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背景概述

隧道是鐵路建設(shè)過(guò)程中很常見(jiàn)的一種通過(guò)形式。在挖掘施工和日常運(yùn)營(yíng)中,存在多種危險(xiǎn)氣體威脅,，例如甲烷,、硫化氫、二氧化硫,、一氧化碳等,，這些危險(xiǎn)氣體需要時(shí)刻監(jiān)測(cè)，保證在安全濃度以下,。

傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)設(shè)備由于技術(shù)的局限性導(dǎo)致其存在諸多問(wèn)題,，例如測(cè)量精度低、報(bào)警及時(shí)性差,、誤報(bào)率高,、覆蓋范圍小、維護(hù)成本高,、易受電磁干擾等,。此外高原地區(qū)含氧量低，傳統(tǒng)的化學(xué)反應(yīng)式傳感器正常工作將受到影響,。

激光吸收光譜技術(shù)是目前最先進(jìn)的氣體檢測(cè)技術(shù),，其工作原理為每種氣體分子在特定波長(zhǎng)的激光下具有獨(dú)特的吸收光譜，據(jù)此實(shí)現(xiàn)對(duì)危險(xiǎn)氣體定性與定量監(jiān)測(cè),。該技術(shù)可彌補(bǔ)傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)設(shè)備的諸多不足,，以激光為工作原理，無(wú)需氧氣進(jìn)行化學(xué)反應(yīng),，可在高原缺氧環(huán)境下的正常監(jiān)測(cè),；實(shí)現(xiàn)大范圍、區(qū)域級(jí),、主動(dòng)式,、高靈敏度監(jiān)測(cè),，并且抗電磁干擾；實(shí)現(xiàn)具體監(jiān)測(cè)點(diǎn)無(wú)需電源工作,，確保本質(zhì)安全,；在監(jiān)測(cè)精度、反應(yīng)速度,、運(yùn)行維護(hù)成本,、使用便利性、超長(zhǎng)使用壽命等方面對(duì)現(xiàn)有技術(shù)實(shí)現(xiàn)本質(zhì)提升,；實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)設(shè)備免維護(hù),、無(wú)需標(biāo)定、操作簡(jiǎn)單等優(yōu)勢(shì),，全面降低成本,，提升經(jīng)濟(jì)性能。

(一)隧道主體部分危險(xiǎn)氣體監(jiān)測(cè)

隧道在開(kāi)挖和建成運(yùn)行期,，山體和地層很可能含有高濃度的瓦斯氣體及少量硫化氫,，必須保證洞內(nèi)這些氣體濃度在安全水平。在隧道主體部分,，可采用固定反射式激光遙測(cè)儀進(jìn)行監(jiān)測(cè),，該設(shè)備由發(fā)射端和反射端組成。設(shè)備通過(guò)發(fā)射激光形成一條監(jiān)測(cè)光路,，其所經(jīng)過(guò)的空間即為被監(jiān)測(cè)區(qū)域,，最遠(yuǎn)距離可達(dá)1km。

固定反射式激光遙測(cè)儀

(二) 掌子面危險(xiǎn)氣體監(jiān)測(cè)

在掌子面的附近安裝一臺(tái)固定掃描式激光氣體遙測(cè)儀（安裝位置根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況,，不影響爆破和開(kāi)挖工作）,，對(duì)整個(gè)掌子面進(jìn)行全覆蓋式不間斷掃描監(jiān)測(cè)。該設(shè)備采用類似雷達(dá)的旋轉(zhuǎn)掃描,，形成360°的全方位監(jiān)測(cè),，掃描半徑可達(dá)到300m，同時(shí)結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)視頻監(jiān)控,，既可以實(shí)現(xiàn)整個(gè)掌子面或爆破面的整體覆蓋不間斷式掃描監(jiān)測(cè),，還可以在監(jiān)測(cè)過(guò)程中設(shè)置停頓點(diǎn)，對(duì)重點(diǎn)施工部位或爆破孔進(jìn)行重點(diǎn)監(jiān)控,，同時(shí)對(duì)氣體濃度超標(biāo)地點(diǎn)進(jìn)行定位,。

(三) 局部非開(kāi)闊區(qū)域危險(xiǎn)氣體監(jiān)測(cè)

在隧道的橫通道、回風(fēng)巷,、局部通風(fēng)機(jī)附近區(qū)域空間不夠開(kāi)闊區(qū)域,，可采用無(wú)源光纖激光泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。系統(tǒng)由主機(jī)和光感終端組成，主機(jī)負(fù)責(zé)發(fā)射檢測(cè)激光并接收光感終端傳回的光譜信息,，光感終端負(fù)責(zé)采集監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)的氣體濃度光譜信息并且無(wú)需供電,，與主機(jī)通過(guò)光纖連接。

系統(tǒng)主機(jī)放置在洞口的監(jiān)控中心機(jī)房或洞內(nèi)分站,，由外部電源供電,，采用光纖與光感終端連接，光纖傳輸距離可達(dá)20km,，以保證光感終端可深入隧道深處,。光感終端吊裝在拱頂以下，主機(jī)將實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)诫娔X上的監(jiān)控平臺(tái)或遠(yuǎn)程的控制中心,。

氣體種類監(jiān)測(cè)方案示例

（一）甲烷氣體

甲烷是瓦斯氣體的主要成分,，由于其自身比重特性會(huì)向隧道的上方擴(kuò)散，因此可以在隧道的頂壁下部安裝固定反射式激光遙測(cè)儀,，在隧道的頂部形成一條檢測(cè)光路,。

設(shè)備的發(fā)射端負(fù)責(zé)激光的發(fā)射和通訊，供電和通訊線路只需連接到發(fā)射端,。反射端是一個(gè)純光學(xué)設(shè)備,，可以不受限制隨意移動(dòng)。當(dāng)開(kāi)始掘進(jìn)時(shí)發(fā)射端安裝在洞口,，反射端安裝在開(kāi)挖面，形成從洞口到開(kāi)挖面的監(jiān)測(cè)范圍,，隨著掘進(jìn)的深入反射端不斷向內(nèi)移動(dòng)逐步擴(kuò)大監(jiān)測(cè)范圍,。當(dāng)掘進(jìn)深度超過(guò)1000m后再布置第二臺(tái)設(shè)備。

（二）硫化氫

硫化氫氣體由于比重大于空氣因此在出現(xiàn)濃度超限時(shí)會(huì)向隧道的下方擴(kuò)散,，所以可以在隧道的側(cè)壁靠下部分安裝固定反射式激光氣體遙測(cè)儀,，在隧道的底部形成一條檢測(cè)光路。

（三）其他危險(xiǎn)氣體

隧道在日常運(yùn)營(yíng)過(guò)程中除了瓦斯和硫化氫外,，還有二氧化硫,、一氧化碳等有毒有害氣體，對(duì)于這些比重大于等于空氣的有毒有害氣體,，由于其在出現(xiàn)濃度超限情況時(shí)會(huì)朝隧道的下方擴(kuò)散,，因此可以在隧道兩壁的下部安裝固定反射式激光氣體遙測(cè)儀，在隧道的兩邊各形成一條光路,。設(shè)備的監(jiān)測(cè)范圍最遠(yuǎn)為1km,，如果隧道長(zhǎng)度超過(guò)1km或有彎道存在，可用多臺(tái)設(shè)備組合,。