高速公路隧道照明研究

馬東強

（陽黎高速公路建設管理處，山西 太原030006）

山西境內多山，山西高速多隧。山西東有太行、西有呂梁、南有中條、北有恒山、中有太岳，山地、丘陵占總面積的80%以上，“出行難”、“運輸難”曾一度制約著經濟社會發展。近年來，山西省大力發展交通基礎設施，已建成運營高速公路達5 000多公里，其中隧道長度400多公里，隧道長度占高速公路總長度的8%左右，個別路段甚至達到50%以上。隧道是一個相對封閉的空間，光線較暗，一旦發生交通事故，容易引發連鎖反應，不利于逃生、不利于救援。尤其是2014年山西晉濟高速公路巖后隧道“3·1”特別重大道路交通?；啡急鹿屎螅咚俟匪淼赖倪\營安全顯得愈為重要。

隧道照明直接關系到高速公路的運營安全，加之隧道照明電費在高速公路運營管理經費中占到一定比例，且絕對值較大。因此研究高速公路隧道照明方案，根據不同工況提供科學合理的高速公路隧道照明至關重要。

為保障駛入高速公路隧道車輛駕駛員的視覺需求，確保行車安全，高速公路隧道需要適宜的照明亮度。高速公路上行駛的車輛速度都比較快，駕駛員接近及通過隧道時，白天由于洞內外亮度差別極大，容易引起“黑洞效應”和“視覺適應遲滯”現象，需要在隧道入口段、過渡段、出口段進行加強照明；夜間若仍開啟這些照明，不但耗能嚴重，而且駕駛員在進入隧道時會引起強烈眩光，駛離時也會產生“黑洞效應”，存在較大安全隱患。也就是說，隧道照明并非在任何情況下都是越亮越好。

曾幾何時，部分高速公路運營單位為了降低能耗、減少支出，盡可能減少隧道照明設施的開啟，給通行隧道的駕駛人員帶來了很大不便，增加了安全隱患；隨著人們安全意識、責任意識和駕駛員維權意識的提高，有的高速公路運營單位又不分情況全部開啟隧道照明設施，這樣做的結果必然會造成能耗增加，還會引起安全隱患。

隧道照明方案的科學與否直接影響著隧道的運營安全和節能降耗。本文根據山西省陽泉至左權高速公路隧道照明設計和新修訂的《公路隧道照明設計細則》，結合高速公路隧道運營照明控制實踐，研究和提出了高速公路隧道運營照明控制方案，以期對高速公路隧道運營管理有借鑒之用。

1 陽泉至左權高速公路隧道照明設計要點說明

陽泉至左權高速公路是山西省高速公路網規劃東縱的重要組成部分，路線全長91 km，縱貫太行山脈，隧道12.33 km/7座，其中蒙山特長隧道長5.655 km。隧道照明按照原《公路隧道通風照明設計規范》（JTJ 026.1—1999），采用隧道洞外亮度L20（S）4 000 cd/m2（ 蒙 山 隧 道 削 竹 式 洞 門L20（S）3 500 cd/m2）、設計速度 Vt=80 km/h、雙車道單向標準小客車交通量N≥2 000輛/h進行設計。

1.1 隧道照明段落長度和路面亮度設計值（見表1）

隧道照明段落分為隧道內照明段落和洞外引道照明段落。隧道內照明段落又分為基本段和加強段，基本段指中間段，加強段包括入口段、過渡段、出口段，加強段照明是在基本段照明的基礎上增設了陰、晴天加強照明。

表1 隧道照明段落長度和路面亮度設計值cd/m2

1.2 隧道照明系統設置

隧道內照明段落采用高壓鈉燈照明，燈具在隧道洞頂兩側交錯布置。

a）入口段的燈具間距為1.2 m，燈具功率為150 W+400 W，兩盞150 W燈具中間設置9盞400 W燈具，5盞晴天加強與4盞陰天加強間隔設置。

b）過渡段1的燈具間距為3 m，燈具功率為150 W+400 W，兩盞150 W燈中間設置3盞400 W燈具，2盞晴天加強與1盞陰天加強間隔設置。

c）過渡段 2燈具間距為 6 m，燈具功率為150 W+250 W，兩盞150 W燈具中間設置1盞250 W陰天加強燈具。

d）中間段燈具間距為12 m，燈具功率為150 W。

e）出口段燈具間距為3 m，燈具功率為150 W，兩盞150 W燈具中間設置3盞150 W陰天加強燈具。

其中，基本照明設置了可以分別控制的4組燈具，每側2組；在行車方向洞頂右方的1組基本照明兼做應急照明。應急照明設計為遠程不可操控，并為電源故障情況下提供不間斷應急照明。

另外，隧道內車行橫通道和人行橫通道照明采用防爆熒光燈，燈具功率分別為2×58 W和2×36 W；設置在洞頂中線位置，燈間距分別為6 m和5 m。洞內緊急停車帶照明采用熒光燈，燈具功率為2×40 W，燈具間距為6 m，一處緊急停車帶設置6組照明燈具。

洞外引道照明采用10 m高桿高壓鈉燈照明，在行車方向右側布置，燈具功率為250 W，燈間距自洞口往外分為 5 m、10 m、15 m、25 m、35 m、45 m，一個隧道洞口一般設置有6根高桿照明燈。

1.3 隧道照明功率和用電費用

陽泉至左權高速公路全線隧道照明共設置有各種燈具7 645盞，總功率數1 786 kW。如果在日常運營中隧道照明燈具全部開啟，按現行電價0.67元/度計，則陽左高速隧道照明用電費約2.9萬元 /日、1 059萬元 /年、86萬元 /年·km，若按此測算，全省高速公路隧道照明用電費約3.4億元/年。

2 隧道照明技術依據

一般來說，長度大于200 m的高速公路隧道都設有照明系統。隧道照明系統通常按照隧道洞外亮度較大預估值、遠景預測設計年限（20年）高峰小時交通量、設計速度、隧道的長度和所處曲線以及不利工況等進行設計，設計的依據標準是設計規范或細則規定。現行《公路隧道照明設計細則》（JTG/TD70/2-01—2014）規定：公路隧道照明設計應統籌規劃，一次設計；隧道照明系統可根據預測交通量變化分期實施，以此減少初期投資，提高投資效益。

隧道照明運營工作的依據標準應是養護技術規范要求。但現行《公路養護技術規范》JTG H10—2009和《公路隧道養護技術規范》JTG H12—2015中僅做出了“隧道內照明（路面）亮度應滿足設計要求”的規定，沒有再做具體要求。也就是說，隧道照明運營工作的依據標準也是“設計要求”。

但畢竟高速公路隧道照明運營和設計不同，設計要考慮周全，運營要結合實際。隧道照明系統“設計”通常是統一設計，一次實施，設計中又沒有針對不同的交通量、車輛速度等提出明確的亮度要求，更沒有操作指南，給隧道照明管理帶來一定難度。由于公路橋隧工程專業人員較多，機電工程專業人員缺少，加之隧道照明養護技術規范規定不明確，實際與設計需要進一步匹配等，致使部分管理人員長期對隧道照明設計和運營概念模糊，客觀上容易造成隧道照明運營與設計脫節，要么少開啟燈具、節約經費，要么多開啟燈具、造成浪費，引起安全隱患，從而使得隧道照明成為高速公路運營的短板。所以根據隧道洞外亮度、車流量、車輛行駛速度和不同工況，按照現行《公路隧道照明設計細則》規定的技術標準，遵循結合實際、經濟安全、便于操作的原則，制訂科學合理的隧道照明控制方案非常重要。

3 陽泉至左權高速公路隧道運營照明亮度把控標準

隧道照明運營要求路面亮度滿足“設計”，此“設計”應是根據洞外亮度變化、交通量變化、不同工況和現行設計細則規定，對隧道照明進行符合實際的“后期設計”，即適宜的調光控制指標。

3.1 隧道洞外亮度確定

洞外亮度L20（S）是指在接近隧道1個停車視距處，距地面1.5 m高正對洞口方向20°視場實測得到的平均亮度，它隨洞外光線（不同緯度、季度、氣象和每天不同時間段等）而變化，并與隧道洞口邊仰坡高度、洞口坡面綠化、洞門形式、裝飾和洞外路面等有關，是一個不斷變化的數值。其測試方法通常有環境簡圖法、黑度法和數碼相機法。

洞外亮度大小，直接決定著隧道加強段照明規模。由于洞外亮度值只有在隧道工程完工后才能實測獲得，且每天不同時段都在變化，所以在設計階段，洞外亮度取值需要根據經驗數據進行預估。設計細則指出，山嶺公路隧道洞外亮度實測值普遍在2 300～3 300 cd/m2之間，削竹式洞門隧道洞外亮度通常在2 500 cd/m2左右，端墻式洞門隧道洞外亮度通常在3 000 cd/m2左右。陽泉至左權高速公路隧道洞外亮度設計值采用4 000 cd/m2（3 500 cd/m2），大于設計細則中山嶺公路隧道洞外亮度實測值1 000 cd/m2。設計細則也指出，隧道白天加強段照明調光方案設計可根據夏季晴天、夏季云天、夏季陰天和其他季節晴天、云天、陰天以及重陰天，考慮交通量變化，按照4檔12級組合進行，4檔洞外亮度L20（S）取值分別為：L20（S）、0.5L20（S）、0.25L20（S）、0.13L20（S）。

隧道洞口尤其是入口加強段照明是整個隧道照明系統中最重要的部分。一般情況下，白天由于隧道洞口內外亮度差別大，途經車輛駕駛人員容易引起視覺不適應，進而使得該段落成為車輛追尾交通事故多發路段，隧道洞口加強段照明就是要消除此類安全隱患。理想的隧道洞口照明應該是一個隨著洞外亮度變化而變化的動態控制過程，但實際并沒有具體的調光方案設計和操作要求，加之燈具在一天之內頻繁開啟、關閉也不現實，為保守起見，在實際操作中可以采用隧道洞外亮度L20（S）設計值4 000 cd/m2作為控制指標來確定洞口加強段照明路面亮度。

3.2 交通量和速度的確定

3.2.1 交通量

交通量是隧道照明設計中的重要影響因素。陽泉至左權高速公路隧道照明設計采用的遠期交通量標準為N≥2 000輛/h（現行設計細則中為遠景混合車型高峰小時交通量N≥1 200 veh/h），實際交通量如何，我們進行了測定（見圖1）。

圖1 陽泉至左權高速公路交通量日均數據曲線圖

從實測數據計算出，某月通過隧道的日均混合車型交通量為1 278輛/日。

圖2 最大交通量日小時交通量數據曲線圖

曲線圖（見圖2）顯示，每日交通量大致情況是：半夜凌晨最低，后逐步升上，至中午11點左右達到高峰，隨后小幅下降，午后又再次回升，至3點左右達到第二輪小高峰，其后開始下降。實測高峰小時交通量為120輛/h，大幅低于設計標準。

隧道運營照明控制的交通量依據應為實時混合車型高峰小時交通量。在實踐中我們采用350 veh/h設計混合車型高峰小時交通量最低檔控制標準。

3.2.2 速度

根據現行《公路工程技術標準》，“速度”分為設計速度、運行速度和限制速度。設計速度是確定公路設計指標并使其相互協調的設計基準速度，對一段路而言是固定值，陽泉至左權高速公路的設計速度Vt為80 km/h；運行速度是指在自由流狀態下，中等技術水平駕駛人員能夠保持的車輛安全行駛速度，通常采用測定速度分布曲線上對應于85%分位值的速度，是一個相對實際值；限制速度是對車輛允許行駛速度的限值，應結合設計速度、運行速度等并區別車型等綜合論證確定，陽左高速公路在交通限速標志設置時采用設計速度80 km/h作為限制速度，《標準》中明確指出目前我國的這種做法不合理，影響了公路的運行效率，在社會上造成了一定的負面影響。

隧道照明設計依據的車輛行駛速度可以按照設計速度，但是隧道運營照明控制依據運行速度似乎更為科學。

圖3 車輛行駛日均速度數據曲線圖

圖4 最大交通量日車輛行駛時均速度數據曲線圖

圖3和圖4中數據顯示，通過隧道車輛行駛速度最大值為107.5 km/h，最小值為92.64 km/h，測算出平均值為100.9 km/h，運行速度為103 km/h?？梢钥闯?，在目前通過隧道車輛行駛處于自由流狀態下，其行駛平均速度凌晨、上午低，其他時段高，但都高于設計值80 km/h。

現階段隧道運營照明控制，交通量采用小于等于350 veh/h、車輛行駛速度采用100 km/h較為科學。據此，按照設計細則規定，隧道照明入口段亮度折減系數k相應為0.035。

3.3 亮度照度換算

隧道照明控制指標為路面亮度及其均勻度（均勻度僅在中間照明段要求），它主要是考慮了駕駛員的主觀感受。但在設計時，路面亮度計算比較復雜，照度計算和照度設計比較方便。利用平均照度換算系數，將所需亮度轉化為所需照度，從照度出發，可以方便推導出所需光通量，進而計算出所需的燈具數量和燈具間距。

照度是指物體被照亮的程度，采用單位面積所接受的光通量來表示，單位是lx；亮度是指（被照物體）單位面積上的發光強度，它是人對光的強度的主觀感受，單位是cd/m2，即每平方公尺分之燭光。換句話說，光源照在物體上強弱用照度表示，物體反射光到人眼里強弱用亮度表示；同光源同距離照在不同物體上，照度相同，亮度不同。

隧道運營照明的照度值通常容易檢測，再根據平均照度換算系數即反射率，可計算出路面亮度：照度×反射率=亮度。

陽泉至左權高速公路路面鋪裝除蒙山隧道中間段路面和隧道橫向通道路面為水泥混凝土路面外，其余路面皆為瀝青混凝土黑色路面。平均亮度與平均照度換算系數采用設計細則中規定的數值：黑色瀝青路面15 lx/（cd/m2），水泥混凝土路面10 lx/（cd/m2）。

3.4 隧道照明控制指標

按照設計細則，根據陽泉至左權高速公路現階段交通量、實際車輛運行速度和加強段路面為瀝青混凝土路面的特性，隧道洞外亮度值采用4 000 cd/m2,隧道入口段亮度為洞外亮度的0.035，過渡段1的亮度為入口段亮度的0.15，過渡段2的亮度為入口段亮度的0.05。

3.4.1 隧道白天入口段加強照明控制指標（見表2）

表2 隧道白天入口段加強照明控制指標cd/m2

3.4.2 隧道其他照明段落路面平均亮度控制指標（見表3）

表3 隧道其他照明段落路面平均亮度控制指標

4 隧道照明控制方案

4.1 隧道白天照明控制方案

我們在陽泉至左權高速公路運營中，用照度計對蒙山特長隧道內外照明各段落、各組合燈具開啟下的照度進行了實地檢測（圖5～圖9畫出了部分數據曲線）。檢測點布置：相鄰兩個燈具間縱向間距1 m，橫向沿隧道路面橫斷面平均布設5個點。照度計水平放置在路面檢測點上，盡量避免遮擋測量鏡面，讀取穩定的數據作為實測照度值。實測照度平均值即為該區域內照度評價值，再換算為亮度評價值。

4.1.1 隧道入口加強段照度檢測數據曲線圖

圖5 入口段應急照明+陰天加強檢測數據曲線圖

a）圖5數據顯示，入口段應急照明+陰天加強實測照度平均值 4 417.48 lx，大于照度控制值2 100 lx，滿足“設計要求”。

圖6 過渡段1應急照明+陰天加強照明檢測數據曲線圖

b）過渡段1應急照明+陰天加強實測照度平均值402.35 lx，大于照度控制值315 lx，滿足“設計要求”。

圖7 過渡段2應急照明+陰天加強照明檢測數據曲線圖

c）過渡段2應急照明+陰天加強實測照度平均值126.10 lx，大于照度控制值105 lx，滿足“設計要求”。

4.1.2 隧道基本段照度檢測數據曲線圖

圖8 中間段應急照明+同側基本照明檢測數據曲線圖

圖9 中間段應急照明+對側1組基本照明檢測數據曲線圖

數據顯示，中間段應急照明+1組基本照明實測照度平均值35.73 lx，大于照度控制值30 lx，滿足“設計要求”。

另外，出口段應急照明+陰天加強實測照度平均值284 lx，大于照度控制值225 lx，滿足“設計要求”。

隧道洞口加強段照明設計了基本照明+陰天加強或晴天加強，只開啟基本照明顯然不行，開啟基本照明+陰天加強已然滿足設計細則中洞外亮度采用設計值情況下計算出的路面亮度要求，沒有必要再開啟晴天加強。隧道中間段照明設計了1組應急照明+3組基本照明，應急照明只在特殊工況下可單獨使用，開啟應急照明+1組基本照明，其效果即達到了現階段亮度控制指標要求，無需再開啟其他幾組基本照明。故現階段照明控制的不二方案就是：加強段為基本照明+陰天加強，中間段為應急照明+1組基本照明。

問卷調查抽樣方法 采用多階段隨機抽樣的方法，在舉行過“校園行”活動的38所高校中，整群隨機抽取8所高校，在抽中的每所高校中，按照大一、大二、大三、大四(包括大五)的年級劃分，每年級整群抽取1個班級，每所學校共4個班級的學生作為研究對象。

4.2 其他工況下隧道照明控制方案

a）按照設計細則規定，為避免照明過度，隧道夜間照明應關閉隧道入口段、過渡段和出口段的加強照明燈具，只開啟應急照明燈具。

b）隧道洞外引道照明只在黃昏、黎明和夜間開啟燈具。

c）隧道橫通一般處于關閉狀態，只在特殊情況下開啟，相應照明燈具自動感應或用開關開啟。

d）特殊節假日、交通高峰期，隧道內照明可適當提高等級。

e）隧道進行養護維修作業地點前后的照明燈具應開啟到最大程度。

f）隧道內發生交通事故、火災或進行交通管制時，隧道內所有照明燈具宜開啟到最大程度。

5 關于隧道照明的其他問題

5.1 閃爍頻率和亮度均勻度

人的視覺從一種亮度區域移到另一種亮度區域，需要一定的適應時間，且在適應過程中視力會降低，如果經常交替適應明暗變化帶來的閃爍效應，就會使人的視力發生困難而導致視覺疲勞。所以設計細則提出了隧道照明閃爍頻率的概念和路面亮度均勻度要求。

閃爍頻率為設計速度與燈間距之比Vt/s，當閃爍頻率在4～11 Hz之間時，駕駛員就會感到極度不舒適。當隧道內按照設計速度行車時間超過20 s時，照明燈具布置間距應滿足閃爍頻率低于2.5 Hz或高于15 Hz。

陽泉至左權高速公路隧道中間段照明應急燈間距24 m，如果僅開啟應急照明，則閃爍頻率為：100/24=4.17 Hz；如果開啟應急照明+同側1組基本照明，則閃爍頻率為：100/12=8.33 Hz。兩種情況下閃爍頻率都不滿足要求。

實測數據顯示，中間段照明在只開啟應急照明+1組基本照明情況下，路面亮度總均勻度為0.36、路面中線亮度縱向均勻度為0.26，略顯不足。但實際情況是，車輛通過隧道時一般都按照要求開啟大燈，由于隧道本身斷面不大，如果按照設計細則要求在隧道兩側2 m高范圍內鋪設了反射率高的材料，路面亮度總均勻度實測值變為0.72、路面中線亮度縱向均勻度實測值變為0.52，均勻度明顯提高，達到了規定要求。

5.2 燈具布置形式

隧道照明燈具的布置形式影響照明系統的效率，一般來說中線布置、中線側偏布置比兩側布置照明效率高，兩側交錯布置比兩側對稱布置照明效率高。陽泉至左權高速公路基本照明就采用了兩側交錯設置可分別控制的4組燈具，在行車方向洞頂右方為1組、3組，左方為2組、4組。如果4組照明燈具全部開啟，則燈間距為6 m，相應閃爍頻率為：100/6=16.7 Hz，滿足要求，路面亮度均勻度也好；如果只開啟同側兩組燈具，則燈間距為12 m，相對路面亮度均勻度也較好；如果兩側各開啟1組燈具的情況下，則燈間距變為6 m、18 m交替，相應路面亮度均勻度就有所下降。所以設計燈具布置形式除要考慮全部開啟的理論照明高效率外，也應適當兼顧部分燈具開啟情況下的高效率。

5.3 視覺反應

長度小于等于300 m的直線隧道可不設出口段加強照明，長度300 m＜L≤500 m的直線隧道可只設30 m出口段加強照明，其照明亮度指標要求為相應中間段亮度的3～5倍。主要是考慮到視覺從低亮度向高亮度適應的反應時間通常較短，并非出口照明不受洞外亮度變化影響。特長隧道中間第二照明段（30 s行車距離后的中間照明段）的照明亮度取值可以適當降低，主要是考慮到駕駛員視覺的適應性。

設計細則中指出的“隧道間距如果小于15 s的行駛距離，且車輛通過前一座隧道的行駛時間大于30 s，則后續隧道入口段的亮度應進行適度折減”中“15 s的行駛距離”值得商榷。若車輛行駛速度為80～100 km/h，則15 s的行駛距離為333～416 m，時間和距離偏長，光線“從暗到亮再到暗”，人的視覺反而不易適應。

5.4 隧道洞口減光

隧道洞外亮度對隧道加強照明規模影響極大，所以對隧道接近段采用洞外減光措施，最大限度降低隧道洞外亮度，就可以有效降低隧道照明能耗。隧道洞外減光措施有：隧道洞門形式簡化，洞門裝飾材料反射率??；隧道洞口邊仰坡進行綠化或暗化處理；洞外兩側種植常青樹；洞外路面采用黑色路面等。若對隧道洞門采用明亮裝飾或在隧道入口處采用彩色路面等意在引起駕駛員重視的做法，都會使得隧道洞外亮度值增大，加劇“黑洞效應”，實不可取。

5.5 隧道洞口照明與車輛行駛方向關系

陽泉至左權高速公路呈南北走向，尤其在晴天中午時分，太陽光從南向北斜射，對南行車輛駕駛員視覺有一定影響，致使駛入隧道北洞口時“黑洞效應”和駛出南洞口時“眩光現象”加劇，不利于行車安全。因此建議隧道照明設計時應充分考慮隧道洞口加強照明與行車方向、陽光來向之間關系，適當提高南北走向高速公路南邊隧道出口和北邊隧道入口照明亮度。

5.6 隧道誘導標

反光道釘埋設在隧道路面中線或邊緣，輪廓標設置在隧道側墻，起著誘導車輛行駛作用，有利于行車安全。但需指出的是，有的高速公路管理部門為了強化警示作用，在隧道側邊設置了諸多頻閃裝置，給過往駕駛員造成一定程度的不適，有嘩眾取寵之嫌，這種做法不可取。

總之，高速公路隧道運營照明控制是一個系統工程，它應以合理設計為前提，以科學管理為根本，以科技進步為支撐，逐步達到智能化控制，最終實現安全運營和節能降耗的宗旨。