某高速公路特長隧道照明系統(tǒng)設(shè)計

王少山

（山西交通控股集團有限公司，山西 太原 030006）

隧道作為高等級公路的特殊路段，是一種特殊的管狀構(gòu)造物。高速公路隧道的安全運營與隧道照明息息相關(guān)，而且隧道照明的電費在高速公路運營養(yǎng)護費用中占到很大的比例，因此根據(jù)不同工況提供科學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，同時可以使當?shù)氐穆糜钨Y源和自然資源優(yōu)勢得以充分的發(fā)揮，對山西省呂梁市、忻州市靜樂縣、太原市婁煩縣及陜西省神木縣經(jīng)濟的快速形成和發(fā)展具有非常大的促進作用。本項目為山嶺重丘區(qū)路段，公路距離城鎮(zhèn)較遠。道路全段采用雙向四車道高速公路標準，路基寬度 25.5 m，設(shè)計速度采用80 km/h。本設(shè)計范圍內(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)計難度大。該項目的地理位置如圖1所示。

圖1 項目地理位置圖

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，風化卸荷裂隙和劈理發(fā)育，節(jié)理對巖石的切割較為嚴重，地表巖石被切割成塊狀碎裂結(jié)構(gòu)，且片麻巖強風化，風化深度一般可達10～20 m，總體看節(jié)理裂隙發(fā)育，圍巖穩(wěn)定性好。

綜合評價，本段工程地質(zhì)條件一般。

2 隧道照明系統(tǒng)設(shè)計

2.1 設(shè)計標準

公路隧道照明設(shè)計應統(tǒng)籌規(guī)劃，一次設(shè)計，分期實施。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，本項目擬根據(jù)工可預測交通量分3期實施。一期按設(shè)計小時交通量為350 veh/（h·ln）確定，二期、三期分別按 2030 年、2039年的預測交通量確定[1-2]。

為了同時達到隧道運營安全和節(jié)能減排的目的，本項目隧道照明設(shè)計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，要通過無級調(diào)光控制系統(tǒng)進行控制整個照明系統(tǒng)，使得隧道亮度水平符合現(xiàn)場洞外亮度情況和實際的車流量。

本項目根據(jù)工可中提供的數(shù)據(jù)，該項目交通量預測結(jié)果見表1所示，車輛的構(gòu)成比例如表2所示，設(shè)計小時交通量系數(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、三期所對應的預測標準小客車平均日交通量折算成混合車型高峰小時交通量，實際交通量換算結(jié)果見表3所示。隧道設(shè)計行車速度為80 km/h。

本項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 交通量預測結(jié)果 pcu/d

表2 車輛的構(gòu)成比例 %

表3 隧道路段實際交通量

系統(tǒng)設(shè)置內(nèi)容包括：洞內(nèi)主線照明、應急照明、引道照明及緊急停車帶照明等。不同設(shè)計年限隧道照明設(shè)計標準計算如表4所示。按照《公路隧道照明設(shè)計細則》JTG/T D70/2-01—2014的要求[2]，進行如下設(shè)計。

2.1.1 入口段亮度取值

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

表4 不同設(shè)計年限隧道照明設(shè)計標準計算

通過表4的計算結(jié)果表明在一期、二期和三期入口段相應亮度差別較小，故以三期作為設(shè)計標準，近期遠期統(tǒng)一為一期考慮。

2.1.2 基本和應急照明

根據(jù)規(guī)范，單向交通且以設(shè)計速度通過隧道的行車時間超過135 s時，隧道基本照明段宜分為兩個照明段。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)計亮度為2.0 cd/m2。

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

基本照明從隧道入口開始布設(shè)，直到出口，貫穿于整個隧道，如果隧道內(nèi)基本照明的亮度通過計算達不到設(shè)計標準，則應急照明在正常情況下可兼作基本照明，應急照明的亮度標準是按照規(guī)范取基本照明的1/4來設(shè)計的。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急檢修及維護的場所，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。本項目大萬山隧道的緊急停車帶亮度設(shè)計值均大于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)計細則》（JTG/T D70/2-01—2014）中3.0.10條：公路隧道照明設(shè)計應考慮運營期燈具受污狀況和養(yǎng)護情況,養(yǎng)護系數(shù)M值宜取0.7；另外，隧道照明燈具的布置形式也會影響到照明系統(tǒng)的效率，燈具兩側(cè)交錯布置比燈具兩側(cè)對稱布置效率高，因此隧道基本照明區(qū)段的燈具采用了兩側(cè)交錯布置的方式，其余各段燈具對稱布置。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調(diào)光控制方式。無級調(diào)光系統(tǒng)采用DC0～5 V模擬電壓信號控制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燈照明無級調(diào)光控制中廣泛應用。模擬信號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采樣取回后，通過隔離放大控制電源中初級開關(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（無級調(diào)光控制器）、調(diào)光控制柜、以太網(wǎng)光端機（共用）、照明監(jiān)控計算機及監(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)計控制方式

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

夜間（17:00—23:00）：基本照明；

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

其中深夜的判斷靠讀取系統(tǒng)時間確定，加強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，達到闕值開啟加強照明；下午5點后檢測達到闕值關(guān)閉加強照明；光強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，能夠關(guān)閉。

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

當系統(tǒng)中其他基本照明及加強照明均掉電時，將應急照明燈具功率調(diào)至100%。

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

加強照明和基本照明的兩條控制線纜回路接入同一臺調(diào)光控制設(shè)備，本設(shè)計中調(diào)光控制器臺數(shù)為6臺，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)實際情況確定。

另外，大萬山隧道照明控制輔以時序控制方式。時序控制主要是當洞外亮度檢測設(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)時序控制配電回路的方式類似，即根據(jù)當?shù)厮募竟庹諘r間段的統(tǒng)計情況，實測得到的規(guī)律值，輸入照明監(jiān)控計算機，直接安裝當?shù)厝照找?guī)律調(diào)控洞內(nèi)照明亮度。

4 結(jié)語

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