王少山

（山西交通控股集團(tuán)有限公司，山西 太原 030006）

隧道作為高等級(jí)公路的特殊路段，是一種特殊的管狀構(gòu)造物。高速公路隧道的安全運(yùn)營與隧道照明息息相關(guān)，而且隧道照明的電費(fèi)在高速公路運(yùn)營養(yǎng)護(hù)費(fèi)用中占到很大的比例，因此根據(jù)不同工況提供科學(xué)合理的隧道照明方案至關(guān)重要。

1 工程概況

靜樂豐潤至興縣黑峪口高速公路是陜西、內(nèi)蒙原煤東運(yùn)的一條主要通道，它的建成必將大大改善沿線地區(qū)的交通環(huán)境，不僅可以對(duì)S313省道忻黑線分流一大批車流，而且還能有效地緩解婁煩縣、豐潤鎮(zhèn)、臨縣、嵐縣、岢嵐縣、及興縣境內(nèi)國道G209、省道S217嵐馬線、省道S252嵐古線和省道S218岢大線的通行壓力，使得該區(qū)域范圍內(nèi)的公路交通更加順暢，同時(shí)可以使當(dāng)?shù)氐穆糜钨Y源和自然資源優(yōu)勢得以充分的發(fā)揮，對(duì)山西省呂梁市、忻州市靜樂縣、太原市婁煩縣及陜西省神木縣經(jīng)濟(jì)的快速形成和發(fā)展具有非常大的促進(jìn)作用。本項(xiàng)目為山嶺重丘區(qū)路段，公路距離城鎮(zhèn)較遠(yuǎn)。道路全段采用雙向四車道高速公路標(biāo)準(zhǔn)，路基寬度 25.5 m，設(shè)計(jì)速度采用80 km/h。本設(shè)計(jì)范圍內(nèi)隧道長度均在200 m以上，為保證行車安全，按照規(guī)范要求需設(shè)置電光照明。其中白龍山隧道為特長隧道，左線全長10 374 m，右線全長10 490 m，系統(tǒng)設(shè)計(jì)難度大。該項(xiàng)目的地理位置如圖1所示。

圖1 項(xiàng)目地理位置圖

白龍山特長隧道：隧道位于中山剝蝕侵蝕基巖，跨越的溝谷兩端地形陡峭，沿線巖性為呂梁山群赤堅(jiān)嶺組（ALc）黑云千枚巖夾鈣質(zhì)石英巖、呂梁山群杜家溝組（ALd）變質(zhì)流紋斑巖夾角閃片巖；野雞山群青楊樹灣組（PYq）變質(zhì)礫巖、長石石英巖、千枚巖；野雞山群白龍山組（PYb）斜長角閃巖、角閃片巖；界河口群奧家灘組（AJa）黑云鉀長片麻巖、夾大理巖；界河口群小蛇頭組（AJx）斜長角閃巖、含礫石英巖；元古代輝長輝綠巖（βμ2）。

隧道沿線地層傾向270°～300°，傾角35°～50°。有兩條斷層（F1、F2平推斷層）經(jīng)過隧道兩組節(jié)理比較發(fā)育，一組130°∠70°，2～4條/m；另一組200°∠70°，3～4條/m，風(fēng)化卸荷裂隙和劈理發(fā)育，節(jié)理對(duì)巖石的切割較為嚴(yán)重，地表巖石被切割成塊狀碎裂結(jié)構(gòu)，且片麻巖強(qiáng)風(fēng)化，風(fēng)化深度一般可達(dá)10～20 m，總體看節(jié)理裂隙發(fā)育，圍巖穩(wěn)定性好。

綜合評(píng)價(jià)，本段工程地質(zhì)條件一般。

2 隧道照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)

公路隧道照明設(shè)計(jì)應(yīng)統(tǒng)籌規(guī)劃，一次設(shè)計(jì)，分期實(shí)施。為合理地設(shè)置照明系統(tǒng)的規(guī)模，考慮到各地交通量增長的不平衡性，本項(xiàng)目擬根據(jù)工可預(yù)測交通量分3期實(shí)施。一期按設(shè)計(jì)小時(shí)交通量為350 veh/（h·ln）確定，二期、三期分別按 2030 年、2039年的預(yù)測交通量確定[1-2]。

為了同時(shí)達(dá)到隧道運(yùn)營安全和節(jié)能減排的目的，本項(xiàng)目隧道照明設(shè)計(jì)的原則是在首先要保證行車安全，以及行車條件的舒適；其次要采用高效節(jié)能的光源；最后，要通過無級(jí)調(diào)光控制系統(tǒng)進(jìn)行控制整個(gè)照明系統(tǒng)，使得隧道亮度水平符合現(xiàn)場洞外亮度情況和實(shí)際的車流量。

本項(xiàng)目根據(jù)工可中提供的數(shù)據(jù)，該項(xiàng)目交通量預(yù)測結(jié)果見表1所示，車輛的構(gòu)成比例如表2所示，設(shè)計(jì)小時(shí)交通量系數(shù)K選取為0.10，方向不均勻系數(shù)D選取為0.55；分別將隧道路段的二期、三期所對(duì)應(yīng)的預(yù)測標(biāo)準(zhǔn)小客車平均日交通量折算成混合車型高峰小時(shí)交通量，實(shí)際交通量換算結(jié)果見表3所示。隧道設(shè)計(jì)行車速度為80 km/h。

本項(xiàng)目隧道路面均采用了瀝青混凝土路面，根據(jù)規(guī)范，平均亮度與平均照度之間的換算系數(shù)取15 lx/(cd·m-2)。

表1 交通量預(yù)測結(jié)果 pcu/d

表2 車輛的構(gòu)成比例 %

表3 隧道路段實(shí)際交通量

系統(tǒng)設(shè)置內(nèi)容包括：洞內(nèi)主線照明、應(yīng)急照明、引道照明及緊急停車帶照明等。不同設(shè)計(jì)年限隧道照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算如表4所示。按照《公路隧道照明設(shè)計(jì)細(xì)則》JTG/T D70/2-01—2014的要求[2]，進(jìn)行如下設(shè)計(jì)。

2.1.1 入口段亮度取值

白龍山隧道位于重山峻嶺地段，其兩個(gè)入口均為端墻式洞口形式，其洞外亮度L20根據(jù)經(jīng)驗(yàn)取為3 000 cd／m2。入口段設(shè)計(jì)亮度Lth1按L20的0.026 5倍計(jì)算。

表4 不同設(shè)計(jì)年限隧道照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算

通過表4的計(jì)算結(jié)果表明在一期、二期和三期入口段相應(yīng)亮度差別較小，故以三期作為設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，近期遠(yuǎn)期統(tǒng)一為一期考慮。

2.1.2 基本和應(yīng)急照明

根據(jù)規(guī)范，單向交通且以設(shè)計(jì)速度通過隧道的行車時(shí)間超過135 s時(shí)，隧道基本照明段宜分為兩個(gè)照明段。故大萬山隧道按照要求將基本照明段分為基本照明1區(qū)段和基本照明2區(qū)段，基本照明1區(qū)段的長度為666 m，設(shè)計(jì)亮度取為2.5 cd/m2，基本照明2區(qū)段長度為余下的基本照明段長度[3]，設(shè)計(jì)亮度為2.0 cd/m2。

本項(xiàng)目大萬山隧道設(shè)置了應(yīng)急照明系統(tǒng)，并使用不間斷應(yīng)急電源系統(tǒng)為其提供電源。應(yīng)急照明亮度按照規(guī)范不應(yīng)低于基本段亮度的10%，但是也不應(yīng)低于0.2 cd/m2。應(yīng)急照明燈具利用了1/4的基本照明燈具，應(yīng)急照明的供電電源維持時(shí)間大于30min。

基本照明從隧道入口開始布設(shè)，直到出口，貫穿于整個(gè)隧道，如果隧道內(nèi)基本照明的亮度通過計(jì)算達(dá)不到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，則應(yīng)急照明在正常情況下可兼作基本照明，應(yīng)急照明的亮度標(biāo)準(zhǔn)是按照規(guī)范取基本照明的1/4來設(shè)計(jì)的。隧道主洞照明燈具安裝在隧道洞壁上底邊距該電纜溝蓋板5.2 m高處，安裝傾角為15°，單排間隔布置。

2.1.3 緊急停車帶和橫通道照明

緊急停車帶位于車行橫洞附近，其作用主要是為異常車輛提供應(yīng)急檢修及維護(hù)的場所，也可以作為緊急情況拖掛車掉頭的場所，故其照明選用顯色指數(shù)高的LED光源，亮度大于4.0 cd/m2。本項(xiàng)目大萬山隧道的緊急停車帶亮度設(shè)計(jì)值均大于4.0 cd/m2。

大萬山隧道設(shè)置有行人和行車橫洞，橫通道亮度設(shè)計(jì)值均大于1.0 cd/m2，保證意外情況下人員可以通過橫洞迅速疏散。

2.2 照明系統(tǒng)設(shè)置

根據(jù)《公路隧道照明設(shè)計(jì)細(xì)則》（JTG/T D70/2-01—2014）中3.0.10條：公路隧道照明設(shè)計(jì)應(yīng)考慮運(yùn)營期燈具受污狀況和養(yǎng)護(hù)情況,養(yǎng)護(hù)系數(shù)M值宜取0.7；另外，隧道照明燈具的布置形式也會(huì)影響到照明系統(tǒng)的效率，燈具兩側(cè)交錯(cuò)布置比燈具兩側(cè)對(duì)稱布置效率高，因此隧道基本照明區(qū)段的燈具采用了兩側(cè)交錯(cuò)布置的方式，其余各段燈具對(duì)稱布置。具體設(shè)置見表5所示。

表5 隧道各照明段長度及燈具布置表

3 照明控制

大萬山隧道照明采用無級(jí)調(diào)光控制方式。無級(jí)調(diào)光系統(tǒng)采用DC0～5 V模擬電壓信號(hào)控制LED燈輸出功率，可滿足長大公路隧道照明調(diào)光控制需求。

3.1 無級(jí)調(diào)光控制系統(tǒng)的原理

目前，公路隧道LED照明系統(tǒng)無極調(diào)光的模式，主要是“電壓控制電流源（VCCS）”亮度控制方式，即：模擬信號(hào)控制電流平均值的模式，該方案已在公路隧道LED燈照明無級(jí)調(diào)光控制中廣泛應(yīng)用。模擬信號(hào)控制電流平均值的模式，主要是利用控制器產(chǎn)生的直流信號(hào)電壓來控制輸出電流平均值變化的一種輸出電流可控的電源，其原理是直接將電流信號(hào)采樣取回后，通過隔離放大控制電源中初級(jí)開關(guān)管的占空系數(shù)，之后隔離變壓器將不同占空系數(shù)的電能進(jìn)行隔離，之后再轉(zhuǎn)換為直流脈沖電流，最后，經(jīng)低通濾波器濾波后轉(zhuǎn)換為大小隨控制信號(hào)變化的直流電流，從而可以控制電源的輸出電流。

3.2 系統(tǒng)組成

無級(jí)調(diào)光控制系統(tǒng)由光亮度檢測儀、車流量檢測裝置、隧道智能照明系統(tǒng)控制器（無級(jí)調(diào)光控制器）、調(diào)光控制柜、以太網(wǎng)光端機(jī)（共用）、照明監(jiān)控計(jì)算機(jī)及監(jiān)控管理軟件、配套的公路隧道LED燈及光（電）纜等組成。

3.3 設(shè)計(jì)控制方式

白天（5:30—17:00）：基本照明+加強(qiáng)照明（加強(qiáng)照明根據(jù)亮度要求進(jìn)行無極調(diào)光）；

夜間（17:00—23:00）：基本照明；

深夜（23:00—次日6:00）：基本照明（可適當(dāng)調(diào)低燈具功率）。

其中深夜的判斷靠讀取系統(tǒng)時(shí)間確定，加強(qiáng)段亮度及基本段亮度判斷由設(shè)置亮度闕值確定。早上5:30后開啟檢測，達(dá)到闕值開啟加強(qiáng)照明；下午5點(diǎn)后檢測達(dá)到闕值關(guān)閉加強(qiáng)照明；光強(qiáng)度檢測器的檢測周期小于30 s；照明控制周期大于10 min。

基本段照明始終是開啟的，只有在維修狀態(tài)時(shí)，能夠關(guān)閉。

在發(fā)生火災(zāi)情況下，通過人工調(diào)節(jié)方式開啟所有照明回路。

當(dāng)系統(tǒng)中其他基本照明及加強(qiáng)照明均掉電時(shí)，將應(yīng)急照明燈具功率調(diào)至100%。

如果無級(jí)調(diào)光控制器發(fā)生了故障，則LED燈應(yīng)全部開啟到最大亮度。

加強(qiáng)照明和基本照明的兩條控制線纜回路接入同一臺(tái)調(diào)光控制設(shè)備，本設(shè)計(jì)中調(diào)光控制器臺(tái)數(shù)為6臺(tái)，分別設(shè)置在大萬山隧道兩側(cè)洞口變電所及橫洞箱變洞室內(nèi)，控制范圍依據(jù)實(shí)際情況確定。

另外，大萬山隧道照明控制輔以時(shí)序控制方式。時(shí)序控制主要是當(dāng)洞外亮度檢測設(shè)施出現(xiàn)故障的情況下，備用執(zhí)行的一種控制方法，該控制方法與傳統(tǒng)時(shí)序控制配電回路的方式類似，即根據(jù)當(dāng)?shù)厮募竟庹諘r(shí)間段的統(tǒng)計(jì)情況，實(shí)測得到的規(guī)律值，輸入照明監(jiān)控計(jì)算機(jī)，直接安裝當(dāng)?shù)厝照找?guī)律調(diào)控洞內(nèi)照明亮度。

4 結(jié)語

針對(duì)靜樂至興縣高速公路大萬山特長隧道的照明系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，光源選用LED隧道燈，控制方式以無極調(diào)光為主，輔以分級(jí)調(diào)光，達(dá)到按需照明的目的。