陳達(dá)章，鄧 欣，丁 浩

(1.廣東廣樂(lè)高速公路有限公司， 廣州 510101； 2.招商局重慶交通科研設(shè)計(jì)院有限公司， 重慶 400067)

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高速公路隧道通風(fēng)、照明設(shè)施創(chuàng)新設(shè)計(jì)探討

陳達(dá)章1，鄧 欣2，丁 浩2

(1.廣東廣樂(lè)高速公路有限公司， 廣州 510101； 2.招商局重慶交通科研設(shè)計(jì)院有限公司， 重慶 400067)

闡述以我國(guó)現(xiàn)有規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)為依據(jù)，根據(jù)工程特點(diǎn)并結(jié)合新技術(shù)、新成果進(jìn)行高速公路隧道通風(fēng)、照明設(shè)施創(chuàng)新型設(shè)計(jì)，以建立安全、高效、經(jīng)濟(jì)、環(huán)保的隧道運(yùn)營(yíng)環(huán)境，獲得巨大的經(jīng)濟(jì)及社會(huì)效益。以廣樂(lè)高速公路隧道機(jī)電工程設(shè)計(jì)為例，對(duì)高速公路隧道機(jī)電系統(tǒng)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)進(jìn)行探討。

公路隧道；隧道機(jī)電；通風(fēng)；照明；設(shè)計(jì)

隨著高速公路向山區(qū)延伸，隧道數(shù)量和規(guī)模日益增加，隧道通風(fēng)、照明、消防、供配電等機(jī)電設(shè)施的合理設(shè)置是確保隧道運(yùn)營(yíng)安全與節(jié)能的重要措施。公路隧道機(jī)電設(shè)施設(shè)計(jì)主要依據(jù)JTG B01《公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》[1]、JTJ 026.1—1999《公路隧道通風(fēng)照明設(shè)計(jì)規(guī)范》[2]、JTG D70/2—2014《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》[3]、JTG/T D70/2-01—2014 《公路隧道照明設(shè)計(jì)細(xì)則》[4]和JTG/T D70/2-02—2014《公路隧道通風(fēng)設(shè)計(jì)細(xì)則》[5]。由于各類(lèi)規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)的成熟性、規(guī)范性、滯后性與工程實(shí)際需求及機(jī)電產(chǎn)品進(jìn)步、技術(shù)快速更新等現(xiàn)狀不相適應(yīng)，或技術(shù)人員應(yīng)用規(guī)范不合理、條款理解上的差異等，均會(huì)對(duì)各種理念、新型節(jié)能技術(shù)和產(chǎn)品在實(shí)際工程中的推廣應(yīng)用產(chǎn)生影響，使得公路隧道機(jī)電系統(tǒng)出現(xiàn)規(guī)模大、利用率低、能耗高的普遍問(wèn)題。因此，在合理應(yīng)用規(guī)范的基礎(chǔ)上，如何結(jié)合新技術(shù)、新成果進(jìn)行高速公路隧道通風(fēng)、照明設(shè)施創(chuàng)新型設(shè)計(jì)，建立安全、高效、經(jīng)濟(jì)、環(huán)保的隧道運(yùn)營(yíng)環(huán)境，是對(duì)公路隧道設(shè)計(jì)、管理等技術(shù)人員提出的更高要求。本文以廣樂(lè)高速公路隧道機(jī)電工程設(shè)計(jì)為例，對(duì)高速公路隧道機(jī)電系統(tǒng)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)進(jìn)行探討。

1 公路隧道通風(fēng)、照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)存在的問(wèn)題

公路隧道機(jī)電系統(tǒng)相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范是指導(dǎo)高速公路隧道設(shè)計(jì)、運(yùn)營(yíng)管理的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，是隧道機(jī)電系統(tǒng)研究成果及運(yùn)營(yíng)成熟經(jīng)驗(yàn)的總結(jié)，合理、靈活地應(yīng)用相關(guān)規(guī)范可保障公路隧道運(yùn)營(yíng)交通安全，提高能源利用效率。然而，由于我國(guó)高速公路建設(shè)發(fā)展迅速，建設(shè)期相對(duì)集中，尤其是近年來(lái)建設(shè)了大量公路隧道，而很多隧道機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員在理解和執(zhí)行相關(guān)規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)時(shí)存在偏差，且經(jīng)驗(yàn)及研究不足，設(shè)計(jì)時(shí)缺少對(duì)設(shè)計(jì)規(guī)范的深入理解以及對(duì)工程特點(diǎn)的分析把握，存在模式化設(shè)計(jì)等問(wèn)題，從而導(dǎo)致隧道機(jī)電系統(tǒng)規(guī)模偏大，運(yùn)營(yíng)能耗高。究其原因，主要有以下幾條。

1) 未全面理解和執(zhí)行相關(guān)規(guī)范要求，設(shè)計(jì)保守。

設(shè)計(jì)上未充分考慮隧道地理環(huán)境、建設(shè)條件、交通狀況等因素，設(shè)計(jì)參數(shù)取值保守，偏重于安全，而忽視了工程實(shí)際需求與節(jié)能問(wèn)題。例如，隧道通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，未考慮汽車(chē)工業(yè)的進(jìn)步和發(fā)展，汽車(chē)尾排基準(zhǔn)排放量取值保守，需風(fēng)量計(jì)算值高于實(shí)際需求值，致使通風(fēng)系統(tǒng)規(guī)模增大。隧道照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，未考慮隧道運(yùn)營(yíng)期的照明實(shí)際需求，洞外亮度取值偏高，未考慮需根據(jù)交通量增加進(jìn)行分期設(shè)計(jì)和分期實(shí)施，未根據(jù)短隧道特點(diǎn)設(shè)置照明系統(tǒng)，設(shè)計(jì)存在模式化問(wèn)題。

2) 新型節(jié)能產(chǎn)品、設(shè)備的應(yīng)用率較低。

各種新型光源(如LED燈、單端熒光燈)、各種新型節(jié)能電氣產(chǎn)品性能日漸成熟，在其他工程領(lǐng)域應(yīng)用的節(jié)能效果明顯。在照明理論方面，基于人的視覺(jué)功能反應(yīng)時(shí)間的視覺(jué)功效理論、中間視覺(jué)理論等新型照明理論[6]已為各種光源的合理應(yīng)用提供了基礎(chǔ)理論依據(jù)。但目前各種新型節(jié)能產(chǎn)品、技術(shù)尚未在公路隧道中得以合理應(yīng)用，或應(yīng)用效果差強(qiáng)人意。

3) 新型節(jié)能產(chǎn)品應(yīng)用無(wú)據(jù)可依。

目前國(guó)內(nèi)外的相關(guān)規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)等均未對(duì)新型節(jié)能光源、燈具的應(yīng)用指標(biāo)和范圍等進(jìn)行闡述，致使實(shí)際工程應(yīng)用中存在參數(shù)取值、使用范圍不合理等問(wèn)題，從而不能真正體現(xiàn)此類(lèi)光源、燈具的高節(jié)能性。

4) 規(guī)范相關(guān)規(guī)定相對(duì)滯后于技術(shù)發(fā)展水平。

我國(guó)公路隧道通風(fēng)、照明等機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)起步較晚，經(jīng)驗(yàn)和基礎(chǔ)性研究不足。因此，在參照和借鑒國(guó)外公路隧道相關(guān)技術(shù)的基礎(chǔ)上，以JTJ 026—1990《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》為標(biāo)志，建立了我國(guó)公路隧道機(jī)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。2000年國(guó)家交通運(yùn)輸部頒布了JTJ 026.1—1999《公路隧道通風(fēng)照明設(shè)計(jì)規(guī)范》，2004年其又頒布了JTG/T D71—2004《公路隧道交通工程設(shè)計(jì)規(guī)范》。此后，國(guó)內(nèi)針對(duì)隧道機(jī)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)不再集中于討論如何設(shè)計(jì)公路隧道通風(fēng)、照明等機(jī)電系統(tǒng)，而是聚焦于如何在確保隧道運(yùn)營(yíng)安全的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)運(yùn)營(yíng)節(jié)能的最大化。并且，規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)是對(duì)已有研究成果、成熟經(jīng)驗(yàn)的總結(jié)和提升，在一定程度上僅反映編制時(shí)期的技術(shù)、經(jīng)濟(jì)水平，具有成熟性、時(shí)限性、靈活性等特點(diǎn)，但隨著技術(shù)進(jìn)步，會(huì)出現(xiàn)某些條款與現(xiàn)實(shí)技術(shù)發(fā)展不相適應(yīng)，故需要設(shè)計(jì)人員靈活加以理解和合理應(yīng)用。

2 公路隧道照明系統(tǒng)創(chuàng)新設(shè)計(jì)

公路隧道照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)包括確定隧道照明分段、照明指標(biāo)、光源、燈具等，各因素均影響照明系統(tǒng)規(guī)模和運(yùn)營(yíng)能耗。因此，設(shè)計(jì)時(shí)需合理設(shè)置照明系統(tǒng)規(guī)模，從源頭上解決系統(tǒng)規(guī)模大、初期投資高、運(yùn)營(yíng)能耗大的問(wèn)題。

2.1 中、長(zhǎng)、特長(zhǎng)隧道照明設(shè)計(jì)參數(shù)與系統(tǒng)構(gòu)成

廣樂(lè)高速公路隧道照明系統(tǒng)初步設(shè)計(jì)主要依據(jù)JTJ 026.1—1999相關(guān)規(guī)定進(jìn)行。但根據(jù)高速公路隧道視覺(jué)適應(yīng)和營(yíng)運(yùn)管理特點(diǎn)，廣樂(lè)高速公路隧道照明施工設(shè)計(jì)從以下幾方面進(jìn)行了優(yōu)化。

1) 隧道洞外亮度取值。

采用數(shù)碼相機(jī)對(duì)高速公路隧道洞外亮度進(jìn)行實(shí)測(cè)。經(jīng)計(jì)算分析，得到廣樂(lè)高速公路隧道洞外亮度取值為3 500～4 000 cd/m2，較廣東省類(lèi)似已建隧道工程洞外亮度取值4 500～5 000 cd/m2大幅降低。

2) 照明區(qū)段劃分優(yōu)化。

根據(jù)原JTJ 026.1—1999的相關(guān)規(guī)定，照明區(qū)段分為入口段、過(guò)渡段、中間段和出口段?；趯?duì)大量已建工程的調(diào)研及廣東省公路隧道運(yùn)營(yíng)管理經(jīng)驗(yàn)總結(jié)和人眼感光反應(yīng)研究，并借鑒國(guó)外關(guān)于隧道照明區(qū)段劃分研究成果，將廣樂(lè)高速公路隧道照明區(qū)段進(jìn)行了如下優(yōu)化調(diào)整，見(jiàn)表1。

2.2 短隧道照明設(shè)計(jì)參數(shù)與系統(tǒng)構(gòu)成

原JTJ 026.1—1999各項(xiàng)規(guī)定和指標(biāo)均是以長(zhǎng)隧道為基礎(chǔ)編制的，對(duì)短隧道設(shè)計(jì)未給出明確規(guī)定，因此，若按此設(shè)計(jì)將造成短隧道照明系統(tǒng)規(guī)模偏大、運(yùn)營(yíng)能耗高。研究表明[6]，短隧道對(duì)照明的要求與長(zhǎng)隧道不盡相同，短隧道照明設(shè)計(jì)主要取決于其長(zhǎng)度、寬度、高度、平縱線形等。廣樂(lè)高速公路短隧道照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，根據(jù)隧道通視度將短隧道劃分為“光學(xué)長(zhǎng)隧道”和“非光學(xué)長(zhǎng)隧道”2類(lèi)，2類(lèi)隧道照明系統(tǒng)構(gòu)成及其亮度指標(biāo)見(jiàn)表2。廣樂(lè)高速公路短隧道照明設(shè)計(jì)時(shí)，基于應(yīng)用研究成果進(jìn)行了創(chuàng)新設(shè)計(jì)，系統(tǒng)功率比按規(guī)范設(shè)計(jì)降低40%以上，從而大大降低了初期投資和后期運(yùn)營(yíng)費(fèi)用。因此，高速公路短隧道照明設(shè)計(jì)時(shí)，可參照應(yīng)用研究成果進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)。

表1 廣樂(lè)高速公路隧道照明區(qū)段劃分對(duì)比

注：Lth為入口段亮度，cd/m2；Ltr為過(guò)渡段亮度，cd/m2；Lin為中間段亮度，cd/m2，因Lin為定值，故表中不予單獨(dú)列出；Lex為出口段亮度，cd/m2；k為入口段亮度折減系數(shù)；L20(S)為洞外亮度，cd/m2。

表2 短隧道照明系統(tǒng)構(gòu)成及亮度指標(biāo)

2.3 照明方案

廣樂(lè)高速公路隧道照明系統(tǒng)采用高壓鈉燈(加強(qiáng)照明)+LED隧道燈(基本照明)組合式方案，該方案充分考慮了隧道內(nèi)不同亮度水平下人眼對(duì)光源光譜的光視效率問(wèn)題。在亮度水平較高(幾十cd/m2以上)的加強(qiáng)照明段，人眼對(duì)黃色光和紅色光的靈敏度較高，故選用含黃紅光譜較多的高壓鈉燈光源較為適合；在亮度水平較低(幾cd/m2)的中間段，人眼對(duì)藍(lán)綠色光的反應(yīng)卻大大提高，選用LED光源則更為適合；若采用組合式照明方案，則既可保證駕駛員的視覺(jué)適應(yīng)需求，又可實(shí)現(xiàn)節(jié)能目的。

3 公路隧道通風(fēng)系統(tǒng)創(chuàng)新設(shè)計(jì)

影響隧道通風(fēng)系統(tǒng)規(guī)模的因素主要包括通風(fēng)標(biāo)準(zhǔn)、交通量、汽車(chē)尾氣排放量等參數(shù)選取[7]，以及通風(fēng)方式、系統(tǒng)布置、風(fēng)機(jī)選型等。廣樂(lè)高速公路隧道均為長(zhǎng)度小于5 km以下的隧道，設(shè)置機(jī)械通風(fēng)的長(zhǎng)、特長(zhǎng)隧道均采用全射流縱向式通風(fēng)方式，因此對(duì)于通風(fēng)系統(tǒng)的創(chuàng)新性設(shè)計(jì)重點(diǎn)在于通風(fēng)計(jì)算參數(shù)的選取。

3.1 通風(fēng)標(biāo)準(zhǔn)

按JTJ 026.1—1999的相關(guān)規(guī)定，隧道通風(fēng)稀釋對(duì)象主要為CO、煙塵和空氣中的異味。該規(guī)范已頒布實(shí)施10余年，而隨著我國(guó)汽車(chē)工業(yè)的進(jìn)步、燃油品質(zhì)的提高，以及人們?nèi)找嫣岣叩男熊?chē)安全性和舒適性需求，該規(guī)范提出的通風(fēng)標(biāo)準(zhǔn)已不符合現(xiàn)實(shí)情況[8]。綜合考慮我國(guó)經(jīng)濟(jì)技術(shù)發(fā)展水平和國(guó)外隧道通風(fēng)標(biāo)準(zhǔn)發(fā)展趨勢(shì)，并結(jié)合廣東省公路發(fā)展現(xiàn)狀和通行車(chē)輛狀況，高速公路隧道設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)各種通風(fēng)對(duì)象的標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)進(jìn)行了調(diào)整。

1) 大幅提高了CO設(shè)計(jì)濃度值。CO設(shè)計(jì)濃度取值對(duì)比見(jiàn)表3。

2) 煙塵設(shè)計(jì)濃度仍采用規(guī)范建議值，其取決于洞內(nèi)能見(jiàn)度情況，仍符合行車(chē)安全需求[9]。

3) 降低除異味換新風(fēng)工況的標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)，在保證實(shí)現(xiàn)隧道通風(fēng)換氣的前提下，降低了通風(fēng)系統(tǒng)的規(guī)模[8]。換氣工況計(jì)算參數(shù)對(duì)比見(jiàn)表4。

表3 CO設(shè)計(jì)濃度取值對(duì)比 cm3/m3

表4 換氣工況計(jì)算參數(shù)對(duì)比

3.2 汽車(chē)尾氣排放量

綜合考慮汽車(chē)工業(yè)的發(fā)展、我國(guó)汽車(chē)污染物排放限值標(biāo)準(zhǔn)或法規(guī)相關(guān)規(guī)定，JTJ 026.1—1999對(duì)汽車(chē)尾氣基準(zhǔn)排放量的規(guī)定及計(jì)算已明顯落后于當(dāng)前的技術(shù)狀況，若按此設(shè)計(jì)則將使得通風(fēng)系統(tǒng)規(guī)模偏大。結(jié)合我國(guó)汽車(chē)工業(yè)技術(shù)現(xiàn)狀、燃料技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)以及廣東省汽車(chē)污染物排放限值標(biāo)準(zhǔn)等要求，廣東廣樂(lè)高速公路有限公司委托相關(guān)單位開(kāi)展了《隧道節(jié)能技術(shù)應(yīng)用示范研究》課題，確定了符合我國(guó)特別是廣東省機(jī)動(dòng)車(chē)一氧化碳基準(zhǔn)排放量qCO和煙塵基準(zhǔn)排放量qVI，并將其用于設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)值與JTJ 026.1—1999取值的對(duì)比見(jiàn)表5。

從表5可以看出，設(shè)計(jì)取值降低了汽車(chē)尾排污染物總量，減少了隧道所需風(fēng)量及裝機(jī)功率，既節(jié)省初期投資，又節(jié)約能源，減少運(yùn)營(yíng)費(fèi)用。不同取值標(biāo)準(zhǔn)下的基準(zhǔn)排放量取值對(duì)比分析見(jiàn)表6。

表5 汽車(chē)尾排污染物排放參數(shù)取值對(duì)比[5]

表6 不同取值標(biāo)準(zhǔn)下的基準(zhǔn)排放量取值對(duì)比分析 %

注：1.0%和2.0%均代表汽車(chē)尾排污染物年遞減率。

4 結(jié)束語(yǔ)

高速公路隧道運(yùn)營(yíng)安全與節(jié)能是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，創(chuàng)新的設(shè)計(jì)思想、完善的標(biāo)準(zhǔn)體系、符合工程特點(diǎn)的參數(shù)取值、系統(tǒng)設(shè)置等是從根本上保證行車(chē)安全、節(jié)約能源的重要技術(shù)措施。我國(guó)高速公路隧道數(shù)量眾多、各地差異較大，隨著路網(wǎng)的形成、交通量的日益增加以及技術(shù)的日新月異，進(jìn)行隧道通風(fēng)、照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)靈活應(yīng)用規(guī)范，并對(duì)各項(xiàng)新技術(shù)予以研究和關(guān)注，以便能更好地總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，完善隧道機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)體系，促進(jìn)公路隧道設(shè)計(jì)向“合理化”“節(jié)能化”目標(biāo)發(fā)展。

[1] 交通部公路司，中國(guó)工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)公路工程委員會(huì).公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn):JTG B01—2003[S].北京：人民交通出版社，2003.

[2] 重慶交通科研設(shè)計(jì)院.公路隧道通風(fēng)照明設(shè)計(jì)規(guī)范:JTJ 026.1—1999[S].北京：人民交通出版社，1999.

[3] 招商局重慶交通科研設(shè)計(jì)院有限公司.公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范:JTG D70/2—2014[S].北京：人民交通出版社，2014.

[4] 招商局重慶交通科研設(shè)計(jì)院有限公司.公路隧道照明設(shè)計(jì)細(xì)則:JTG/T D70/2-01—2014[S].北京：人民交通出版社，2014.

[5] 招商局重慶交通科研設(shè)計(jì)院有限公司.公路隧道通風(fēng)設(shè)計(jì)細(xì)則:JTG/T D70/2-02—2014[S].北京：人民交通出版社，2014.

[6] 陳仲林，李 毅，楊春宇，等.道路照明中的光生物效應(yīng)研究[J].照明工程學(xué)報(bào)，2007，18(3)：1-5.

[7] 楊 超，王志偉.公路隧道通風(fēng)技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)[J]. 地下空間與工程學(xué)報(bào)，2011，7(4)：819-824.

[8] 呂康成，伍毅敏. 特長(zhǎng)公路隧道通風(fēng)設(shè)計(jì)若干問(wèn)題與對(duì)策[J].現(xiàn)代隧道技術(shù)，2006，43(6)：35-39.

[9] 夏永旭，石 平.公路隧道通風(fēng)空氣交叉污染三維數(shù)值分析[J]. 長(zhǎng)安大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)， 2006，26(6)：44-47.

Discussion on Innovative Design for Highway Tunnel Ventilation & Illumination Facilities

CHEN Dazhang1, DENG Xing2, DING Hao2

This paper introduces innovative design for highway tunnel ventilation & illumination based on current criteria in China, according to characteristics of projects and in combination of new technologies and new achievements, to build a safe, efficient, economic and environment protective operation, and achieve huge economic and social interest. This paper takes electro-mechanical project design for Guangzhou-Yuechang Highway as example to discuss the innovative design for electro-mechanical system in highway tunnels.

Highway tunnel; Tunnel electro-mechanism; ventilation; illumination; design

10.13607/j.cnki.gljt.2016.05.024

2016-05-11

陳達(dá)章(1970-)，男，廣東省梅縣人，碩士，高工。

1009-6477(2016)05-0105-05

U459.2

A