市域快線長大區(qū)間瓦斯監(jiān)控方案研究

李長海 溫志歡

摘要 在國家大力發(fā)展都市圈的戰(zhàn)略指引下，市域快線也迎來了建設(shè)高峰期，目前國內(nèi)城市軌道交通的隧道區(qū)間都較短，沒有設(shè)置瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)。而市域快線界于地鐵和市域鐵路之間，長大區(qū)間及遇到瓦斯地質(zhì)等情況逐漸增多，針對市域快線的瓦斯監(jiān)控尤其是長大區(qū)間的監(jiān)控，大多參考煤礦等規(guī)范設(shè)置。文章主要從成都軌道交通18號線的長大區(qū)間瓦斯監(jiān)控方案情況進(jìn)行分析研究和總結(jié)，為軌道交通設(shè)計(jì)、建設(shè)決策者、從業(yè)人員在實(shí)施中提供參考。

關(guān)鍵詞 市域快線;長大區(qū)間;瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)

中圖分類號 U455 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號 2096-8949（2022）03-0078-03

0 引言

城市軌道交通隧道工程建設(shè)不可避免地要遇到穿越煤系地層和賦存瓦斯的隧道?！惰F路隧道工程施王技術(shù)指南》（TZ 204—2008）中規(guī)定“鐵路隧道勘測與施工過程中，通過地質(zhì)勘探或施工檢測表明隧道內(nèi)存在瓦斯時(shí)，該隧道應(yīng)定為瓦斯隧道”。統(tǒng)計(jì)了在建設(shè)瓦斯隧道施工過程中可能發(fā)生的各種事故的比例，其中瓦斯事故的比例為10%，在所有類型的隧道施工安全事故中位居第二，僅次于冒頂事故（66%）。瓦斯隧道施工過程中所面臨的瓦斯災(zāi)害主要表現(xiàn)為5個(gè)方面，即中毒、窒息、燃燒、爆炸和突出，其中瓦斯爆炸最易發(fā)生，瓦斯爆炸一旦發(fā)生，將會(huì)造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失和重大的人員傷亡[1]。事故的提前預(yù)防與有效管控，關(guān)鍵技術(shù)就是針對人的行為約束以及對環(huán)境變化的有效監(jiān)管。

1 方案背景

根據(jù)《成都地鐵18號線有害氣體情況報(bào)告》，18號線全線探測有瓦斯區(qū)段共計(jì)5個(gè)區(qū)段，其中龍泉山隧道9.695 km為單一區(qū)間最長隧道區(qū)間，同時(shí)，根據(jù)該報(bào)告的主要結(jié)論及建議：“施工、運(yùn)營嚴(yán)格按瓦斯隧道管理”。因此，對施工期存在瓦斯泄漏的區(qū)域，在運(yùn)營期設(shè)置瓦斯監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)檢測，并與通風(fēng)空調(diào)等系統(tǒng)進(jìn)行聯(lián)動(dòng)，確保隧道安全[2]。

2 設(shè)計(jì)原則

（1）隧道瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)通過現(xiàn)場級瓦斯探測器對沿線瓦斯隧道區(qū)間進(jìn)行監(jiān)測，將瓦斯?jié)舛刃畔?shí)時(shí)上傳至設(shè)于車站的瓦斯監(jiān)控分站。

（2）車站瓦斯監(jiān)控分站通過通信接口實(shí)時(shí)上傳信息至BAS系統(tǒng)。當(dāng)隧道內(nèi)瓦斯?jié)舛冗_(dá)到0.3%時(shí)，由BAS系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)啟動(dòng)區(qū)間隧道兩端車站的隧道通風(fēng)設(shè)備，對區(qū)間隧道進(jìn)行機(jī)械通風(fēng)，對瓦斯進(jìn)行稀釋，保證隧道內(nèi)瓦斯?jié)舛炔淮笥?.5%，此時(shí)隧道通道設(shè)備動(dòng)作模式與“早間通風(fēng)”模式一致;當(dāng)瓦斯?jié)舛冉档?.2%以下時(shí)，聯(lián)動(dòng)關(guān)閉相應(yīng)的隧道通風(fēng)設(shè)備，恢復(fù)“正常運(yùn)行”模式。若瓦斯?jié)舛却笥?.5%，應(yīng)聯(lián)動(dòng)啟動(dòng)超限報(bào)警裝置，同時(shí)停止該段區(qū)間列車運(yùn)營，由正常運(yùn)營狀態(tài)轉(zhuǎn)換為瓦斯事故狀態(tài)。

（3）稀釋瓦斯的通風(fēng)設(shè)備原則上盡量利用防災(zāi)通風(fēng)的設(shè)備，采用縱向通風(fēng)的模式。

3 系統(tǒng)方案

3.1 系統(tǒng)構(gòu)成

瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)采用兩級管理、三級控制的管控模式，實(shí)現(xiàn)全線隧道瓦斯實(shí)時(shí)濃度的監(jiān)測、報(bào)警及設(shè)備聯(lián)動(dòng)。

控制中心級：通過專用軟件管理全線設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控管理、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、查詢等。

車站級：通過站級BAS系統(tǒng)監(jiān)測超限報(bào)警、故障報(bào)警以及通風(fēng)設(shè)備聯(lián)動(dòng)，并將數(shù)據(jù)上送至控制中心。

現(xiàn)場級：由監(jiān)控分站、傳感器和傳輸網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成現(xiàn)場級系統(tǒng)，對各監(jiān)測點(diǎn)現(xiàn)場環(huán)境參數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、超限報(bào)警，并將數(shù)據(jù)上送至車站級BAS系統(tǒng)。

接口級：通過信號轉(zhuǎn)化器實(shí)現(xiàn)與BAS系統(tǒng)的接口，并將部分處理后的數(shù)據(jù)上傳BAS系統(tǒng)。

隧道瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)主要由系統(tǒng)主機(jī)、監(jiān)控分站、瓦斯傳感器、傳輸網(wǎng)絡(luò)等組成。

系統(tǒng)主機(jī)：通過系統(tǒng)專用軟件對全系統(tǒng)信息進(jìn)行監(jiān)控管理、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、統(tǒng)計(jì)。

監(jiān)控分站：用于采集傳感器數(shù)據(jù)，完成數(shù)據(jù)處理，接收發(fā)送數(shù)據(jù)，傳輸報(bào)警信息。

瓦斯傳感器：對各監(jiān)測點(diǎn)現(xiàn)場環(huán)境參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測、數(shù)據(jù)采集、超限報(bào)警、信息傳輸?shù)取?/p>

現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)/光纖網(wǎng)絡(luò)：用于傳感器與監(jiān)控分站或各分站之間的連接，進(jìn)行報(bào)警信息傳輸。網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)示意如圖1。

3.2 系統(tǒng)架構(gòu)分析

瓦斯監(jiān)測系統(tǒng)作為BAS系統(tǒng)的一個(gè)子系統(tǒng)，而BAS系統(tǒng)又深度集成在綜合監(jiān)控系統(tǒng)中，符合綜合監(jiān)控系統(tǒng)分層、分級、模塊化的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，整個(gè)系統(tǒng)架構(gòu)合理，系統(tǒng)穩(wěn)定性、可靠性高。

瓦斯監(jiān)測系統(tǒng)主機(jī)與BAS系統(tǒng)在車站級設(shè)置接口，將用戶需求的監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸?shù)紹AS系統(tǒng)，由BAS系統(tǒng)統(tǒng)一上傳至站級綜合監(jiān)控。系統(tǒng)接口形式與智能低壓柜接口原理一致，為常見接口，不影響整個(gè)綜合監(jiān)控系統(tǒng)的架構(gòu)和穩(wěn)定性。

3.3 系統(tǒng)安裝方案

隧道內(nèi)每隔100 m設(shè)置1個(gè)瓦斯傳感器，10～14臺(tái)傳感器通過傳輸網(wǎng)絡(luò)接入監(jiān)控分站，監(jiān)控分站通過信號轉(zhuǎn)換器接入BAS系統(tǒng)。

（1）傳感器安裝于隧道壁弱電側(cè)，距軌平面4.5 m高處。傳感器設(shè)置位置如圖2所示。

（2）隧道內(nèi)瓦斯監(jiān)測系統(tǒng)線纜采用鎧裝保護(hù)，利用弱電支架敷設(shè)（需提前與通信、信號專業(yè)確認(rèn)）。線纜位置如圖3所示。

（3）信號轉(zhuǎn)換器、信號轉(zhuǎn)換器電源、監(jiān)控分站、監(jiān)控分站電源放置于車站、區(qū)間環(huán)控電控室的BAS機(jī)柜內(nèi)。

3.4 傳感器連接方案分析

3.4.1 傳感器初步方案

通過組織設(shè)計(jì)聯(lián)絡(luò)和接口協(xié)調(diào)會(huì)，確定傳感器的連接方案如圖4。

結(jié)合現(xiàn)有區(qū)間隧道圖紙測算，采用分站集中設(shè)置方案后，線纜使用量約為32萬 m。

原因1：考慮到該工程列車時(shí)速為160 km/h，列車運(yùn)行速度高，隧道風(fēng)壓大，因此在設(shè)計(jì)聯(lián)絡(luò)會(huì)期間，建設(shè)、運(yùn)營、設(shè)計(jì)、集成商、施工單位等多方共同確定：“原則上區(qū)間隧道內(nèi)不設(shè)置隧道瓦斯監(jiān)測系統(tǒng)分站等設(shè)備，瓦斯監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)控分站、信號轉(zhuǎn)換器及電源等設(shè)備統(tǒng)一放置于車站或區(qū)間環(huán)控電控室內(nèi)的BAS機(jī)柜”。

原因2：瓦斯監(jiān)測分站雖然滿足招標(biāo)文件“每個(gè)分站可接入16臺(tái)傳感器”的要求，招標(biāo)要求采用總線形式連接，每10臺(tái)傳感器通過傳輸網(wǎng)絡(luò)連接至監(jiān)控分站，但分包商提供的連接方式是每條總線只串接2臺(tái)傳感器（主流廠商一般都采用該方案，目前18號線施工期間瓦斯監(jiān)測系統(tǒng)也是每條總線接入2臺(tái)傳感器的方案），所以采用上述分站集中設(shè)置的方案后，導(dǎo)致與初步設(shè)計(jì)相比線纜數(shù)量增加較多。

3.4.2 調(diào)研結(jié)論

通過組織對目前市面設(shè)備進(jìn)行調(diào)研，得出調(diào)研結(jié)論如下：

（1）目前主流成熟產(chǎn)品均是煤礦式總線傳輸方式（部分廠家已開始研究和升級適合用于地鐵形勢的產(chǎn)品，但產(chǎn)品成熟性不高）。

（2）瓦斯監(jiān)控設(shè)備主流廠家中，成熟產(chǎn)品均沒有單路總線連接10臺(tái)傳感器的連接方式。

（3）更換產(chǎn)品需確保技術(shù)參數(shù)符合招標(biāo)文件要求，定制產(chǎn)品存在設(shè)備穩(wěn)定性、產(chǎn)品認(rèn)證合規(guī)等問題。

3.4.3 解決思路

思路一：更換瓦斯監(jiān)測系統(tǒng)分包商。

經(jīng)調(diào)查，目前國內(nèi)瓦斯監(jiān)測系統(tǒng)每一回路最多可連接8臺(tái)傳感器，但產(chǎn)品不成熟，若更換瓦斯監(jiān)測系統(tǒng)廠家，可滿足招標(biāo)文件中總線連接要求，但存在風(fēng)險(xiǎn)。另外，瓦斯監(jiān)測系統(tǒng)是集成于綜合監(jiān)控系統(tǒng)，目前合同已經(jīng)簽訂，更換廠家存在合同糾紛和合法性問題，難度較大。

思路二：要求設(shè)計(jì)單位及分包商對現(xiàn)有瓦斯系統(tǒng)方案進(jìn)行優(yōu)化（包括但不限于減少布點(diǎn)、產(chǎn)品升級、擴(kuò)大總線容量等措施）。

針對以上思路，針對性的解決方案如下：

方案一：對原監(jiān)控分站安裝位置進(jìn)行優(yōu)化。

方案二：優(yōu)化產(chǎn)品及系統(tǒng)軟件，提高總線傳感器的連接數(shù)量。

3.4.4 解決方案

方案一：優(yōu)化監(jiān)控分站設(shè)備安裝位置。

（1）將龍泉山隧道內(nèi)原布置在天龍區(qū)間變電所（40+923）內(nèi)的分站調(diào)整到41+488和41+989的環(huán)控電控室內(nèi)。

（2）將原龍泉山隧道環(huán)控電控室（ZK44+540、YK44+540）和（ZK50+459、YK50+459）內(nèi)的4臺(tái)分站優(yōu)化安裝位置，安裝于龍泉山隧道16#疏散通道（ZK46+338、

YK46+368）內(nèi)。

方案二：優(yōu)化設(shè)備功耗，修改控制軟件，提高總線傳感器的連接數(shù)量。

（1）將原傳感器探頭軟件優(yōu)化，降低瞬時(shí)啟動(dòng)功耗。

（2）根據(jù)設(shè)備性能優(yōu)化每個(gè)回路串接的傳感器數(shù)量，每條總線可接入的探測器數(shù)量從2臺(tái)調(diào)整為：500 m距離內(nèi)5～6臺(tái)，1 000 m距離內(nèi)4臺(tái)，2 000 m距離內(nèi)3臺(tái)，超出2 000 m距離仍保持2臺(tái)。

在滿足招標(biāo)性能、功能要求，保證系統(tǒng)穩(wěn)定性、可靠性的前提下，優(yōu)化結(jié)果如表1。

按該優(yōu)化方案不會(huì)影響系統(tǒng)穩(wěn)定性、可靠性及可維護(hù)性。

該方案會(huì)導(dǎo)致供貨商設(shè)備成本增加約8%，該方案線纜投資較初步設(shè)計(jì)增加約63.7萬元，具備可實(shí)施性。

最終采用方案一結(jié)合方案二的優(yōu)化方案，瓦斯監(jiān)測系統(tǒng)供貨分包商不變，主要理由如下：

（1）承包商承諾所提供的瓦斯監(jiān)測系統(tǒng)傳感器產(chǎn)品性能、功能符合招標(biāo)技術(shù)要求，其優(yōu)化措施并未對傳感器進(jìn)行更換和實(shí)質(zhì)性修改，產(chǎn)品滿足相關(guān)煤安認(rèn)證要求。

（2）瓦斯監(jiān)測系統(tǒng)作為BAS系統(tǒng)的一部分，而BAS系統(tǒng)又深度集成在綜合監(jiān)控系統(tǒng)中，符合綜合監(jiān)控系統(tǒng)分層、分級、模塊化的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，整個(gè)系統(tǒng)架構(gòu)合理，系統(tǒng)穩(wěn)定性、可靠性高;且瓦斯系統(tǒng)融入綜合監(jiān)控系統(tǒng)平臺(tái)后，更加豐富了綜合監(jiān)控系統(tǒng)平臺(tái)數(shù)據(jù)，有利于實(shí)現(xiàn)信息共享和平臺(tái)集中綜合管控。

（3）對個(gè)別監(jiān)控分站安裝位置調(diào)整，未改變系統(tǒng)整體架構(gòu)，節(jié)約了線纜用量。

（4）瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)電纜沿隧道敷設(shè)于弱電側(cè)電纜支架上（第一層），具備現(xiàn)場敷設(shè)裝條件。

4 結(jié)束語

系統(tǒng)應(yīng)選用標(biāo)準(zhǔn)化程度高、可靠性高、技術(shù)先進(jìn)、組網(wǎng)靈活、易擴(kuò)容、便于使用及維護(hù)的設(shè)備。在滿足可靠性和功能要求的前提下，優(yōu)先采用國內(nèi)先進(jìn)的、成熟的、具有使用經(jīng)驗(yàn)的設(shè)備或技術(shù)，以確保系統(tǒng)的總體國產(chǎn)化率在適當(dāng)?shù)乃剑⑶冶ＷC具有合理的投資造價(jià)和性價(jià)比。同時(shí)還應(yīng)注意系統(tǒng)接口類型的完整性以及對遠(yuǎn)期系統(tǒng)擴(kuò)展的便利性和兼容性。

參考文獻(xiàn)

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