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

陳達章，鄧 欣，丁 浩

(1.廣東廣樂高速公路有限公司， 廣州 510101； 2.招商局重慶交通科研設(shè)計院有限公司， 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)計探討

陳達章1，鄧 欣2，丁 浩2

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

闡述以我國現(xiàn)有規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)為依據(jù)，根據(jù)工程特點并結(jié)合新技術(shù)、新成果進行高速公路隧道通風(fēng)、照明設(shè)施創(chuàng)新型設(shè)計，以建立安全、高效、經(jīng)濟、環(huán)保的隧道運營環(huán)境，獲得巨大的經(jīng)濟及社會效益。以廣樂高速公路隧道機電工程設(shè)計為例，對高速公路隧道機電系統(tǒng)的創(chuàng)新設(shè)計進行探討。

公路隧道；隧道機電；通風(fēng)；照明；設(shè)計

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、供配電等機電設(shè)施的合理設(shè)置是確保隧道運營安全與節(jié)能的重要措施。公路隧道機電設(shè)施設(shè)計主要依據(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)計規(guī)范》[2]、JTG D70/2—2014《公路隧道設(shè)計規(guī)范》[3]、JTG/T D70/2-01—2014 《公路隧道照明設(shè)計細則》[4]和JTG/T D70/2-02—2014《公路隧道通風(fēng)設(shè)計細則》[5]。由于各類規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)的成熟性、規(guī)范性、滯后性與工程實際需求及機電產(chǎn)品進步、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，均會對各種理念、新型節(jié)能技術(shù)和產(chǎn)品在實際工程中的推廣應(yīng)用產(chǎn)生影響，使得公路隧道機電系統(tǒng)出現(xiàn)規(guī)模大、利用率低、能耗高的普遍問題。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)、新成果進行高速公路隧道通風(fēng)、照明設(shè)施創(chuàng)新型設(shè)計，建立安全、高效、經(jīng)濟、環(huán)保的隧道運營環(huán)境，是對公路隧道設(shè)計、管理等技術(shù)人員提出的更高要求。本文以廣樂高速公路隧道機電工程設(shè)計為例，對高速公路隧道機電系統(tǒng)的創(chuàng)新設(shè)計進行探討。

1 公路隧道通風(fēng)、照明系統(tǒng)設(shè)計存在的問題

公路隧道機電系統(tǒng)相關(guān)設(shè)計規(guī)范是指導(dǎo)高速公路隧道設(shè)計、運營管理的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，是隧道機電系統(tǒng)研究成果及運營成熟經(jīng)驗的總結(jié)，合理、靈活地應(yīng)用相關(guān)規(guī)范可保障公路隧道運營交通安全，提高能源利用效率。然而，由于我國高速公路建設(shè)發(fā)展迅速，建設(shè)期相對集中，尤其是近年來建設(shè)了大量公路隧道，而很多隧道機電系統(tǒng)設(shè)計人員在理解和執(zhí)行相關(guān)規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)時存在偏差，且經(jīng)驗及研究不足，設(shè)計時缺少對設(shè)計規(guī)范的深入理解以及對工程特點的分析把握，存在模式化設(shè)計等問題，從而導(dǎo)致隧道機電系統(tǒng)規(guī)模偏大，運營能耗高。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)計保守。

設(shè)計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)計參數(shù)取值保守，偏重于安全，而忽視了工程實際需求與節(jié)能問題。例如，隧道通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計時，未考慮汽車工業(yè)的進步和發(fā)展，汽車尾排基準(zhǔn)排放量取值保守，需風(fēng)量計算值高于實際需求值，致使通風(fēng)系統(tǒng)規(guī)模增大。隧道照明系統(tǒng)設(shè)計時，未考慮隧道運營期的照明實際需求，洞外亮度取值偏高，未考慮需根據(jù)交通量增加進行分期設(shè)計和分期實施，未根據(jù)短隧道特點設(shè)置照明系統(tǒng)，設(shè)計存在模式化問題。

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，基于人的視覺功能反應(yīng)時間的視覺功效理論、中間視覺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)用效果差強人意。

3) 新型節(jié)能產(chǎn)品應(yīng)用無據(jù)可依。

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

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

我國公路隧道通風(fēng)、照明等機電系統(tǒng)技術(shù)起步較晚，經(jīng)驗和基礎(chǔ)性研究不足。因此，在參照和借鑒國外公路隧道相關(guān)技術(shù)的基礎(chǔ)上，以JTJ 026—1990《公路隧道設(shè)計規(guī)范》為標(biāo)志，建立了我國公路隧道機電系統(tǒng)的設(shè)計技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。2000年國家交通運輸部頒布了JTJ 026.1—1999《公路隧道通風(fēng)照明設(shè)計規(guī)范》，2004年其又頒布了JTG/T D71—2004《公路隧道交通工程設(shè)計規(guī)范》。此后，國內(nèi)針對隧道機電系統(tǒng)的設(shè)計不再集中于討論如何設(shè)計公路隧道通風(fēng)、照明等機電系統(tǒng)，而是聚焦于如何在確保隧道運營安全的基礎(chǔ)上實現(xiàn)運營節(jié)能的最大化。并且，規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)是對已有研究成果、成熟經(jīng)驗的總結(jié)和提升，在一定程度上僅反映編制時期的技術(shù)、經(jīng)濟水平，具有成熟性、時限性、靈活性等特點，但隨著技術(shù)進步，會出現(xiàn)某些條款與現(xiàn)實技術(shù)發(fā)展不相適應(yīng)，故需要設(shè)計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

公路隧道照明系統(tǒng)設(shè)計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)模和運營能耗。因此，設(shè)計時需合理設(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、運營能耗大的問題。

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

廣樂高速公路隧道照明系統(tǒng)初步設(shè)計主要依據(jù)JTJ 026.1—1999相關(guān)規(guī)定進行。但根據(jù)高速公路隧道視覺適應(yīng)和營運管理特點，廣樂高速公路隧道照明施工設(shè)計從以下幾方面進行了優(yōu)化。

1) 隧道洞外亮度取值。

采用數(shù)碼相機對高速公路隧道洞外亮度進行實測。經(jīng)計算分析，得到廣樂高速公路隧道洞外亮度取值為3 500～4 000 cd/m2，較廣東省類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、過渡段、中間段和出口段?；趯Υ罅恳呀üこ痰恼{(diào)研及廣東省公路隧道運營管理經(jīng)驗總結(jié)和人眼感光反應(yīng)研究，并借鑒國外關(guān)于隧道照明區(qū)段劃分研究成果，將廣樂高速公路隧道照明區(qū)段進行了如下優(yōu)化調(diào)整，見表1。

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

原JTJ 026.1—1999各項規(guī)定和指標(biāo)均是以長隧道為基礎(chǔ)編制的，對短隧道設(shè)計未給出明確規(guī)定，因此，若按此設(shè)計將造成短隧道照明系統(tǒng)規(guī)模偏大、運營能耗高。研究表明[6]，短隧道對照明的要求與長隧道不盡相同，短隧道照明設(shè)計主要取決于其長度、寬度、高度、平縱線形等。廣樂高速公路短隧道照明系統(tǒng)設(shè)計時，根據(jù)隧道通視度將短隧道劃分為“光學(xué)長隧道”和“非光學(xué)長隧道”2類，2類隧道照明系統(tǒng)構(gòu)成及其亮度指標(biāo)見表2。廣樂高速公路短隧道照明設(shè)計時，基于應(yīng)用研究成果進行了創(chuàng)新設(shè)計，系統(tǒng)功率比按規(guī)范設(shè)計降低40%以上，從而大大降低了初期投資和后期運營費用。因此，高速公路短隧道照明設(shè)計時，可參照應(yīng)用研究成果進行創(chuàng)新設(shè)計。

表1 廣樂高速公路隧道照明區(qū)段劃分對比

注：Lth為入口段亮度，cd/m2；Ltr為過渡段亮度，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

廣樂高速公路隧道照明系統(tǒng)采用高壓鈉燈(加強照明)+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光源光譜的光視效率問題。在亮度水平較高(幾十cd/m2以上)的加強照明段，人眼對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，人眼對藍綠色光的反應(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適應(yīng)需求，又可實現(xiàn)節(jié)能目的。

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

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)機選型等。廣樂高速公路隧道均為長度小于5 km以下的隧道，設(shè)置機械通風(fēng)的長、特長隧道均采用全射流縱向式通風(fēng)方式，因此對于通風(fēng)系統(tǒng)的創(chuàng)新性設(shè)計重點在于通風(fēng)計算參數(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)稀釋對象主要為CO、煙塵和空氣中的異味。該規(guī)范已頒布實施10余年，而隨著我國汽車工業(yè)的進步、燃油品質(zhì)的提高，以及人們?nèi)找嫣岣叩男熊嚢踩院褪孢m性需求，該規(guī)范提出的通風(fēng)標(biāo)準(zhǔn)已不符合現(xiàn)實情況[8]。綜合考慮我國經(jīng)濟技術(shù)發(fā)展水平和國外隧道通風(fēng)標(biāo)準(zhǔn)發(fā)展趨勢，并結(jié)合廣東省公路發(fā)展現(xiàn)狀和通行車輛狀況，高速公路隧道設(shè)計時對各種通風(fēng)對象的標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)進行了調(diào)整。

1) 大幅提高了CO設(shè)計濃度值。CO設(shè)計濃度取值對比見表3。

2) 煙塵設(shè)計濃度仍采用規(guī)范建議值，其取決于洞內(nèi)能見度情況，仍符合行車安全需求[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]。換氣工況計算參數(shù)對比見表4。

表3 CO設(shè)計濃度取值對比 cm3/m3

表4 換氣工況計算參數(shù)對比

3.2 汽車尾氣排放量

綜合考慮汽車工業(yè)的發(fā)展、我國汽車污染物排放限值標(biāo)準(zhǔn)或法規(guī)相關(guān)規(guī)定，JTJ 026.1—1999對汽車尾氣基準(zhǔn)排放量的規(guī)定及計算已明顯落后于當(dāng)前的技術(shù)狀況，若按此設(shè)計則將使得通風(fēng)系統(tǒng)規(guī)模偏大。結(jié)合我國汽車工業(yè)技術(shù)現(xiàn)狀、燃料技術(shù)發(fā)展趨勢以及廣東省汽車污染物排放限值標(biāo)準(zhǔn)等要求，廣東廣樂高速公路有限公司委托相關(guān)單位開展了《隧道節(jié)能技術(shù)應(yīng)用示范研究》課題，確定了符合我國特別是廣東省機動車一氧化碳基準(zhǔn)排放量qCO和煙塵基準(zhǔn)排放量qVI，并將其用于設(shè)計。設(shè)計值與JTJ 026.1—1999取值的對比見表5。

從表5可以看出，設(shè)計取值降低了汽車尾排污染物總量，減少了隧道所需風(fēng)量及裝機功率，既節(jié)省初期投資，又節(jié)約能源，減少運營費用。不同取值標(biāo)準(zhǔn)下的基準(zhǔn)排放量取值對比分析見表6。

表5 汽車尾排污染物排放參數(shù)取值對比[5]

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

注：1.0%和2.0%均代表汽車尾排污染物年遞減率。

4 結(jié)束語

高速公路隧道運營安全與節(jié)能是一項復(fù)雜的系統(tǒng)工程，創(chuàng)新的設(shè)計思想、完善的標(biāo)準(zhǔn)體系、符合工程特點的參數(shù)取值、系統(tǒng)設(shè)置等是從根本上保證行車安全、節(jié)約能源的重要技術(shù)措施。我國高速公路隧道數(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，進行隧道通風(fēng)、照明系統(tǒng)設(shè)計時，應(yīng)靈活應(yīng)用規(guī)范，并對各項新技術(shù)予以研究和關(guān)注，以便能更好地總結(jié)經(jīng)驗，完善隧道機電系統(tǒng)技術(shù)體系，促進公路隧道設(shè)計向“合理化”“節(jié)能化”目標(biāo)發(fā)展。

[1] 交通部公路司，中國工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會公路工程委員會.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)計院.公路隧道通風(fēng)照明設(shè)計規(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)計院有限公司.公路隧道設(shè)計規(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)計院有限公司.公路隧道照明設(shè)計細則: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)計院有限公司.公路隧道通風(fēng)設(shè)計細則: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，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[J]. 地下空間與工程學(xué)報，2011，7(4)：819-824.

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[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]. 長安大學(xué)學(xué)報(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

陳達章(1970-)，男，廣東省梅縣人，碩士，高工。

1009-6477(2016)05-0105-05

U459.2

A