2021-4-13 | 机电工程论文
一、高寒地区公路隧道机电工程建设
1、设计注意事项
为适应上述高寒地区公路隧道特点，并充分考虑交通量状况、建设投资控制和营运管理需求，机电工程设计应注意：
（１）根据交通量参数科学掌握设计规范中技术指标的选择，按需配置各系统设备；
（２）控制工程投资规模，在有限的投资规模条件下实现运营管理需求；
（３）充分利用当地的自然条件如太阳能、风能等，尽量减少长距离的供电传输；
（４）系统可靠性、稳定性要特别重视；
（５）易维护，通用性强，应选用主流成熟的系统或产品。
2、系统配置建议
（１）隧道监控系统①闭路电视子系统常规设置：洞口云台摄像机—监视洞口区域情况；洞内和变电所摄像机—监视隧道内和变电所内情况。高寒地区：由于高寒地区车流量少，一般事故对车流量几乎没有影响，不易引起监控人员的注意。建议对隧道内外图像进行视频分析，这样可避免发生事故后不能及时发现从而引发重大安全事故的隐患。一般高速公路发生意外事故后会立即引起相关路段的车流量或相关变化，如堵塞、烟雾超标、报警等，容易引起监控人员注意。视频事件检测仪应能检测交通事故、事故车辆、车辆停驶（畅通停车、拥堵停车）、交通拥堵（移动拥堵、停止拥堵）、车辆减速、车辆超速、车辆低速、车辆逆行、车辆排队长度超过阈值、行人、遗撒遗弃物、烟雾和火灾等；且能检测包括流量、速度、占有率、车头间距、队列长度、车辆分型等交通数据。视频事件检测仪应能对警报的优先级进行分级以避免对同一事件事故进行多次报警。②交通控制子系统常规设置：洞口—车辆检测器、情报板、限速标志、交通信号灯等；洞内—车辆检测器、情报板、限速标志、车道指示器、ＰＬＣ等。高寒地区：由于高寒地区车流量少，可根据情况适当减少设置规模，以满足运营和管理要求为目标，如洞口可仅设一块Ｆ型可变情报板和交通信号灯，不设限速标志等，洞内仅设置车道指示器，不设情报板和限速标志等。ＰＬＣ作为整个公路隧道机电工程的核心硬件设备，不仅用于交通监控子系统，也服务于通风照明、供配电、消防等子系统的控制。因此，必须保证在任何情况下ＰＬＣ都能正常稳定的工作，否则整个机电工程都不能正常运转，对公路隧道的正常运营造成隐患。在高寒地区，必须采用极端环境型ＰＬＣ，普通型ＰＬＣ不管是温度还是海拔都无法达到实际应用的环境要求。高寒地区公路路面易结冰，结冰对交通安全和畅通造成极大危害。隧道区域海拔高度又在相对更高，比其它路段更容易出现结冰现象，因此有必要在隧道口增设路面结冰检测装置，对路面结冰进行实时监控。
（２）火灾报警与紧急电话系统常规设置：火灾报警系统含手报和火灾自动检测两部分，手报５０ｍ一个，火灾自动检测应全隧道无缝覆盖。紧急电话系统含紧急电话和广播，紧急电话２００ｍ一个，广播应全隧道无缝覆盖。高寒地区：本系统无特殊要求，但设备应能适应高寒地区恶劣的气候条件。尽管高寒地区交通量小，火灾隐患和造成的损失相对小，但基于防患于未然，应保持火灾报警系统的正常运行，需要定期测试维护。产品应选择售后服务好的品牌，应能及时更换故障单元，并对系统进行维护测试。
（３）中控室系统常规设置：中控室设电视墙、大屏、地图板、计算机、操作台等。高寒地区：中控室软件为整个机电工程的核心，应把高寒地区公路隧道的特殊控制方案集成进去，如：恶劣气候条件下的交通控制，极小交通流量的通风照明控制等。还有各种特殊情况下的预案和应急方案，应能和路段实现联动。为节省投资建议隧道中控室不设大屏、地图板等设备。
（４）隧道通风系统－－常规设置：风向风速仪、ＣＯ／ＶＩ检测仪、风机等。高寒地区：可根据交通量情况适当减少设置规模，以满足运营和管理要求为目标。风机也可分成二期建设，在交通量达到要求时再上二期设备。目前在长隧道和特长隧道仅设射流风机的技术已非常成熟，原则上可仅设置射流风机，轴流风机设置需进行技术经济多项对比专题研究后，才能设置。现行《公路隧道通风照明设计规范》（ＪＴＪ０２６．１－１９９９）给出了海拔０ｍ～２４００ｍ范围针对烟雾的海拔高度系数取值，当海拔大于２４００ｍ时规范说明该系数取值可按直线延伸，有关试验研究结果表明当海拔大于２４００ｍ时，该系数线性延伸结果与实际值有一定的差异。随着海拔高度的升高，柴油车空燃比下降，汽车的黑烟颗粒物排放量会大大增加。这些黑烟颗粒物成为高海拔地区公路隧道通风设计的重要影响因素，尤其在计算上坡隧道烟雾作为控制需风量时影响权值很大。因此通风设计需考虑海拔系数的影响，并应考虑车辆排放标准和对空气质量要求的提升。当海拔高度不同时，大气压力将发生变化，海拔高度越高，大气压力越小，空气的密度也越小。射流风机用于高海拔隧道时，可以按照海拔高度进行调整，以提高射流风机的性能，充分发挥射流风机电机的功率。①选取功率小一些的电机由于空气密度的降低，使所需风机推力及电机功率降低，为了节省设备费用，可选取功率小一些的电机以适应风机所需实际功率。②提高风机出口风速，减少风机数量为了不降低电机的实际使用功率，可以通过增加风机的叶片角度来增加风机的出口速度及风机的推力，因而增加风机的负载，达到充分利用风机功率的目的。增加风机推力的最大好处是可降低风机的数量，降低通风设备的投资。具体的功率和出口风速可通过计算得出。设备润滑脂（油）应有防冻措施，如：风机的润滑脂（油）应选用低温性能好的润滑脂（油）。这类润滑脂（油）低温时，粘度小，启动时，各摩擦之间润滑好，启动阻力小，利于启动。另外，还可采用加热润滑脂（油），以降低脂（油）粘度，减小启动阻力。
（５）隧道照明系统常规设置：亮度检测仪、洞外照明设施、洞内照明设施等。高寒地区：可根据交通量小的实际情况适当降低照度标准，以满足运营和管理要求为目标。也可分成二期建设，在交通流量达到要求时再上二期设备。若降低照度标准，应加强静态安全设施的设置或采用有源诱导标加强诱导。由于高寒地区车流量少，隧道口可不设路灯或高杆灯照明，但应加强静态安全设施的设置或采用有源诱导标加强诱导。
（６）隧道消防系统常规设置：高位水池、低位水池、消防水管、消防箱、灭火器、水成膜泡沫灭火装置等。高寒地区：要安全渡过超低的环境温度和昼夜间的巨大温差，隧道外高、低位水池以及消防供水管道须埋设在冻土层以下，同时设保护层和防潮层；洞外闸阀、室外消火栓均采用地下安装方式，同时砌筑保温井；洞内管道、闸阀及消火栓供水支管采用电伴热方式防冻；泵房内室内管道和设备防冻均采用电伴热方式。消防设备应选用满足需求的高原专用型设备，并注意消防水源的补充状态。管理人员必须定期检查管道是否漏水、堵塞以及冬季防止管道封冻，并结合气候、地域等特点，制定不同类别的防灾和救援预案。高寒地区隧道的消防救援，应充分考虑以下因素：①必须做好消防设备的保温防冻；②消防应急设施设置应便于救援人员操作；③应对灾害预防和管理以及紧急救援方案结合消防设备进行设计；④要结合地域等实际，制定切实可行的消防救援预案及组织实施流程，采取安全可靠的消防系统，才能防患于未然；⑤在隧道发生火灾时，采取正确的通风方式和合适的通风风速，并进行正确的行车组织，才能切实可行地实施救援。
（７）隧道供配电系统常规设置：高低压开关柜、配电箱、ＵＰＳ、ＥＰＳ、柴油发电机组等。高寒地区：在高海拔地区，随着海拔高度增加，大气气压逐渐降低，空气的绝缘强度也随之下降，因此海拔超过１０００ｍ的地区必须使用高原型开关设备。元件的安装位置按高寒地区的使用要求进行修正，加大导体间绝缘距离、绝缘件的爬电距离，母线均做圆角处理，避免尖端放电，合理布置和选用电器元件，以解决高寒地区绝缘和散热的问题。高原地带空气中氧气的含量随着海拔高度的升高而降低，海拔高度每升高１０００ｍ，大气压力下降９％，空气密度下降梯度为６％～１０％，含氧量下降１０％，可见海拔高度越高，空气含氧量越少，柴油机越难启动。启动后柴油发电机组还应考虑高寒地区降效等因素。设备液体应有防冻措施或采用防冻液体，如：柴油发电机的柴油（选择合适的牌号，保证最低温度时有较好的流动性）等。高寒地区由于地广人稀，应考虑接入电源的质量，如果接入电源电压波动超出国家标准，为减少电费支出和延长灯具寿命，建议在基本照明回路增设智能照明控制器，保证回路电压在要求范围内。蓄电池的最佳工作温度在２０℃～４０℃范围内，随着环境温度的降低，蓄电池的输出能力也相应下降，随着环境温度的降低，蓄电池输出能力在－３０℃时，只有额定输出的３４％左右。故供配电的ＵＰＳ、ＥＰＳ等的蓄电池应采用低温性能好，结构形式与普通型不同的蓄电池。低温时，应无液态酸冰冻现象，可在－４０℃环境条件下正常工作，冷启动功率、充电速度等指标与在同等条件下的普通蓄电池相比应具有明显优势。或采用对蓄电池进行加热保温，保证蓄电池低温条件下正常充电且具有足够的电流输出，从而提高设备低温性能，且延长蓄电池的使用寿命。
二、施工建设及运营维护
1、设备选型及工期
（１）在机电工程建设招投标中，设备选型应考虑地理和气候因素。所选设备应能在高寒的环境下正常工作，即能适应高海拔，低气温，冬天风大、下雪下霜等恶劣气候。如：室外应选用工业级，室内可根据情况选用商品级设备，应注意防冰冻、防起霜等问题，如室外摄像机应能适应低温的要求，ＩＰ等级要高；光缆采用低温特性好的优质光缆，摄像机的基础和立柱需加强，防止画面抖动，摄像机应有自动除霜功能等。
（２）应合理安排工期和施工顺序。机电工程的设备安装调试受低温气候的影响不大，但隧道外设备的基础施工、消防管道施工、光电缆管沟施工等应避免在封冻季节进行。
2、运营管理和维护
除前述提及的系统和设备特殊要求、各种救援预案演练外，为保障正常运营和发挥机电工程最大效用，还需要加大对司乘人员的宣传工作，使司乘人员根据机电工程诱导有序参与公路隧道交通活动。隧道机电工程的运营管理和维护需要相当高的技术含量，也要求管理和维护人员具有较高的技术水平素养。而高寒地区公路隧道往往处于偏远山区，生活、工作条件艰苦，难以吸引和留住高水平技术人员，因此有关管理方面要特别注意人才的培养和保护。
三、结束语
高寒地区公路隧道建设正方兴未艾，其特殊的机电工程技术需要进一步研究、开发和总结。如极小交通流量下的照明节能技术研究，隧道通风及其它机电设备海拔系数研究，类似地质灾害预警的高寒地区公路隧道机电工程专有系统研究，建设、施工、运营特殊预案研究等。
作者：杜长东 蔡晓峰 单位：重庆市华驰交通科技有限公司