市域快線長大區間瓦斯監控方案研究

李長海 溫志歡

摘要 在國家大力發展都市圈的戰略指引下，市域快線也迎來了建設高峰期，目前國內城市軌道交通的隧道區間都較短，沒有設置瓦斯監控系統。而市域快線界于地鐵和市域鐵路之間，長大區間及遇到瓦斯地質等情況逐漸增多，針對市域快線的瓦斯監控尤其是長大區間的監控，大多參考煤礦等規范設置。文章主要從成都軌道交通18號線的長大區間瓦斯監控方案情況進行分析研究和總結，為軌道交通設計、建設決策者、從業人員在實施中提供參考。

關鍵詞 市域快線;長大區間;瓦斯監控系統

中圖分類號 U455 文獻標識碼 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不可避免地要遇到穿越煤系地層和賦存瓦斯的隧道。《鐵路隧道工程施王技術指南》（TZ 204—2008）中規定“鐵路隧道勘測與施工過程中，通過地質勘探或施工檢測表明隧道內存在瓦斯時，該隧道應定為瓦斯隧道”。統計了在建設瓦斯隧道施工過程中可能發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害主要表現為5個方面，即中毒、窒息、燃燒、爆炸和突出，其中瓦斯爆炸最易發生，瓦斯爆炸一旦發生，將會造成巨大的經濟損失和重大的人員傷亡[1]。事故的提前預防與有效管控，關鍵技術就是針對人的行為約束以及對環境變化的有效監管。

1 方案背景

根據《成都地鐵18號線有害氣體情況報告》，18號線全線探測有瓦斯區段共計5個區段，其中龍泉山隧道9.695 km為單一區間最長隧道區間，同時，根據該報告的主要結論及建議：“施工、運營嚴格按瓦斯隧道管理”。因此，對施工期存在瓦斯泄漏的區域，在運營期設置瓦斯監測系統進行自動檢測，并與通風空調等系統進行聯動，確保隧道安全[2]。

2 設計原則

（1）隧道瓦斯監控系統通過現場級瓦斯探測器對沿線瓦斯隧道區間進行監測，將瓦斯濃度信息實時上傳至設于車站的瓦斯監控分站。

（2）車站瓦斯監控分站通過通信接口實時上傳信息至BAS系統。當隧道內瓦斯濃度達到0.3%時，由BAS系統聯動啟動區間隧道兩端車站的隧道通風設備，對區間隧道進行機械通風，對瓦斯進行稀釋，保證隧道內瓦斯濃度不大于0.5%，此時隧道通道設備動作模式與“早間通風”模式一致;當瓦斯濃度降到0.2%以下時，聯動關閉相應的隧道通風設備，恢復“正常運行”模式。若瓦斯濃度大于0.5%，應聯動啟動超限報警裝置，同時停止該段區間列車運營，由正常運營狀態轉換為瓦斯事故狀態。

（3）稀釋瓦斯的通風設備原則上盡量利用防災通風的設備，采用縱向通風的模式。

3 系統方案

3.1 系統構成

瓦斯監控系統采用兩級管理、三級控制的管控模式，實現全線隧道瓦斯實時濃度的監測、報警及設備聯動。

控制中心級：通過專用軟件管理全線設備進行監控管理、數據存儲、數據統計、查詢等。

車站級：通過站級BAS系統監測超限報警、故障報警以及通風設備聯動，并將數據上送至控制中心。

現場級：由監控分站、傳感器和傳輸網絡構成現場級系統，對各監測點現場環境參數進行數據采集、超限報警，并將數據上送至車站級BAS系統。

接口級：通過信號轉化器實現與BAS系統的接口，并將部分處理后的數據上傳BAS系統。

隧道瓦斯監控系統主要由系統主機、監控分站、瓦斯傳感器、傳輸網絡等組成。

系統主機：通過系統專用軟件對全系統信息進行監控管理、數據存儲、統計。

監控分站：用于采集傳感器數據，完成數據處理，接收發送數據，傳輸報警信息。

瓦斯傳感器：對各監測點現場環境參數進行監測、數據采集、超限報警、信息傳輸等。

現場總線網絡/光纖網絡：用于傳感器與監控分站或各分站之間的連接，進行報警信息傳輸。網絡組網示意如圖1。

3.2 系統架構分析

瓦斯監測系統作為BAS系統的一個子系統，而BAS系統又深度集成在綜合監控系統中，符合綜合監控系統分層、分級、模塊化的結構特點，整個系統架構合理，系統穩定性、可靠性高。

瓦斯監測系統主機與BAS系統在車站級設置接口，將用戶需求的監測數據傳輸到BAS系統，由BAS系統統一上傳至站級綜合監控。系統接口形式與智能低壓柜接口原理一致，為常見接口，不影響整個綜合監控系統的架構和穩定性。

3.3 系統安裝方案

隧道內每隔100 m設置1個瓦斯傳感器，10～14臺傳感器通過傳輸網絡接入監控分站，監控分站通過信號轉換器接入BAS系統。

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

（2）隧道內瓦斯監測系統線纜采用鎧裝保護，利用弱電支架敷設（需提前與通信、信號專業確認）。線纜位置如圖3所示。

（3）信號轉換器、信號轉換器電源、監控分站、監控分站電源放置于車站、區間環控電控室的BAS機柜內。

3.4 傳感器連接方案分析

3.4.1 傳感器初步方案

通過組織設計聯絡和接口協調會，確定傳感器的連接方案如圖4。

結合現有區間隧道圖紙測算，采用分站集中設置方案后，線纜使用量約為32萬 m。

原因1：考慮到該工程列車時速為160 km/h，列車運行速度高，隧道風壓大，因此在設計聯絡會期間，建設、運營、設計、集成商、施工單位等多方共同確定：“原則上區間隧道內不設置隧道瓦斯監測系統分站等設備，瓦斯監測系統監控分站、信號轉換器及電源等設備統一放置于車站或區間環控電控室內的BAS機柜”。

原因2：瓦斯監測分站雖然滿足招標文件“每個分站可接入16臺傳感器”的要求，招標要求采用總線形式連接，每10臺傳感器通過傳輸網絡連接至監控分站，但分包商提供的連接方式是每條總線只串接2臺傳感器（主流廠商一般都采用該方案，目前18號線施工期間瓦斯監測系統也是每條總線接入2臺傳感器的方案），所以采用上述分站集中設置的方案后，導致與初步設計相比線纜數量增加較多。

3.4.2 調研結論

通過組織對目前市面設備進行調研，得出調研結論如下：

（1）目前主流成熟產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品，但產品成熟性不高）。

（2）瓦斯監控設備主流廠家中，成熟產品均沒有單路總線連接10臺傳感器的連接方式。

（3）更換產品需確保技術參數符合招標文件要求，定制產品存在設備穩定性、產品認證合規等問題。

3.4.3 解決思路

思路一：更換瓦斯監測系統分包商。

經調查，目前國內瓦斯監測系統每一回路最多可連接8臺傳感器，但產品不成熟，若更換瓦斯監測系統廠家，可滿足招標文件中總線連接要求，但存在風險。另外，瓦斯監測系統是集成于綜合監控系統，目前合同已經簽訂，更換廠家存在合同糾紛和合法性問題，難度較大。

思路二：要求設計單位及分包商對現有瓦斯系統方案進行優化（包括但不限于減少布點、產品升級、擴大總線容量等措施）。

針對以上思路，針對性的解決方案如下：

方案一：對原監控分站安裝位置進行優化。

方案二：優化產品及系統軟件，提高總線傳感器的連接數量。

3.4.4 解決方案

方案一：優化監控分站設備安裝位置。

（1）將龍泉山隧道內原布置在天龍區間變電所（40+923）內的分站調整到41+488和41+989的環控電控室內。

（2）將原龍泉山隧道環控電控室（ZK44+540、YK44+540）和（ZK50+459、YK50+459）內的4臺分站優化安裝位置，安裝于龍泉山隧道16#疏散通道（ZK46+338、

YK46+368）內。

方案二：優化設備功耗，修改控制軟件，提高總線傳感器的連接數量。

（1）將原傳感器探頭軟件優化，降低瞬時啟動功耗。

（2）根據設備性能優化每個回路串接的傳感器數量，每條總線可接入的探測器數量從2臺調整為：500 m距離內5～6臺，1 000 m距離內4臺，2 000 m距離內3臺，超出2 000 m距離仍保持2臺。

在滿足招標性能、功能要求，保證系統穩定性、可靠性的前提下，優化結果如表1。

按該優化方案不會影響系統穩定性、可靠性及可維護性。

該方案會導致供貨商設備成本增加約8%，該方案線纜投資較初步設計增加約63.7萬元，具備可實施性。

最終采用方案一結合方案二的優化方案，瓦斯監測系統供貨分包商不變，主要理由如下：

（1）承包商承諾所提供的瓦斯監測系統傳感器產品性能、功能符合招標技術要求，其優化措施并未對傳感器進行更換和實質性修改，產品滿足相關煤安認證要求。

（2）瓦斯監測系統作為BAS系統的一部分，而BAS系統又深度集成在綜合監控系統中，符合綜合監控系統分層、分級、模塊化的結構特點，整個系統架構合理，系統穩定性、可靠性高;且瓦斯系統融入綜合監控系統平臺后，更加豐富了綜合監控系統平臺數據，有利于實現信息共享和平臺集中綜合管控。

（3）對個別監控分站安裝位置調整，未改變系統整體架構，節約了線纜用量。

（4）瓦斯監控系統電纜沿隧道敷設于弱電側電纜支架上（第一層），具備現場敷設裝條件。

4 結束語

系統應選用標準化程度高、可靠性高、技術先進、組網靈活、易擴容、便于使用及維護的設備。在滿足可靠性和功能要求的前提下，優先采用國內先進的、成熟的、具有使用經驗的設備或技術，以確保系統的總體國產化率在適當的水平，并且保證具有合理的投資造價和性價比。同時還應注意系統接口類型的完整性以及對遠期系統擴展的便利性和兼容性。

參考文獻

[1]鐵路隧道防災救援疏散工程設計規范：TB 10020—2012[S].北京：中國鐵道出版社，2012.

[2]地鐵設計規范：GB 50157—2013[S].北京：中國建筑工業出版社，2013.