高速公路隧道机电工程关键设施检测技术

王亨琴

（甘肃省交通科学研究院集团有限公司，甘肃 兰州 730070）

1 应用背景

高速公路隧道机电设施是高速公路正常运营管理的前提条件。隧道因其建筑结构特殊而相对封闭，隧道照明环境由于黑洞白洞效应影响，对驾驶员来说光适应性较差，若车流量增大，空气质量变差，环境噪声影响变大导致隧道更容易发生异常状况，所以如何及时有效开展隧道机电交竣工检测及定期养护检测，确保交通运营安全具有重要意义。

近几年来，随着智慧高速的迅速发展，高速公路机电系统涌现出了大量新产品、新技术和新工艺，智慧化建设与传统机电的融合促进了公路机电工程的不断发展。2020年3月，《公路工程质量检验评定标准 第二册 机电工程》（JTG 2182—2020）发布实施。相比旧标准，新标准中增加了部分机电产品，对部分分项工程进行合并，其中隧道机电部分变动较大[1]。针对目前省内机电薄弱现状，传统机电检测的不足，对隧道机电工程交竣工检测及定期养护检测的重点难点进行研究。

2 高速公路隧道机电设施

高速公路隧道机电涉及电子信息、通信工程、计算机、交通工程等多学科综合知识。产品涵盖车辆检测器、电光标志、火灾探测器、PLC等多个产品，包含5大系统18个分项近百个参数，其中供配电设施为整个隧道机电系统提供电力保障，通风和照明设施为驾驶员提供良好的道路交通环境，消防设施是在隧道出现火灾等情况下能及时灭火的前提，隧道监控设施起到信息采集、信息发布、指挥控制、交通诱导等重要作用，是整个隧道机电设施的中枢神经，隧道机电系统组成如图1所示。

图1 隧道机电系统组成图

2.1 隧道通风设施

隧道运营后，通风设施主要用来排放通行车辆产生有害气体及烟尘污染。另外，当隧道内发生火灾事故时，通过提供新风系统，便于人员和车辆在上游及时疏散。若隧道交通量较小，往往不需要开启所有风机，在交通拥挤或有火灾发生时，风机必须按照设计要求联动。通风控制的作用就是要依据洞内的环境情况（主要是CO、VI含量）合理使用隧道内通风设备。

2.2 隧道照明设施

根据公路相关设计标准，隧道长度大于100 m时应设置照明设施，与其他路段不同，隧道照明设施包括白天夜间，一般来说，隧道照明系统主要分为7段并包含洞外引道照明。隧道照明设施主要用来改善隧道内照明环境，为驾驶员提供良好的视觉，保证行车安全。

2.3 隧道消防设施

隧道消防设施包含室外水池、室外消火栓，室内消火栓及消防箱等。隧道内一旦发生火灾，通过火灾探测器发出火灾报警信号，进而启动火灾联动措施。

2.4 隧道监控设施

隧道监控设施是指通过监测设备对隧道内交通状况、路面、天气状况和设备工作状态等参数进行实时观察和测量，并将数据信息传输至隧道监控中心进行交通诱导。

2.5 隧道供配电设施

公路隧道配电属于低压部分，主要是为隧道监控、收费、通风、照明等系统提供专业用电，隧道配电包括中心（站内）低压配电设施和外场设备电力电缆设施两大分项。

3 隧道机电设施检测特点

隧道机电设施大多由控制芯片、各类功能传感器、通信与电源模块组成。由于隧道机电设施的特殊性，机电故障往往具有隐蔽性和突发性。部分早期故障问题往往由于设计缺陷、材料质量问题和人员操作不熟练等原因造成的，运营期损耗故障期主要是零部件、元器件老化或维护不当所致。由于机电设施的运行是一个动态过程，一般要求机电设施调试运行稳定后进行交竣工验收。高速公路机电养护应制定相关的养护技术手册，养护定期检测一般每年不少于1次[2]。

4 公路隧道机电关键设施检测

机电工程建设质量是影响道路功能有效发挥的直接因素，尤其是其中包含大规模的专用软件和科技含量较高的硬件设施，数量及类型各异，若相关设施的质量得不到应有的保障，容易造成进场机电工程产品以次充好，安装工艺不能有效控制，系统功能不能有效发挥，导致运营期故障不断。高速公路隧道机电工程交竣工验收包含基本要求、实测项目、外观质量和质量保证资料。养护定期检测根据《公路隧道养护技术规范》（JTG H12—2015），计算设备完好率并进行技术状况评定。

4.1 外观及内业资料检查

机电工程外观检查重点之一是机电工程的设备机箱安装质量，包含与之相关的电力线、信号线、防雷、接地、安全保护等处理工序、工艺及各工作部件的设备等。新标准所列的外观质量限制缺陷见表1，质量保证资料主要检查项目资料的完整性、合理性、准确性，包括施工和监理资料。

表1 机电工程外观质量限制缺陷

4.2 隧道监控系统

4.2.1 车辆检测器车速和车流量相对误差

车流量及车速相对误差对应旧标准中交通量及车速计数精度，测量车速误差时是以一辆车为一个样本，计算每辆车瞬时车速的雷达测速仪测量值与检测器测量值的相对误差，测量完规定的样本量之后，取所有样本的平均值，而不是将所有的被测设备检测速度相加求平均值减去雷达测速仪检测的平均速度。

4.2.2 闭路电视监视系统视频传输通道

将数字信号发生器接入视频通道输入端，用数字视频测试仪检测传输通道的各分量输出量化误差，K系数，连接测试图如图2所示。发送高清晰度多波群信号或sinx/x信号，检测传输通道的幅频特性；发送高清晰度五阶梯波信号，检测传输通道的非线性失真；发送高清晰度彩条信号，检测传输通道的信号时延差；发送静默行信号，检测传输通道的信噪比。

图2 视频传输通道测试连接图

4.2.3 紧急电话与有线广播系统

隧道内的紧急电话一般都同时安装了有线广播系统，所以新规范中将紧急电话与广播合并为一个分项，抽检时按外场紧急电话分机数量进行统计。“分机音量”和“广播音量”2个项目的检查方法是参照《高速公路有线紧急电话系统》（GB/T 19516—2017）等相关标准及现场情况制定。广播音量在广播喇叭正前方1 m处，用声级计测量。分机音量通过在控制台值班话机按“0”键10 s，将声级计置于扬声器正前方0.4 m处进行检测。

4.2.4 隧道环境检测设备工程

隧道环境检测包含CO、烟雾、照度、风速风向等内容，传感器测量误差使用相关设备进行比对或查阅相关计量资料，对相关功能进行实操并验证。

4.2.5 隧道视频交通事件检测系统

隧道内的视频交通事件检测系统主要用于检测交通事件，与道路视频交通事件检测系统不同，不包含交通参数相关检测。

4.2.6 隧道管理站设备及软件

隧道管理站设备及软件实测项目包括对服务器，各功能计算机进行功能验证，对隧道应急预案进行实操检验。

4.2.7 隧道管理站计算机网络

计算机网络性能包括网线质量、以太网性能要求和以太网链路层，网线质量应根据测试需求选择永久链路测试或信道测试，无要求时宜选择信道测试，参考《综合布线系统验收规范》（GB/T 50312—2016）。以太网系统性能要求包括链路传输速率、吞吐率、传输时延及丢包率等指标，参考规范为《基于以太网技术的局域网（LAN）系统验收测评规范》（GB/T 21671—2018）。

4.3 隧道通风系统

4.3.1 射流分机

由于射流分机安装在隧道正上方，其安装质量要求较高，需要核查预埋件的隐蔽工程施工资料和风机拉拔检测报告。

风机平均风速：根据《工业通风机现场性能测试》（GB/T 10178—2006）以及隧道主洞轮廓，将隧道断面划分为16个测试区域，如图3所示，根据通风系统设计工况，开启对应风机，待风速计速度相对稳定后，取各点3次测试的平均值，作为该断面各测点的风速值。

图3 隧道通风测试断面示意图

风速测量过程中需要特别注意的是：①需要等隧道通风系统设计工况下对应风机开启，且隧道断面流场均匀后测试，通常隧道对所有对应风机开启后30 min；②由于隧道车行横洞和人行横洞的开闭对测试结果影响较大，测试过程中需根据设计要求重点关注隧道车行横洞、人行横洞等的启闭状态。风机安装高度：使用激光测距仪，放在风机正下方，进行测试。功能性检测：对风机进行正转、反转、单个风机、2个风机启动等的功能验证。

4.3.2 轴流风机

轴流风机由于能耗高，需要对风速调节功能、风阀启闭功能及叶片角度调节和控制功能等参数进行实操验证。

4.4 隧道照明系统

无极调光功能是通过实时监测隧道洞口亮度、车流量对隧道内亮度进行自动调节。色温和路墙亮度比主要影响在隧道封闭环境内公路使用者的生理、心理感知。

亮度半封闭测量方法：对于公路隧道在入口段、过渡段、中间段、出口段和洞外引道分别取100 m，按纵向间隔5 m、横向间隔每车道3点布点，当公路隧道各照明段中小于100 m时，纵向按实际长度间隔10等份布点。

功能性检测：对照明不同回路的启动演练。

4.5 隧道消防系统

4.5.1 手动火灾报警系统

隧道管理站警报器音量应符合设计要求，其次按下报警按钮后能触发警报器启动。

4.5.2 自动火灾报警系统

自动火灾报警系统首先是能够检测到火灾并启动报警，其中，火灾探测响应采用火盆法，参照《公路隧道火灾报警系统技术条件》（JT/T 610—2004）中的相关要求，在现场进行点火试验，记录火灾检测器的响应时间。火灾自动报警系统响应时间试验要在不同工况下分别进行，试验时，试验人员要做好现场安全防护工作。

4.5.3 电光标志

目前，隧道所用光电标志主要为有源标志，用于隧道火灾或事故，引导现场人员撤离到安全地带，包含疏散指示标志、消防设备指示标志等，电光标志亮度参数采用分光色度计测量。

4.5.4 发光诱导设施

发光诱导设施是指安装在公路隧道内的LED发光型诱导设施，起到行车安全诱导的作用，新标准中删除诱导设施亮度指标。

4.5.5 消防设施

消防设施检查重点是各设备的安全保护、用水设施的水压。功能验证主要是消防设施（各种灭火器、消火栓）能够正常工作（自动喷水灭火系统的自动启动，手动灭火设备的灭火功能）。电伴热功能是否能满足北方高寒地区保温要求。对横通道门进行现场以及远程的开启演练。对消防设施进行现场使用，对于喷射的距离进行测算[3]。

4.5.6 本地控制器

本地控制器主要为区域PLC控制器，本地控制器至控制中心以及隧道内下端设备的保护线、信号线、电力线的连接应符合设计要求，本地控制器IP网络传输功能采用以太性能测量仪测量，控制功能进行实操验证。

4.6 隧道供配电系统

电能质量分析仪适用于变压器低压380 V、50 Hz交流供电系统中电能质量参数测试，测试时按照A、B、C 和N 的顺序，将电能质量分析仪的电压、电流互感器分别连接在被测设备对应线路上[4]。从电能质量分析仪系统软件上读取测试结果并进行判定，试验有效数据采集时间应不少于10 min。

5 总结

机电工程涉及的专业工作界面多，包含收费所站（车/道）三级系统、监控中心、收费中心、通信站、隧道机电、路段监控设施等，项目实施中要充分考虑不同系统之间的融合性能，检测单位应在试验检测工作中对系统兼容性、功能参数匹配等方面给予重点关注，本文结合相关技术规范与实践操作对隧道机电系统功能检测进行研究，帮助从业人员深入了解隧道机电，提高现场检测能力。