市域快线长大区间瓦斯监控方案研究

李长海 温志欢

摘要 在国家大力发展都市圈的战略指引下，市域快线也迎来了建设高峰期，目前国内城市轨道交通的隧道区间都较短，没有设置瓦斯监控系统。而市域快线界于地铁和市域铁路之间，长大区间及遇到瓦斯地质等情况逐渐增多，针对市域快线的瓦斯监控尤其是长大区间的监控，大多参考煤矿等规范设置。文章主要从成都轨道交通18号线的长大区间瓦斯监控方案情况进行分析研究和总结，为轨道交通设计、建设决策者、从业人员在实施中提供参考。

关键词 市域快线;长大区间;瓦斯监控系统

中图分类号 U455 文献标识码 A 文章编号 2096-8949（2022）03-0078-03

0 引言

城市轨道交通隧道工程建设不可避免地要遇到穿越煤系地层和赋存瓦斯的隧道。《铁路隧道工程施王技术指南》（TZ 204—2008）中规定“铁路隧道勘测与施工过程中，通过地质勘探或施工检测表明隧道内存在瓦斯时，该隧道应定为瓦斯隧道”。统计了在建设瓦斯隧道施工过程中可能发生的各种事故的比例，其中瓦斯事故的比例为10%，在所有类型的隧道施工安全事故中位居第二，仅次于冒顶事故（66%）。瓦斯隧道施工过程中所面临的瓦斯灾害主要表现为5个方面，即中毒、窒息、燃烧、爆炸和突出，其中瓦斯爆炸最易发生，瓦斯爆炸一旦发生，将会造成巨大的经济损失和重大的人员伤亡[1]。事故的提前预防与有效管控，关键技术就是针对人的行为约束以及对环境变化的有效监管。

1 方案背景

根据《成都地铁18号线有害气体情况报告》，18号线全线探测有瓦斯区段共计5个区段，其中龙泉山隧道9.695 km为单一区间最长隧道区间，同时，根据该报告的主要结论及建议：“施工、运营严格按瓦斯隧道管理”。因此，对施工期存在瓦斯泄漏的区域，在运营期设置瓦斯监测系统进行自动检测，并与通风空调等系统进行联动，确保隧道安全[2]。

2 设计原则

（1）隧道瓦斯监控系统通過现场级瓦斯探测器对沿线瓦斯隧道区间进行监测，将瓦斯浓度信息实时上传至设于车站的瓦斯监控分站。

（2）车站瓦斯监控分站通过通信接口实时上传信息至BAS系统。当隧道内瓦斯浓度达到0.3%时，由BAS系统联动启动区间隧道两端车站的隧道通风设备，对区间隧道进行机械通风，对瓦斯进行稀释，保证隧道内瓦斯浓度不大于0.5%，此时隧道通道设备动作模式与“早间通风”模式一致;当瓦斯浓度降到0.2%以下时，联动关闭相应的隧道通风设备，恢复“正常运行”模式。若瓦斯浓度大于0.5%，应联动启动超限报警装置，同时停止该段区间列车运营，由正常运营状态转换为瓦斯事故状态。

（3）稀释瓦斯的通风设备原则上尽量利用防灾通风的设备，采用纵向通风的模式。

3 系统方案

3.1 系统构成

瓦斯监控系统采用两级管理、三级控制的管控模式，实现全线隧道瓦斯实时浓度的监测、报警及设备联动。

控制中心级：通过专用软件管理全线设备进行监控管理、数据存储、数据统计、查询等。

车站级：通过站级BAS系统监测超限报警、故障报警以及通风设备联动，并将数据上送至控制中心。

现场级：由监控分站、传感器和传输网络构成现场级系统，对各监测点现场环境参数进行数据采集、超限报警，并将数据上送至车站级BAS系统。

接口级：通过信号转化器实现与BAS系统的接口，并将部分处理后的数据上传BAS系统。

隧道瓦斯监控系统主要由系统主机、监控分站、瓦斯传感器、传输网络等组成。

系统主机：通过系统专用软件对全系统信息进行监控管理、数据存储、统计。

监控分站：用于采集传感器数据，完成数据处理，接收发送数据，传输报警信息。

瓦斯传感器：对各监测点现场环境参数进行监测、数据采集、超限报警、信息传输等。

现场总线网络/光纤网络：用于传感器与监控分站或各分站之间的连接，进行报警信息传输。网络组网示意如图1。

3.2 系统架构分析

瓦斯监测系统作为BAS系统的一个子系统，而BAS系统又深度集成在综合监控系统中，符合综合监控系统分层、分级、模块化的结构特点，整个系统架构合理，系统稳定性、可靠性高。

瓦斯监测系统主机与BAS系统在车站级设置接口，将用户需求的监测数据传输到BAS系统，由BAS系统统一上传至站级综合监控。系统接口形式与智能低压柜接口原理一致，为常见接口，不影响整个综合监控系统的架构和稳定性。

3.3 系统安装方案

隧道内每隔100 m设置1个瓦斯传感器，10～14台传感器通过传输网络接入监控分站，监控分站通过信号转换器接入BAS系统。

（1）传感器安装于隧道壁弱电侧，距轨平面4.5 m高处。传感器设置位置如图2所示。

（2）隧道内瓦斯监测系统线缆采用铠装保护，利用弱电支架敷设（需提前与通信、信号专业确认）。线缆位置如图3所示。

（3）信号转换器、信号转换器电源、监控分站、监控分站电源放置于车站、区间环控电控室的BAS机柜内。

3.4 传感器连接方案分析

3.4.1 传感器初步方案

通过组织设计联络和接口协调会，确定传感器的连接方案如图4。

结合现有区间隧道图纸测算，采用分站集中设置方案后，线缆使用量约为32万 m。

原因1：考虑到该工程列车时速为160 km/h，列车运行速度高，隧道风压大，因此在设计联络会期间，建设、运营、设计、集成商、施工单位等多方共同确定：“原则上区间隧道内不设置隧道瓦斯监测系统分站等设备，瓦斯监测系统监控分站、信号转换器及电源等设备统一放置于车站或区间环控电控室内的BAS机柜”。

原因2：瓦斯监测分站虽然满足招标文件“每个分站可接入16台传感器”的要求，招标要求采用总线形式连接，每10台传感器通过传输网络连接至监控分站，但分包商提供的连接方式是每条总线只串接2台传感器（主流厂商一般都采用该方案，目前18号线施工期间瓦斯监测系统也是每条总线接入2台传感器的方案），所以采用上述分站集中设置的方案后，导致与初步设计相比线缆数量增加较多。

3.4.2 调研结论

通过组织对目前市面设备进行调研，得出调研结论如下：

（1）目前主流成熟产品均是煤矿式总线传输方式（部分厂家已开始研究和升级适合用于地铁形势的产品，但产品成熟性不高）。

（2）瓦斯监控设备主流厂家中，成熟产品均没有单路总线连接10台传感器的连接方式。

（3）更换产品需确保技术参数符合招标文件要求，定制产品存在设备稳定性、产品认证合规等问题。

3.4.3 解决思路

思路一：更换瓦斯监测系统分包商。

经调查，目前国内瓦斯监测系统每一回路最多可连接8台传感器，但产品不成熟，若更换瓦斯监测系统厂家，可满足招标文件中总线连接要求，但存在风险。另外，瓦斯监测系统是集成于综合监控系统，目前合同已经签订，更换厂家存在合同纠纷和合法性问题，难度较大。

思路二：要求设计单位及分包商对现有瓦斯系统方案进行优化（包括但不限于减少布点、产品升级、扩大总线容量等措施）。

针对以上思路，针对性的解决方案如下：

方案一：对原监控分站安装位置进行优化。

方案二：优化产品及系统软件，提高总线传感器的连接数量。

3.4.4 解决方案

方案一：优化监控分站设备安装位置。

（1）将龙泉山隧道内原布置在天龙区间变电所（40+923）内的分站调整到41+488和41+989的环控电控室内。

（2）将原龙泉山隧道环控电控室（ZK44+540、YK44+540）和（ZK50+459、YK50+459）内的4台分站优化安装位置，安装于龙泉山隧道16#疏散通道（ZK46+338、

YK46+368）内。

方案二：优化设备功耗，修改控制软件，提高总线传感器的连接数量。

（1）将原传感器探头软件优化，降低瞬时启动功耗。

（2）根据设备性能优化每个回路串接的传感器数量，每条总线可接入的探测器数量从2台调整为：500 m距离内5～6台，1 000 m距离内4台，2 000 m距离内3台，超出2 000 m距离仍保持2台。

在满足招标性能、功能要求，保证系统稳定性、可靠性的前提下，优化结果如表1。

按该优化方案不会影响系统稳定性、可靠性及可维护性。

该方案会导致供货商设备成本增加约8%，该方案线缆投资较初步设计增加约63.7万元，具备可实施性。

最终采用方案一结合方案二的优化方案，瓦斯监测系统供货分包商不变，主要理由如下：

（1）承包商承诺所提供的瓦斯监测系统传感器产品性能、功能符合招标技术要求，其优化措施并未对传感器进行更换和实质性修改，产品满足相关煤安认证要求。

（2）瓦斯监测系统作为BAS系统的一部分，而BAS系统又深度集成在综合监控系统中，符合综合监控系统分层、分级、模块化的结构特点，整个系统架构合理，系统稳定性、可靠性高;且瓦斯系统融入综合监控系统平台后，更加丰富了综合监控系统平台数据，有利于實现信息共享和平台集中综合管控。

（3）对个别监控分站安装位置调整，未改变系统整体架构，节约了线缆用量。

（4）瓦斯监控系统电缆沿隧道敷设于弱电侧电缆支架上（第一层），具备现场敷设装条件。

4 结束语

系统应选用标准化程度高、可靠性高、技术先进、组网灵活、易扩容、便于使用及维护的设备。在满足可靠性和功能要求的前提下，优先采用国内先进的、成熟的、具有使用经验的设备或技术，以确保系统的总体国产化率在适当的水平，并且保证具有合理的投资造价和性价比。同时还应注意系统接口类型的完整性以及对远期系统扩展的便利性和兼容性。

参考文献

[1]铁路隧道防灾救援疏散工程设计规范：TB 10020—2012[S].北京：中国铁道出版社，2012.

[2]地铁设计规范：GB 50157—2013[S].北京：中国建筑工业出版社，2013.