高速公路隧道機(jī)電工程關(guān)鍵設(shè)施檢測技術(shù)

王亨琴

（甘肅省交通科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司，甘肅 蘭州 730070）

1 應(yīng)用背景

高速公路隧道機(jī)電設(shè)施是高速公路正常運營管理的前提條件。隧道因其建筑結(jié)構(gòu)特殊而相對封閉，隧道照明環(huán)境由于黑洞白洞效應(yīng)影響，對駕駛員來說光適應(yīng)性較差，若車流量增大，空氣質(zhì)量變差，環(huán)境噪聲影響變大導(dǎo)致隧道更容易發(fā)生異常狀況，所以如何及時有效開展隧道機(jī)電交竣工檢測及定期養(yǎng)護(hù)檢測，確保交通運營安全具有重要意義。

近幾年來，隨著智慧高速的迅速發(fā)展，高速公路機(jī)電系統(tǒng)涌現(xiàn)出了大量新產(chǎn)品、新技術(shù)和新工藝，智慧化建設(shè)與傳統(tǒng)機(jī)電的融合促進(jìn)了公路機(jī)電工程的不斷發(fā)展。2020年3月，《公路工程質(zhì)量檢驗評定標(biāo)準(zhǔn) 第二冊 機(jī)電工程》（JTG 2182—2020）發(fā)布實施。相比舊標(biāo)準(zhǔn)，新標(biāo)準(zhǔn)中增加了部分機(jī)電產(chǎn)品，對部分分項工程進(jìn)行合并，其中隧道機(jī)電部分變動較大[1]。針對目前省內(nèi)機(jī)電薄弱現(xiàn)狀，傳統(tǒng)機(jī)電檢測的不足，對隧道機(jī)電工程交竣工檢測及定期養(yǎng)護(hù)檢測的重點難點進(jìn)行研究。

2 高速公路隧道機(jī)電設(shè)施

高速公路隧道機(jī)電涉及電子信息、通信工程、計算機(jī)、交通工程等多學(xué)科綜合知識。產(chǎn)品涵蓋車輛檢測器、電光標(biāo)志、火災(zāi)探測器、PLC等多個產(chǎn)品，包含5大系統(tǒng)18個分項近百個參數(shù)，其中供配電設(shè)施為整個隧道機(jī)電系統(tǒng)提供電力保障，通風(fēng)和照明設(shè)施為駕駛員提供良好的道路交通環(huán)境，消防設(shè)施是在隧道出現(xiàn)火災(zāi)等情況下能及時滅火的前提，隧道監(jiān)控設(shè)施起到信息采集、信息發(fā)布、指揮控制、交通誘導(dǎo)等重要作用，是整個隧道機(jī)電設(shè)施的中樞神經(jīng)，隧道機(jī)電系統(tǒng)組成如圖1所示。

圖1 隧道機(jī)電系統(tǒng)組成圖

2.1 隧道通風(fēng)設(shè)施

隧道運營后，通風(fēng)設(shè)施主要用來排放通行車輛產(chǎn)生有害氣體及煙塵污染。另外，當(dāng)隧道內(nèi)發(fā)生火災(zāi)事故時，通過提供新風(fēng)系統(tǒng)，便于人員和車輛在上游及時疏散。若隧道交通量較小，往往不需要開啟所有風(fēng)機(jī)，在交通擁擠或有火災(zāi)發(fā)生時，風(fēng)機(jī)必須按照設(shè)計要求聯(lián)動。通風(fēng)控制的作用就是要依據(jù)洞內(nèi)的環(huán)境情況（主要是CO、VI含量）合理使用隧道內(nèi)通風(fēng)設(shè)備。

2.2 隧道照明設(shè)施

根據(jù)公路相關(guān)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，隧道長度大于100 m時應(yīng)設(shè)置照明設(shè)施，與其他路段不同，隧道照明設(shè)施包括白天夜間，一般來說，隧道照明系統(tǒng)主要分為7段并包含洞外引道照明。隧道照明設(shè)施主要用來改善隧道內(nèi)照明環(huán)境，為駕駛員提供良好的視覺，保證行車安全。

2.3 隧道消防設(shè)施

隧道消防設(shè)施包含室外水池、室外消火栓，室內(nèi)消火栓及消防箱等。隧道內(nèi)一旦發(fā)生火災(zāi)，通過火災(zāi)探測器發(fā)出火災(zāi)報警信號，進(jìn)而啟動火災(zāi)聯(lián)動措施。

2.4 隧道監(jiān)控設(shè)施

隧道監(jiān)控設(shè)施是指通過監(jiān)測設(shè)備對隧道內(nèi)交通狀況、路面、天氣狀況和設(shè)備工作狀態(tài)等參數(shù)進(jìn)行實時觀察和測量，并將數(shù)據(jù)信息傳輸至隧道監(jiān)控中心進(jìn)行交通誘導(dǎo)。

2.5 隧道供配電設(shè)施

公路隧道配電屬于低壓部分，主要是為隧道監(jiān)控、收費、通風(fēng)、照明等系統(tǒng)提供專業(yè)用電，隧道配電包括中心（站內(nèi)）低壓配電設(shè)施和外場設(shè)備電力電纜設(shè)施兩大分項。

3 隧道機(jī)電設(shè)施檢測特點

隧道機(jī)電設(shè)施大多由控制芯片、各類功能傳感器、通信與電源模塊組成。由于隧道機(jī)電設(shè)施的特殊性，機(jī)電故障往往具有隱蔽性和突發(fā)性。部分早期故障問題往往由于設(shè)計缺陷、材料質(zhì)量問題和人員操作不熟練等原因造成的，運營期損耗故障期主要是零部件、元器件老化或維護(hù)不當(dāng)所致。由于機(jī)電設(shè)施的運行是一個動態(tài)過程，一般要求機(jī)電設(shè)施調(diào)試運行穩(wěn)定后進(jìn)行交竣工驗收。高速公路機(jī)電養(yǎng)護(hù)應(yīng)制定相關(guān)的養(yǎng)護(hù)技術(shù)手冊，養(yǎng)護(hù)定期檢測一般每年不少于1次[2]。

4 公路隧道機(jī)電關(guān)鍵設(shè)施檢測

機(jī)電工程建設(shè)質(zhì)量是影響道路功能有效發(fā)揮的直接因素，尤其是其中包含大規(guī)模的專用軟件和科技含量較高的硬件設(shè)施，數(shù)量及類型各異，若相關(guān)設(shè)施的質(zhì)量得不到應(yīng)有的保障，容易造成進(jìn)場機(jī)電工程產(chǎn)品以次充好，安裝工藝不能有效控制，系統(tǒng)功能不能有效發(fā)揮，導(dǎo)致運營期故障不斷。高速公路隧道機(jī)電工程交竣工驗收包含基本要求、實測項目、外觀質(zhì)量和質(zhì)量保證資料。養(yǎng)護(hù)定期檢測根據(jù)《公路隧道養(yǎng)護(hù)技術(shù)規(guī)范》（JTG H12—2015），計算設(shè)備完好率并進(jìn)行技術(shù)狀況評定。

4.1 外觀及內(nèi)業(yè)資料檢查

機(jī)電工程外觀檢查重點之一是機(jī)電工程的設(shè)備機(jī)箱安裝質(zhì)量，包含與之相關(guān)的電力線、信號線、防雷、接地、安全保護(hù)等處理工序、工藝及各工作部件的設(shè)備等。新標(biāo)準(zhǔn)所列的外觀質(zhì)量限制缺陷見表1，質(zhì)量保證資料主要檢查項目資料的完整性、合理性、準(zhǔn)確性，包括施工和監(jiān)理資料。

表1 機(jī)電工程外觀質(zhì)量限制缺陷

4.2 隧道監(jiān)控系統(tǒng)

4.2.1 車輛檢測器車速和車流量相對誤差

車流量及車速相對誤差對應(yīng)舊標(biāo)準(zhǔn)中交通量及車速計數(shù)精度，測量車速誤差時是以一輛車為一個樣本，計算每輛車瞬時車速的雷達(dá)測速儀測量值與檢測器測量值的相對誤差，測量完規(guī)定的樣本量之后，取所有樣本的平均值，而不是將所有的被測設(shè)備檢測速度相加求平均值減去雷達(dá)測速儀檢測的平均速度。

4.2.2 閉路電視監(jiān)視系統(tǒng)視頻傳輸通道

將數(shù)字信號發(fā)生器接入視頻通道輸入端，用數(shù)字視頻測試儀檢測傳輸通道的各分量輸出量化誤差，K系數(shù)，連接測試圖如圖2所示。發(fā)送高清晰度多波群信號或sinx/x信號，檢測傳輸通道的幅頻特性；發(fā)送高清晰度五階梯波信號，檢測傳輸通道的非線性失真；發(fā)送高清晰度彩條信號，檢測傳輸通道的信號時延差；發(fā)送靜默行信號，檢測傳輸通道的信噪比。

圖2 視頻傳輸通道測試連接圖

4.2.3 緊急電話與有線廣播系統(tǒng)

隧道內(nèi)的緊急電話一般都同時安裝了有線廣播系統(tǒng)，所以新規(guī)范中將緊急電話與廣播合并為一個分項，抽檢時按外場緊急電話分機(jī)數(shù)量進(jìn)行統(tǒng)計。“分機(jī)音量”和“廣播音量”2個項目的檢查方法是參照《高速公路有線緊急電話系統(tǒng)》（GB/T 19516—2017）等相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及現(xiàn)場情況制定。廣播音量在廣播喇叭正前方1 m處，用聲級計測量。分機(jī)音量通過在控制臺值班話機(jī)按“0”鍵10 s，將聲級計置于揚聲器正前方0.4 m處進(jìn)行檢測。

4.2.4 隧道環(huán)境檢測設(shè)備工程

隧道環(huán)境檢測包含CO、煙霧、照度、風(fēng)速風(fēng)向等內(nèi)容，傳感器測量誤差使用相關(guān)設(shè)備進(jìn)行比對或查閱相關(guān)計量資料，對相關(guān)功能進(jìn)行實操并驗證。

4.2.5 隧道視頻交通事件檢測系統(tǒng)

隧道內(nèi)的視頻交通事件檢測系統(tǒng)主要用于檢測交通事件，與道路視頻交通事件檢測系統(tǒng)不同，不包含交通參數(shù)相關(guān)檢測。

4.2.6 隧道管理站設(shè)備及軟件

隧道管理站設(shè)備及軟件實測項目包括對服務(wù)器，各功能計算機(jī)進(jìn)行功能驗證，對隧道應(yīng)急預(yù)案進(jìn)行實操檢驗。

4.2.7 隧道管理站計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)

計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)性能包括網(wǎng)線質(zhì)量、以太網(wǎng)性能要求和以太網(wǎng)鏈路層，網(wǎng)線質(zhì)量應(yīng)根據(jù)測試需求選擇永久鏈路測試或信道測試，無要求時宜選擇信道測試，參考《綜合布線系統(tǒng)驗收規(guī)范》（GB/T 50312—2016）。以太網(wǎng)系統(tǒng)性能要求包括鏈路傳輸速率、吞吐率、傳輸時延及丟包率等指標(biāo)，參考規(guī)范為《基于以太網(wǎng)技術(shù)的局域網(wǎng)（LAN）系統(tǒng)驗收測評規(guī)范》（GB/T 21671—2018）。

4.3 隧道通風(fēng)系統(tǒng)

4.3.1 射流分機(jī)

由于射流分機(jī)安裝在隧道正上方，其安裝質(zhì)量要求較高，需要核查預(yù)埋件的隱蔽工程施工資料和風(fēng)機(jī)拉拔檢測報告。

風(fēng)機(jī)平均風(fēng)速：根據(jù)《工業(yè)通風(fēng)機(jī)現(xiàn)場性能測試》（GB/T 10178—2006）以及隧道主洞輪廓，將隧道斷面劃分為16個測試區(qū)域，如圖3所示，根據(jù)通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計工況，開啟對應(yīng)風(fēng)機(jī)，待風(fēng)速計速度相對穩(wěn)定后，取各點3次測試的平均值，作為該斷面各測點的風(fēng)速值。

圖3 隧道通風(fēng)測試斷面示意圖

風(fēng)速測量過程中需要特別注意的是：①需要等隧道通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計工況下對應(yīng)風(fēng)機(jī)開啟，且隧道斷面流場均勻后測試，通常隧道對所有對應(yīng)風(fēng)機(jī)開啟后30 min；②由于隧道車行橫洞和人行橫洞的開閉對測試結(jié)果影響較大，測試過程中需根據(jù)設(shè)計要求重點關(guān)注隧道車行橫洞、人行橫洞等的啟閉狀態(tài)。風(fēng)機(jī)安裝高度：使用激光測距儀，放在風(fēng)機(jī)正下方，進(jìn)行測試。功能性檢測：對風(fēng)機(jī)進(jìn)行正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、單個風(fēng)機(jī)、2個風(fēng)機(jī)啟動等的功能驗證。

4.3.2 軸流風(fēng)機(jī)

軸流風(fēng)機(jī)由于能耗高，需要對風(fēng)速調(diào)節(jié)功能、風(fēng)閥啟閉功能及葉片角度調(diào)節(jié)和控制功能等參數(shù)進(jìn)行實操驗證。

4.4 隧道照明系統(tǒng)

無極調(diào)光功能是通過實時監(jiān)測隧道洞口亮度、車流量對隧道內(nèi)亮度進(jìn)行自動調(diào)節(jié)。色溫和路墻亮度比主要影響在隧道封閉環(huán)境內(nèi)公路使用者的生理、心理感知。

亮度半封閉測量方法：對于公路隧道在入口段、過渡段、中間段、出口段和洞外引道分別取100 m，按縱向間隔5 m、橫向間隔每車道3點布點，當(dāng)公路隧道各照明段中小于100 m時，縱向按實際長度間隔10等份布點。

功能性檢測：對照明不同回路的啟動演練。

4.5 隧道消防系統(tǒng)

4.5.1 手動火災(zāi)報警系統(tǒng)

隧道管理站警報器音量應(yīng)符合設(shè)計要求，其次按下報警按鈕后能觸發(fā)警報器啟動。

4.5.2 自動火災(zāi)報警系統(tǒng)

自動火災(zāi)報警系統(tǒng)首先是能夠檢測到火災(zāi)并啟動報警，其中，火災(zāi)探測響應(yīng)采用火盆法，參照《公路隧道火災(zāi)報警系統(tǒng)技術(shù)條件》（JT/T 610—2004）中的相關(guān)要求，在現(xiàn)場進(jìn)行點火試驗，記錄火災(zāi)檢測器的響應(yīng)時間?；馂?zāi)自動報警系統(tǒng)響應(yīng)時間試驗要在不同工況下分別進(jìn)行，試驗時，試驗人員要做好現(xiàn)場安全防護(hù)工作。

4.5.3 電光標(biāo)志

目前，隧道所用光電標(biāo)志主要為有源標(biāo)志，用于隧道火災(zāi)或事故，引導(dǎo)現(xiàn)場人員撤離到安全地帶，包含疏散指示標(biāo)志、消防設(shè)備指示標(biāo)志等，電光標(biāo)志亮度參數(shù)采用分光色度計測量。

4.5.4 發(fā)光誘導(dǎo)設(shè)施

發(fā)光誘導(dǎo)設(shè)施是指安裝在公路隧道內(nèi)的LED發(fā)光型誘導(dǎo)設(shè)施，起到行車安全誘導(dǎo)的作用，新標(biāo)準(zhǔn)中刪除誘導(dǎo)設(shè)施亮度指標(biāo)。

4.5.5 消防設(shè)施

消防設(shè)施檢查重點是各設(shè)備的安全保護(hù)、用水設(shè)施的水壓。功能驗證主要是消防設(shè)施（各種滅火器、消火栓）能夠正常工作（自動噴水滅火系統(tǒng)的自動啟動，手動滅火設(shè)備的滅火功能）。電伴熱功能是否能滿足北方高寒地區(qū)保溫要求。對橫通道門進(jìn)行現(xiàn)場以及遠(yuǎn)程的開啟演練。對消防設(shè)施進(jìn)行現(xiàn)場使用，對于噴射的距離進(jìn)行測算[3]。

4.5.6 本地控制器

本地控制器主要為區(qū)域PLC控制器，本地控制器至控制中心以及隧道內(nèi)下端設(shè)備的保護(hù)線、信號線、電力線的連接應(yīng)符合設(shè)計要求，本地控制器IP網(wǎng)絡(luò)傳輸功能采用以太性能測量儀測量，控制功能進(jìn)行實操驗證。

4.6 隧道供配電系統(tǒng)

電能質(zhì)量分析儀適用于變壓器低壓380 V、50 Hz交流供電系統(tǒng)中電能質(zhì)量參數(shù)測試，測試時按照A、B、C 和N 的順序，將電能質(zhì)量分析儀的電壓、電流互感器分別連接在被測設(shè)備對應(yīng)線路上[4]。從電能質(zhì)量分析儀系統(tǒng)軟件上讀取測試結(jié)果并進(jìn)行判定，試驗有效數(shù)據(jù)采集時間應(yīng)不少于10 min。

5 總結(jié)

機(jī)電工程涉及的專業(yè)工作界面多，包含收費所站（車/道）三級系統(tǒng)、監(jiān)控中心、收費中心、通信站、隧道機(jī)電、路段監(jiān)控設(shè)施等，項目實施中要充分考慮不同系統(tǒng)之間的融合性能，檢測單位應(yīng)在試驗檢測工作中對系統(tǒng)兼容性、功能參數(shù)匹配等方面給予重點關(guān)注，本文結(jié)合相關(guān)技術(shù)規(guī)范與實踐操作對隧道機(jī)電系統(tǒng)功能檢測進(jìn)行研究，幫助從業(yè)人員深入了解隧道機(jī)電，提高現(xiàn)場檢測能力。