特長(zhǎng)高速公路隧道照明關(guān)鍵技術(shù)研究

陳黎陽(yáng)

（山西路橋建設(shè)集團(tuán)有限公司，山西 太原 030006）

0 引言

隨著國(guó)家公路網(wǎng)的不斷完善及“一帶一路”發(fā)展戰(zhàn)略的不斷實(shí)施，我國(guó)高速公路建設(shè)規(guī)模越來(lái)越大，高速公路也逐步向崇山峻嶺地區(qū)邁進(jìn)，導(dǎo)致特長(zhǎng)高速公路隧道越來(lái)越多。隧道照明的主要作用在于為隧道內(nèi)行車(chē)提供良好的視覺(jué)條件，確保車(chē)輛在進(jìn)入、穿越、駛出隧道過(guò)程中能夠有舒適安全的行程環(huán)境。然而，由于特長(zhǎng)高速公路隧道具有特殊的工程特性，其對(duì)于照明的要求較高，傳統(tǒng)的隧道照明技術(shù)已無(wú)法滿足駕駛?cè)藛T對(duì)特長(zhǎng)高速公路隧道行駛環(huán)境及安全的要求。目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者們針對(duì)特長(zhǎng)高速公路隧道照明技術(shù)已開(kāi)展了大量詳細(xì)而深入的研究工作，也取得了一系列的研究成果。黃琳[1]結(jié)合寶天高速大坪里隧道的工程特性，深入分析其隧道照明系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目的、原則及手段，并對(duì)方案進(jìn)行對(duì)比分析；常國(guó)偉[2]結(jié)合山西某特長(zhǎng)公路隧道，研究其照明系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案及設(shè)計(jì)過(guò)程，并對(duì)照明控制方案進(jìn)行了效果評(píng)價(jià)；廖慶華[3]針對(duì)井岡山特長(zhǎng)隧道的工程特性，深入總結(jié)分析其照明系統(tǒng)中LED燈的應(yīng)用情況，并探討分析了LED燈在隧道照明中的應(yīng)用發(fā)展趨勢(shì)；鄭垣[4]從視覺(jué)識(shí)別原理、照明原理出發(fā)，充分考慮隧道行車(chē)安全，提出基本段、過(guò)渡段的照明指標(biāo)。

本文結(jié)合山西某特長(zhǎng)高速公路隧道的工程特性，深入分析高壓鈉燈與LED燈組合方案，并研究不同光源高度的布設(shè)方案，在此基礎(chǔ)上提出隧道入口段和過(guò)渡段照明技術(shù)方案，從而為類(lèi)似工程提供技術(shù)支持。

1 工程概況

山西某高速公路隧道是京昆高速公路主干線的主要控制性工程。該隧道左洞全長(zhǎng)10 230 m，右洞全長(zhǎng)10 120 m，隧道凈空高度為5 m，行車(chē)道凈寬8.75 m，路面采用水泥混凝土路面，設(shè)計(jì)時(shí)速為80 km/h。平均照度、平均亮度的換算系數(shù)為9.5 lx/（cd·m2）。根據(jù)隧道設(shè)計(jì)資料提供的數(shù)據(jù)，該隧道建成5年后預(yù)計(jì)交通量為32 000 pcu/d，建成10年后預(yù)計(jì)交通量為40 000 pcu/d，該隧道在設(shè)計(jì)過(guò)程中選取的小時(shí)交通量系數(shù)K為0.10，方向分布系數(shù)D為0.55。

在該隧道運(yùn)營(yíng)過(guò)程中，以設(shè)計(jì)速度穿越整個(gè)隧道約需8 min，由于隧道洞身沒(méi)有自然光，傳統(tǒng)的單一照明光源單調(diào)重復(fù)，駕駛員在該半封閉空間內(nèi)極易產(chǎn)生恐懼不安、厭煩疲倦等不良情緒；尤其在隧道入口段和過(guò)渡段，駕駛員從明亮的地方迅速進(jìn)入相對(duì)黑暗的地方，需要一段相對(duì)較長(zhǎng)的適應(yīng)時(shí)間；在該段時(shí)間內(nèi)，駕駛員很難看清前方路面目標(biāo)，嚴(yán)重影響行車(chē)安全[5]。

2 隧道照明燈具組合

特長(zhǎng)公路隧道照明燈具選擇的基本原則在于綜合考慮半封閉空間環(huán)境下的光效、光通量、成色、特性、壽命等主要參數(shù)，同時(shí)應(yīng)考慮在車(chē)輛行車(chē)過(guò)程中產(chǎn)生大量煙霧后對(duì)照明能見(jiàn)度的影響情況。傳統(tǒng)的隧道照明燈具采用低壓鈉燈，其具有較好的透射性，在煙霧情況下能保持較好的能見(jiàn)度；但在特長(zhǎng)高速公路隧道中，其對(duì)照明效率、壽命的要求較高，燈具數(shù)量規(guī)模較大。因此應(yīng)盡量將不同類(lèi)型的光源組合起來(lái)，既滿足特長(zhǎng)公路隧道運(yùn)營(yíng)對(duì)照度的要求，又能最大限度地提高照明效率和效果，即在隧道特殊地段，采用多種燈具，調(diào)整不同類(lèi)型燈具的間距，優(yōu)化配光。

為深入分析組合燈具的照明效果，本項(xiàng)目建立了隧道照明監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)室，且在兩側(cè)墻面上布設(shè)兩條滑軌，其長(zhǎng)度均為25 m，其具體情況如圖1所示。為充分掌握不同光源之間的相互影響程度，本試驗(yàn)采用鈉燈和LED燈進(jìn)行組合，并適當(dāng)調(diào)節(jié)其間距，在隧道橫向布設(shè)5個(gè)監(jiān)測(cè)斷面，每個(gè)斷面沿橫向布設(shè)了7個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，其具體情況如圖2所示。每個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)一個(gè)照度監(jiān)測(cè)儀，監(jiān)測(cè)儀的具體情況如圖3所示。對(duì)每個(gè)監(jiān)測(cè)斷面上的監(jiān)測(cè)點(diǎn)光源照度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并取其平均值，所得結(jié)果如表1所示。

圖1 隧道照明監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)室

圖2 隧道照明試驗(yàn)監(jiān)測(cè)布設(shè)圖（單位：cm）

圖3 隧道照度監(jiān)測(cè)儀

表1 不同燈具組合照度平均值 lx

從表1中可以看出，單開(kāi)鈉燈的平均照度較單開(kāi)LED燈大幅增加，其增加幅度為89%～220%，可見(jiàn)鈉燈較LED燈具有較高的照度，在同等條件下其發(fā)光效率更高，更適宜于特長(zhǎng)公路隧道。當(dāng)鈉燈和LED燈同時(shí)打開(kāi)時(shí)，其平均照度普遍大于單開(kāi)鈉燈、LED燈之和，其增加的幅度最大值為19%，可見(jiàn)通過(guò)鈉燈與LED燈的組合，較大幅度地提高了隧道平均照度，提高了隧道照明光源的發(fā)光效率。

3 入口段和過(guò)渡段照明控制

3.1 照明燈具高度

在特長(zhǎng)公路隧道入口段和過(guò)渡段的照明控制方案中，燈具布設(shè)高度是非常重要的一個(gè)參數(shù)，其直接決定了照明光源的照明效率、平均照度等。為深入研究燈具布設(shè)高度對(duì)隧道入口段和過(guò)渡段平均照度的影響，本項(xiàng)目選取布設(shè)高度3 m、5.3 m兩個(gè)方案進(jìn)行對(duì)比分析，監(jiān)測(cè)不同燈具高度下隧道橫斷面照度的分布情況，其監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖4所示。

圖4 不同燈具高度下橫斷面照度分布

從圖4中可以看出，燈具布設(shè)高度為5.3 m時(shí)，其照度最大值發(fā)生在監(jiān)測(cè)點(diǎn)1處，其值為630 lx；當(dāng)燈具布設(shè)高度為3 m時(shí)，其照度最大值發(fā)生在監(jiān)測(cè)點(diǎn)3、6處，其值為790 lx。布設(shè)高度為3 m時(shí)的照度普遍大于布設(shè)高度為5.3 m時(shí)的照度。可見(jiàn)在相同情況下，光源布設(shè)高度為3 m時(shí)照度平均值相對(duì)較大，照明效果相對(duì)較好。

3.2 入口段和過(guò)渡段燈具組合方式

通過(guò)上述隧道燈具組合試驗(yàn)可知，采用鈉燈和LED燈組合時(shí)，照明效率大幅提高，但在入口段與過(guò)渡段的特殊環(huán)境下鈉燈與LED燈的具體組合方式、組合數(shù)量仍需進(jìn)一步確定。因此，本項(xiàng)目通過(guò)試驗(yàn)手段監(jiān)測(cè)入口段和過(guò)渡段在不同燈具組合情況下橫斷面的照度分布情況，所得結(jié)果如圖5、圖6所示，并利用隧道照明仿真系統(tǒng)對(duì)其照明效果進(jìn)行模擬分析，所得效果情況如圖7所示。

圖5 入口段不同燈具組合橫斷面照度分布

圖6 過(guò)渡段不同燈具組合橫斷面照度分布

圖7 特長(zhǎng)隧道照明效果圖

從圖5中可以看出，在特長(zhǎng)公路隧道入口段，各燈具組合工況下隧道橫斷面照度最大值均分布在監(jiān)測(cè)點(diǎn)3、6處，且當(dāng)1個(gè)鈉燈和1個(gè)LED燈間隔布設(shè)時(shí)，其平均照度普遍大于其他布設(shè)方法，其照度最大值達(dá)到了1 000 lx。可見(jiàn)，在相同情況下，采用1個(gè)鈉燈和1個(gè)LED燈間隔布設(shè)的工況能夠較好地適應(yīng)于特長(zhǎng)隧道入口段。

從圖6中可以看出，在特長(zhǎng)公路隧道過(guò)渡段，各燈具組合工況下隧道橫斷面照度最大值大部分分布在監(jiān)測(cè)點(diǎn)1處，僅當(dāng)采用2個(gè)鈉燈和2個(gè)LED燈時(shí)，照度最大值發(fā)生在監(jiān)測(cè)點(diǎn)3、6處，且當(dāng)采用1個(gè)鈉燈和2個(gè)LED間隔布設(shè)時(shí)，其隧道橫斷面平均照度大于其他工況。可見(jiàn)，采用1個(gè)鈉燈和2個(gè)LED燈間隔布設(shè)可較好地適用于特長(zhǎng)隧道過(guò)渡段。

4 結(jié)論

本文結(jié)合山西某特長(zhǎng)高速公路隧道的工程特性，深入分析高壓鈉燈與LED燈組合方案，并研究不同光源高度的布設(shè)方案，在此基礎(chǔ)上提出隧道入口段和過(guò)渡段照明技術(shù)方案，得出以下幾點(diǎn)結(jié)論：

a）當(dāng)鈉燈和LED燈同時(shí)打開(kāi)時(shí)，其平均照度普遍大于單開(kāi)鈉燈、LED燈之和，其增加的幅度最大值為19%，大幅提高了隧道平均照度，提高了隧道照明光源的發(fā)光效率。

b）結(jié)合本項(xiàng)目隧道實(shí)際斷面情況，在相同情況下，光源布設(shè)高度為3 m時(shí)照度平均值相對(duì)布設(shè)高度為5 m時(shí)照度平均值較大，照明效果較好。

c）在相同情況下，采用1個(gè)鈉燈和1個(gè)LED燈間隔布設(shè)的工況能夠較好地適應(yīng)于特長(zhǎng)隧道入口段，而采用1個(gè)鈉燈和2個(gè)LED燈間隔布設(shè)可較好地適用于特長(zhǎng)隧道過(guò)渡段。