基于視覺適應的隧道入口外段遮光構件設計研究

瑋 寶，翁 季，黃新月，王夢穎

(重慶大學建筑城規學院，重慶 400045)

0 引言

隧道入口接近段遮光構件的設置，對改善行車環境、確保行車安全以及節能減排都具有重要意義。本研究根據人眼暗適應曲線的原理，在解決白晝隧道入口光差大造成的交通安全問題的同時，也彌補了現有隧道入口段采用大量人工照明增光措施解決光差問題的不足。相對于隧道入口段需要全天候高強度的人工照明措施導致的高成本高能耗的弊端，通過利用隧道入口段遮光構件的自然減光措施來達到節能和降低現有成本的目的，使其在實際應用中更易于推廣。此外，通過后期設計成果的模擬對比試驗進行光學數據分析，其可操作性和安全性亦可以得到論證。

1 隧道入口“黑洞效應”與解決方法

2012年v溫州調整三都嶺隧道一年事故735 起，平均每天兩起，究其原因是入口采光不足引起隧道內外光差大導致駕駛員“暫時失明”難以應對突發事件。由于暗適應比明適應所需的反應時間更長、反應過程更復雜，因此，暗適應的“黑洞效應”比明適應的“白洞效應”所產生的危害更大。由此看來，在隧道入口處進行一定的減光設計顯得更為重要。

解決隧道入口光差大的普遍做法是通過在入口段內加以大師的人工照明來減弱亮度對比帶來的交通安全問題，此方法不僅缺乏高效性，更帶來嚴重的能耗問題。據統計，小于3 000 m 的中長隧道中出入口處加強照明所需的用電量約占整個隧道照明的50%。采用入口段的減光措施不僅可以形成一個光過渡帶，有效解決入口段的光差問題，改善進入隧道的光環境，消除“黑洞”效應，保證行車安全，同時也達到了節能的目的。

在隧道入口接近段進行一定的遮光構件設計，不管是從行車的安全性與舒適性的角度，還是從節能減排的角度出發，都是非常必要的。

2 隧道入口遮光構件類型的選擇

在隧道入口利用減弱自然光達到減光效果的覺構件類型有:遮陽棚、遮光板、遮光棚。

遮陽棚(圖1)利用透明或半透明材料的透光作用以達到減光效果，不允許陽光直接投射到路面上。遮光板(圖2)是利用透明或半透明材料的透光作用以達到減光效果，也不允許陽光直接投射到路面上，光過渡的效應一般。遮光棚(圖3)是一種頂部為敞開式結構的棚狀構筑物，與遮陽棚、遮光板相比，其區別在于允許日光直射到路面上，且結構相對簡單、輕巧。

從節能、經濟以及施工等方面進行對比，遮光棚這一尖減光措施減光效果好，不受自然環境因素影響，不增加隧道通風長度，工程投資少，運營期間維護工作量小。

因此采用遮光棚塔式更為合理。

圖1 遮陽棚

圖2 遮光板

圖3 遮光棚

3 隧道實地調研

3.1 無遮光構件隧道調研——北碚隧道

北碚隧道是國道212 線渝合(重慶—合川)高速公路上的特長隧道。雙洞單向行車，單洞兩車道，左右洞分離布置，限制速度60 km/h。隧道采用削竹式入口。隧道整體朝向為南偏東60°左右，入口朝向為南偏東15°。

3.1.1 照度數據統計

使用照度計對隧道路面照度進行測量，并對隧道入口接近段照度數據進行分析，如圖4 所示，橫坐標單位為m，0 點取在隧道入口正下方的路面中心處;縱坐標單位為lx。

圖4 北碚隧道接近段光照折線圖

由圖4 可見，無遮光構件的隧道入口接近段在較短距離內照度值變化差異大，這樣的現象在夏季晴天的時候尤其明顯。

3.1.2 北碚隧道調研結論

通過調研發現，北碚隧道入口處光差較大，駕駛員偶爾會出現“黑洞效應”，存在嚴重安全隱患。北碚隧道實地調研結果不僅再次論證了在隧道入口接近段實施減光措施的必要性，同時也為后期構件的研究設計提供了模型實驗數據。

3.2 有遮光構件隧道調研——向陽隧道

向陽隧道是國道212 線渝合(重慶—合川)高速公路上的特長隧道。雙洞單向行車，單洞兩車道，左右洞分離布置，限制速度60 km/h。隧道整體朝向為南偏東60°左右，入口朝向為南偏東15°。

向陽隧道減光構件類型為遮光棚減光(圖5)，構件長12 m 寬8.5 m，材料采用白色混凝土。遮光構件之間以兩段式方式排列，兩段式距離分別為40 cm 和20 cm。遮光構件的結構為側面實墻，中間由三根柱子支撐，頂部為寬為10 cm 的混凝土條(圖6)。

圖5 向陽隧道入口段遮光構件實物圖

圖6 向陽隧道遮光構件剖面圖

3.2.1 照度數據統計

使用照度計對隧道路面照度進行測量，并對隧道入口接近段照度數據進行分析，如圖7 所示，橫坐標單位為m，0 點取在隧道入口正下方的路面中心處;縱坐標單位為lx。

3.2.2 向陽隧道調研結論

對比北碚隧道和向陽隧道接近段可以發現向陽隧道通過加建入口遮光構件達到了良好的入口光過渡效果，并降低了隧道入口段加強照明的能耗，通過對向陽隧道入口減光措施的調研發現，向陽隧道遮光棚的優點是經濟適用，缺點是不符合人眼的暗適應曲線，駕駛員無法很好地適應光差的變化。因此，本研究試圖以北碚隧道為研究對象，通過增加遮光棚來達到減光目的，并通過遮光構件的排布設計使減光過程盡量符合人眼暗適應曲線，從而達到既節約能源，又能保證駕駛員安全性和舒適性的效果。

圖7 向陽隧道接近段光照折線圖

4 北碚隧道遮光棚設計

4.1 設計思路

本設計以北碚隧道為原型制作1∶10 隧道接近段減光構件模型，測試篩選出與實際瀝青路面和實際混凝土構件反射率相近的實驗材料，并制作可調節構件間距的實驗模型，利用照度計測試遮光構件下的模擬水平路面照度并繪制變化趨勢圖。由于CIE 隧道沿線亮度曲線由人眼暗適應曲線(圖8)原理得出，因此將繪制的變化趨勢圖與CIE 曲線進行比對，反復調節構件距離至兩條曲線基本吻合，得出最合理(即最契合人眼暗適應曲線)構件排布間距。此外，為避免產生頻閃現象，對得出的構件排布方式進行修正，得出最終模型成果，并進行節能的量化計算。

圖8 人眼暗適應曲線圖

4.2 入口減光段設計長度

李英濤等指出，隧道出入口處遮光棚長度主要由隧道洞外及洞內照度、洞外及洞內亮度、駕駛員視力恢復時間及隧道設計速度等因素決定。同時也提出隧道出入口減光段長度計算模型［式(1)、式(2)］，并針對不同的隧道設計速度得出減光段的設計長度取值(如表1)。根據北碚隧道實際情況，入口減光段合理設計長度取74 m。

式中Sin——隧道入口處減光段合理設計長度(m);

Sout——隧道出口處減光段合理設計長度(m);

Dtr——隧道過渡照明段長度(m);

Vd——隧道設計速度(km/h)。

表1 隧道出入口減光段合理設計長度取值

4.3 遮光棚遮光構件排布設計原理

當人從光亮處進入黑暗中，人眼對光的敏感度會瞬間大幅度降低，之后逐漸增加，約30 分鐘達到最大限度，此過程稱為人眼暗適應，人眼的暗適應曲線為不規則曲線。而在本設計中，隧道接近段光環境經遮光構件的改善后，照度分布情況隨著車輛的行駛滿足人眼暗適應的需求，即遮光構件呈不規則漸變排列滿足人眼的暗適應曲線，獲得更佳的舒適性。

4.4 模型設計實驗

4.4.1 材料反射率模擬

通過篩選與瀝青路面和混凝土構件材料反射率相近的色紙來模擬現實隧道入口段的光環境。通過在光學實驗室的實驗我們篩選出編號為423c 的色紙模擬混凝土遮光構件(ρ=0.308 6)與編號為424c 的色紙模擬瀝青路面(ρ=0.196 0)。

同時，隧道內部亮度由可調亮燈泡提供，滿足CIE曲線中三段式減光中第一段的亮度，即L內=35%×L外。

4.4.2 入口段遮光構件尺寸

模型設計比例為1 ∶10，北碚隧道設計速度為60 km/h，依據隧道出入口減光段合理設計長度取值(表1)，入口減光格柵段長度為7.1 m，測試過程中默認太陽光為平行光線。圖9 為以北碚隧道實際尺寸設計的實際單元構件尺寸。

圖9 實際單元構件尺寸(mm)

4.4.3 設計實驗調試

以路面中心線為準，測量出每一個單元構件投射到路面上的明點與暗點的照度，以米為單位，一個單位里均勻取3 點，隨機取樣列入統計表格。測量范圍從隧道入口洞口正下方開始到遮光構件結束處的正下方為止。每一組數據中格柵的間隔依據上一組數據路面照度變化進行相應的調整，并根據暗部與亮部的面積比例采用加權平均的方式來統計照度數據。表2 為從實驗數據組中篩選出的最接近人眼暗適應曲線變化趨勢的數據組。

根據暗部與亮部的面積比例采用加權平均的方式來統計照度數據。通過改變設計模型的格柵間距(圖10)，每一組數據中格柵的間隔依據上一組數據路面照度與CIE 曲線的對比差進行相應的調整。

圖10 實驗模型測量過程示意

表2 最適合人眼暗適應曲線變化趨勢數據組

續表

4.4.4 效果對比

通過實驗和數據組的比較調整確定了最佳格柵間距下的路面水平照度，并將其與人眼暗適應曲線的入口段水平照度進行比較。如圖11。

圖11 實驗測量結果與人眼暗適應曲線入口段水平照明對照圖

4.5 避免頻閃效應

當陽光直射入光格柵時，地面會出現陰暗交替的斑馬線。當斑馬線引起的明暗變化頻率處于2.5～15 Hz 范圍內時，將會使駕駛員產生閃爍效應，引起視覺不適與心理干擾，從而影響行車安全。

故光格柵的間距設計應避開在此范圍內的閃爍頻率。明暗交替的閃爍頻率與行車速度及遮光棚遮光構件間距關系式為

式中F——頻閃頻率，Hz;

V——隧道設計速度，m/s;

d——遮光棚光格柵中心間距，m。

北碚隧道按設計速度Vd=60 km/h，避免頻閃頻率為f≤2.5 Hz 或f≥15 Hz，計算得，遮光棚光格柵中心間距:d≤1.48 m 或≥8.9 m。

在格柵間距難以滿足防頻閃要求時，在透光格柵間設置橫向細小格柵片，或在遮光構件外部加設減光膜，這樣可以消除車道正上方駕駛員20% 的仰角內自然光進入視線的可能，避免產生斑馬線的閃爍效應。

在后期實驗中發現最佳格柵間距數據組里出現了3 m 的格柵間距，落在了產生頻閃的距離區間內，為了避免頻閃于是我們在頂部的采光縫中每間隔0.5 m 設置橫向格柵片來防眩。圖12 為實驗修繕防眩現象后的減光構件防眩部分的細節大樣。

4.6 最終成果

經過實驗測試與修正，最終獲得與人眼暗適應曲線變化趨勢相近的減光構件排布設計方式，如圖13。

圖12 減光構件防眩段細部大樣示意圖(mm)

圖13 減光構件段最終調試效果面示意圖(mm)

5 節能效果量化(電能、經濟)

在入口接近段增加遮光構件后可以把原先加強照明部分的電能W1轉化為普通照明的電能W2，節約的電能占整個隧道照明電能的百分比

按照我國《公路隧道照明設計規范》規定，長度大于100 m 的公路隧道應設置照明設施，且每延公里隧道照明負荷不應小于60 kW。據不完全統計，目前我國已建成通車的公路隧道已超過2 600 延公里。

(1)每小時全國隧道消耗能量

(2)以重慶電費0.52 元/度(即0.52 元/千瓦時)為例，每小時全國隧道產生電費

(3)每小時全國隧道消耗的電能所產生的CO2:

一般發1 度電大概需要300 g 煤粉左右，300 g 煤中就大約有165 g 的碳，也就會生成約為500 g 的CO2。即:

而采用接近段遮光構件節約的電能百分比約為50%，則每小時全國隧道消耗能量可節約7.8 ×104kW·h，每小時可節約電費4.056 ×104元，每小時可減少CO2排放量為3.9 ×107g。

6 小結

通過對模擬的北碚隧道自然光過渡段構件設計及測試結果的分析，得出減光防眩最不利時間段(夏季/正午)的格柵間距以及接近人眼暗適應曲線的減光效果。隧道入口遮光構件的設計首要前提是保證減光的合理，以及符合人眼暗適應曲線變化的舒適度，然后應考慮修建成本與節約照明電量的關系，計算出回收成本的年限，確保安裝構件經濟合理。同時也應根據工程地點朝向、隧道設計車速、結構設計等對自然光過渡設置方式進行具體的分析與設計，然后再考慮遮光建筑實用性與美觀性的協調問題。

［1］李英濤，程國柱.公路隧道出入口減光格柵段合理長度研究［J］.公路工程，2009(5):13～15，20

［2］中華人民共和國行業標準公路隧道通風照明設計規范［S］.1999(1)

［3］彭子暉.隧道自然光過渡設計淺議［J］.地下工程與隧道，2013(2):13～15，20