张蔚博 于建峰
中交路桥南方工程有限公司 北京 101121
摘要：本文以鹤大高速5标柞木台隧道为依托工程，通过计算机技术、网络技术等的综合应用，实现了隧道施工的可视化管理，并对隧道安全监控预警系统中的关键技术进行了讨论，提高了安全管理可操作性，同时为可能的地质灾害救援提供有力保障。
关键词：隧道工程；有害气体监测；激光测距；超前地质预报
1. 概述
在隧道项目的施工过程中，由于工人的作业面狭窄、空气质量差以及照明条件不足等多种安全隐患的存在，导致隧道施工的安全事故时有发生。因此，如何在保证施工效率的前提下保障施工人员的安全成为了隧道施工管理者亟待解决的问题。目前，在隧道施工安全管理方面，普遍缺乏可视化、信息化、智能化的管理系统，往往都是在隧道事故发生以后才组织开展救援抢救工作，并且受制于隧道结构狭小的空间，抢救人员无法及时获取隧道内的具体伤亡情况，很难及时有效地对伤亡人员实施救援，整个救援工作显得十分被动[1]。
基于此，想要最大限度地减少隧道事故的发生率，就要防患于未然，开发出一套集计算机、可视化以及无线数据传输等技术为一体的隧道安全管理监控预警系统从根源上保证隧道施工人员的安全是势在必行的。该预警系统由有害气体监控系统、特殊点位结构变形监控系统以及超前地质预报系统组成。
2. 有害气体监控系统
瓦斯是一种无色无味的混合气体，以自由气体状态存在于围岩裂缝当中，其含量取决于隧道内的具体环境条件。众所周知，瓦斯遇到明火极易发生爆炸，且与空气混合达到一定浓度以后有自燃的可能。所以，瓦斯的存在时刻威胁着隧道内施工人员的人身安全，对隧道内瓦斯浓度的实时监控是至关重要的[2]。
2.1 系统组成
有害气体监测系统主要包含监控服务器、前端感知监测器以及传输接口转换器三大主要板块。监控服务器主要负责接收处理并保存前端监控设备收集的数据；前端感知器则为数据采集装置，如瓦斯检测仪以及一些环境参数采集设备，实时获取隧道内的有害气体浓度以及温湿度数据并通过传输系统传回服务器终端；传输接口转换器则包含一些信号转换器，实现不同信号之间的转换以达到将数据快速传输的效果。有害气体监测原理如图1所示。
图1 有害气体监测原理图
2.2 传输系统的选择
遥测传输系统的传输方式一般有空分制传输、时分制传输、频分制传输以及频分时分混合传输四种方式，各个传输方式的特点及适用范围如表1所示。
从表1可以看出，不同传输方式下信息量与成本的关系不同，基于隧道施工的具体工程条件，一般6个左右的信息量就能对隧道瓦斯浓度进行实时全面的监测，再加上其他配套设施，总信息量一般在10路左右，因此，本系统选择频分制传输方式较为经济。
2.3 传感器的选择
根据相关规范规定，隧道内必须设有瓦斯传感器和风速传感器，其它传感器可具体隧道内的其他有害气体进行设定，常见的还有CO浓度测定传感器以及SO2浓度测定传感器等[3-5]。
在瓦斯传感器数量的选择方面，需要根据具体的施工组织安排进行合理的配置。通常情况下，只需要在隧道内不同的通风区域进行瓦斯传感器的布置就能基本实现对隧道全区域内瓦斯浓度的实时监控，在数量上一般6个瓦斯传感器就能满足上述要求。此外，在施工过程中如果需要对特殊区域的瓦斯浓度进行监测则在此基础上增加相应的传感器即可，本系统所选择的瓦斯传感器如图2所示。
图2 瓦斯传感器
2.4 仪器的布设
在具体仪器的布设方面，首先需要在隧道两个洞口外分别设立现场指挥控制中心，控制中心内，布设工控主机、数据接收器、视频转换器以及交换机等。隧道内的有害气体传感器获取气体浓度后通过相应的传输方式将数据传输至现场指挥中心的数据接收器上，数据接收模块再通过数据连接线将数据传输至工控主机上，工控主机通过网络将隧道内有害气体的实时监控数据发送到业主以及施工单位等部门的数据接收装置上，以实现各个部门对隧道内有害气体浓度的实时监测。
在进行传感器布设时，隧道内的掌子面和二次衬砌台处分别需要安装1个瓦斯传感器，且隧道内每隔500m需布设1个瓦斯传感器，如果安全监控预警系统具有声光报警功能，则还需在隧道的洞口布设2个声光传感器。具体传感器的布设工作是一个随施工组织安排动态变化的过程。隧道内有害气体的实时监控效果如图3所示。
图3 隧道有害气体的实时监控
3. 特殊点位结构变形监控系统
在隧道结构特殊点位结构变形的监控手段上，传统的检测方法无法满足智能化隧道安全监控预警系统的实时性和数据自动传输的要求，因此考虑采用激光测距设备对隧道内特殊点位结构的变形进行监控，该方法能够将高精度的测量数据实时传输回控制中心的工控计算机上。
由于激光光束具有很好的相干性以及很小的发散角，在进行距离测量时具有很高的精度，能够在隧道这种狭小复杂的空间内进行测量，激光测距方法根据其原理的不同分为脉冲式激光测距、相位式激光测距以及干涉法激光测距，各个方法的特点及测量范围如表2所示。
在进行激光测距时，采用新奥定点扫描法对隧道特殊点位的变形进行监控。将激光测距装置安装在隧道中二衬台车上，通过云台逐步旋转对隧道断面的5个固定点进行测量，根据固定测点以及拱顶到地面的距离变可判断拱顶是否沉降以及隧道断面四周是否收敛，并及时向终端发送预警信号。激光测距装置现场安装如图4所示。
图4 激光测距现场图
4. 超前地质预报系统
为了全方位保证隧道施工的安全，分别采用瓦斯气体压力计和玻璃转子流量计对超前钻孔的瓦斯压力和瓦斯涌出速度进行检测，相应检测设备如图5~图6所示。
图5 瓦斯气体压力计 图6 玻璃转子流量计
具体施工布置时，在钻孔处插入相应长度的前端导管，并对接触截面进行密封处理，防止气体向周围溢出，通过尾端接入的瓦斯气体压力计和玻璃转子流量计进行相应指标的测试。当测得的瓦斯气体压力值超过0.74Mpa或瓦斯涌出速度为4L/min时即为危险性临界值，同时，在钻孔过程中若出现卡钻及喷孔现象时该工作面即为危险工作面，一旦出现此工况，需立即进行瓦斯排放，若24小时以后瓦斯气体压力仍高于0.74Mpa需立即停止施工进行针对性瓦斯气体排场处理。
5. 结论
本文介绍了智能化隧道安全监控预警系统的工作流程，着重对有害气体监控系统、特殊点位结构变形监控系统以及超前地质预报系统的关键技术进行了讨论，并以鹤大高速5标柞木台隧道为依托工程验证了该预警系统的可行性，可以看出，智能化隧道安全监控预警系统的引入对于减少隧道事故的发生率具有显著作用。
参考文献：
[1]熊建明. 公路瓦斯隧道施工期安全管理与预警技术研究[D]. 中国矿业大学（北京），2016.
[2]唐前松，韩伟威，陈赟. 高速公路隧道施工安全管理水平多级可拓评价研究[J]. 公路与汽运，2014，（06）：199-203.
[3]叶英，穆千祥，张成平. 隧道施工多元信息预警与安全管理系统研究[J]. 岩石力学与工程学报，2009，28（05）：900-907.
[4]柳立峰. 隧道施工安全管理及评价体系研究[D]. 重庆大学，2008.
[5]谢丽霖，方正，吴晖，袁建平. 现代公路隧道安全管理初探[J]. 消防科学与技术，2007，（06）：626-629.
论文作者:张蔚博,于建峰
论文发表刊物:《防护工程》2018年第13期
论文发表时间:2018/9/27
标签：隧道论文; 瓦斯论文; 气体论文; 传感器论文; 有害论文; 浓度论文; 激光论文; 《防护工程》2018年第13期论文;