工作環(huán)境極其復(fù)雜，環(huán)境中存在氣流、灰塵、濕氣、電磁場(chǎng)、電瞬變、靜電以及人為因素的干擾，這些干擾的特征與火災(zāi)時(shí)的煙霧或溫度的變化有許多相似之處[6]。對(duì)于感溫的火災(zāi)探測(cè)器而言，首要任務(wù)便是排除隧道環(huán)境對(duì)溫度的干擾。根據(jù)調(diào)研，上海已知的16條隧道里，有13條隧道布置了感溫的火災(zāi)探測(cè)系統(tǒng)。傳統(tǒng)的感溫探測(cè)系統(tǒng)對(duì)于火災(zāi)的判斷主要采用固定閾值與固定溫差法進(jìn)行預(yù)警。隧道溫度隨隧道內(nèi)部條件和自然環(huán)境的影響不斷變化，夏季與冬季溫差更是巨大，采用固定閾值進(jìn)行火災(zāi)預(yù)警極易導(dǎo)致誤報(bào)警、漏報(bào)警，甚至不報(bào)警等狀況發(fā)生。為了克服報(bào)警難題，諸多學(xué)者[7-9]將模糊理論、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)以及數(shù)據(jù)融合技術(shù)運(yùn)用于火災(zāi)預(yù)警，但在實(shí)際應(yīng)用中仍然面臨硬件限制以及環(huán)境干擾等諸多困難。

為了提高火災(zāi)探測(cè)的快速性和準(zhǔn)確性，降低火災(zāi)誤報(bào)、漏報(bào)與不報(bào)的概率，本文使用隧道光纖光柵感溫火災(zāi)預(yù)警監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[10-12]采集的溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，光柵光纖采集的溫度數(shù)據(jù)精度達(dá)到0.1 ℃。在200多萬(wàn)組正常運(yùn)營(yíng)工況的觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)以及3條典型隧道現(xiàn)場(chǎng)火災(zāi)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，通過(guò)對(duì)所得到的大量數(shù)據(jù)進(jìn)行多尺度分析，挖掘各種工況下隧道溫度場(chǎng)的特征，對(duì)隧道常規(guī)和火災(zāi)工況下溫度場(chǎng)的規(guī)律進(jìn)行深入研究，初步掌握了隧道多工況下溫度場(chǎng)的分布規(guī)律，可為火災(zāi)報(bào)警提供可靠支持。

1 溫度數(shù)據(jù)及其來(lái)源

1.1 正常運(yùn)營(yíng)工況溫度數(shù)據(jù)

正常運(yùn)營(yíng)工況下的溫度數(shù)據(jù)采集自上海市大連路越江隧道，它位于楊浦大橋和新建路隧道之間，是一條雙車(chē)道越江公路隧道，東、西線(xiàn)隧道分別長(zhǎng)1 275 m和1 253 m，為雙向4車(chē)道隧道，設(shè)計(jì)車(chē)速為40 km/h，通行凈高為4.5 m[13]。

為了消除隧道出入口對(duì)溫度特征的影響和覆蓋足夠的溫度變化尺度，在空間上，選取位于隧道中部的光纖光柵測(cè)點(diǎn)測(cè)得的溫度；在時(shí)間上，采集1個(gè)月(30 d)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。數(shù)據(jù)采集以s為單位，該點(diǎn)位30 d的數(shù)據(jù)量為 2 592 000個(gè)，大量數(shù)據(jù)下的分析能夠反映溫度隨時(shí)間的變化和波動(dòng)規(guī)律，同時(shí)排除數(shù)據(jù)的偶然誤差。

1.2 火災(zāi)時(shí)溫度數(shù)據(jù)

1)試驗(yàn)1如圖1所示，位于上海市大連路隧道。此次試驗(yàn)火源火焰熱釋放率估算值為1.0 MW，試驗(yàn)時(shí)風(fēng)速為0～1 m/s，在西線(xiàn)和東線(xiàn)各進(jìn)行了一次火災(zāi)試驗(yàn)，光柵光纖正常工作數(shù)據(jù)采集符合要求，取火源點(diǎn)及其上下游各10 m處光柵光纖點(diǎn)位溫度進(jìn)行分析。

圖1 大連路隧道火災(zāi)試驗(yàn)

2)試驗(yàn)2如圖2所示，在上海市青浦試驗(yàn)隧道內(nèi)開(kāi)展。試驗(yàn)隧道主體長(zhǎng)100 m，內(nèi)部隧道寬12.75 m，高6.7 m，模擬近似密閉的管狀態(tài)結(jié)構(gòu)空間。隧道內(nèi)共設(shè)4個(gè)探測(cè)滅火分區(qū)，每個(gè)分區(qū)長(zhǎng)度為25 m。在縱向上，火源設(shè)置在距隧道左端口42.5 m處；在橫向上，火源位于隧道正中央。在本次試驗(yàn)中，通過(guò)關(guān)閉排煙口來(lái)模擬縱向通風(fēng)情況。共進(jìn)行3組工況火災(zāi)試驗(yàn)，試驗(yàn)火源為油火、火源功率分別為0.5、1、5 MW,對(duì)應(yīng)通風(fēng)風(fēng)速分別為1、2、0 m/s[14]。

圖2 青浦隧道火災(zāi)試驗(yàn)

3)試驗(yàn)3如圖3所示，位于中國(guó)云南省白茫雪山隧道的2車(chē)道公路隧道。隧道位于海拔4 069.99 m和4 113.15 m之間，是中國(guó)海拔最高的公路隧道之一。隧道長(zhǎng)度為5 180 m，高度為6.85 m，寬度為10 m，坡度和高度分別為0.6%和4 100 m； 隧道內(nèi)的大氣壓力約為62.63 kPa，比正常高度(101.33 kPa)低38%； 空氣密度僅為0.835 3 kg/m3，比正常海拔的氧含量低得多；周?chē)臏囟却蠹s是12～15 ℃，相對(duì)濕度大約是85.7%[15]。此次共進(jìn)行了6組火災(zāi)試驗(yàn)，選取熱釋放率估值為1.0 MW的一組試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，試驗(yàn)風(fēng)速約為0.2 m/s。

圖3 白茫雪山隧道火災(zāi)試驗(yàn)

2 隧道正常運(yùn)營(yíng)工況下的溫度場(chǎng)特征分析

隨機(jī)取1個(gè)月內(nèi)某一天的溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行描述分析，如圖4所示。該時(shí)段為1個(gè)月數(shù)據(jù)中的第3天凌晨0點(diǎn)至第4天凌晨0點(diǎn)，分別在1 d、中午12點(diǎn)前后1 h和中午12點(diǎn)前后1 min內(nèi)研究該時(shí)段的溫度數(shù)據(jù)特征。

1 d內(nèi)以s為單位共86 400個(gè)數(shù)據(jù)，溫度極差為5.0 ℃，溫度平均值為27.0 ℃，標(biāo)準(zhǔn)差為1.66 ℃，以s為單位能夠反映1 d內(nèi)溫度的變化趨勢(shì)，并且能夠體現(xiàn)出溫度數(shù)據(jù)的波動(dòng)性，但不能體現(xiàn)出溫度數(shù)據(jù)在短時(shí)間內(nèi)的穩(wěn)定性; 1 h內(nèi)以s為單位共3 600個(gè)數(shù)據(jù)，溫度極差為0.6 ℃，溫度平均值為28.1 ℃，標(biāo)準(zhǔn)差為0.10 ℃，這表明在1 h內(nèi)溫度變化幅度較小，能較清晰地反映出溫度數(shù)據(jù)的在平均值附近較小波動(dòng)的特征; 1 min內(nèi)以s為單位共60個(gè)數(shù)據(jù),溫度極差為0.2 ℃，溫度平均值為28.0 ℃，標(biāo)準(zhǔn)差為0.05 ℃，這能夠十分清晰地反映隧道正常運(yùn)營(yíng)工況下，1 min時(shí)間內(nèi)某個(gè)點(diǎn)位溫度隨一個(gè)常值極小幅度波動(dòng)的特征。因此，建議將0.1 ℃作為正常運(yùn)營(yíng)工況下每min內(nèi)溫度標(biāo)準(zhǔn)差的閾值，即正常運(yùn)營(yíng)工況下每min內(nèi)溫度標(biāo)準(zhǔn)差應(yīng)≤0.1 ℃。

為消除變量值水平高低和計(jì)量單位不同對(duì)離散程度測(cè)度值的影響，需計(jì)算離散系數(shù)[16]。秒尺度下，1 min、1 h、1 d內(nèi)溫度的離散系數(shù)依次為0.002、0.004、0.06。溫度在1 min內(nèi)的離散系數(shù)極小，表明在沒(méi)有特殊因素干擾的正常運(yùn)營(yíng)工況下，隧道溫度在60 s內(nèi)是極其穩(wěn)定的；隨著時(shí)間累積，隧道溫度隨氣溫變化，在1 d的范圍內(nèi)，溫度具有波動(dòng)性。

(a) 1 d

(b) 1 h

(c) 1 min

3 隧道火災(zāi)工況下的溫度場(chǎng)特征分析

3.1 試驗(yàn)隧道溫度規(guī)律分析

對(duì)于隧道溫度場(chǎng)而言，小規(guī)?；馂?zāi)引起的溫度場(chǎng)變化與隧道環(huán)境異常(如汽車(chē)尾氣)引起的溫度場(chǎng)變化極其相似，這是導(dǎo)致感溫火災(zāi)探測(cè)器產(chǎn)生誤報(bào)與漏報(bào)的主要原因。為了分析小規(guī)模火災(zāi)獨(dú)有的溫度場(chǎng)特征，對(duì)試驗(yàn)1、試驗(yàn)2和試驗(yàn)3的3個(gè)火災(zāi)工況(隧道火源功率均選取1.0 MW)進(jìn)行詳細(xì)研究，如圖5所示。通過(guò)提取火災(zāi)溫度上升階段的特征，感溫探測(cè)器才可實(shí)現(xiàn)迅速準(zhǔn)確的預(yù)警，因此應(yīng)重點(diǎn)研究火災(zāi)溫升階段的特征。在溫度特征分析中，未考慮高寒高海拔隧道火災(zāi)與常溫常規(guī)海拔隧道火災(zāi)的差異和隧道斷面尺寸對(duì)火災(zāi)的影響。

(a)試驗(yàn)1 (b)試驗(yàn)2 (c)試驗(yàn)3

圖5各隧道火災(zāi)試驗(yàn)溫度曲線(xiàn)

Fig. 5 Temperature curves of fire tests of tunnels

試驗(yàn)1中，火源點(diǎn)處點(diǎn)火后溫度急速上升，溫度極差為15.4 ℃，隧道風(fēng)速為0～1 m/s，在風(fēng)力作用下，高溫?zé)熈飨蚧饏^(qū)下風(fēng)側(cè)方向移動(dòng)，火源點(diǎn)下游10 m處的最高溫度為40.9 ℃，高于上游10 m處的最高溫度36.2 ℃。由于煙流的溫度高于沿途襯砌的溫度，所以在擴(kuò)散過(guò)程中，煙流不斷與周?chē)矬w進(jìn)行熱交換，隧道襯砌得到熱能，溫度不斷升高，煙流失去熱能，溫度逐漸下降，其影響沿隧道縱向逐漸減弱。溫度變化均呈現(xiàn)出3個(gè)典型階段： 上升段、穩(wěn)定段和下降段。

由表1描述統(tǒng)計(jì)可知，在發(fā)生小規(guī)模火災(zāi)時(shí)，火源點(diǎn)處溫升段溫度標(biāo)準(zhǔn)差、離散系數(shù)與正常運(yùn)營(yíng)工況相比有顯著差異。在本次小規(guī)?；馂?zāi)中，火源點(diǎn)處溫度上升階段的溫度標(biāo)準(zhǔn)差為4.88 ℃，離散系數(shù)為0.13，而對(duì)應(yīng)的正常運(yùn)營(yíng)工況下的溫度標(biāo)準(zhǔn)差為0.05 ℃，離散系數(shù)為0.002。這2組系數(shù)的對(duì)比充分體現(xiàn)了火災(zāi)溫度數(shù)據(jù)的異常，因此初步認(rèn)為其可作為溫度異常的判斷依據(jù)。而在距離火源點(diǎn)10 m點(diǎn)位處，溫度的標(biāo)準(zhǔn)差分別為4.49 ℃與2.62 ℃，離散系數(shù)分別為0.13與0.08，這表明即使是小規(guī)模火災(zāi)，其鄰域也具有顯著的火災(zāi)特征，因而通過(guò)鄰域的溫度特征可以協(xié)助判斷火災(zāi)是否發(fā)生。

表1 試驗(yàn)1隧道內(nèi)溫升段溫度場(chǎng)描述統(tǒng)計(jì)

試驗(yàn)2中，火源點(diǎn)和火源點(diǎn)上游5 m處溫度上升段呈現(xiàn)明顯的2階段特征，第1階段溫升緩慢，第2階段溫升迅速，而火源點(diǎn)下游5 m處溫升段溫升速率無(wú)明顯差異。試驗(yàn)開(kāi)始后，火源點(diǎn)下游5 m處溫升提前于火源點(diǎn)，溫升速率更快。由數(shù)據(jù)分析可得，火災(zāi)試驗(yàn)時(shí)隧道風(fēng)速為2 m/s，風(fēng)力將火源點(diǎn)熱空氣吹散到隧道下游，使得下游溫度最先上升。在此之后，熱空氣及煙氣逐漸擴(kuò)散到火源點(diǎn)頂部，再擴(kuò)散至隧道上游5 m處。

由表2描述統(tǒng)計(jì)可知，火源點(diǎn)下游5 m處的溫度標(biāo)準(zhǔn)差為3.10 ℃，離散系數(shù)為0.163，呈現(xiàn)顯著的火災(zāi)特征?；鹪袋c(diǎn)處溫升緩慢段的溫度標(biāo)準(zhǔn)差為1.08 ℃，離散系數(shù)為0.068；溫升快速段的溫度標(biāo)準(zhǔn)差為1.86 ℃，離散系數(shù)為0.091。火源點(diǎn)2階段數(shù)據(jù)呈現(xiàn)顯著的火災(zāi)特征，并且可以粗略得出溫升越快，溫度標(biāo)準(zhǔn)差及離散系數(shù)均越大，溫度的波動(dòng)特征越明顯的結(jié)論。在火源點(diǎn)上游5 m處溫升緩慢段的溫度標(biāo)準(zhǔn)差為1.21 ℃，離散系數(shù)為0.076；溫升快速段的溫度標(biāo)準(zhǔn)差為0.70 ℃，離散系數(shù)為0.036，2組數(shù)據(jù)呈現(xiàn)顯著的火災(zāi)特征，而快速段的標(biāo)準(zhǔn)差和離散系數(shù)均小于緩慢段，原因是數(shù)據(jù)量的顯著差異，即緩慢段數(shù)據(jù)量約是快速段5倍。因此在使用標(biāo)準(zhǔn)差和離散系數(shù)表征溫度的波動(dòng)性時(shí)，應(yīng)將溫度數(shù)據(jù)量控制在同等級(jí)。

試驗(yàn)3中，隧道平均風(fēng)速為0.2 m/s，風(fēng)力對(duì)熱空氣擴(kuò)散產(chǎn)生的作用很小。試驗(yàn)3和試驗(yàn)1特征相似，火源點(diǎn)位置溫度最先上升，溫升速率也明顯高于鄰域。

表2 試驗(yàn)2隧道內(nèi)溫升段溫度場(chǎng)描述統(tǒng)計(jì)

由表3描述統(tǒng)計(jì)可知，火源點(diǎn)溫度標(biāo)準(zhǔn)差為4.55 ℃，離散系數(shù)為0.215，這2組系數(shù)與大連路隧道火災(zāi)試驗(yàn)相似，體現(xiàn)了火災(zāi)時(shí)火源點(diǎn)處溫度數(shù)據(jù)的異常。而在距離火源點(diǎn)10 m點(diǎn)位處，其溫度的標(biāo)準(zhǔn)差分別為2.07 ℃與1.37 ℃，離散系數(shù)分別為0.116與0.088，再次表明了即使是小規(guī)模火災(zāi)，其鄰域也具有顯著的火災(zāi)特征，通過(guò)鄰域的溫度特征可以協(xié)助判斷火災(zāi)是否發(fā)生。

表3 試驗(yàn)3隧道內(nèi)溫升段溫度場(chǎng)描述統(tǒng)計(jì)

3.2 試驗(yàn)隧道溫度一階導(dǎo)數(shù)規(guī)律分析

3.2.1 試驗(yàn)1隧道火災(zāi)工況下溫度場(chǎng)一階導(dǎo)數(shù)規(guī)律分析

隧道火災(zāi)工況下溫度場(chǎng)一階導(dǎo)數(shù)規(guī)律分析即溫度場(chǎng)溫度梯度分析。火源點(diǎn)溫度一階導(dǎo)數(shù)曲線(xiàn)與溫度曲線(xiàn)極其相似，都擁有溫度上升段、穩(wěn)定段及下降段3個(gè)典型階段。上升段最大溫升為0.35 ℃/s，下降段最大負(fù)溫升為-0.2 ℃/s，溫升極差達(dá)到0.55 ℃/s。從圖6和表4可得出： 在溫度上升的88 s內(nèi)，溫度梯度標(biāo)準(zhǔn)差為0.069 ℃/s，離散系數(shù)為0.362 5。離散系數(shù)達(dá)到0.36表明了該小規(guī)?；馂?zāi)在火源點(diǎn)位置溫升不穩(wěn)定，具有波動(dòng)特征。這種波動(dòng)特征主要是由火源燃燒不穩(wěn)定以及隧道環(huán)境風(fēng)速變化2種因素造成，正常運(yùn)營(yíng)工況下溫升不具有明顯的波動(dòng)特征，因此溫升的波動(dòng)程度可以作為隧道火災(zāi)判別的依據(jù)之一?；馂?zāi)工況下的溫升階段，溫度梯度的標(biāo)準(zhǔn)差和離散系數(shù)明顯區(qū)別于正常運(yùn)營(yíng)工況，溫度梯度的標(biāo)準(zhǔn)差和離散系數(shù)初步認(rèn)為可用于表征溫升的波動(dòng)程度。

火源點(diǎn)下游10 m處溫度梯度極差達(dá)到0.5 ℃/s。在溫度上升的81 s內(nèi)，溫度梯度標(biāo)準(zhǔn)差為0.082 ℃/s，離散系數(shù)為0.501。這表明了該小規(guī)模火災(zāi)在火源點(diǎn)下游10 m處，溫度上升階段的溫升極其不穩(wěn)定，具有強(qiáng)波動(dòng)特征，可能是火源燃燒的熱氣流在10 m處滯留不穩(wěn)定造成的。這種由火災(zāi)引發(fā)的溫度場(chǎng)變化與外界環(huán)境如尾氣排放引起的溫度場(chǎng)變化，一大差別便是鄰域的溫度梯度是否具有波動(dòng)特征。火源點(diǎn)上游10 m處溫度梯度極差達(dá)到0.4 ℃/s，在溫度上升的91 s內(nèi)，溫度梯度標(biāo)準(zhǔn)差為0.045 ℃/s，離散系數(shù)為0.49。離散系數(shù)達(dá)到0.49，表明了該小規(guī)模火災(zāi)在火源點(diǎn)上游10 m處梯度不穩(wěn)定，具有強(qiáng)波動(dòng)特征。再一次論證了下述觀(guān)點(diǎn)： 鄰域溫度梯度的波動(dòng)程度可以作為隧道火災(zāi)判別的依據(jù)之一。

(a)火源點(diǎn) (b)下游10m處 (c)上游10m處

圖6 試驗(yàn)1隧道溫升段溫度一階導(dǎo)數(shù)曲線(xiàn)

3.2.2 試驗(yàn)2隧道火災(zāi)工況下溫度場(chǎng)一階導(dǎo)數(shù)規(guī)律分析

試驗(yàn)2隧道火災(zāi)試驗(yàn)火源熱釋放率與試驗(yàn)1隧道相同，均為1.0 MW，但在火災(zāi)的溫升階段卻表現(xiàn)出不一樣的特征。由圖7和表5可知： 火源點(diǎn)和火源點(diǎn)上游5 m位置，溫升段具有先緩慢后快速的特征，與其形成對(duì)比的便是火源點(diǎn)下游5 m位置溫升段沒(méi)有顯著的快慢之分。

火源點(diǎn)及火源點(diǎn)上游5 m位置溫升段具有2階段特征的主要原因可能是2 m/s的隧道風(fēng)將火源點(diǎn)熱空氣吹散到隧道下游，火源點(diǎn)及上游5 m處前期的溫升主要靠火災(zāi)熱輻射，而熱輻射導(dǎo)致溫升緩慢。隨著氣流的擴(kuò)散，熱空氣及煙氣逐漸擴(kuò)散到火源點(diǎn)頂部，再擴(kuò)散至隧道上游5 m處，此時(shí)火源點(diǎn)及火源點(diǎn)上游5 m位置出現(xiàn)快速的溫升。對(duì)于小規(guī)?；馂?zāi)而言，隧道強(qiáng)風(fēng)速場(chǎng)可能導(dǎo)致火災(zāi)不同位置出現(xiàn)不同的溫升特征。這種火災(zāi)工況下的溫度場(chǎng)在溫升階段，由緩慢溫升發(fā)展到快速溫升是火災(zāi)獨(dú)特的特征，可作為隧道火災(zāi)判別的依據(jù)之一。

火源點(diǎn)位置96 s緩慢溫升階段，溫度梯度標(biāo)準(zhǔn)差為0.062 ℃/s，離散系數(shù)為1.694；54 s快速溫升階段，溫度梯度標(biāo)準(zhǔn)差為0.086 ℃/s，離散系數(shù)為0.705?；鹪袋c(diǎn)下游5 m處，87 s溫度上升階段，溫度梯度標(biāo)準(zhǔn)差為0.101 ℃/s，離散系數(shù)為0.875?；鹪袋c(diǎn)上游5 m處152 s緩慢溫升階段，溫度梯度標(biāo)準(zhǔn)差為0.054 ℃/s，離散系數(shù)為2.00；33 s快速溫升階段，溫度梯度標(biāo)準(zhǔn)差為0.052 ℃/s，離散系數(shù)為0.711。由于平均值極小，導(dǎo)致離散系數(shù)趨于更大，此時(shí)離散系數(shù)對(duì)數(shù)據(jù)離散程度的表征變得不可靠，因此建議應(yīng)以梯度平均值0.1 ℃/s為界限，在平均值 0.1 ℃/s基礎(chǔ)上對(duì)比梯度相對(duì)離散程度。

在同等級(jí)的數(shù)據(jù)量下對(duì)比可以得出：溫度梯度的標(biāo)準(zhǔn)差及離散系數(shù)可用于表征溫升的波動(dòng)程度，標(biāo)準(zhǔn)差越大表示溫升越不穩(wěn)定。在平均值≥0.1 ℃/s時(shí)，離散系數(shù)越大表明溫升波動(dòng)越劇烈。

(a)火源點(diǎn)溫升緩慢段 (b)火源點(diǎn)溫升快速段 (c)下游5m處溫升段 (d)上游5m處溫升緩慢段 (e)上游5m處溫升快速段

圖7 試驗(yàn)2隧道溫升段溫度一階導(dǎo)數(shù)曲線(xiàn)

3.2.3 試驗(yàn)3隧道火災(zāi)工況下溫度場(chǎng)一階導(dǎo)數(shù)規(guī)律分析

試驗(yàn)3選取火源熱釋放率為1.0 MW的一組工況，隧道平均風(fēng)速為0.2 m/s，隧道風(fēng)速對(duì)空氣擴(kuò)散影響很小，因此火災(zāi)的溫升階段表現(xiàn)出與試驗(yàn)1隧道火災(zāi)試驗(yàn)相似的特征，在火源點(diǎn)位置溫升明顯的快慢特征。

在數(shù)據(jù)量相同的情況下，可以更有效地對(duì)比各點(diǎn)位溫度場(chǎng)的波動(dòng)情況，因此取火災(zāi)工況下各位置溫升階段60 s的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。由圖8和表6得出，平均值對(duì)比： 0.248>0.112>0.079，火源點(diǎn)處溫升更快。標(biāo)準(zhǔn)差對(duì)比： 0.078>0.032>0.025，離散程度呈現(xiàn)出火源點(diǎn)處最大，火源點(diǎn)上游10 m位置最小的特征。以梯度平均值0.1 ℃/s為界限，在平均值≥0.1 ℃/s的基礎(chǔ)上對(duì)比梯度相對(duì)離散程度，因此剔除上游10 m處的離散系數(shù)數(shù)據(jù)。離散系數(shù)對(duì)比： 0.317>0.289，火源點(diǎn)處的溫升波動(dòng)程度更大。

(a)火源點(diǎn)(b)下游10m處(c)上游10m處

圖8 試驗(yàn)3隧道溫升段溫度一階導(dǎo)數(shù)曲線(xiàn)

3.3 試驗(yàn)隧道溫度二階導(dǎo)數(shù)規(guī)律分析

從圖9和表7中可知： 在大連路隧道小規(guī)?；馂?zāi)工況下，對(duì)火源點(diǎn)及其鄰域10 m處的溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行二階導(dǎo)數(shù)處理，處理后的數(shù)據(jù)已經(jīng)不能顯示出火災(zāi)的特征，在應(yīng)當(dāng)體現(xiàn)火災(zāi)溫升特征的階段，其數(shù)據(jù)平緩，波動(dòng)不顯著，對(duì)應(yīng)的青浦隧道及白茫雪山隧道小規(guī)?；馂?zāi)試驗(yàn)數(shù)據(jù)均具有類(lèi)似特征。二階導(dǎo)數(shù)平均值的絕對(duì)值均小于0.002 ℃/s2，不能用離散系數(shù)來(lái)表征溫度二階導(dǎo)數(shù)的波動(dòng)特征。由此推斷，簡(jiǎn)單的二階導(dǎo)數(shù)處理方法并不適宜分析小規(guī)?；馂?zāi)，這種處理手段將消除火災(zāi)獨(dú)有的特征。

4 結(jié)論與討論

通過(guò)采集大量正常運(yùn)營(yíng)工況下的溫度場(chǎng)數(shù)據(jù)和火災(zāi)工況下的溫度場(chǎng)數(shù)據(jù)，采用多尺度分析方法分析隧道溫度場(chǎng)的特征和規(guī)律，初步得出以下結(jié)論。

1)隧道正常運(yùn)營(yíng)工況下，1 min內(nèi)，隧道內(nèi)溫度具有隨某一常值極小幅度波動(dòng)的特征；1 h內(nèi)，溫度變化幅度較小，溫度數(shù)據(jù)仍具有在平均值附近較小波動(dòng)的特征，這表明正常運(yùn)營(yíng)工況下，隧道內(nèi)溫度在短時(shí)間內(nèi)具有穩(wěn)定性。溫度數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)差可以表征隧道溫度的波動(dòng)程度，并可作為隧道溫度異常的判斷。正常運(yùn)營(yíng)工況下每min內(nèi)溫度標(biāo)準(zhǔn)差應(yīng)≤0.1 ℃。

(a) 火源點(diǎn)

(b) 火源下游10 m位置

(c) 火源上游10 m位置

Fig. 9 Secondary derivative of temperature gradient curves of tunnel in test 1

表7試驗(yàn)1隧道溫度二階導(dǎo)數(shù)描述性統(tǒng)計(jì)

Table 7 Secondary derivative of temperature description statistics under fire condition of tunnel in test 1

位置平均值/(℃/s2)標(biāo)準(zhǔn)差/(℃/s2)最小值/(℃/s2)最大值/(℃/s2)觀(guān)測(cè)點(diǎn)數(shù)火源點(diǎn)0.0017050.043-0.10.188下游10m0.0005950.035-0.10.07584上游10m-0.000550.034-0.0750.07591

2)隧道小規(guī)?；馂?zāi)工況下，火源點(diǎn)處溫度上升階段溫度標(biāo)準(zhǔn)差、離散系數(shù)與正常運(yùn)營(yíng)工況相比有顯著差異，因此可使用溫度的標(biāo)準(zhǔn)差及離散系數(shù)判斷隧道溫度場(chǎng)是否異常。火災(zāi)相鄰區(qū)域溫度上升階段的溫度標(biāo)準(zhǔn)差、離散系數(shù)與正常運(yùn)營(yíng)工況相比也具有顯著差異，通過(guò)研究鄰域的溫度特征可以協(xié)助判斷火災(zāi)是否發(fā)生，鄰域的溫度波動(dòng)特征可以作為火災(zāi)判據(jù)。

3)隧道小規(guī)?；馂?zāi)工況下火源點(diǎn)處溫度上升階段溫升不穩(wěn)定，具有顯著的波動(dòng)特征。溫度梯度的標(biāo)準(zhǔn)差及離散系數(shù)可用于表征溫升的波動(dòng)性，標(biāo)準(zhǔn)差越大表示溫升波動(dòng)越劇烈。在平均值≥0.1 ℃/s時(shí)，離散系數(shù)越大表明溫升波動(dòng)越劇烈；在平均值<0.1 ℃/s時(shí)，離散系數(shù)不具有高可靠性。梯度的標(biāo)準(zhǔn)差、離散系數(shù)可作為隧道火災(zāi)的判據(jù)。相鄰區(qū)域的梯度也具有類(lèi)似特征，鄰域溫升的波動(dòng)強(qiáng)度也可作為隧道火災(zāi)判別的依據(jù)。

4)隧道小規(guī)?；馂?zāi)工況下，簡(jiǎn)單的二階導(dǎo)數(shù)處理方法并不適宜分析小規(guī)?；馂?zāi)。這種處理方法可能會(huì)消除火災(zāi)獨(dú)有的特征。

在實(shí)際隧道中，通過(guò)提取火災(zāi)溫度上升階段火源點(diǎn)及其鄰域的溫度波動(dòng)特征，感溫探測(cè)系統(tǒng)可有效判別火災(zāi)是否發(fā)生，并排除因算法單一而引起的誤報(bào)警和漏報(bào)警，實(shí)現(xiàn)迅速準(zhǔn)確的預(yù)警。但是隧道溫度場(chǎng)的研究還存在一些難以解決的問(wèn)題： 試驗(yàn)1和試驗(yàn)3風(fēng)速較小，火源點(diǎn)及其鄰域的溫升階段未出現(xiàn)雙階段特征，試驗(yàn)2風(fēng)速較大，火源點(diǎn)及領(lǐng)域出現(xiàn)雙階段特征，但由于樣本較少，當(dāng)隧道風(fēng)速較大時(shí)，小規(guī)模火災(zāi)溫升階段是否一定呈現(xiàn)雙階段特征還有待進(jìn)一步驗(yàn)證； 相較于1.0 MW的小規(guī)模火災(zāi)，大規(guī)模火災(zāi)(如2.0 MW及5.0 MW)的火源點(diǎn)及其鄰域的溫度波動(dòng)特征有待研究； 高寒高海拔隧道的火災(zāi)與常溫常海拔隧道的火災(zāi)溫度場(chǎng)的差異性也有待進(jìn)一步研究。

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