基于工程案例隧道照明計算

中國電建集團貴陽勘測設計研究院有限公司 盧煥麗

隧道是人類利用地下空間的一種建筑形式，為保障隧道內通行安全，隧道內照明燈具需要24h工作。而隧道內環境惡劣，灰塵堆積，燈具自身的損耗和清潔工作使隧道內燈具的維護難度又進一步提高，既不利用節能減排，也不利于道路的行駛安全[1]。

隧道內燈具如果設置不合理，會影響駕駛員對道路輪廓及周圍障礙物的判斷，從而影響行駛安全。另外，車輛駛入或駛出隧道時，隧道內外的亮度差，容易讓駕駛員在視覺上產生“黑洞效應”與“白洞效應”，進而增加了交通事故發生的概率。本文基于工程實際案例，提供了一種燈具布置方案，用Dialux evo軟件對隧道照明的亮度、均勻度等進行仿真模擬，希望能對隧道照明的設計提供一些參考價值。

1 隧道照明工程案例

1.1 工程概況

本工程場內雙向交通隧道長1008m，設計時速20km/h，隧道等級為三級B；本工程隧道為水泥混凝土路面，其平均亮度與平均照度換算系數取10lx/（cd/m2）；隧道限界凈高：8.41m，限界凈寬：11.7m=0.75m（檢修道）+0.25m（左側側向寬）+4.75x2+0.25（右側側向寬）+0.75m（檢修道），隧道剖面如圖1所示，圖中所標單位為cm。

圖1 70W高壓鈉燈配光曲線

該隧道根據交通量情況，其路面亮度總均勻度不低于0.3、其路面中線亮度縱向均勻度不低于0.5。燈具采用中線側偏形式布置，燈具安裝高度距隧道道面約7.8m。對于雙向交通隧道，其照明可根據實際情況劃分為入口段照明、過渡段照明、中間段照明、洞外引道照明、洞口接近段的減光設施等。本工程洞外亮度取2000cd/m2，停車視距Ds取20m。表1為隧道各段基礎數據，圖1為隧道照明的橫斷面圖。

表1 隧道各段基礎數據

1.2 燈具的選型

隧道照明燈具目前主要有熒光燈、高壓鈉燈、LED燈等。其中，高壓鈉燈燈光效高，壽命長，顯色性差，穿透性強，常用于多霧天氣的山區、大型車比例高、對光色要求不高及車流量不大的隧道照明中，較經濟。熒光燈顯色性好，光色柔和，壽命較短，屬于非環保產品且后期維護工作量大。LED燈能耗低，顯色性好，壽命長，光效高、可控性好，但透霧性不強。LED燈在光源的發光效率、燈具的效率上較高壓鈉燈、熒光燈等存在不少優勢，因此綜合上述各燈具類型的特點，本工程隧道照明選用LED燈。高壓鈉燈、熒光燈、LED燈的配光曲線分別如圖1、圖2、圖3所示。

圖2 84W熒光燈配光曲線

圖3 40W LED燈配光曲線

1.3 入口段Dialux evo軟件仿真數據

本工程按20～40km/h速度設計，隧道的入口段總長度取1倍停車視距，入口段長度：Dth1=Dth2=10m，入口段亮度應滿足：Lth1=0.01L20（S）=0.01×2000=20cd/m2。入口段1取LED 40W的基本照明+LED 120W的加強照明交替布置，間距約1.66m。Dialux evo軟件仿真結果如圖4所示，入口段1的平均照度、均勻度等參數如下：路面平均亮度26.6cd/m2、路面平均照度266lx、總均勻度0.71、中線縱向均勻度0.83，其總均勻度及中線縱向均勻度均滿足要求。

圖4 隧道入口段1仿真圖

入口段2長度：Dth1=Dth2=10m，Lth2=0.5Lth1=10cd/m2，入口段2取LED40W的基本照明等間距布置，間距約3.33m。Dialux evo軟件仿真結果如圖5所示，入口段2的平均照度、均勻度等參數如下：路面平均亮度18.6cd/m2、路面平均照度186lx、總均勻度0.61、中線縱向均勻度0.6，其總均勻度及中線縱向均勻度均滿足要求。

圖5 隧道入口段2仿真圖

1.4 過渡段Dialux evo軟件仿真數據

圖6 隧道過渡段仿真圖

1.5 中間段Dialux evo軟件仿真數據

本工程為雙向隧道，隧道總長度為1008m，除兩側入口段、過渡段外，其余為中間段，中間段長度約912m。中間段取LED 40W的基本照明等間距布置，間距約18m。Dialux evo軟件仿真結果如圖7所示，中間段的平均照度、均勻度等參數如下：路面平均亮度2.31cd/m2、路面平均照度23.1lx、總均勻度0.76、中線縱向均勻度0.8，其總均勻度及中線縱向均勻度均滿足要求。

圖7 隧道中間段仿真圖

1.6 仿真結果分析

由于本工程隧道等級較低、時速低，入口段1、入口段2、過渡段等距離較短，隧道照明的亮度或照度轉換需要一個過程。因此，入口段2、過渡段等存在著亮度或照度較規范要求值較高的現象。當仿真用于等級高、時速高的長隧道中時，此現象可通過合理設置燈具等措施消除。

本工程隧道交通量較小，著重考慮照明設計的經濟性，以中線側偏的形式布置燈具為主；如果在交流量大的隧道中，照明燈具可采用兩排交錯布置，提高亮度均勻度及行車的舒適性與安全性。

本工程設計時洞外亮度取2000cd/m2，洞外亮度是隧道照明系統設計的重要參數，洞外亮度的設置是否合理得當，對本工程投資、運營電費等均有較大的影響。有記載日本東京的灣海底隧道照明曾做過比較詳細的對比，車速等其他條件相同的情況下，洞外亮度L20（S）分別取4000cd/m2、6000cd/m2時，隧道的設備費相差大約34%，隧道的年耗電量相差大約30%[3]。且隧道洞外亮度L20（S）的值需要待隧道洞口工程完工后才能通過現場實測獲得，因此在設計之初，需要對洞外亮度值進行預估。當預估值與后期現場實測相差較大時，應及時調整燈具參數，以滿足路面亮度、總均勻度、中線縱向均勻度等參數要求。

本工程根據工程實際設置應急照明，應急照明燈具采用部分基本照明燈具，應急照明供電電源維持時間不少于30min，采用EPS滿足使用要求。應急照明亮度不應小于中間段亮度的10%，且不低于0.2cd/m2[2]。

1.7 隧道照明的配電

隧道洞口處設置兩臺室外箱式變電站，兩臺箱式變電站前端電源引自不同的變電所，不會同時斷電。隧道內照明及應急照明分別由不同的箱式變電站供電，在末端配電箱雙切，滿足隧道內一、二級負荷的供電需求。另外，在隧道配套的變電所內設置EPS作為電源轉換期間，隧道內因停電而發生交通事故時應急照明的備用電源。照明干線電纜從箱式變電站引出后，沿隧道頂部電纜橋架經預埋的可撓金屬導管引至相應的照明配電箱，由照明配電箱引出的照明干線經預埋的可撓金屬導管引至隧道頂部電纜橋架，燈具的分支線采用穿刺線夾由干線引出。

2 隧道照明的優化措施

2.1 減少洞外亮度

日本東京灣海底隧道做洞外亮度設計對比時，可通過隧洞口的山坡植被綠化、結構物的減光措施、在隧洞口搭設遮光棚等減少洞外亮度[3]。隧道洞口處的減光措施能顯著降低洞口區域道面的亮度，緩和隧洞口部內外的亮度差異，延長駕駛員的視覺調整時間，在一定程度上能減少“黑洞效應”，也能減少入口段的加強照明，從而能在一定程度上達到節能的效果。

2.2 智能調控技術

利用LED無級調光的優勢，隧道照明實現無級調光控制[3]，并配合電力監控系統，根據天氣情況（陰天、晴天、雨天等）、車流量、白天或夜晚等及時開關燈具或調整燈具光通量等滿足安全行駛的要求，達到節能減碳的目的。另外，根據目前大數據、無線物聯網技術的發展，逐步構建智能照明調光系統，通過監測隧道洞口、入口段、過渡段等位置亮度的變化，獨立調節每一盞燈的輸出功率，使隧道內亮度能平滑過渡到中間段，消除“黑洞效應”、消除對駕駛的視覺造成的障礙。

2.3 隧道照明檢測手段的完善

照明檢測是衡量隧道照明質量的重要方法，應定期進行照明檢測，包括出口段、洞外亮度的檢測也應該納入檢測中來，才能完整的評價一個隧道照明系統及照明質量的好壞。目前，隧道照明檢測方法較模糊，各檢測單位的檢測方法存在較大的差異性，較難客觀準確地評價一個隧道照明系統的運營情況，而檢測中以抽檢為主，覆蓋面較小，照明檢測指標主要以隧道路面的照度、亮度、總均勻度、中線縱向均勻度等為主，檢測標準也各不相同，檢測設備耗時較長等問題突出，從長遠發展來看，有必要對隧道照明檢測系統進行研究分析與完善，更加智能快速的車載隧道照明檢測系統值得期待。

2.4 新能源的應用

探討太陽能光伏發電、自然光光纖照明運用于某些隧道照明的可行性，另外，在風資源特別豐富的地區，可以采用風能發電來解決隧道照明，或者風能與太陽能充分結合，以達到綠色、低碳的目的。

2.5 選用新型的隧道側壁材料

具有良好逆反射的隧道側壁材料可以有效改善隧道內的照明環境，從而實現節能目的。探索新型的隧道側壁材料，是目前值得研究的一個方向。

3 結語

隧道照明是隧道配套機電設施的重要組成部分，尤其對于車流量大、時速高的隧道內，隧道照明設置合理可有效地改善隧道內駕駛員的視覺感受，減少隧道內事故發生的概率。隧道入口段、過渡段、出口段的長度及亮度影響著隧道交通的安全，但同時也是能耗大戶，今后如何在保證運營系統安全，并為隧道提供一個良好駕駛視覺環境的條件下，節省能耗，是目前隧道照明值得關注的問題。另外，完善照明檢測系統、實現節能減排等是提高照明質量、響應“雙碳”目標的重要舉措。