雙層隧道機電及智能化系統(tǒng)設計關鍵技術探討

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，結構新穎，機電設備繁多，國內類似工程成功案例較少，可借鑒經驗不多。本文結合溫州某在建城市主干道雙層隧道工程，對雙層隧道機電及智能化系統(tǒng)分別從設計技術標準的采用、通風設計、照明設計、供配電設計、消防設計、監(jiān)控設計、智能化管理設計各方面進行論述。相對于普通的公路或城市道路隧道機電工程來講具有一定的創(chuàng)新，希望通過本文的分析與總結，為今后類似的雙層隧道機電及智能化系統(tǒng)設計提供一些借鑒。

關鍵詞：隧道;雙層隧道;隧道機電;交通隧道;隧道智能化

0 引言

隨著社會經濟的發(fā)展，對交通需求普遍提高，近郊隧道普遍要求設計非機動車道;而《城市道路工程設計規(guī)范》規(guī)定：“對長度大于1 000 m的隧道，嚴禁在同一孔內設置非機動車道或人行道”。目前一般的做法多為在外側設置非機專用隧道，在斷面上出現了四洞并列的情況，隧道口占地很大，往往達到80 m到100 m的寬度，受現有的土地政策影響，分離式的四洞并列隧道往往很難實施。雙層隧道結構提供了較好的解決方案，即可滿足非機動車道的需求，又可滿足少占用地的要求。該工程在隧道機電工程設計方面有所突破創(chuàng)新，可供同行借鑒。

1 工程概況

溫州某在建城市主干道，設計速度60 km/h，機動車道雙向六車道，路基寬度50 m，設置一座長隧道（左洞長1 360 m，右洞長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構。隧道上層機動車道凈寬13.75 m，凈高：4.50 m;隧道下層非機動車道凈寬6.5 m，凈高：3 m。隧道電氣標準橫斷面如圖1所示。

2 設計技術標準

目前城市道路隧道相關的國家設計標準和規(guī)范不齊全，隧道機電設計主要參照《公路隧道設計規(guī)范第二冊交通工程與附屬設施》（JTGD70/2-2014）執(zhí)行。項目為城市主干道，預測末年交通量為37 500（pcu/d），交通工程等級參照一級公路隧道的分級標準中的A級執(zhí)行，相應的機電設施配置內容為：通風、照明、供配電、交通監(jiān)控、火災探測報警、消防設施、智能中央控制管理等設施。設計以安全、智能、經濟、節(jié)能為基本原則，各系統(tǒng)均具有自動與手動操作功能。

消防系統(tǒng)主要參照《建筑設計防火規(guī)范》（GB50016-2006）隧道分類要求，隧道上層為僅限通行非危險化學品等機動車，隧道長度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動車，隧道長度500 m

3 隧道通風系統(tǒng)

3.1 上層隧道通風設計

根據計算并考慮遠期交通量增長需求，隧道左右洞機動車道均安裝射流風機5組共10臺（直徑1120型，功率30 kW，其中1組2臺為遠期風機），總裝機容量600 kW，換氣頻率近期3次/h、遠期5次/h，每次換氣不低于5分鐘。

3.2 下層隧道通風設計

下層隧道為非機動車與人行隧道，無燃油車，《公路隧道通風設計細則》中采用CO和NO2設計濃度控制的不太適用于人行隧道，故下層隧道通風主要參照《公共場所集中空調通風系統(tǒng)衛(wèi)生規(guī)范》（衛(wèi)生部 2006）、《人民防空地下室設計規(guī)范》（GB50038-2019）中的地下車站公共區(qū)通風標準執(zhí)行，全新風量按30 m3/h/人的標準設計，換氣頻率近期5次/h，換氣風速不應低于2.5 m/s;最小新風量按12.6 m3/h/人的標準設計，且不小于系統(tǒng)總風量的10%。

下層隧道分別在兩端洞口地面中分帶內設置風亭（內設消防通風兩用臥式離心風機，功率28 kW），通過下層左側專用通風道（內設雙向射流風機6臺，功率15 kW）送入新風，在非機動車道側墻上每隔50 m設置一處通風孔（80 cm*80 cm，通風孔設1.5 kW可逆轉的壁式變頻軸流風機）。正常工況下，下層換氣時由一端洞口臥式風機先開啟送風狀態(tài)，風道內的射流風機依次開啟，另一端洞口臥式風機開啟排風模式，通風孔向非機動車道內送入新鮮空氣;火災工況下，啟動壁式變頻軸流風機向風道內排煙。

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《公路隧道照明設計細則》的相關規(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、過渡照明段1、過渡照明段2、出口段、基本照明（亮度取值2.5 cd/m2）、應急照明。隧道洞口加強段采用120 W-LED燈兩排布燈方式;洞內基本段采用80 W-LED燈雙側排交錯布燈。

下層隧道照明：不設加強照明，僅為基本照明，光源采用50 W-LED燈，雙側交錯布燈。

應急照明：分別由一個回路的基本段照明設成應急照明，應急回路由在線式EPS供電。

5 供配電系統(tǒng)

5.1 負荷分類與裝機容量

隧道內應急照明、疏散標志、交通監(jiān)控設施、通風及照明控制設施、緊急呼叫設施、火災檢測報警控制設施、中央控制設施為一級負荷中特別重要的負荷;消防水泵、基本照明、排煙風機為一級負荷;通風機為二級負荷;其余隧道電力負荷均為三級負荷。

5.2 變電所設計

分別在隧道兩端洞口各設一座變電所（各設置一臺600 kVA的干式變壓器）。兩個變電所的供電范圍為各承擔一半隧道長度范圍內的用電設備。變電所10 kV側采用單母線接線方式;變電所0.4 kV側采用單母線分段接線方式，兩段母線間設置分段斷路器，并設置電源自動切換裝置，正常運行時，母聯(lián)斷路器合閘兩段母線由變壓器供電，當變壓器因故退出運行時，母聯(lián)斷路器自動斷開，由自備柴油發(fā)電機組（300 kVA）為0.4 kV二段母線上的一級負荷供電。

為保證在外線意外停電時能維持隧道洞內部分照明用電，在隧道變電所內設有應急電源-EPS。同時低壓系統(tǒng)采用了最新的SVG-動態(tài)無功補償系統(tǒng)，功率因數cosφ控制在0.9以上，提高電網效率和安全性。

5.3 電纜敷設

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

6 消防系統(tǒng)

6.1 上層隧道消防設施

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。隧道內防火區(qū)間50 m。

6.2 下層非機動車道消防設施

下層隧道僅限人行或通行非機動車，無油類火災，故消防采用干粉滅火器和噴淋系統(tǒng)組成。噴淋管沿非機動車道頂部縱向布設，每隔4.5 m設置一個自動啟閉式灑水噴頭，動作溫度大于65度。噴淋系統(tǒng)同時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，通過通風孔的排煙風機將煙排入風道內。

6.3 消防泵房

由于近郊隧道山頂無可收集的地表水，消防水源只能采用自來水管網補給，在隧道東端設一座消防加壓泵房。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，地面設置一個亭式檢修入口。泵房內設置機械加壓系統(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 火災檢測與報警系統(tǒng)

上層隧道火災檢測與報警系統(tǒng)采用火焰探測和手動報警系統(tǒng)，系統(tǒng)由隧道內的火災報警綜合盤（含雙波長火焰探測器及手動報警按鈕）、中控室的警鈴、消防報警主機以及連接線纜等組成，采用總線制形式。

下層隧道火災檢測與報警系統(tǒng)采用感溫光纖和手動報警系統(tǒng)，系統(tǒng)由隧道內頂部縱向安裝的感溫光纖和中控室的光纖接續(xù)盒、光纖測溫主機組成，光纖測溫主機采用網絡協(xié)議模塊與消防報警主機連接。

7 監(jiān)控設計

7.1 傳輸網絡系統(tǒng)

傳輸網絡采用工業(yè)以太網設備組成100 M冗余光纖雙環(huán)網（兩條光纖并列運行），各區(qū)域控制器之間及區(qū)域控制器與中控室控制計算機之間的以太網進行信息交換，實現各子系統(tǒng)和區(qū)域控制器、服務器間的互聯(lián)，構成統(tǒng)一、開放、可靠、安全的局域網。各子系統(tǒng)之間通過VLAN（虛擬局域網）進行安全隔離。

7.2 交通監(jiān)控系統(tǒng)（外場設備）

系統(tǒng)由中控室內的控制臺、交通控制計算機、室外的交通區(qū)域控制器、信號燈、車道指示器、可變限速標志、高清攝像機、設備箱柜、連接電纜、接線盒等組成。系統(tǒng)屬主從計算機分布式控制系統(tǒng)。管理室設中心計算機，現場設區(qū)域控制器。

隧道內設置了車道指示器、可變限速標志、交通區(qū)域控制器，在隧道的左右洞入口處設置可變信息標志板及四可變交通信號燈。

上層隧道和下層隧道均每隔150 m設置一臺自動光圈的定焦距高清攝像機;各隧道洞口均配置自帶全天候防護罩的云臺遙控攝像機，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)

在隧道內大約每隔200 m設置一臺（左右線）緊急電話。在隧道監(jiān)控室設置緊急電話控制主機，管理所屬的緊急電話分機。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置廣播設施，隧道洞口外設置高音喇叭。上下層廣播獨立線路，運營時下層廣播可播放輕音樂或新聞等內容，以緩解下層行人的壓抑緊張感。

有線廣播系統(tǒng)由設置于隧道內外的揚聲器、設置于隧道監(jiān)控室的擴音機、有線廣播控制器和監(jiān)聽設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)采用計算機局域網結構方式，設置2臺中心服務器（一備一用）。各子系統(tǒng)有獨立的工作站作為控制計算機，通過網絡節(jié)點與服務器相連。設置一臺智能化聯(lián)動控制管理機，負責統(tǒng)一協(xié)調管理通風及照明控制、交通控制、火災報警集中控制、閉路電視控制、廣播系統(tǒng)控制及電力監(jiān)測等。

中央管理系統(tǒng)接受外場設備送來的數據，能夠對它們進行實時運算、分析與處理，準確地判斷道路上的交通運行情況及事故發(fā)生情況，并顯示相關信息。

監(jiān)控室計算機在事故自動檢測的基礎上自動選擇響應的交通控制方案，經控制臺操作員確認后，下發(fā)執(zhí)行。特殊情況下，應有人工干預控制方式，中斷正常程序，進入緊急處理程序，準備好相應的控制指令，待值班人員綜合閉路電視、火災檢測、巡邏車等報警信息確認后執(zhí)行。

控制方案應是綜合方案，不只是一個單一子系統(tǒng)的動作，應全面考慮隧道內、外交通運營狀態(tài)后形成的各個子系統(tǒng)的聯(lián)合協(xié)調動作，以保證隧道交通處于最佳狀態(tài)。

9 節(jié)能設計

9.1 通風節(jié)能

在上層隧道進口設置車流檢測器，在隧道內設置了CO-VI檢測器，數據信號上傳至管理中心，通風控制器根據預設的限值自動開啟隧道內的風機，在安全運營下達到節(jié)能效果。

在下層隧道進出口設置人流檢測器，數據信號上傳至管理中心，通風控制器根據預設的限值自動開啟隧道內的風機，在安全運營下達到節(jié)能效果。

9.2 照明節(jié)能

照明光源采用LED節(jié)能燈，同時照明控制采用了智能調光控制系統(tǒng)，隧道口設置了照度儀，數據信號上傳至管理中心，調光控制器可根據車流量和洞內外亮度的變化情況自動調節(jié)洞內亮度，最大的程度的實現照明節(jié)能效果。

10 結語

目前，隨著我國經濟的飛速發(fā)展，交通基礎設施建設和城市建設均提出了更高的需求，土地保護政策越來越嚴格，近郊有非機通行需求的隧道可考慮采用雙層隧道方案，相信未來會有更多的雙層隧道投入建設。這種雙層隧道機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、經濟、節(jié)能方面均需要進一步的深入研究，希望本文能夠起到拋磚引玉的效果，通過更多的工程案例總結出更好的經驗供同行借鑒。

參考文獻：

[1]國家行業(yè)標準.JTG 3370.1-2018，公路隧道設計規(guī)范 第一冊 土建工程[S].北京：人民交通出版社，2019.

[2]國家行業(yè)標準.JTG D70/2-2014，公路隧道設計規(guī)范 第二冊 交通工程與附屬設施[S].北京：人民交通出版社，2014.