長余輝材料在隧道交通標(biāo)志中的應(yīng)用

■周東堅

（福建省寧德高速公路有限公司，寧德 352100）

根據(jù)統(tǒng)計，截至2022 年底，福建省高速公路共建成隧道1610 處、217.0476 萬延米，其中特長隧道174 處、75.1968 萬延米，長隧道527 處、94.3281 萬延米，公路隧道在縮短里程，提高通行效率的同時，也因其特殊的位置環(huán)境，當(dāng)發(fā)生火災(zāi)、地震等緊急情況時，極易造成重大人員傷亡。 福建省高速公路隧道洞內(nèi)現(xiàn)行交通標(biāo)志根據(jù)《福建省高速公路隧道標(biāo)志標(biāo)線設(shè)置指南》規(guī)范要求設(shè)置，其中緊急電話指示標(biāo)志、消防設(shè)備指示標(biāo)志、緊急停車帶指示標(biāo)志、人行橫通道指示標(biāo)志、車行橫通道指示標(biāo)志、疏散指示標(biāo)志等基本都為電光標(biāo)志，現(xiàn)有電光標(biāo)志內(nèi)部無電池，完全依賴隧道供電系統(tǒng)，電力正常時才能起到指示作用。 而根據(jù)筆者多年隧道運(yùn)營管理工作經(jīng)驗(yàn)， 各類重大事故極易引發(fā)隧道供電系統(tǒng)故障，導(dǎo)致隧道內(nèi)漆黑一片，此時電光標(biāo)志亦無法發(fā)光指示，滯留隧道內(nèi)人員無法通過現(xiàn)有電光標(biāo)志快速疏散，易造成次生、衍生事故。 如何讓隧道內(nèi)交通標(biāo)志在隧道供電系統(tǒng)故障時發(fā)揮應(yīng)有的指示作用，通過標(biāo)志引導(dǎo)隧道內(nèi)滯留人員快速撤離成為亟需解決的問題。

1 福建省高速公路隧道電光標(biāo)志現(xiàn)狀及存在問題

1.1 隧道內(nèi)電光標(biāo)志現(xiàn)行規(guī)范

福建省高速公路隧道洞內(nèi)交通標(biāo)志主要按照《公路隧道設(shè)計規(guī)范第二冊交通工程與附屬設(shè)施》（JTG D70/2-2014）（以下簡稱“設(shè)計規(guī)范”）和《關(guān)于印發(fā)<福建省高速公路隧道標(biāo)志標(biāo)線設(shè)置指南>的通知》2 份規(guī)范要求執(zhí)行，電光標(biāo)志主要包括緊急停車帶指示標(biāo)志、車行橫通道指示標(biāo)志、人行橫通道指示標(biāo)志、疏散標(biāo)志、消防設(shè)備指示標(biāo)志、緊急電話指示標(biāo)志等6 類[1]。

1.2 隧道內(nèi)電光標(biāo)志設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)

隧道內(nèi)電光標(biāo)志設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)如圖1 所示。

圖1 隧道內(nèi)電光標(biāo)志示例圖

1.2.1 緊急停車帶指示標(biāo)志

（1）設(shè)有緊急停車帶的公路隧道應(yīng)設(shè)置緊急停車帶指示標(biāo)志；（2）標(biāo)志應(yīng)設(shè)置于緊急停車帶入口前5 m 左右，底部與路面邊緣高差為2.9 m；（3）標(biāo)志版面尺寸為50×80 cm；（4）緊急停車帶指示標(biāo)志為電光標(biāo)志，照面方式為內(nèi)部照明，雙面顯示。

1.2.2 車行橫通道指示標(biāo)志

（1）設(shè)有車行橫通道的公路隧道應(yīng)設(shè)置車行橫通道指示標(biāo)志；（2）標(biāo)志應(yīng)設(shè)置于車行橫通道洞口右側(cè)處，底部與檢修道頂部高差為2.5 m；（3）標(biāo)志版面尺寸為50×80 cm；（4）車行橫通道指示標(biāo)志為電光標(biāo)志，照面方式為內(nèi)部照明，雙面顯示。

1.2.3 人行橫通道指示標(biāo)志

（1）設(shè)有人行橫通道的公路隧道應(yīng)設(shè)置人行橫通道指示標(biāo)志；（2）標(biāo)志應(yīng)設(shè)置于人行橫通道頂部，底部與檢修道頂部高差為2.5 m；（3）標(biāo)志版面尺寸為50×80 cm；（4）人行橫通道指示標(biāo)志為電光標(biāo)志，照面方式為內(nèi)部照明，雙面顯示。

1.2.4 疏散指示標(biāo)志

（1）長度大于500 m 的隧道應(yīng)設(shè)置疏散指示標(biāo)志；（2）標(biāo)志應(yīng)設(shè)置于隧道兩側(cè)墻上，底部與檢修道頂部高差為1.3 m，間距為50 m；（3）標(biāo)志版面尺寸為75×25 cm；（4）疏散指示標(biāo)志為電光標(biāo)志，照面方式為內(nèi)部照明，單面顯示。

1.2.5 消防設(shè)備指示標(biāo)志

（1）公路隧道應(yīng)設(shè)置消防設(shè)備指示標(biāo)志；（2）標(biāo)志應(yīng)設(shè)置于消防設(shè)備箱上方，底部與檢修道頂部高差為2.5 m；（3）標(biāo)志版面尺寸為25×40 cm；（4）消防指示標(biāo)志為電光標(biāo)志，照面方式為內(nèi)部照明，雙面顯示。

1.2.6 緊急電話指示標(biāo)志

（1）設(shè)有緊急電話設(shè)施的公路隧道應(yīng)設(shè)置緊急電話指示標(biāo)志；（2）標(biāo)志應(yīng)設(shè)置于緊急電話上方，底部與路面邊緣高差為2.5 m；（3）標(biāo)志版面尺寸為25×40 cm；（4）緊急電話指示標(biāo)志為電光標(biāo)志，照面方式為內(nèi)部照明，雙面顯示。

1.3 隧道內(nèi)現(xiàn)行電光標(biāo)志存在的問題

1.3.1 緊急情況下指示效果不佳

隧道電光標(biāo)志設(shè)置的主要目的是保障隧道行車安全，尤其是在隧道發(fā)生火災(zāi)等緊急事件時能提供疏散指示作用。 現(xiàn)行的隧道電光標(biāo)志雖然供電負(fù)荷等級為一級，但內(nèi)部無備用電池，只有供電系統(tǒng)正常時才能正常發(fā)亮起到指示作用。 而當(dāng)隧道發(fā)生火災(zāi)、地震等緊急事件時，通常會造成隧道供電電纜短路或中斷，導(dǎo)致供電系統(tǒng)（含隧道應(yīng)急供電系統(tǒng)）處于癱瘓狀態(tài)，電光標(biāo)志的使用完全依賴供電系統(tǒng)的運(yùn)行， 緊急情況下無法發(fā)揮其疏散指示作用，易造成次生、衍生事故，存在較大的安全隱患。

1.3.2 建設(shè)及維護(hù)成本較高

緊急電話指示標(biāo)志約200 m/個、消防設(shè)備指示標(biāo)志和疏散標(biāo)志50 m/個，人行橫通道指示標(biāo)志約250 m/個，緊急停車帶指示標(biāo)志和車行橫通道指示標(biāo)志約750 m/個，如此密集的設(shè)置造成隧道內(nèi)存在數(shù)量龐大的電光標(biāo)志及其配套線纜，不僅增加了隧道建設(shè)初期的投資造價，還提高了隧道建成投入運(yùn)營后的運(yùn)維成本。

2 長余輝材料在隧道交通標(biāo)志的應(yīng)用及其優(yōu)勢

2.1 長余輝材料概述

長余輝材料是一種特殊的光致發(fā)光材料，是新型的環(huán)保材料，能夠吸收存儲可見光或LED 光的外界光照輻射能量，在外界光源消失后，將存儲的能量以可見光的形式緩慢釋放[2]。 早期的余輝材料含放射性元素，存在發(fā)光強(qiáng)度低、余輝時間短、耐久性差、壽命短、危害性較大等缺點(diǎn)，不適合商業(yè)化應(yīng)用，但經(jīng)過近十幾年的飛速發(fā)展，基于鋁酸鹽基質(zhì)和硅酸鹽基質(zhì)的新型長余輝材料已不含放射性元素，具有發(fā)光亮度高、余輝時間長、化學(xué)穩(wěn)定性好等特點(diǎn)。 按基質(zhì)種類，長余輝材料主要分為硫化物、鋁酸鹽和硅酸鹽3 大類，其基本特性見表1[3]。

硫化物長余輝材料是最早研究和應(yīng)用的長余輝材料， 但此類長余輝材料存在著余輝強(qiáng)度低、容易老化、化學(xué)穩(wěn)定性差、分解后的物質(zhì)對人體和環(huán)境都存在危害，故適用性不強(qiáng)。 鋁酸鹽和硅酸鹽長余輝材料都是混合了稀土元素的新型長余輝材料，兩者均具有發(fā)光性能高、余輝時間長、化學(xué)穩(wěn)定性高的特點(diǎn)，但鋁酸鹽長余輝材料遇水易潮解、耐酸堿性不強(qiáng)，硅酸鹽長余輝材料耐水性較好，但發(fā)光性能和余輝時間不如鋁酸鹽長余輝材料。

2.2 新型長余輝隧道交通標(biāo)志的制作

2.2.1 各類長余輝熒光粉的特點(diǎn)及應(yīng)用場景

綜合考慮各類長余輝材料的特點(diǎn)，新型隧道交通標(biāo)志選用鋁酸鹽長余輝材料制作，但單純的長余輝材料最終形態(tài)為粉末狀，且鋁酸鹽長余輝材料防水防潮性能差，不適合在隧道環(huán)境直接應(yīng)用，需結(jié)合不同的材料封裝后才能滿足各種場景下的應(yīng)用需求，表2 列明了幾種常見的熒光粉封裝形式的特點(diǎn)及其應(yīng)用場景[4]。根據(jù)隧道實(shí)際應(yīng)用環(huán)境，本次選用長余輝熒光粉—包覆材料制作新型長余輝隧道交通標(biāo)志，其外形尺寸、顯示圖案與現(xiàn)行電光標(biāo)志一致。

表2 幾種長余輝熒光粉的應(yīng)用形式及場景

2.2.2 新型長余輝隧道交通標(biāo)志的制備

新型長余輝隧道交通標(biāo)志選用長余輝熒光粉包覆材料制作，目前長余輝熒光粉的表面包覆改性方法主要有溶膠－凝膠法、 液相沉淀法和高溫固相反應(yīng)法。 從投入成本、制作工藝方面考慮采用高溫固相反應(yīng)法對鋁酸鹽發(fā)光粉進(jìn)行包覆改性。 制備方法是先將一定質(zhì)量的SrAl2O4： Eu2+，Dy3+與NH4HF2（AR）按一定化學(xué)計量配制，充分混合均勻，放入加蓋的α-氧化鋁坩堝中， 在700℃還原氣氛下煅燒30 min，冷卻后得到包膜的粉體（圖2）[5]；包膜的粉體與PVC 樹脂混合后，制成發(fā)光原料，通過噴繪的形式制成。 通過包覆可提升長余輝隧道交通標(biāo)志的耐水（濕）性能，更適合在隧道環(huán)境下應(yīng)用。

圖2 發(fā)光粉體制備圖

2.2.3 發(fā)光效果實(shí)測

以疏散標(biāo)志為例，在其經(jīng)過LED 燈光照射3 h后置于黑暗環(huán)境， 分別在1 h、2 h、4 h、6 h 及8 h時，對其發(fā)光效果進(jìn)行實(shí)拍測試，如圖3 所示。

圖3 不同時段下疏散標(biāo)志的發(fā)光效果

經(jīng)測試，試制的長余輝疏散標(biāo)志亮度值≥0.32 mcd/m2（肉眼可識別最低值）的余輝發(fā)光時間可達(dá)8 h 以上，且可反復(fù)循環(huán)使用。

3 新型長余輝隧道交通標(biāo)志的應(yīng)用優(yōu)勢

3.1 安全方面

高速公路隧道是封閉的行車環(huán)境，當(dāng)供電系統(tǒng)正常時24 h 均處于明亮狀態(tài)， 當(dāng)供電系統(tǒng)異常時則處于黑暗狀態(tài)，其特有的條件極為適合長余輝材料的使用。 在供電系統(tǒng)正常時，長余輝隧道交通標(biāo)志吸收隧道LED 光照輻射能量并存儲起來，當(dāng)隧道發(fā)生緊急事件導(dǎo)致供電系統(tǒng)異常時，長余輝隧道交通標(biāo)志將存儲的能量以可見光的形式緩慢釋放，此時隧道處于黑暗狀態(tài)，長余輝標(biāo)志的發(fā)光效果在這種環(huán)境下尤為明顯，傳統(tǒng)的電光標(biāo)志在隧道供電系統(tǒng)異常時已無法正常工作，而長余輝隧道交通標(biāo)志仍能為隧道內(nèi)滯留的司乘人員起指示作用，引導(dǎo)司乘人員快速疏散撤離，有效避免了次生、衍生事故，充分發(fā)揮了應(yīng)急指示標(biāo)志應(yīng)有的作用，提升了隧道運(yùn)營的安全性。

3.2 其他方面

與傳統(tǒng)電光標(biāo)志相比，新型長余輝隧道交通標(biāo)志無需布設(shè)電纜，且單個標(biāo)志造價較低，按照每km綜合造價測算，新型長余輝隧道交通標(biāo)志的綜合造價比現(xiàn)有隧道電光標(biāo)志低（見表3）；同時，長余輝標(biāo)志內(nèi)部沒有LED 燈和電源，使得其故障率遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)電光標(biāo)志， 耐久性也大大優(yōu)于傳統(tǒng)電光標(biāo)志，具有明顯優(yōu)勢。

表3 每km 隧道電光標(biāo)志和新型長余輝標(biāo)志的造價對比

4 結(jié)語

長余輝材料作為一種有光時儲能、黑暗時發(fā)光的可持續(xù)型綠色環(huán)保節(jié)能材料，不僅適合用于高速公路隧道交通標(biāo)志中，還可以將其應(yīng)用在隧道側(cè)壁涂裝與交通標(biāo)線上，既可改善隧道洞內(nèi)停電時的亮度，又能在夜間顯著提升交通標(biāo)線的可視性，但目前由于國家及行業(yè)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的缺失，限制了長余輝材料在道路交通行業(yè)的推廣應(yīng)用，也給材料的選型和質(zhì)量評定帶來不便。 因此，加快長余輝材料在道路交通行業(yè)的試點(diǎn)應(yīng)用，推進(jìn)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范的制定，是業(yè)內(nèi)人士下一階段努力的方向。