某高速公路特长隧道照明系统设计

王少山

（山西交通控股集团有限公司，山西 太原 030006）

隧道作为高等级公路的特殊路段，是一种特殊的管状构造物。高速公路隧道的安全运营与隧道照明息息相关，而且隧道照明的电费在高速公路运营养护费用中占到很大的比例，因此根据不同工况提供科学合理的隧道照明方案至关重要。

1 工程概况

静乐丰润至兴县黑峪口高速公路是陕西、内蒙原煤东运的一条主要通道，它的建成必将大大改善沿线地区的交通环境，不仅可以对S313省道忻黑线分流一大批车流，而且还能有效地缓解娄烦县、丰润镇、临县、岚县、岢岚县、及兴县境内国道G209、省道S217岚马线、省道S252岚古线和省道S218岢大线的通行压力，使得该区域范围内的公路交通更加顺畅，同时可以使当地的旅游资源和自然资源优势得以充分的发挥，对山西省吕梁市、忻州市静乐县、太原市娄烦县及陕西省神木县经济的快速形成和发展具有非常大的促进作用。本项目为山岭重丘区路段，公路距离城镇较远。道路全段采用双向四车道高速公路标准，路基宽度 25.5 m，设计速度采用80 km/h。本设计范围内隧道长度均在200 m以上，为保证行车安全，按照规范要求需设置电光照明。其中白龙山隧道为特长隧道，左线全长10 374 m，右线全长10 490 m，系统设计难度大。该项目的地理位置如图1所示。

图1 项目地理位置图

白龙山特长隧道：隧道位于中山剥蚀侵蚀基岩，跨越的沟谷两端地形陡峭，沿线岩性为吕梁山群赤坚岭组（ALc）黑云千枚岩夹钙质石英岩、吕梁山群杜家沟组（ALd）变质流纹斑岩夹角闪片岩；野鸡山群青杨树湾组（PYq）变质砾岩、长石石英岩、千枚岩；野鸡山群白龙山组（PYb）斜长角闪岩、角闪片岩；界河口群奥家滩组（AJa）黑云钾长片麻岩、夹大理岩；界河口群小蛇头组（AJx）斜长角闪岩、含砾石英岩；元古代辉长辉绿岩（βμ2）。

隧道沿线地层倾向270°～300°，倾角35°～50°。有两条断层（F1、F2平推断层）经过隧道两组节理比较发育，一组130°∠70°，2～4条/m；另一组200°∠70°，3～4条/m，风化卸荷裂隙和劈理发育，节理对岩石的切割较为严重，地表岩石被切割成块状碎裂结构，且片麻岩强风化，风化深度一般可达10～20 m，总体看节理裂隙发育，围岩稳定性好。

综合评价，本段工程地质条件一般。

2 隧道照明系统设计

2.1 设计标准

公路隧道照明设计应统筹规划，一次设计，分期实施。为合理地设置照明系统的规模，考虑到各地交通量增长的不平衡性，本项目拟根据工可预测交通量分3期实施。一期按设计小时交通量为350 veh/（h·ln）确定，二期、三期分别按 2030 年、2039年的预测交通量确定[1-2]。

为了同时达到隧道运营安全和节能减排的目的，本项目隧道照明设计的原则是在首先要保证行车安全，以及行车条件的舒适；其次要采用高效节能的光源；最后，要通过无级调光控制系统进行控制整个照明系统，使得隧道亮度水平符合现场洞外亮度情况和实际的车流量。

本项目根据工可中提供的数据，该项目交通量预测结果见表1所示，车辆的构成比例如表2所示，设计小时交通量系数K选取为0.10，方向不均匀系数D选取为0.55；分别将隧道路段的二期、三期所对应的预测标准小客车平均日交通量折算成混合车型高峰小时交通量，实际交通量换算结果见表3所示。隧道设计行车速度为80 km/h。

本项目隧道路面均采用了沥青混凝土路面，根据规范，平均亮度与平均照度之间的换算系数取15 lx/(cd·m-2)。

表1 交通量预测结果 pcu/d

表2 车辆的构成比例 %

表3 隧道路段实际交通量

系统设置内容包括：洞内主线照明、应急照明、引道照明及紧急停车带照明等。不同设计年限隧道照明设计标准计算如表4所示。按照《公路隧道照明设计细则》JTG/T D70/2-01—2014的要求[2]，进行如下设计。

2.1.1 入口段亮度取值

白龙山隧道位于重山峻岭地段，其两个入口均为端墙式洞口形式，其洞外亮度L20根据经验取为3 000 cd／m2。入口段设计亮度Lth1按L20的0.026 5倍计算。

表4 不同设计年限隧道照明设计标准计算

通过表4的计算结果表明在一期、二期和三期入口段相应亮度差别较小，故以三期作为设计标准，近期远期统一为一期考虑。

2.1.2 基本和应急照明

根据规范，单向交通且以设计速度通过隧道的行车时间超过135 s时，隧道基本照明段宜分为两个照明段。故大万山隧道按照要求将基本照明段分为基本照明1区段和基本照明2区段，基本照明1区段的长度为666 m，设计亮度取为2.5 cd/m2，基本照明2区段长度为余下的基本照明段长度[3]，设计亮度为2.0 cd/m2。

本项目大万山隧道设置了应急照明系统，并使用不间断应急电源系统为其提供电源。应急照明亮度按照规范不应低于基本段亮度的10%，但是也不应低于0.2 cd/m2。应急照明灯具利用了1/4的基本照明灯具，应急照明的供电电源维持时间大于30min。

基本照明从隧道入口开始布设，直到出口，贯穿于整个隧道，如果隧道内基本照明的亮度通过计算达不到设计标准，则应急照明在正常情况下可兼作基本照明，应急照明的亮度标准是按照规范取基本照明的1/4来设计的。隧道主洞照明灯具安装在隧道洞壁上底边距该电缆沟盖板5.2 m高处，安装倾角为15°，单排间隔布置。

2.1.3 紧急停车带和横通道照明

紧急停车带位于车行横洞附近，其作用主要是为异常车辆提供应急检修及维护的场所，也可以作为紧急情况拖挂车掉头的场所，故其照明选用显色指数高的LED光源，亮度大于4.0 cd/m2。本项目大万山隧道的紧急停车带亮度设计值均大于4.0 cd/m2。

大万山隧道设置有行人和行车横洞，横通道亮度设计值均大于1.0 cd/m2，保证意外情况下人员可以通过横洞迅速疏散。

2.2 照明系统设置

根据《公路隧道照明设计细则》（JTG/T D70/2-01—2014）中3.0.10条：公路隧道照明设计应考虑运营期灯具受污状况和养护情况,养护系数M值宜取0.7；另外，隧道照明灯具的布置形式也会影响到照明系统的效率，灯具两侧交错布置比灯具两侧对称布置效率高，因此隧道基本照明区段的灯具采用了两侧交错布置的方式，其余各段灯具对称布置。具体设置见表5所示。

表5 隧道各照明段长度及灯具布置表

3 照明控制

大万山隧道照明采用无级调光控制方式。无级调光系统采用DC0～5 V模拟电压信号控制LED灯输出功率，可满足长大公路隧道照明调光控制需求。

3.1 无级调光控制系统的原理

目前，公路隧道LED照明系统无极调光的模式，主要是“电压控制电流源（VCCS）”亮度控制方式，即：模拟信号控制电流平均值的模式，该方案已在公路隧道LED灯照明无级调光控制中广泛应用。模拟信号控制电流平均值的模式，主要是利用控制器产生的直流信号电压来控制输出电流平均值变化的一种输出电流可控的电源，其原理是直接将电流信号采样取回后，通过隔离放大控制电源中初级开关管的占空系数，之后隔离变压器将不同占空系数的电能进行隔离，之后再转换为直流脉冲电流，最后，经低通滤波器滤波后转换为大小随控制信号变化的直流电流，从而可以控制电源的输出电流。

3.2 系统组成

无级调光控制系统由光亮度检测仪、车流量检测装置、隧道智能照明系统控制器（无级调光控制器）、调光控制柜、以太网光端机（共用）、照明监控计算机及监控管理软件、配套的公路隧道LED灯及光（电）缆等组成。

3.3 设计控制方式

白天（5:30—17:00）：基本照明+加强照明（加强照明根据亮度要求进行无极调光）；

夜间（17:00—23:00）：基本照明；

深夜（23:00—次日6:00）：基本照明（可适当调低灯具功率）。

其中深夜的判断靠读取系统时间确定，加强段亮度及基本段亮度判断由设置亮度阙值确定。早上5:30后开启检测，达到阙值开启加强照明；下午5点后检测达到阙值关闭加强照明；光强度检测器的检测周期小于30 s；照明控制周期大于10 min。

基本段照明始终是开启的，只有在维修状态时，能够关闭。

在发生火灾情况下，通过人工调节方式开启所有照明回路。

当系统中其他基本照明及加强照明均掉电时，将应急照明灯具功率调至100%。

如果无级调光控制器发生了故障，则LED灯应全部开启到最大亮度。

加强照明和基本照明的两条控制线缆回路接入同一台调光控制设备，本设计中调光控制器台数为6台，分别设置在大万山隧道两侧洞口变电所及横洞箱变洞室内，控制范围依据实际情况确定。

另外，大万山隧道照明控制辅以时序控制方式。时序控制主要是当洞外亮度检测设施出现故障的情况下，备用执行的一种控制方法，该控制方法与传统时序控制配电回路的方式类似，即根据当地四季光照时间段的统计情况，实测得到的规律值，输入照明监控计算机，直接安装当地日照规律调控洞内照明亮度。

4 结语

针对静乐至兴县高速公路大万山特长隧道的照明系统进行了设计，光源选用LED隧道灯，控制方式以无极调光为主，辅以分级调光，达到按需照明的目的。