自發光涂料在喀斯特山區高速公路隧道中的節能與應急應用

劉政 陳雪峰 曾強 胡濤 黎陽 陳軍

（1.貴州省公路集團工程有限公司 貴州貴陽 500008；2.貴州西能電光科技發展有限公司 貴州貴陽500002）

隨著我國經濟的快速發展，道路、橋梁和隧道工程越來越多，工程設計在滿足交通運輸功能的同時，科技創新與新技術應用示范已成為交通運輸工程的新亮點［1-2］。目前，喀斯特山區高速公路隧道照明系統存在規模大、線路復雜、耗能高、維修檢查困難、應急能力弱等問題，已成為公路運營中主要的開支之一［3-7］。如何在保證行車安全的基礎上降低運營費用、節約公路隧道能源消耗、提升應急處置能力，是當前喀斯特山區公路隧道建設者與運營方關注的重要問題。

鋁酸鍶長余輝發光材料作為長余輝熒光材料的一個分支，具有發光亮度高、余輝時間長、穩定性好、無毒、無放射性等特點，能在黑暗空間長時間無能耗自發光，是一種理想的隧道暗環境節能發光和應急逃生指示材料［8-12］。目前，鋁酸鍶發光材料在隧道節能和光環境舒緩方面的研究與應用仍缺乏相關理論數據與工程實踐支撐。

貴州興義地處黔、滇、桂三省交界處，喀斯特地形地貌占整個區域面積70%以上，給高速公路隧道的建設和運營管理帶來了極大的挑戰。本文以興義環城高速公路牛犁塘隧道左幅為依托工程，通過在隧道墻面噴輝鋁酸鍶發光涂料，配合可變功率LED能量激發燈，實現了隧道墻面的持續發光、亮度可調節和應急逃生指示功能。依據JTG/T D70/2-01-2014［13］規范，繪制了隧道地面亮度變化曲線，以期為該方案的后續推廣應用提供理論支撐。

1 牛犁塘隧道照明的原始設計

牛犁塘左幅隧道屬于端墻式洞門隧道，設計車速80km/h，隧道全長453m，在進洞第一停車視距下（90m），能看見隧道出口。施工前現場實景圖如圖1所示。從圖1可知，該隧道是一典型的非光學隧道，根據隧道照明設計規范，單向通行隧道照明區段一般分為入口段、過渡段、中間段和出口段。牛犁塘隧道原有照明設計總功率為9.7kW，其LED 燈具布置方式與數量如表1所示。從表1中可知，隧道的入口段和出口段設置了大量的LED 照明燈具，在入口段Ⅰ和入口段Ⅱ短短96m距離下，電光照明的總功率高達5.5kW，如此高功率的照明設計主要是為了緩解駕乘人員視覺的“黑洞”效應。

圖1 施工前牛犁塘隧道實景

表1 牛犁塘隧道燈具數量及功率

2 牛犁塘隧道洞內地面亮度值的計算

依據JTG/T D70/2-01-2014［13］規范標準，對牛犁塘左幅隧道行車區間的地面亮度值和距離進行計算，其入口段Ⅰ、入口段Ⅱ、過渡段、中間段、出口段Ⅰ和出口段Ⅱ的亮度和長度計算過程如式（1）至式（7）所示。

式中：Lth1和Lth2為入口段Ⅰ和入口段Ⅱ的地面亮度值；0.5 為長度為300m＜L≤500m 的非光學長隧道亮度按50%取值；k為入口段亮度折減系數，牛犁塘隧道取值為0.025；L20（S）為洞外亮度，牛犁塘取值為3000cd/m2；Ltr1為過渡段亮度值；Lex1出口段Ⅰ的亮度值；Lex2出口段Ⅱ的亮度值；Lin中間段的亮度值，牛犁塘隧道取值為1.5cd/m2；Dth1和Dth2入口段Ⅰ和入口段Ⅱ的長度；Ds為照明停車視距，牛犁塘隧道取值為90m；h為隧道內凈空高度，牛犁塘隧道取值為9m；Dtr1為過渡段長度；Vt為設計速度，牛犁塘隧道取值為80km/h。

依據式（1）至式（5），牛犁塘隧道內地面亮度在滿足細則標準條件下，對應其在進洞處地面亮度37.5cd/m2、入口Ⅰ段尾部地面亮度值為18.625cd/m2、入口Ⅱ段尾部地面亮度值為5.625cd/m2、中間段地面亮度值為1.5cd/m2、出口段Ⅰ前端地面亮度值為4.5cd/m2和出口段Ⅱ前端地面亮度值為7.5cd/m2。

依據式（6）和式（7）計算得出，牛犁塘隧道入口段Ⅰ長度為40m，入口段Ⅱ長度為40m，過渡段長度為71m，基本段長度為242m，出口Ⅰ段為30m，出口Ⅱ段為30m。與表1對比可知，計算結果與原有設計的燈具布置長度能很好地對應。

依據JTG/T D70/2-01-2014標準，將上述計算結果的亮度與進洞距離的關系作圖，其結果如圖2 所示。從圖2中可知，進洞入口段地面亮度較高，主要是為了緩解視覺的“黑洞”效應，在出口段地面亮度又升高，主要是為了使駕乘人員視覺適應“白洞”效應。隧道內對應區間亮度值變化趨勢能與區間照明設計功率大小能很好地對應，進一步說明了電光照明已成為緩解隧道“黑白洞”效應的有效手段。然而，興義牛犁塘隧道地處喀斯特山區，電光照明存在布線規模大、線路復雜、耗能高、維修檢查困難、應急能力弱等缺點。當前，亟需利用新材料技術開展運營節能與應急安全的研究。

圖2 隧道內部各照明段的長度與亮度的關系

3 牛犁塘隧道墻面施工方式與節能效果

采用長余輝鋁酸鍶發光粉與水性乳液材料配合制成發光涂料，通過高壓噴涂機噴涂于隧道墻面，并利用半光譜LED 能量激發燈配合照射，能實現隧道墻面的無源長延時自發光，是一種理想的節能安全應用形態，該方案對隧道內部地面和墻面亮度的影響仍缺乏相關理論研究，很有必要進一步開展詳細研究。

隧道墻面長余輝鋁酸鍶發光涂料的涂裝位置與LED激發燈具的安裝方式如圖3所示。從圖3中可知，發光涂料涂裝位置為溝蓋板上方70cm開始，直至頂部420cm 處。LED 激發燈安裝于溝蓋板上方420cm 處，與涂料涂裝上邊界重合形成無縫連接形式，隧道兩側墻面的安裝長度均為453m（燈具長度為1m，單套額定功率0.03kW，合計906套）。該發光涂料的涂裝高度與激發燈具的安裝方式可在整個隧道兩側墻面形成高度為350cm的發光導視面。

圖3 隧道墻面涂裝位置與LED 燈具的安裝位置示意圖

在LED 激發燈具配合下，僅利用30%的激發功率，隧道墻面實景圖如圖4 所示。從圖4 中可知，在未開隧道電光照明燈具的情況下，激發燈具僅開啟30%的功率，發光涂料的發光性能優異，隧道內光環境整體通透，物體的可辨識性理想，視覺感官較好，能明顯辨識清楚隧道內部物體，說明LED 激發燈配合照射發光涂料，能實現隧道的照明功能。發光涂料的余輝性能如圖5 所示。從圖5 中可知，發光涂料在最初的100s內亮度衰減較快，在滿足應急逃生標準亮度0.2cd/m2的情況下，其應急逃生時間長達136s，在人眼最低識別亮度0.32mcd/m2度情況下，余輝時間長達數小時。發光涂料的使用不僅可使隧道實現照明功能，還可使隧道在全應急（所有電光照明失效）狀態下實現指示逃生功能，安全指標大幅提升。

圖4 牛犁塘隧道節能光環境實景圖

圖5 長余輝發光涂料的余輝性能

由于長余輝鋁酸鍶發光涂料發光波長在黃綠光范圍內，屬于二次弱光源，色溫與亮度值相對降低，為滿足圖2 所示隧道內部地面亮度標準，很有必要在隧道入口段、過渡段和出口段適當增加普通LED照明光源，以便實現隧道洞內亮度的平緩過渡。為此，在入口段設置34 套、過渡段設置10 套、出口段設置8 套照明燈具，且僅在白天開啟。亮燈后地面亮度結果如圖6所示。

從圖6中可知，在激發燈30%的激發功率下，配合入口段、過渡段和出口段的普通LED照明燈具，牛犁塘隧道白天地面亮度曲線符合JTG/T D70/2-01-2014 標準要求，且在進洞和出洞時地面亮度優于標準要求，說明半光譜LED能量激發燈照射發光涂料配合適當數量的LED 照明燈具能提升隧道進洞和出洞時地面亮度，基本段僅依靠激發燈照射發光涂料即可實現隧道地面亮度滿足細則要求，亮度高達2.73cd/m2，且導視效果優異，整體光環境較為舒緩。隧道洞內地面亮度理論值和實際值變示意圖如圖7所示。

圖6 牛犁塘隧道地面理論亮度與實際亮度

圖7 隧道地面理論亮度和實測亮度的變化示意圖

在隧道照明細則標準下，以圖5 隧道地面亮度為標準，入口段80m 和出口段60m 所布置的激發燈具僅在夜間開啟（280套燈，左側和右側各140套，每天只開啟12h），過渡段和中間段313m全天開啟（626套燈，左側和右側各313 套，全天開啟），總功率為626×0.009+280×0.03×30%×50%=6.894kW/h；普通照明燈具僅在白天開啟，夜間關閉，總功率為（34+10+8）×0.03×50%=0.78kW/h。隧道總功率為6.894+0.78=7.674kW/h，與原有設計9.7kW/h 相比，功率降低1.026kW/h，節能效果提升20.88%，年均節約用電為（9.7-7.674）×24×365=17 747.76kW/h，節能效果顯著。

隧道中間段涂裝發光涂料的墻面亮度值和空間眩光值結果如表2所示。從表2中可知，發光涂料的使用能顯著提高隧道墻面亮度，從水泥墻面的6.99cd/m2提升至20.13cd/m2，提升比例高達188%，且隧道空間眩光值大幅降低，從涂裝前的1.388降低至涂裝后的0.044，說明發光涂料的使用提升了空間亮度的均勻性，可降低駕乘人員通過隧道空間時由于光線亮度變化而帶來的不適感。

表2 涂裝前后隧道墻面的亮度和眩光值

4 結論

（1）采用長余輝鋁酸鍶發光粉制成發光涂料，涂刷在隧道兩側墻壁，配合可變功率LED 能量激發燈形成發光導視面，可實現隧道墻面持續發光照明和應急指示逃生功能，滿足應急逃生標準的空間亮度值的時間長達136s。

（2）隧道發光導視面光線柔和視覺通透，能有效降低隧道能耗，節能效率與原有LED 方案提升20.88%，年均節約電耗17 747.76kW/h。

（3）發光涂料與激發燈的配合使用能顯著提高隧道墻面亮度，降低隧道空間眩光值，涂裝后墻面亮度從水泥墻面的6.99cd/m2提升至20.13cd/m2，亮度提升比例高達188%，眩光值從涂裝前的1.388 降低至涂裝后的0.044。