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背景概述

隧道是鐵路建設過程中很常見的一種通過形式。在挖掘施工和日常運營中,存在多種危險氣體威脅，例如甲烷、硫化氫、二氧化硫、一氧化碳等，這些危險氣體需要時刻監測，保證在安全濃度以下。

傳統監測設備由于技術的局限性導致其存在諸多問題，例如測量精度低、報警及時性差、誤報率高、覆蓋范圍小、維護成本高、易受電磁干擾等。此外高原地區含氧量低，傳統的化學反應式傳感器正常工作將受到影響。

激光吸收光譜技術是目前最先進的氣體檢測技術，其工作原理為每種氣體分子在特定波長的激光下具有獨特的吸收光譜，據此實現對危險氣體定性與定量監測。該技術可彌補傳統監測設備的諸多不足，以激光為工作原理，無需氧氣進行化學反應，可在高原缺氧環境下的正常監測；實現大范圍、區域級、主動式、高靈敏度監測，并且抗電磁干擾；實現具體監測點無需電源工作，確保本質安全；在監測精度、反應速度、運行維護成本、使用便利性、超長使用壽命等方面對現有技術實現本質提升；實現監測設備免維護、無需標定、操作簡單等優勢，全面降低成本，提升經濟性能。

(一)隧道主體部分危險氣體監測

隧道在開挖和建成運行期，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儀進行監測，該設備由發射端和反射端組成。設備通過發射激光形成一條監測光路，其所經過的空間即為被監測區域，最遠距離可達1km。

固定反射式激光遙測儀

(二) 掌子面危險氣體監測

在掌子面的附近安裝一臺固定掃描式激光氣體遙測儀（安裝位置根據現場實際情況，不影響爆破和開挖工作），對整個掌子面進行全覆蓋式不間斷掃描監測。該設備采用類似雷達的旋轉掃描，形成360°的全方位監測，掃描半徑可達到300m，同時結合現場實時視頻監控，既可以實現整個掌子面或爆破面的整體覆蓋不間斷式掃描監測，還可以在監測過程中設置停頓點，對重點施工部位或爆破孔進行重點監控，同時對氣體濃度超標地點進行定位。

(三) 局部非開闊區域危險氣體監測

在隧道的橫通道、回風巷、局部通風機附近區域空間不夠開闊區域，可采用無源光纖激光泄漏監測系統。系統由主機和光感終端組成，主機負責發射檢測激光并接收光感終端傳回的光譜信息，光感終端負責采集監測現場的氣體濃度光譜信息并且無需供電，與主機通過光纖連接。

系統主機放置在洞口的監控中心機房或洞內分站，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，主機將實時監測數據通過網絡傳輸到電腦上的監控平臺或遠程的控制中心。

氣體種類監測方案示例

（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向隧道的上方擴散，因此可以在隧道的頂壁下部安裝固定反射式激光遙測儀，在隧道的頂部形成一條檢測光路。

設備的發射端負責激光的發射和通訊，供電和通訊線路只需連接到發射端。反射端是一個純光學設備，可以不受限制隨意移動。當開始掘進時發射端安裝在洞口，反射端安裝在開挖面，形成從洞口到開挖面的監測范圍，隨著掘進的深入反射端不斷向內移動逐步擴大監測范圍。當掘進深度超過1000m后再布置第二臺設備。

（二）硫化氫

硫化氫氣體由于比重大于空氣因此在出現濃度超限時會向隧道的下方擴散，所以可以在隧道的側壁靠下部分安裝固定反射式激光氣體遙測儀，在隧道的底部形成一條檢測光路。

（三）其他危險氣體

隧道在日常運營過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，對于這些比重大于等于空氣的有毒有害氣體，由于其在出現濃度超限情況時會朝隧道的下方擴散，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儀，在隧道的兩邊各形成一條光路。設備的監測范圍最遠為1km，如果隧道長度超過1km或有彎道存在，可用多臺設備組合。