隧道斜井安全预报警系统的设计及应用

隧道斜井安全预报警系统的设计及应用

杨正雄

杨正雄

中铁隧道集团二处有限公司蒙华铁路3标项目部山西运城044000

摘要：隧道斜井施工安全管理，一直是工程项目管理的重要组成部分，关系到人身安全和财产损失。在以往的施工中，安全管理措施粗放，手段落后，还没有自动化程度高的安全预报警系统。本文以在建中条山隧道为例，提出了安全管理的新思路，专门设计一套用于隧道斜井安全管理的预报警系统，主要应对施工中易出现斜井溜车、洞内涌水淹井、洞内火灾及有害气体、洞外洪水倒灌等风险。一旦险情发生，系统可以提前预警或者报警，为人员的撤离赢得宝贵时间；同时能迅速启动应急预案，展开自救，最大限度的保证生命安全，减少财产损失。

关键词：隧道斜井安全预报警

引言

随着我国经济快速发展，四新技术在各行各业发展建设中得到了广泛的应用，并在实际运用过程中取的了良好的效益[1]。隧道施工技术和能力日新月异，一些长、大、地质复杂的隧道不断的施工完成，在长大隧道设计中为保障工程建设工期，改善隧道通风排水、施工供电条件，改善有害地质和自然灾害环境等因素，解决长大隧道施工的方式是设置若干辅助施工斜井，利用斜井将长大隧道短打。施工斜井既是交通要到，又是唯一的生命通道，斜井的安全管理非常重要。但是在过去的斜井隧道施工中，斜井施工安全管理手段单一，措施简单，仅凭增加管理制度要求和安全管理人员数量，增设一定的安全警示标志或者防撞设施，未建立一套完整的自动安全预报警系统。本文以在建中条山隧道为例，结合现场情况，斜井数量多、洞身长、纵坡大，地质复杂、涌水量大等特点，为保证斜井施工期间的安全，设计了斜井安全预报警系统，主要针对斜井溜车、突水淹井、洞外洪水倒灌、洞内火灾、有害气体等风险源的管控问题，一旦发生上述险情，报警系统立即发出预报警信息，告知现场施工作业人员及时安全避让疏散，救援人员能及时进行应急处置，最大限度的控制事态发展，减少事故损失。

1依托工程概况

新建蒙西至华中地区铁路煤运通道重点控制工程MHSS-3标段位于山西省运城市，起讫里程为：DK614+862.04～DK633+608，全长18.746km。中条山隧道全长18.4公里，穿越中条山山脉，设计为双洞单线隧道，一般段线间距为35米，隧道最大埋深约840米。全隧设5座斜井和1座平导，其中2号斜井长2429m，设计综合坡度11.24%；3号斜井长2045m，综合坡度11.34%。两斜井坡度陡、垂直高差大，且地质条件复杂，穿越两条断层及第三系富水层，斜井井身设计正常涌水量1.3万m³/d，斜井承担正洞段设计正常用水量1.6万m³/d（最大涌水量达5万m³/d）。但从实际施工排水记录显示，3#斜井涌水量最大达到6.6万m³/d），斜井施工难度大，风险因素较多，易发生溜车、突泥突水；2号3号斜井洞口位于河谷沟底，距离河床流水面仅8米高差，河流上游汇水面大，山沟狭窄，山洪爆发会危及斜井安全，造成洪水泥石流倒灌斜井。1号2号斜井承担的正洞，局部地段还有可燃气体排出，容易引发爆炸和火灾。

2总体方案

针对隧道斜井施工环境特殊的特殊性，对多种危险因素进行分类，提炼出便于监测的物理量，设计一套安全预报警系统，能同时接收这些物理量，并对其进行处理、存储和控制。系统运行安全可靠，技术先进，通用互换性好，功能扩展容易。将远距离通讯电路、I/O电路、继电器组、数码显示管、电源等集成到一块电路板上，拟采用单片机实现主要功能[2]-[4]。对报警源进行分类，采用三位地址编码，报警传感器和无线收发基站地址分段和定义相同，具体地址分配见表1。

表1报警源地址分配表

地址001-500501-700701-800801-900901-910911-930931-990991-999

3.1系统构成

斜井安全预报警系统主要分为六部分：系统供电、前端报警单元、收发基站、控制终端、显示单元、上位机和管理软件。

系统供电主要包括不间断主电源、直流供电和车载供电：不间断主电源为10KVA电源控制柜与蓄电池组构成，依据供电范围大小确定，单头供电超过3000米，改为中间向两端供电方式；直流供电主要对象是有源传感器、前端无线发射器、收发基站和控制继电器组，采用集中电源集中控制模式；车载供电主要是为车辆速度传感器、接口电路和车载报警器供电，采用AV/DC12-36V宽电源设计，可以直接从车载点烟器取电。

前端报警单元由传感器、接口电路、发射电路和报警器组成：被检测的信号通过传感器传送给接口电路解码、放大、处理，一路通过发射电路发出无线报警信号给收发基站，另一路驱动继电器组，控制报警器工作。报警器由高亮度频闪LED灯和多音效喇叭组成，能依据不同危险信号源的对应的继电器，切换不同的灯光和警笛声。

收发基站是一种配电箱装置，等间距安装在隧道边墙上（间隔200-300米）。箱体内部要安装有无线接收解码电路、远程通讯模块电路、输出继电器组和单片机（PIC16F系列）；输出继电器组依据报警信号源的不同控制报警器发出对应的声光信号，控制导流灯或信息提示屏；解码电路完成无线信号转换成有线信号，控制继电器组和实现基站与基站、终端的通讯。箱体外面板上安装有指示灯和手动报警按钮、报警器等。

控制终端是系统的核心，完成所有收发基站传回信息的接收、处理、存储，并将控制信号发出，驱动继电器组，控制报警器和显示屏工作，发出总复位、手动报警信号；通过USB接口同上位机联机完成数据交换，驱动监控显示器和大屏同步工作。

显示单元主要有主副显示大屏、监控显示屏、提示信息屏和导流灯，完成报警信息的图文显示，提示安全，引导交通。

上位机是工业级的台式电脑，管理软件主要采用的是B/S架构，流行的Javaspringboot框架加mybatis中间件，结合mysql开源数据库技术，采用网页操作界面设计，安装使用方便易懂，对上位机电脑及硬件没有特殊要求。管理软件操作界面见图1。

图1安全预报警系统软件

3.2主要功能

在斜井复杂的环境中施工，安全尤为重要，而斜井安全预报警系统能发挥重要的辅助作用，使安全管理规范化、轻量化、自动化。目前系统的主要功能有：斜井溜车预报警功能、洞外洪灾预报警功能、洞内水位上涨预报警功能、洞内火灾报警功能、有害气体监测预报警功能等。系统采用模块化设计，功能增减方便，监控范围调整灵活。依据用户不同需求，系统功能可多可少，控制范围可大可小，组合调整方便。

溜车预报警功能，进出斜井所有轮式车辆，在正常行驶中，若因传动系统、方向系统、刹车系统失灵等机械故障，或者因为人为超速，最终发生失控溜车，对车内驾乘人员、斜井下游施工人员以及其它车辆均构成严重威胁，在此情况下，车辆溜车预报警功能就能发挥出重要作用。车辆正常行驶时，传感器能时时检测车辆速度，与设置参数比较，当达到一定速度值时，发出超速预警信号，提示司机立即采取制动措施减速。如果司机放任超速，或者失控溜车速度进一步提升，达到速度报警上限值，前端报警装置同时会发出两路信号，控制本车的车载警灯和警笛立即工作，加强报警的效果。一路报警信号传给就近的无线接收基站，驱动本地输出继电器组，控制报警器发出声光信号，控制导流警示灯；基站同时将该报警信号通过有线方式，传递给其它相邻基站和控制终端，斜井及正洞隧道内所有报警器、洞外值班室的总报警器都会发出声光信号，提示人员和车辆提前避让和采取措施。所有前端预报警装置发射盒，接收基站配电箱面板上都保留有手动报警按钮，以防在危机时刻，可以通过手动按钮应急报警，进一步提高系统安全性。

洞外洪灾预报警功能和洞内水位预报警功能原理相同，采用水压传感器，通过变送器送入单片机处理，记录水位上涨速率，当速率变化量达到设定值时，定义为一级预警（洪灾或者隧道内突水）；当水位变化速率值达到更大数值时，定义为二级预警。系统可设置1到4个级别，同时还有一个最高极限水位，触发极限报警。该功能应用到洞外河流水位监控，判定水位上涨情况，进行水位上涨趋势分析预测；斜井及正洞掌子面后方水沟内，监测水位的上涨速率，能成功预报突水险情，自动快速警示其它作业面人员，比传统的人员或者电话通知省时省事；在排水系统中，进水池水位的变化速率，自动计算投入水泵的数量，自动启动水泵或者提示操作人员；还能将水压传感器预埋到隧道内集中出水孔里，能实现远程连续监测地下水压值变化。

火灾报警功能，就是将目前成熟的火灾报警技术应用到隧道火灾监控管理中来，主要把点型烟感、温度感应和红外成像传感器，集成组合到一起，进一增强了系统的稳定性和安全性，预防误报和漏报。斜井或者正洞内掌子面、二衬作业面，因施工需要，洞内存放有大量的易燃材料，动火的地方较多，高电压大电流电线路多，稍有不慎可能引发火灾。当险情发生时，火灾报警传感器及时发出报警信号，告知其它作业面的人员疏散或立即开展自救，同时洞外值班室报警器发出声光报警信号，全面启动应急预案，扩大响应范围。

有害气体预报警传感器，主要是对隧道施工中常见的有害气体进场监测，二氧化碳、氮氧化物、甲烷等浓度进行检测预报警，同时可以与通风系统联动，实现远程通风机自动启停控制。

4问题与解决方案

4.1系统通讯：在斜井地下狭长的空间内，钢筋对无线信号的吸收，混凝土墙面多次发射，远距离的信号衰减，洞内高低压电器线路的电磁干扰等，为保证系统通讯和控制信号远距的稳定传输，采用无线与有线组合的通讯方式。为便于所有传感器的方便布置和安装，前端报警单元与收发基站之间采用无线传输（通用主频为433MHz），多个收发基站与控制终端之间采用有线传输，控制终端与上位机直接采用USB通信。为简化通讯线路，提高通讯的可靠性，常用的CAN总线、485通讯无法满足远距离稳定传输，而光纤通讯系统复杂，成本较高。所以最终采用双音多频（DTMF）解码技术，成果解决了远距离稳定通讯问题。系统通讯原理见图2。

图2安全预报警通讯原理图

4.2报警定位：在地下空间完成定位，并不像在开阔的地面那样，采用目前成熟的定位技术。而本文所述的定位，是利用前端报警单元和收发基站，共同组成了地下空间定位网络，通过唯一的地址编码和模拟地图，确认报警类型和位置。

4.3车辆测速：由于工程车辆型号各异，性能不一，自带的速度计原理也不一样，有的车辆根本没有测速装置，这样就不能满足报警系统对速度信号统一采集和处理，也不便于安装和调试。从目前多种车辆测速方法中，优选一种非接触式雷达主动测速方法，微波雷达与单片机（EM78P系列）通过485通信，雷达头安装在车头前下方，与车辆一起运动，间接地测量车辆与路面相对移动速度，进而完成车辆速度预报警功能。见图3车辆测速实物构成图

4.4水位控制：水位预报警特殊功能所致，不能采用一般的点到点普通液位传感器，对水位变化精确要求高，对水位连续测量并记算上涨速率，进行趋势预测分析。为此采用更为先进的压阻效应传感器，负责把水位高低的变化转化成压力信号传给变送器；变送器完成对传感器的供电和信号处理与传输，将毫安级的电流信号传给控制器；控制器是核心，采用STM8S系列单片机设计，完成测量数据的运算处理、系统参数设置和存储，输出多种信号，驱动继电器组和显示器。见图4水位控制实物构成图

图3车辆测速实物构成图图4水位控制实物构成图

4.5有害气体监测：有害气体预报警传感器，主要是对施工中，隧道内常见二氧化碳、氮氧化物、甲烷等浓度进行检测预报警，直接购买成熟的产品，配置自制的接口电路就能和系统融为一体。

5结论与讨论

斜井安全预报警系统作为一种重要安全管理手段，能可靠稳定运行，减少人为因素干扰，时时准确监控，最终确保施工安全。将本系统推广应用到日常安全管理中，是完全行之有效的。通过在蒙华铁路三标中条山隧道斜井试验运行后，后逐步在集团公司范围内长大斜井施工中进一步推广，有13个项目16座隧道斜井安装了这套系统。还能应用到地下空间的其它施工领域，对于现场施工安全管理工作，同样具有较好的借鉴和引导作用，提出新的管理思路和方法。

从目前使用情况，系统运行稳定，经济效果明显，值得进一步应用推广。但斜井安全预报警系统，还存在需要改进和完善的地方。车辆测速目前采用移动微波雷达主动测速方式，受路况干扰大，影响测速精度，通用雷达头与专用单片机组合，成本还是较高，需要改进设计进一步降低成本；同时展开对加速度和地磁测速传感器的研究。地下空间定位技术，目前只是一个粗略的定位，要想地下空间定位精度同地面上一样精准，还需继续加大研究，重点突破。

参考文献：

[1]文夏.中小企业管理与科技2015，（2）.].CN13-1355/F.（WenXiaThemanagementofsmallandmedium-sizedenterprisesandtechnology2015，（2）CN13-1355/F.）

[2]陈勇.单片机原理与应用2014（3）.（ChenYongPrincipleandResponseofSingleChipMicrocomputer）2014（3）

[3]齐东全.数码世界2016（4）CN12-1344/TP（QiDongquan.Digitalworld2016（4）CN12-1344/TP）

[4]周坤计算机远程终端监控系统2008（5）（ZhouKuncomputerremoteterminalmonitoringsystem2008（5））

作者简介：杨正雄（1975-），男，四川广元人，2003年毕业于兰州交通大学，机械设计及自动化专用，本科，高级工程师，现从事铁路、公路、市政隧道、桥涵路基工程施工，负责设备管理工作。