雙層隧道機(jī)電及智能化系統(tǒng)設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)探討

袁鄭棋

摘 要：雙層隧道為大斷面隧道工程，上層通車，下層行人，結(jié)構(gòu)新穎，機(jī)電設(shè)備繁多，國(guó)內(nèi)類似工程成功案例較少，可借鑒經(jīng)驗(yàn)不多。本文結(jié)合溫州某在建城市主干道雙層隧道工程，對(duì)雙層隧道機(jī)電及智能化系統(tǒng)分別從設(shè)計(jì)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的采用、通風(fēng)設(shè)計(jì)、照明設(shè)計(jì)、供配電設(shè)計(jì)、消防設(shè)計(jì)、監(jiān)控設(shè)計(jì)、智能化管理設(shè)計(jì)各方面進(jìn)行論述。相對(duì)于普通的公路或城市道路隧道機(jī)電工程來(lái)講具有一定的創(chuàng)新，希望通過(guò)本文的分析與總結(jié)，為今后類似的雙層隧道機(jī)電及智能化系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供一些借鑒。

關(guān)鍵詞：隧道;雙層隧道;隧道機(jī)電;交通隧道;隧道智能化

0 引言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，對(duì)交通需求普遍提高，近郊隧道普遍要求設(shè)計(jì)非機(jī)動(dòng)車道;而《城市道路工程設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定：“對(duì)長(zhǎng)度大于1 000 m的隧道，嚴(yán)禁在同一孔內(nèi)設(shè)置非機(jī)動(dòng)車道或人行道”。目前一般的做法多為在外側(cè)設(shè)置非機(jī)專用隧道，在斷面上出現(xiàn)了四洞并列的情況，隧道口占地很大，往往達(dá)到80 m到100 m的寬度，受現(xiàn)有的土地政策影響，分離式的四洞并列隧道往往很難實(shí)施。雙層隧道結(jié)構(gòu)提供了較好的解決方案，即可滿足非機(jī)動(dòng)車道的需求，又可滿足少占用地的要求。該工程在隧道機(jī)電工程設(shè)計(jì)方面有所突破創(chuàng)新，可供同行借鑒。

1 工程概況

溫州某在建城市主干道，設(shè)計(jì)速度60 km/h，機(jī)動(dòng)車道雙向六車道，路基寬度50 m，設(shè)置一座長(zhǎng)隧道（左洞長(zhǎng)1 360 m，右洞長(zhǎng)1 430 m），隧道寬度13.75 m，采用雙向六車道分離式雙層隧道結(jié)構(gòu)。隧道上層機(jī)動(dòng)車道凈寬13.75 m，凈高：4.50 m;隧道下層非機(jī)動(dòng)車道凈寬6.5 m，凈高：3 m。隧道電氣標(biāo)準(zhǔn)橫斷面如圖1所示。

2 設(shè)計(jì)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

目前城市道路隧道相關(guān)的國(guó)家設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范不齊全，隧道機(jī)電設(shè)計(jì)主要參照《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范第二冊(cè)交通工程與附屬設(shè)施》（JTGD70/2-2014）執(zhí)行。項(xiàng)目為城市主干道，預(yù)測(cè)末年交通量為37 500（pcu/d），交通工程等級(jí)參照一級(jí)公路隧道的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)中的A級(jí)執(zhí)行，相應(yīng)的機(jī)電設(shè)施配置內(nèi)容為：通風(fēng)、照明、供配電、交通監(jiān)控、火災(zāi)探測(cè)報(bào)警、消防設(shè)施、智能中央控制管理等設(shè)施。設(shè)計(jì)以安全、智能、經(jīng)濟(jì)、節(jié)能為基本原則，各系統(tǒng)均具有自動(dòng)與手動(dòng)操作功能。

消防系統(tǒng)主要參照《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》（GB50016-2006）隧道分類要求，隧道上層為僅限通行非危險(xiǎn)化學(xué)品等機(jī)動(dòng)車，隧道長(zhǎng)度L≤1 500 m分為三類城市交通隧道;下層為僅限人行或通行非機(jī)動(dòng)車，隧道長(zhǎng)度500 m

3 隧道通風(fēng)系統(tǒng)

3.1 上層隧道通風(fēng)設(shè)計(jì)

根據(jù)計(jì)算并考慮遠(yuǎn)期交通量增長(zhǎng)需求，隧道左右洞機(jī)動(dòng)車道均安裝射流風(fēng)機(jī)5組共10臺(tái)（直徑1120型，功率30 kW，其中1組2臺(tái)為遠(yuǎn)期風(fēng)機(jī)），總裝機(jī)容量600 kW，換氣頻率近期3次/h、遠(yuǎn)期5次/h，每次換氣不低于5分鐘。

3.2 下層隧道通風(fēng)設(shè)計(jì)

下層隧道為非機(jī)動(dòng)車與人行隧道，無(wú)燃油車，《公路隧道通風(fēng)設(shè)計(jì)細(xì)則》中采用CO和NO2設(shè)計(jì)濃度控制的不太適用于人行隧道，故下層隧道通風(fēng)主要參照《公共場(chǎng)所集中空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)衛(wèi)生規(guī)范》（衛(wèi)生部 2006）、《人民防空地下室設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50038-2019）中的地下車站公共區(qū)通風(fēng)標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行，全新風(fēng)量按30 m3/h/人的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，換氣頻率近期5次/h，換氣風(fēng)速不應(yīng)低于2.5 m/s;最小新風(fēng)量按12.6 m3/h/人的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，且不小于系統(tǒng)總風(fēng)量的10%。

下層隧道分別在兩端洞口地面中分帶內(nèi)設(shè)置風(fēng)亭（內(nèi)設(shè)消防通風(fēng)兩用臥式離心風(fēng)機(jī)，功率28 kW），通過(guò)下層左側(cè)專用通風(fēng)道（內(nèi)設(shè)雙向射流風(fēng)機(jī)6臺(tái)，功率15 kW）送入新風(fēng)，在非機(jī)動(dòng)車道側(cè)墻上每隔50 m設(shè)置一處通風(fēng)孔（80 cm*80 cm，通風(fēng)孔設(shè)1.5 kW可逆轉(zhuǎn)的壁式變頻軸流風(fēng)機(jī)）。正常工況下，下層換氣時(shí)由一端洞口臥式風(fēng)機(jī)先開(kāi)啟送風(fēng)狀態(tài)，風(fēng)道內(nèi)的射流風(fēng)機(jī)依次開(kāi)啟，另一端洞口臥式風(fēng)機(jī)開(kāi)啟排風(fēng)模式，通風(fēng)孔向非機(jī)動(dòng)車道內(nèi)送入新鮮空氣;火災(zāi)工況下，啟動(dòng)壁式變頻軸流風(fēng)機(jī)向風(fēng)道內(nèi)排煙。

4 隧道照明系統(tǒng)

上層隧道為雙向六車道，行車速度60 km/h，根據(jù)《公路隧道照明設(shè)計(jì)細(xì)則》的相關(guān)規(guī)定，洞外亮度按3 000 cd/m2考慮，隧道照明由引入照明段1、引入照明段2、過(guò)渡照明段1、過(guò)渡照明段2、出口段、基本照明（亮度取值2.5 cd/m2）、應(yīng)急照明。隧道洞口加強(qiáng)段采用120 W-LED燈兩排布燈方式;洞內(nèi)基本段采用80 W-LED燈雙側(cè)排交錯(cuò)布燈。

下層隧道照明：不設(shè)加強(qiáng)照明，僅為基本照明，光源采用50 W-LED燈，雙側(cè)交錯(cuò)布燈。

應(yīng)急照明：分別由一個(gè)回路的基本段照明設(shè)成應(yīng)急照明，應(yīng)急回路由在線式EPS供電。

5 供配電系統(tǒng)

5.1 負(fù)荷分類與裝機(jī)容量

隧道內(nèi)應(yīng)急照明、疏散標(biāo)志、交通監(jiān)控設(shè)施、通風(fēng)及照明控制設(shè)施、緊急呼叫設(shè)施、火災(zāi)檢測(cè)報(bào)警控制設(shè)施、中央控制設(shè)施為一級(jí)負(fù)荷中特別重要的負(fù)荷;消防水泵、基本照明、排煙風(fēng)機(jī)為一級(jí)負(fù)荷;通風(fēng)機(jī)為二級(jí)負(fù)荷;其余隧道電力負(fù)荷均為三級(jí)負(fù)荷。

5.2 變電所設(shè)計(jì)

分別在隧道兩端洞口各設(shè)一座變電所（各設(shè)置一臺(tái)600 kVA的干式變壓器）。兩個(gè)變電所的供電范圍為各承擔(dān)一半隧道長(zhǎng)度范圍內(nèi)的用電設(shè)備。變電所10 kV側(cè)采用單母線接線方式;變電所0.4 kV側(cè)采用單母線分段接線方式，兩段母線間設(shè)置分段斷路器，并設(shè)置電源自動(dòng)切換裝置，正常運(yùn)行時(shí)，母聯(lián)斷路器合閘兩段母線由變壓器供電，當(dāng)變壓器因故退出運(yùn)行時(shí)，母聯(lián)斷路器自動(dòng)斷開(kāi)，由自備柴油發(fā)電機(jī)組（300 kVA）為0.4 kV二段母線上的一級(jí)負(fù)荷供電。

為保證在外線意外停電時(shí)能維持隧道洞內(nèi)部分照明用電，在隧道變電所內(nèi)設(shè)有應(yīng)急電源-EPS。同時(shí)低壓系統(tǒng)采用了最新的SVG-動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償系統(tǒng)，功率因數(shù)cosφ控制在0.9以上，提高電網(wǎng)效率和安全性。

5.3 電纜敷設(shè)

低壓配電系統(tǒng)采用TN-S系統(tǒng)，電纜敷設(shè)采用樹(shù)干放射式方法布線，4芯干線電纜沿電纜管溝敷設(shè)至各配電箱，再采用5芯支線電纜放射至用電區(qū)域。火災(zāi)工況仍需運(yùn)行的設(shè)備電纜應(yīng)采用耐火電纜，其余電纜應(yīng)采用阻燃電纜。配電箱統(tǒng)一安裝在上層側(cè)壁洞室內(nèi)，下層電纜通過(guò)預(yù)埋管道穿線敷設(shè)。

6 消防系統(tǒng)

6.1 上層隧道消防設(shè)施

上層隧道由干粉滅火器、水成膜泡沫滅火裝置及消防火栓組成的綜合滅火系統(tǒng)，消防水由隧道口消防泵房供給。隧道內(nèi)防火區(qū)間50 m。

6.2 下層非機(jī)動(dòng)車道消防設(shè)施

下層隧道僅限人行或通行非機(jī)動(dòng)車，無(wú)油類火災(zāi)，故消防采用干粉滅火器和噴淋系統(tǒng)組成。噴淋管沿非機(jī)動(dòng)車道頂部縱向布設(shè)，每隔4.5 m設(shè)置一個(gè)自動(dòng)啟閉式灑水噴頭，動(dòng)作溫度大于65度。噴淋系統(tǒng)同時(shí)起到降溫和水幕隔煙作用，能將一定量的煙霧隔離在起火段落內(nèi)，通過(guò)通風(fēng)孔的排煙風(fēng)機(jī)將煙排入風(fēng)道內(nèi)。

6.3 消防泵房

由于近郊隧道山頂無(wú)可收集的地表水，消防水源只能采用自來(lái)水管網(wǎng)補(bǔ)給，在隧道東端設(shè)一座消防加壓泵房。泵房與水池一體，400立方的蓄水池全部埋置在中央分隔帶下，泵房下部埋置地下，地面設(shè)置一個(gè)亭式檢修入口。泵房?jī)?nèi)設(shè)置機(jī)械加壓系統(tǒng)，由隔膜式氣壓罐提供常高壓水壓力，保障隧道消防用水壓力要求。

6.4 火災(zāi)檢測(cè)與報(bào)警系統(tǒng)

上層隧道火災(zāi)檢測(cè)與報(bào)警系統(tǒng)采用火焰探測(cè)和手動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)，系統(tǒng)由隧道內(nèi)的火災(zāi)報(bào)警綜合盤(pán)（含雙波長(zhǎng)火焰探測(cè)器及手動(dòng)報(bào)警按鈕）、中控室的警鈴、消防報(bào)警主機(jī)以及連接線纜等組成，采用總線制形式。

下層隧道火災(zāi)檢測(cè)與報(bào)警系統(tǒng)采用感溫光纖和手動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)，系統(tǒng)由隧道內(nèi)頂部縱向安裝的感溫光纖和中控室的光纖接續(xù)盒、光纖測(cè)溫主機(jī)組成，光纖測(cè)溫主機(jī)采用網(wǎng)絡(luò)協(xié)議模塊與消防報(bào)警主機(jī)連接。

7 監(jiān)控設(shè)計(jì)

7.1 傳輸網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)

傳輸網(wǎng)絡(luò)采用工業(yè)以太網(wǎng)設(shè)備組成100 M冗余光纖雙環(huán)網(wǎng)（兩條光纖并列運(yùn)行），各區(qū)域控制器之間及區(qū)域控制器與中控室控制計(jì)算機(jī)之間的以太網(wǎng)進(jìn)行信息交換，實(shí)現(xiàn)各子系統(tǒng)和區(qū)域控制器、服務(wù)器間的互聯(lián)，構(gòu)成統(tǒng)一、開(kāi)放、可靠、安全的局域網(wǎng)。各子系統(tǒng)之間通過(guò)VLAN（虛擬局域網(wǎng)）進(jìn)行安全隔離。

7.2 交通監(jiān)控系統(tǒng)（外場(chǎng)設(shè)備）

系統(tǒng)由中控室內(nèi)的控制臺(tái)、交通控制計(jì)算機(jī)、室外的交通區(qū)域控制器、信號(hào)燈、車道指示器、可變限速標(biāo)志、高清攝像機(jī)、設(shè)備箱柜、連接電纜、接線盒等組成。系統(tǒng)屬主從計(jì)算機(jī)分布式控制系統(tǒng)。管理室設(shè)中心計(jì)算機(jī)，現(xiàn)場(chǎng)設(shè)區(qū)域控制器。

隧道內(nèi)設(shè)置了車道指示器、可變限速標(biāo)志、交通區(qū)域控制器，在隧道的左右洞入口處設(shè)置可變信息標(biāo)志板及四可變交通信號(hào)燈。

上層隧道和下層隧道均每隔150 m設(shè)置一臺(tái)自動(dòng)光圈的定焦距高清攝像機(jī);各隧道洞口均配置自帶全天候防護(hù)罩的云臺(tái)遙控?cái)z像機(jī)，以便觀察隧道口附近的車流。

7.3 緊急電話和有線廣播系統(tǒng)

在隧道內(nèi)大約每隔200 m設(shè)置一臺(tái)（左右線）緊急電話。在隧道監(jiān)控室設(shè)置緊急電話控制主機(jī)，管理所屬的緊急電話分機(jī)。緊急電話采用光纖型緊急電話。

上層隧道和下層隧道均沿線設(shè)置廣播設(shè)施，隧道洞口外設(shè)置高音喇叭。上下層廣播獨(dú)立線路，運(yùn)營(yíng)時(shí)下層廣播可播放輕音樂(lè)或新聞等內(nèi)容，以緩解下層行人的壓抑緊張感。

有線廣播系統(tǒng)由設(shè)置于隧道內(nèi)外的揚(yáng)聲器、設(shè)置于隧道監(jiān)控室的擴(kuò)音機(jī)、有線廣播控制器和監(jiān)聽(tīng)設(shè)備以及連接線纜等組成。

8 智能化中央管理系統(tǒng)

在隧道東端洞口外設(shè)一處隧道監(jiān)控管理中心，建立中央智能管理與控制系統(tǒng)。系統(tǒng)采用計(jì)算機(jī)局域網(wǎng)結(jié)構(gòu)方式，設(shè)置2臺(tái)中心服務(wù)器（一備一用）。各子系統(tǒng)有獨(dú)立的工作站作為控制計(jì)算機(jī)，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)與服務(wù)器相連。設(shè)置一臺(tái)智能化聯(lián)動(dòng)控制管理機(jī)，負(fù)責(zé)統(tǒng)一協(xié)調(diào)管理通風(fēng)及照明控制、交通控制、火災(zāi)報(bào)警集中控制、閉路電視控制、廣播系統(tǒng)控制及電力監(jiān)測(cè)等。

中央管理系統(tǒng)接受外場(chǎng)設(shè)備送來(lái)的數(shù)據(jù)，能夠?qū)λ鼈冞M(jìn)行實(shí)時(shí)運(yùn)算、分析與處理，準(zhǔn)確地判斷道路上的交通運(yùn)行情況及事故發(fā)生情況，并顯示相關(guān)信息。

監(jiān)控室計(jì)算機(jī)在事故自動(dòng)檢測(cè)的基礎(chǔ)上自動(dòng)選擇響應(yīng)的交通控制方案，經(jīng)控制臺(tái)操作員確認(rèn)后，下發(fā)執(zhí)行。特殊情況下，應(yīng)有人工干預(yù)控制方式，中斷正常程序，進(jìn)入緊急處理程序，準(zhǔn)備好相應(yīng)的控制指令，待值班人員綜合閉路電視、火災(zāi)檢測(cè)、巡邏車等報(bào)警信息確認(rèn)后執(zhí)行。

控制方案應(yīng)是綜合方案，不只是一個(gè)單一子系統(tǒng)的動(dòng)作，應(yīng)全面考慮隧道內(nèi)、外交通運(yùn)營(yíng)狀態(tài)后形成的各個(gè)子系統(tǒng)的聯(lián)合協(xié)調(diào)動(dòng)作，以保證隧道交通處于最佳狀態(tài)。

9 節(jié)能設(shè)計(jì)

9.1 通風(fēng)節(jié)能

在上層隧道進(jìn)口設(shè)置車流檢測(cè)器，在隧道內(nèi)設(shè)置了CO-VI檢測(cè)器，數(shù)據(jù)信號(hào)上傳至管理中心，通風(fēng)控制器根據(jù)預(yù)設(shè)的限值自動(dòng)開(kāi)啟隧道內(nèi)的風(fēng)機(jī)，在安全運(yùn)營(yíng)下達(dá)到節(jié)能效果。

在下層隧道進(jìn)出口設(shè)置人流檢測(cè)器，數(shù)據(jù)信號(hào)上傳至管理中心，通風(fēng)控制器根據(jù)預(yù)設(shè)的限值自動(dòng)開(kāi)啟隧道內(nèi)的風(fēng)機(jī)，在安全運(yùn)營(yíng)下達(dá)到節(jié)能效果。

9.2 照明節(jié)能

照明光源采用LED節(jié)能燈，同時(shí)照明控制采用了智能調(diào)光控制系統(tǒng)，隧道口設(shè)置了照度儀，數(shù)據(jù)信號(hào)上傳至管理中心，調(diào)光控制器可根據(jù)車流量和洞內(nèi)外亮度的變化情況自動(dòng)調(diào)節(jié)洞內(nèi)亮度，最大的程度的實(shí)現(xiàn)照明節(jié)能效果。

10 結(jié)語(yǔ)

目前，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)和城市建設(shè)均提出了更高的需求，土地保護(hù)政策越來(lái)越嚴(yán)格，近郊有非機(jī)通行需求的隧道可考慮采用雙層隧道方案，相信未來(lái)會(huì)有更多的雙層隧道投入建設(shè)。這種雙層隧道機(jī)電和智能化管理與普通單洞隧道有較大的區(qū)別，在安全、智能、經(jīng)濟(jì)、節(jié)能方面均需要進(jìn)一步的深入研究，希望本文能夠起到拋磚引玉的效果，通過(guò)更多的工程案例總結(jié)出更好的經(jīng)驗(yàn)供同行借鑒。

參考文獻(xiàn)：

[1]國(guó)家行業(yè)標(biāo)準(zhǔn).JTG 3370.1-2018，公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范 第一冊(cè) 土建工程[S].北京：人民交通出版社，2019.

[2]國(guó)家行業(yè)標(biāo)準(zhǔn).JTG D70/2-2014，公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范 第二冊(cè) 交通工程與附屬設(shè)施[S].北京：人民交通出版社，2014.