背景概述

隧道是铁路建设过程中很常见的一种通过形式。在挖掘施工和日常运营中,存在多种危险气体威胁，例如甲烷、硫化氢、二氧化硫、一氧化碳等，这些危险气体需要时刻监测，保证在安全浓度以下。

传统监测设备由于技术的局限性导致其存在诸多问题，例如测量精度低、报警及时性差、误报率高、覆盖范围小、维护成本高、易受电磁干扰等。此外高原地区含氧量低，传统的化学反应式传感器正常工作将受到影响。

激光吸收光谱技术是目前最先进的气体检测技术，其工作原理为每种气体分子在特定波长的激光下具有独特的吸收光谱，据此实现对危险气体定性与定量监测。该技术可弥补传统监测设备的诸多不足，以激光为工作原理，无需氧气进行化学反应，可在高原缺氧环境下的正常监测；实现大范围、区域级、主动式、高灵敏度监测，并且抗电磁干扰；实现具体监测点无需电源工作，确保本质安全；在监测精度、反应速度、运行维护成本、使用便利性、超长使用寿命等方面对现有技术实现本质提升；实现监测设备免维护、无需标定、操作简单等优势，全面降低成本，提升经济性能。

(一)隧道主体部分危险气体监测

隧道在开挖和建成运行期，山体和地层很可能含有高浓度的瓦斯气体及少量硫化氢，必须保证洞内这些气体浓度在安全水平。在隧道主体部分，可采用固定反射式激光遥测仪进行监测，该设备由发射端和反射端组成。设备通过发射激光形成一条监测光路，其所经过的空间即为被监测区域，最远距离可达1km。

固定反射式激光遥测仪

(二) 掌子面危险气体监测

在掌子面的附近安装一台固定扫描式激光气体遥测仪（安装位置根据现场实际情况，不影响爆破和开挖工作），对整个掌子面进行全覆盖式不间断扫描监测。该设备采用类似雷达的旋转扫描，形成360°的全方位监测，扫描半径可达到300m，同时结合现场实时视频监控，既可以实现整个掌子面或爆破面的整体覆盖不间断式扫描监测，还可以在监测过程中设置停顿点，对重点施工部位或爆破孔进行重点监控，同时对气体浓度超标地点进行定位。

(三) 局部非开阔区域危险气体监测

在隧道的横通道、回风巷、局部通风机附近区域空间不够开阔区域，可采用无源光纤激光泄漏监测系统。系统由主机和光感终端组成，主机负责发射检测激光并接收光感终端传回的光谱信息，光感终端负责采集监测现场的气体浓度光谱信息并且无需供电，与主机通过光纤连接。

系统主机放置在洞口的监控中心机房或洞内分站，由外部电源供电，采用光纤与光感终端连接，光纤传输距离可达20km，以保证光感终端可深入隧道深处。光感终端吊装在拱顶以下，主机将实时监测数据通过网络传输到电脑上的监控平台或远程的控制中心。

气体种类监测方案示例

（一）甲烷气体

甲烷是瓦斯气体的主要成分，由于其自身比重特性会向隧道的上方扩散，因此可以在隧道的顶壁下部安装固定反射式激光遥测仪，在隧道的顶部形成一条检测光路。

设备的发射端负责激光的发射和通讯，供电和通讯线路只需连接到发射端。反射端是一个纯光学设备，可以不受限制随意移动。当开始掘进时发射端安装在洞口，反射端安装在开挖面，形成从洞口到开挖面的监测范围，随着掘进的深入反射端不断向内移动逐步扩大监测范围。当掘进深度超过1000m后再布置第二台设备。

（二）硫化氢

硫化氢气体由于比重大于空气因此在出现浓度超限时会向隧道的下方扩散，所以可以在隧道的侧壁靠下部分安装固定反射式激光气体遥测仪，在隧道的底部形成一条检测光路。

（三）其他危险气体

隧道在日常运营过程中除了瓦斯和硫化氢外，还有二氧化硫、一氧化碳等有毒有害气体，对于这些比重大于等于空气的有毒有害气体，由于其在出现浓度超限情况时会朝隧道的下方扩散，因此可以在隧道两壁的下部安装固定反射式激光气体遥测仪，在隧道的两边各形成一条光路。设备的监测范围最远为1km，如果隧道长度超过1km或有弯道存在，可用多台设备组合。