隧道施工洞內環境監測設計研究
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引言
在公路隧道施工過程中，洞內環境監測與通風是不可缺少的必要環節。在隧道施工各個工序交叉作業情況下，公路隧道通風與環境監測不僅為洞內施工環境提供新鮮空氣、降低粉塵以及各類有害氣體濃度，創造優良的洞內施工環境，進而保護洞內作業人員的安全與健康，而且也是保障各類機電設備正常工作的必備條件。當公路隧道達到一定長度后，尤其是長大公路隧道施工作業，洞內環境監測通常對整個隧道施工組織設計方案起著十分重要作用。公路隧道施工，尤其是在公路隧道施工高度機械化技術時代，遠距離通風與環境監測技術不僅對公路隧道施工進度與成本，而且對公路線型的勘測、選線、設計、施工管理及組織、施工設備配套與選型都有很大影響。目前大多數山區公路建設中，對施工工期起關鍵作用通常是隧道，尤其是長大隧道的施工進度。為了加快公路隧道建設工期，通常采用隧道多頭施工措施。至于選擇多大規模的多頭隧道施工掘進，通常取決于公路隧道通風與環境監測技術是否為遠離獨頭快速施工創造良好條件。一般地，最大限度地延長獨頭施工通風的有效長度，從而達到延長了獨頭施工掘進長度，這樣就可以組織較大規模的快速掘進，減少隧道施工附加工程量，進而簡化隧道施工管理與組織，加快隧道工程建設進度，節約隧道工程建設成本，提高經濟效益。所以，公路隧道施工洞內環境監測與通風研究有著十分重要的意義。
1工程概況
國家高速公路網G4216成都至麗江高速公路華坪至麗江高速公路五阱明隧道為一座分離式隧道。隧道右幅起點里程K130+920，止點里程K134+330，全長3410m，左幅起點里程K130+920，止點里程K134+385，全長3465m。隧道最大埋深268m，采用明洞式洞門。洞內設緊急停車帶、人行橫通道、車行橫通道。主洞凈空寬度11m，凈空高度7．1m。設計行車速度80km/h。五阱明隧道Ⅳ級和Ⅴ級圍巖，其中Ⅳ級圍巖占85%，Ⅴ級圍巖占15%。隧道進口圍巖以硬塑狀粉質粘土及泥巖為主，泥巖為強風化，巖體破碎，埋深較淺。隧道出口圍巖以硬塑狀粉質粘土、碎石及強～中風化灰質礫巖為主，巖體破碎，多呈碎石狀散體結構。隧道穿過可溶巖和非可溶巖接觸帶、斷層破碎帶可能遇到涌水涌泥，隧道進口段進洞985m處為F57龍頭村正斷層(長190m)，需加強超前地質預報，施工中需加強初期支護措施及襯砌。華麗高速五阱明隧道重要采用爆破法開挖施工，輔以機械人工開挖施工，石渣采用機械裝運。施工作業照明采用電力，施工通風采用機械通風，隧道掘進在進口和出口兩端同時進行，獨頭掘進通風管路最長距離約為1733m。
2隧道施工洞內環境監測設計
2．1監測目的
華麗高速公路五阱明隧道施工洞內環境監測的主要目的是通過對隧道施工作業環境的監測，評估隧道施工通風方對隧道施工環境改善的效果，使隧道施工空間內的空氣質量滿足要求，避免隧道施工危險因素的產生［1］。主要監測隧道施工期間洞內的粉塵濃度、有害氣體濃度、風速、氧氣含量。
2．2監測儀器
華麗高速公路五阱明隧道施工洞內環境監測的主要監測儀器見表1。
2．3監測布置、方法及項目
根據華麗高速公路五阱明隧道施工進度，將測點布置在右洞進口洞段內，分別在距離洞口900m，1100m，1300m，1500m，1700m等斷面開展粉塵濃度、有害氣體、氧氣含量、風速的全面監測。粉塵濃度、有害氣體、氧氣含量監測的測點主要布置在掌子面開挖作業區和襯砌作業區，每10m設一個測點。測點高度盡量接近勞動者工作時的呼吸帶，距地面高度1．3m～1．5m，測點應設在工作地點的下風側，應遠離出風口和可能產生渦流的點。上述監測項目分別在爆破通風后、噴漿后、正常工作情況下分別測量。其中，爆破后15min開始監測，之后各測點每隔30min測一次，直至數據波動不大為止;噴漿后應立即開始監測，之后各測點每隔30min測一次，直至數據波動不大為止;正常工作情況下擇機開始監測，之后各測點每隔30min測一次，直至數據波動不大為止。根據華麗高速公路五阱明隧道施工進度，分別在距離洞口900m，1100m，1300m，1500m，1700m測一次通風管內風速，每隔100m測一次通風管外的風速，通風管外測點位置距地面高度1．3m～1．5m。監測所得數據應填寫報表，報表內容包括:測定日期、測定儀器、測定地點(測點的地質、施工進展狀況等)、測定結果(有害氣體、粉塵、氧濃度與風速)、漏風狀態、測定人姓名、建議等。
3隧道施工洞內環境自適應監測智能調控系統
為解決隧道施工環境惡劣，施工通風與洞內環境不完全同步的問題［7，8］，這里設計了一種隧道施工環境自適應監測智能調控系統，如圖1所示，該系統由環境監測系統、數據采集系統、控制系統和通風系統組成。其中，環境監測系統主要通過傳感器實時監測隧道內施工環境，采用氣體檢測儀監測洞內有害氣體，如二氧化碳、一氧化氮、二氧化硫、一氧化碳、甲烷等，采用激光粉塵儀監測洞內PM10濃度、總粉塵度，采用氧氣檢測儀監測洞內含氧量，采用數字式溫度計監測洞內溫度環境，采用熱球式風速儀監測通風管內風速，上述傳感器構成環境監測系統。將所采集到的數據通過電纜線傳輸給數據采集儀，數據采集儀經濾波、放大處理后，將數據傳輸給計算機，由計算機內的數據處理軟件對所得數據進行進一步的分析處理，軟件系統內置規范所規定的有害氣體濃度、氧氣濃度、粉塵濃度、空氣溫度控制指標，如果總體環境達標，則軟件系統向控制系統發送“達標”指令，控制系統自動斷掉通風系統電源，通風系統處于停機狀態，監測系統繼續工作。如果總體環境不滿足規范要求，則根據施工組織安排以及工人作息時間，決定通風系統是否啟動。如果非工作時間，則計算通風風速、通風時間，確定通風風機轉速等指標參數，于開工前設定時間開啟通風系統，給隧道通風直到達標為止;如果是工作時間，則發出環境預警信號，同時開始通風，給洞內送入新鮮空氣。系統采用樹莓派實現對傳感器、計算機軟件和風機之間的通信，利用python編程實現對傳感器數據的分析處理以及預警系統的開發，由此可建立隧道施工環境自適應監測智能調控系統。
4結語
公路隧道施工環境質量不僅關系到施工人員的身體健康與安全，而且還影響公路隧道施工效率，所以，加強公路隧道施工洞內環境監測設計研究具有十分重要的實際意義。本文詳細闡述了華麗高速五阱明隧道施工洞內環境監測設計目的、設計依據、監測儀器、監測布置和監測方法，并提出了一種公路隧道施工環境自適應監測智能調控系統。研究成果為公路隧道施工洞內環境監測與通風實施提供了技術參考，對其他隧道工程也有重要的參考價值。
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作者：孫龍 劉攀 張少雄 謝全敏 單位：中交第一公路工程局有限公司
