浅析隧道环境智能监测与响应系统

摘要：本论文聚焦长距离、小断面隧道施工中复杂地质与有毒有害气体带来的严峻挑战，深入剖析隧道环境智能监测与响应系统。详细阐述其系统架构、工法特点、应用效果等方面，展现该系统通过多机构合作与传统和现代科技融合，构建全面、高效监测与响应体系，为隧道施工安全和效率提供有力保障，并为行业发展指明新方向。

关键词：长距离小断面隧道；智能监测；响应系统；施工安全；施工效率

一、引言

在现代交通基础设施建设中，长距离、小断面隧道工程增多，复杂地质使瓦斯、硫化氢等有毒有害气体常出现，威胁施工人员安全与施工效率，传统手段已无法满足需求。此时，隧道环境智能监测与响应系统诞生，它能有效监测气体等环境状况，及时响应危险，是保障施工安全、提升效率的关键创新，对隧道工程可持续发展意义重大。

二、隧道环境智能监测与响应系统概述

（一）系统架构

隧道有毒有害气体及粉尘监测系统是一个多组件协同运作的有机整体。监测设备作为数据采集的前端，由固定于隧道关键位置（如掌子面、通风口、侧壁等易出现气体积聚和粉尘飞扬区域）的高精度传感器以及可灵活移动的检测装置构成。这些传感器采用先进的传感技术，例如激光散射技术用于精确测定粉尘浓度，可精准捕捉微小颗粒数量与浓度变化；电化学传感、红外吸收光谱等技术则针对多种有毒有害气体，能敏锐感知极低浓度的气体分子变化，并将其转换为电信号。传输设备借助有线与无线相结合的通信网络，保障数据稳定、高效地传输至管理主机。管理主机承担数据的初步处理与分析任务，筛选、整理有效数据后上传至监测平台。同时，通过专门研发的手机 APP，将实时监测信息精准推送给相关人员，实现信息的即时共享与传递。

（二）自主研发有毒有害气体监测 APP

为增强监测信息传递的效率，专门开发了适用于隧道施工环境的 APP。其与监测仪器通过蓝牙、Wi-Fi 或 4G/5G 等无线连接，实现数据实时传输。当出现异常情况时，APP 迅速接收解析数据，按规则启动多模态报警，震动、弹窗、语音警报齐发，还会将危险信息即时推送给施工人员、管理人员和总控中心等各方。如此一来，有效缩短了响应时间，让应对危险变得更加及时高效，有力保障了隧道施工安全。

三、工法特点

（一）多机构、多方监测与通知

在长距离、小断面隧道施工中，面对有毒有害气体的潜在威胁，建立了多机构合作的监测机制。施工单位、专业监测机构以及科研院校等多方共同参与，各自发挥优势，形成全方位的监测网络。同时，通过多方通知系统，利用短信、APP 推送、警报声等多种方式，确保监测信息能够及时、准确地传达给每一位相关人员，无论是在隧道内作业的施工人员，还是在地上指挥中心的管理人员，都能第一时间获取隧道环境异常信息，为采取应对措施争取宝贵时间。

（二）科技手段提升安全

在气体监测方面，于传统气体监测仪器与人工观测之上引入现代科技。自主研发的有毒有害气体监测 APP 配合先进传感器技术，提升数据准确性与灵敏度。一旦气体浓度超阈值，APP 与仪器同步报警，信息经多渠道传至隧道及地上部门，达成无缝同步通知。同时，运用大数据分析历史数据，预测气体变化趋势，提前防范，有力增强了施工安全保障，确保隧道施工安全、高效推进。

借助大数据分析技术，系统对海量监测数据深度挖掘。构建数学模型与算法，精准剖析地质、施工、气候等因素和有毒有害气体及粉尘变化规律的内在联系。进而智能预测气体浓度走势、危险峰值与粉尘风险区域。施工方据此提前调整施工计划，避开高危时段；优化通风方案，增强空气流通；强化重点区域防护，增设设备与标识。全方位提升应对能力，保障隧道施工安全、有序推进。从而实现从被动应对危险到主动预防风险的根本性转变，极大地提升了隧道施工的安全保障水平[1]。

（三）实时监测与报警系统

1.高精度实时监测

监测系统在隧道关键部位如掌子面、侧壁、拱顶和通风口等，部署了先进的传感器。这些传感器运用激光散射、电化学传感、红外吸收光谱等技术，可对一氧化碳、二氧化硫等有毒有害气体及粉尘进行高精度、高灵敏度监测，将监测信号转换为电信号后经有线或无线传输至管理主机。管理主机与监测平台对数据实时处理分析，绘制变化曲线以直观呈现隧道环境。凭借此实时监测机制，能敏锐捕捉环境参数微小变化，为预警提供有力数据支撑。

2.智能分级报警

报警系统的智能分级功能十分关键。对于有毒有害气体，依危险与超标程度设多级阈值。如一氧化碳轻微超标时，一级预警启动，APP 推送信息，警示灯闪黄，提醒通风和防护。浓度升高至中毒危险水平则触发二级报警，APP 强震、语音警报，警报器响，通风加大，人员疏散。若达极度危险的三级报警，所有措施升级，还切断非必要电源防爆炸，向外部求救，全方位保障施工安全。确保在危险情况下能最大程度保障人员生命安全和减少财产损失[3]。这种智能分级报警机制能够根据危险程度的不同，为施工人员和管理人员提供明确的应对指导，提高应急响应的针对性和有效性。

（四）综合监测手段

本系统在保障隧道空气质量方面，除传统机械通风外，采用多元监测手段。施工人员定期手持便携式设备巡检重点区域，辅助固定监测设备实现无死角监测。同时，借助 AI 图像识别技术智能分析隧道环境，精准识别有害气体泄漏与粉尘积聚等异常。一旦出现问题，APP 迅速推送消息给作业人员和总控中心。这种综合监测有效克服单一手段缺陷，全方位提升监测效能，保障隧道施工安全。

四、系统应用效果

（一）显著提高施工安全性

隧道智能监测系统通过多方面协同应用，在施工安全保障成效显著。如某长距小断面隧道施工时，系统敏锐捕捉瓦斯浓度异常升高，即刻启动报警。施工人员接收 APP 及声光警报后，依疏散方案迅速撤至安全区，通风设备同步加大风量稀释瓦斯。因系统响应迅速，有效避免爆炸事故，保障人员安全。数据表明，应用后事故率大幅降低，营造了安全施工环境。

（二）提高施工效率

实时监测报警与综合监测手段让隧道施工环境可控，有力提升了施工效率。过去有毒有害气体超标常致长时间停工，如今通风设备依监测数据实时调整，大幅缩短停工时长。同时，粉尘含量等监测数据也为施工工艺调整提供科学支撑，如指导挖掘设备运行，减少粉尘，推动施工高效进行。同时，依据气体浓度变化与施工进度的关联分析，优化施工工序安排，提高施工的精细化管理水平[4]。通过这些措施，有效提高了施工效率，缩短了隧道施工周期，降低了施工成本。

五、结论

长距离、小断面隧道的智能监测响应系统，融合多机构和技术，全方位高效监测有害物。在保障施工安全与效率方面优势突出，为同类施工指明方向。科技发展下，其提升空间巨大，深化 AI 应用可提升预测精准度，持续优化性能，能更好地保障施工安全，助力隧道工程进阶。加强与其他施工管理系统（如施工进度管理系统、设备管理系统等）的集成，实现隧道施工全过程的智能化、数字化、安全化管理[2]。这将有助于推动隧道工程建设行业朝着更加高效、安全、可持续的方向发展，为现代交通基础设施建设奠定坚实的技术基础。

[1]数据驱动的电力变压器智能化健康管理关键技术研究许自强 - 《华北电力大学（北京）博士论文》 - 2020

[2]隧道智能施工研究的可视化分析与展望李君馨;朱合华;沈奕 - 《土木工程学报》 - 2022

[3]电子标签的防碰撞应用研究黄刚 - 《电子测量与仪器学报》 - 2012

[4]特高拱坝快速施工关键技术及其在溪洛渡工程上的应用朱素华 - 《清华大学硕士论文》 - 2013