隧道施工洞内环境监测设计研究

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关键词:隧道施工，监测设计，智能调控系统

引言

在公路隧道施工过程中，洞内环境监测与通风是不可缺少的必要环节。在隧道施工各个工序交叉作业情况下，公路隧道通风与环境监测不仅为洞内施工环境提供新鲜空气、降低粉尘以及各类有害气体浓度，创造优良的洞内施工环境，进而保护洞内作业人员的安全与健康，而且也是保障各类机电设备正常工作的必备条件。当公路隧道达到一定长度后，尤其是长大公路隧道施工作业，洞内环境监测通常对整个隧道施工组织设计方案起着十分重要作用。公路隧道施工，尤其是在公路隧道施工高度机械化技术时代，远距离通风与环境监测技术不仅对公路隧道施工进度与成本，而且对公路线型的勘测、选线、设计、施工管理及组织、施工设备配套与选型都有很大影响。目前大多数山区公路建设中，对施工工期起关键作用通常是隧道，尤其是长大隧道的施工进度。为了加快公路隧道建设工期，通常采用隧道多头施工措施。至于选择多大规模的多头隧道施工掘进，通常取决于公路隧道通风与环境监测技术是否为远离独头快速施工创造良好条件。一般地，最大限度地延长独头施工通风的有效长度，从而达到延长了独头施工掘进长度，这样就可以组织较大规模的快速掘进，减少隧道施工附加工程量，进而简化隧道施工管理与组织，加快隧道工程建设进度，节约隧道工程建设成本，提高经济效益。所以，公路隧道施工洞内环境监测与通风研究有着十分重要的意义。

1工程概况

国家高速公路网G4216成都至丽江高速公路华坪至丽江高速公路五阱明隧道为一座分离式隧道。隧道右幅起点里程K130+920，止点里程K134+330，全长3410m，左幅起点里程K130+920，止点里程K134+385，全长3465m。隧道最大埋深268m，采用明洞式洞门。洞内设紧急停车带、人行横通道、车行横通道。主洞净空宽度11m，净空高度7．1m。设计行车速度80km/h。五阱明隧道Ⅳ级和Ⅴ级围岩，其中Ⅳ级围岩占85%，Ⅴ级围岩占15%。隧道进口围岩以硬塑状粉质粘土及泥岩为主，泥岩为强风化，岩体破碎，埋深较浅。隧道出口围岩以硬塑状粉质粘土、碎石及强～中风化灰质砾岩为主，岩体破碎，多呈碎石状散体结构。隧道穿过可溶岩和非可溶岩接触带、断层破碎带可能遇到涌水涌泥，隧道进口段进洞985m处为F57龙头村正断层(长190m)，需加强超前地质预报，施工中需加强初期支护措施及衬砌。华丽高速五阱明隧道重要采用爆破法开挖施工，辅以机械人工开挖施工，石渣采用机械装运。施工作业照明采用电力，施工通风采用机械通风，隧道掘进在进口和出口两端同时进行，独头掘进通风管路最长距离约为1733m。

2隧道施工洞内环境监测设计

2．1监测目的

华丽高速公路五阱明隧道施工洞内环境监测的主要目的是通过对隧道施工作业环境的监测，评估隧道施工通风方对隧道施工环境改善的效果，使隧道施工空间内的空气质量满足要求，避免隧道施工危险因素的产生［1］。主要监测隧道施工期间洞内的粉尘浓度、有害气体浓度、风速、氧气含量。

2．2监测仪器

华丽高速公路五阱明隧道施工洞内环境监测的主要监测仪器见表1。

2．3监测布置、方法及项目

根据华丽高速公路五阱明隧道施工进度，将测点布置在右洞进口洞段内，分别在距离洞口900m，1100m，1300m，1500m，1700m等断面开展粉尘浓度、有害气体、氧气含量、风速的全面监测。粉尘浓度、有害气体、氧气含量监测的测点主要布置在掌子面开挖作业区和衬砌作业区，每10m设一个测点。测点高度尽量接近劳动者工作时的呼吸带，距地面高度1．3m～1．5m，测点应设在工作地点的下风侧，应远离出风口和可能产生涡流的点。上述监测项目分别在爆破通风后、喷浆后、正常工作情况下分别测量。其中，爆破后15min开始监测，之后各测点每隔30min测一次，直至数据波动不大为止;喷浆后应立即开始监测，之后各测点每隔30min测一次，直至数据波动不大为止;正常工作情况下择机开始监测，之后各测点每隔30min测一次，直至数据波动不大为止。根据华丽高速公路五阱明隧道施工进度，分别在距离洞口900m，1100m，1300m，1500m，1700m测一次通风管内风速，每隔100m测一次通风管外的风速，通风管外测点位置距地面高度1．3m～1．5m。监测所得数据应填写报表，报表内容包括:测定日期、测定仪器、测定地点(测点的地质、施工进展状况等)、测定结果(有害气体、粉尘、氧浓度与风速)、漏风状态、测定人姓名、建议等。

3隧道施工洞内环境自适应监测智能调控系统

为解决隧道施工环境恶劣，施工通风与洞内环境不完全同步的问题［7，8］，这里设计了一种隧道施工环境自适应监测智能调控系统，如图1所示，该系统由环境监测系统、数据采集系统、控制系统和通风系统组成。其中，环境监测系统主要通过传感器实时监测隧道内施工环境，采用气体检测仪监测洞内有害气体，如二氧化碳、一氧化氮、二氧化硫、一氧化碳、甲烷等，采用激光粉尘仪监测洞内PM10浓度、总粉尘度，采用氧气检测仪监测洞内含氧量，采用数字式温度计监测洞内温度环境，采用热球式风速仪监测通风管内风速，上述传感器构成环境监测系统。将所采集到的数据通过电缆线传输给数据采集仪，数据采集仪经滤波、放大处理后，将数据传输给计算机，由计算机内的数据处理软件对所得数据进行进一步的分析处理，软件系统内置规范所规定的有害气体浓度、氧气浓度、粉尘浓度、空气温度控制指标，如果总体环境达标，则软件系统向控制系统发送“达标”指令，控制系统自动断掉通风系统电源，通风系统处于停机状态，监测系统继续工作。如果总体环境不满足规范要求，则根据施工组织安排以及工人作息时间，决定通风系统是否启动。如果非工作时间，则计算通风风速、通风时间，确定通风风机转速等指标参数，于开工前设定时间开启通风系统，给隧道通风直到达标为止;如果是工作时间，则发出环境预警信号，同时开始通风，给洞内送入新鲜空气。系统采用树莓派实现对传感器、计算机软件和风机之间的通信，利用python编程实现对传感器数据的分析处理以及预警系统的开发，由此可建立隧道施工环境自适应监测智能调控系统。

4结语

公路隧道施工环境质量不仅关系到施工人员的身体健康与安全，而且还影响公路隧道施工效率，所以，加强公路隧道施工洞内环境监测设计研究具有十分重要的实际意义。本文详细阐述了华丽高速五阱明隧道施工洞内环境监测设计目的、设计依据、监测仪器、监测布置和监测方法，并提出了一种公路隧道施工环境自适应监测智能调控系统。研究成果为公路隧道施工洞内环境监测与通风实施提供了技术参考，对其他隧道工程也有重要的参考价值。

参考文献:

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作者：孙龙 刘攀 张少雄 谢全敏 单位：中交第一公路工程局有限公司