李 卓 張青俠

(中交第一公路勘察設(shè)計研究院有限公司，陜西 西安 710075)

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高海拔地區(qū)隧道照明設(shè)計優(yōu)化研究

李 卓 張青俠

(中交第一公路勘察設(shè)計研究院有限公司，陜西 西安 710075)

介紹了高海拔、高寒公路隧道的隧址特點，以青海省某高海拔隧道為例，分析了照明停車視距和洞外亮度兩點設(shè)計參數(shù)，給出了隧道內(nèi)各區(qū)段照明系統(tǒng)的優(yōu)化方案，并探討了隧道照明控制方式，在保證行車安全的基礎(chǔ)上滿足了綠色節(jié)能的要求。

高海拔，隧道，照明，停車視距

0 引言

汽車在公路隧道內(nèi)行駛時,為了保障洞內(nèi)的行車安全性，需要在洞內(nèi)設(shè)置合理的照明光源，創(chuàng)造良好的視覺環(huán)境，克服進(jìn)入隧道的“黑洞”和出隧道的“白洞”效應(yīng)，讓司乘人員可以安全、舒適的通過隧道。隨著國家“十三五”西部大開發(fā)的規(guī)劃，西藏、青海等西部省份的公路建設(shè)快速發(fā)展，公路隧道也呈現(xiàn)規(guī)模化建設(shè)趨勢，如在建和已通車的西藏拉林高速公路、青?；ㄊ瘝{至大武高速公路、云南香德二級公路等均有長、特長隧道。這些項目均地處高寒、高海拔地區(qū)，因為特殊的地理環(huán)境和氣候原因，隧道的照明設(shè)計應(yīng)當(dāng)區(qū)別于平原地區(qū)。本文依托青海省花石峽至大武的某隧道，對高海拔地區(qū)的隧道照明設(shè)計進(jìn)行優(yōu)化研究。

1 隧道照明參數(shù)的優(yōu)化

該隧道平均海拔在4 400 m以上，時速為80 km/h。按照國際通行的海拔劃分標(biāo)準(zhǔn)屬于高寒、高海拔地區(qū)。該地區(qū)具有空氣稀薄缺氧、土壤溫度低、太陽輻射高、日照時間長、降水量少等特征。結(jié)合隧道照明設(shè)計的要點，該隧道可從以下幾方面進(jìn)行設(shè)計參數(shù)的優(yōu)化。

1.1 停車視距的優(yōu)化

由于高海拔地區(qū)空氣含氧量低，駕駛員在高原環(huán)境下行車，生理和心理方面都受到了影響。雖然駕駛員身體素質(zhì)有差異性，但是隨著海拔的攀升，吸入氧氣的減少會出現(xiàn)頭痛、頭暈、嗜睡、反應(yīng)遲鈍、注意力不集中等情況。如果在缺氧情況下駕駛時間太久，駕駛員更容易出現(xiàn)疲勞，反應(yīng)遲鈍等情況，嚴(yán)重影響駕駛員的正常駕駛，極易引發(fā)交通事故。通過對駕駛員在高原環(huán)境的主觀感受的調(diào)查，缺氧疲勞和反應(yīng)延誤是影響行車安全的最主要環(huán)境因素。海拔越高駕駛員的延誤時間越長,根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)研究[1]，在4 000 m以上的海拔延誤時間要比平原地區(qū)多0.25 s，知亥代隧道地處4 400 m海拔，反應(yīng)延誤時間保守按0.5 s計算。

停車視距是進(jìn)行隧道入口段長度計算的基礎(chǔ)，根據(jù)JTG/T D70/2—01—2014公路隧道照明設(shè)計細(xì)則,當(dāng)縱坡為-4%時，80 km/h時速的停車視距為112 m。但高海拔地區(qū)的停車視距和平原地區(qū)停車視距應(yīng)有區(qū)別。停車視距的計算公式如下：

(1)

其中，S1為反應(yīng)距離；S2為制動距離；S3為安全距離；平原地區(qū)t為感覺時間和制動生效時間之和，總時間為2.5 s，再加上高原的反應(yīng)延誤時間0.5 s，時間t最終取值為3 s。通過計算，可以得到停車視距長度為150 m。因此從確保交通安全與行駛舒適性的角度來確定，得出高海拔地區(qū)的停車視距值是高于平原地區(qū)的。再根據(jù)入口段長度計算公式：

(2)

將停車視距S代入式(2)，可以計算出，青海省該隧道入口段1,2的長度應(yīng)為70m。

1.2 洞外亮度的優(yōu)化

洞外亮度是照明系統(tǒng)的設(shè)計基準(zhǔn)之一，洞外亮度的正確取值，對隧道內(nèi)安全行車至關(guān)重要，對于前期的工程投資和后期的運營電費更是有極大的影響。該項目隧址區(qū)為高海拔山嶺隧道，因洞口外山體植被稀少，天空面積百分比不到10%，根據(jù)JTG/TD70/2—01—2014公路隧道照明設(shè)計細(xì)則,設(shè)計時速為80km/h時，洞外亮度取值應(yīng)為3 500cd/m2。高海拔地區(qū)太陽日照強(qiáng)度大，同等時速洞外亮度高于平原地區(qū)，按照設(shè)計習(xí)慣高海拔隧道洞外亮度增加500cd/m2，最終該隧道亮度按4 000cd/m2取值。根據(jù)研究，在相同時速下，洞外亮度分別取4 000cd/m2和6 000cd/m2時，設(shè)備費相差34%，耗電量相差30%[2]。因此在隧道洞口的設(shè)計中需進(jìn)行景觀治理，采用削竹洞門、洞門顏色深化處理、植被濃密深色植物等方法降低洞外亮度。同理，本項目按照4 000cd/m2進(jìn)行隧道照明設(shè)計，如不進(jìn)行洞口減光治理，勢必造成前期的投資規(guī)模和后期運營電費的增加。

隧址區(qū)地處高海拔高寒地帶，冬季會有長時間積雪植被覆蓋率低，采用高大的喬木類樹種不易成活，周期長且事倍功半，采用植被的方式不適合高海拔地區(qū)隧道[3]。本項目在隧道進(jìn)口和出口均設(shè)置有遮陽棚，采用封閉式透光構(gòu)造遮陽效果很好，洞口因遮陽棚的遮光作用，隧道照明設(shè)計可根據(jù)遮陽棚的減光效果，對洞口段亮度做相應(yīng)折減。經(jīng)過計算，本項目在左右洞隧道進(jìn)口分別設(shè)置有50 m和40 m的遮陽棚洞，采用棚洞結(jié)構(gòu)有力降低了洞外亮度,可折減為2 500 cd/m2進(jìn)行隧道的照明設(shè)計。同時遮陽棚洞可以降低隧址區(qū)冬季積雪引起的車輛滑移，也能減輕雨雪對路面的基層侵蝕延長使用壽命。

2 隧道照明方案優(yōu)化

該隧道左洞4 570 m，右洞4 495 m，為雙洞四車道隧道，隧道洞門均為端墻式，隧道內(nèi)進(jìn)、出口300 m采用復(fù)合式路面，其他路段采用水泥混凝土路面。根據(jù)工可，方向不均勻系數(shù)取0.55，高峰小時交通量系數(shù)取0.13，計算得本項目隧道單向每車道高峰小時交通量在2025年為198輛(絕對數(shù))，在2036年為320輛(絕對數(shù))，均小于350輛(絕對數(shù))。近、遠(yuǎn)期入口段亮度折減系數(shù)K值均取0.025。根據(jù)JTG/T D70/2—01—2014公路隧道照明設(shè)計細(xì)則進(jìn)行照明設(shè)計[4]。

2.1 隧道照明設(shè)計方案優(yōu)化

1)中間段照明：項目近遠(yuǎn)期交通量均小于350輛(絕對數(shù))，根據(jù)規(guī)范確定中間段亮度為1.5 cd/m2。由于本隧道為特長隧道，且以設(shè)計速度通過本隧道的行車時間超過135 s，因此照明段分為兩個照明段，第一段長度666 m，設(shè)計亮度1.5 cd/m2。第二段照明為余下中間段長度，設(shè)計亮度為1.2 cd/m2。結(jié)合規(guī)范中規(guī)定采用LED燈具時，可對亮度進(jìn)行50%折減，折減后第一段和第二段中間段亮度均低于1 cd/m2，因此本項目中間段不分中間段1,2，均以1 cd/m2為設(shè)計亮度標(biāo)準(zhǔn)。

2)入口段照明：優(yōu)化后的洞外亮度取值L20(S)=2 500 cd/m2，K值根據(jù)工可計算取0.025;入口段Lth1=L20(S)×K=62.5，Lth2=0.5×Lth1=31.25。

3)過渡段照明：過渡段按照細(xì)則應(yīng)分為TR1,TR2,TR3三個照明段，亮度Ltr1=Lth1×0.15=9.4,Ltr2=Lth1×0.05=3.125,Ltr3=Lth1×0.02=1.25。因本隧道過渡段3的亮度Ltr3值未大于中間段亮度Lin的2倍，因此僅設(shè)置過渡段1和過渡段2。

4)出口段照明：出口段宜劃分為EX1和EX2兩個照明段，每段長度宜取30 m，與之對應(yīng)的亮度分別由基本段的亮度計算所得。

5)棚洞照明：考慮到棚洞在冬季雨雪天氣，頂部會有積雪，棚洞起不到減光作用，反而會形成新的“黑洞效應(yīng)”。針對該高海拔隧道在冬天的特殊工況，需要安裝照明設(shè)施，且應(yīng)等同為入口段1的延伸段。綜合以上分析，優(yōu)化后的照明設(shè)計亮度見表1。

2.2 隧道照明控制方案優(yōu)化

1)隧道主洞調(diào)光控制的優(yōu)化：傳統(tǒng)照明采用分四級或六級回路調(diào)光照明，其粗獷的調(diào)光方式使得洞內(nèi)亮度難以隨洞外亮度的變化而變化，使得隧道內(nèi)加強(qiáng)照明的電能浪費巨大。本項目燈具采用LED燈，本著節(jié)約電能的設(shè)計理念，隧道照明采用無級調(diào)光系統(tǒng)進(jìn)行控制調(diào)光。加強(qiáng)照明根據(jù)洞外亮度、運行車速、交通量等信息自動無級調(diào)光?；菊彰鞲鶕?jù)時間、交通量等信息自動無級調(diào)光。通過無極調(diào)光方式可以實現(xiàn)隧道的精細(xì)調(diào)光和按需照明，實現(xiàn)在滿足規(guī)范的前提下節(jié)能。

表1 隧道內(nèi)各區(qū)段照明設(shè)計亮度

2)隧道棚洞調(diào)光控制的優(yōu)化：棚洞在洞頂積雪情況下會出現(xiàn)黑洞效應(yīng)，因此應(yīng)對棚洞實現(xiàn)獨立回路供電調(diào)光，并分為白天和晚上兩種模式。白天：當(dāng)遮陽棚洞頂部無積雪時，關(guān)閉遮陽棚洞段內(nèi)照明燈具,其他照明區(qū)段按照正常調(diào)光模式開啟照明燈具；當(dāng)隧道處于冬季，遮陽棚洞頂部有積雪時，開啟遮陽棚洞內(nèi)加強(qiáng)照明燈具。遮陽棚洞和其他照明區(qū)段均按照正常調(diào)光模式開啟照明燈具。夜晚：遮陽棚洞關(guān)閉加強(qiáng)段照明，僅開啟基本應(yīng)急照明。

3 結(jié)語

雖然我國在隧道照明系統(tǒng)的設(shè)計方面已經(jīng)有了長足的發(fā)展，但是還會有許多待解決的問題。隨著高原地區(qū)隧道建設(shè)規(guī)模和數(shù)量的增加，隧道照明的規(guī)范方面對高海拔地區(qū)的照明設(shè)計還缺少指導(dǎo)性的規(guī)定。本文研究了高海拔對隧道停車視距和洞口亮度的影響，并進(jìn)行了參數(shù)的優(yōu)化，但是對于其他可能被影響的照明參數(shù)仍有待進(jìn)一步研究。在目前的隧道照明設(shè)計過程中，應(yīng)參考相關(guān)的照明規(guī)范，亦應(yīng)結(jié)合高海拔地區(qū)隧道的特點對隧道照明系統(tǒng)方案進(jìn)行整體的優(yōu)化，既要能保證行車安全又能保證綠色節(jié)能。

[1] 黃 勇，方 靖，張元才.高海拔地區(qū)道路安全運營管理應(yīng)用技術(shù)[J].公路交通科技,2012,29(6):98-104.

[2] 涂 耘，王小軍，周 健.福建公路隧道洞外亮度L20(S)研究[J].公路交通技術(shù),2007(11)：120-121.

[3] 艾 杰，楊寶林，李玉平.甘肅省隧道出口減光防眩設(shè)計[J].公路隧道,2010(2):56-59.

[4] JTG/T D70/2—01—2014,公路隧道照明設(shè)計細(xì)則[S].

The optimization research of tunnel lighting design in high altitude area

Li Zhuo Zhang Qingxia

(CCCC First Highway Survey and Design Institute Limited Company, Xi’an 710075, China)

This paper introduced the tunnel location characteristics of high altitude, alpine highway tunnel, taking a high altitude tunnel in Qinghai as an example, analyzed two design parameters of lighting stopping sight distance and outside brightness, gave the optimization schemes of each section lighting system in tunnel, and discussed the tunnel lighting control ways, based on ensuring traffic safety to meet the requirements of green energy saving.

high altitude, tunnel, lighting, stopping sight distance

1009-6825(2017)12-0101-02

2017-02-14

李 卓(1983- )，男，碩士，工程師； 張青俠(1982- )，女，碩士，工程師

U453.7

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