何世永，陳 蔚，梁 波，張 逸

(1.重慶交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，重慶 400074；2.重慶軌道集團(tuán)有限公司，重慶 401120；3.重慶交通大學(xué) 山區(qū)橋梁與隧道工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地，重慶 400074)

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公路隧道蓄能反光側(cè)壁材料應(yīng)急救援功能研究

何世永1，陳 蔚2，梁 波3，張 逸1

(1.重慶交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，重慶 400074；2.重慶軌道集團(tuán)有限公司，重慶 401120；3.重慶交通大學(xué) 山區(qū)橋梁與隧道工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地，重慶 400074)

結(jié)合蓄能反光材料的應(yīng)用研究現(xiàn)狀以及公路隧道突發(fā)事故災(zāi)害的特征，分析了蓄能反光材料應(yīng)用于公路隧道側(cè)壁對(duì)于改善應(yīng)急救援視覺環(huán)境的重要性。針對(duì)蓄能反光材料的蓄能自發(fā)光特性開展了兩類不同配比的蓄能反光材料的余輝亮度和余輝光譜試驗(yàn)，并對(duì)兩類蓄能反光材料的特征參數(shù)，如材料配比系數(shù)、余暉亮度和持續(xù)時(shí)間、以及余暉光譜能量分布等進(jìn)行計(jì)算分析。結(jié)果表明：蓄能反光側(cè)壁材料1 h內(nèi)自發(fā)光亮度遠(yuǎn)高于人眼的最低識(shí)別亮度；0.3發(fā)光粉配比的蓄能反光側(cè)壁材料余輝性能最佳，該配比下的余輝初始亮度與余輝時(shí)間都有較大幅度的增長；硅酸鹽蓄能反光材料比鋁酸鹽蓄能反光材料擁有更高的余暉光譜S/P值，但鋁酸鹽蓄能反光材料的余輝亮度特性優(yōu)于硅酸鹽蓄能反光材料，合理選取側(cè)壁蓄能反光材料的相關(guān)參數(shù)有助于提高公路隧道突發(fā)事故災(zāi)害條件下的應(yīng)急救援功能。

隧道工程；蓄能反光側(cè)壁材料； 應(yīng)急救援；余輝亮度；余輝光譜能量分布

0 引 言

國際照明委員會(huì)技術(shù)報(bào)告CIE 88—2004指出：隧道側(cè)壁是司乘人員發(fā)現(xiàn)障礙物時(shí)背景的重要組成部分，對(duì)其亮度適應(yīng)和視覺引導(dǎo)具有重要作用。同時(shí)，隧道側(cè)壁是公路隧道照明環(huán)境的重要組成部分，建議隧道側(cè)壁自下往上2 m范圍內(nèi)，平均亮度不低于路面亮度的60%[1]。基于此，國內(nèi)外學(xué)者對(duì)公路隧道側(cè)壁與照明節(jié)能安全的關(guān)系開展了較為廣泛的研究，如楊韜[2]對(duì)隧道內(nèi)不同壁面材料反射特性進(jìn)行研究，指出考慮材料反射有助于提高公路隧道照明的平均亮度。K.KIRCHER等[3]結(jié)合VTI 駕駛模擬器，指出適當(dāng)提高墻面路面對(duì)比度有利于提高駕駛員駕車經(jīng)過公路隧道時(shí)的安全系數(shù)。梁波等[4]采用數(shù)值模擬、實(shí)體比例模型以及實(shí)體隧道試驗(yàn)，對(duì)高反射系數(shù)的側(cè)壁材料的使用性能進(jìn)行研究，指出高反射系數(shù)蓄能反光材料的使用能有效提高路面照度，適當(dāng)降低照明能耗。由此可見，具有高反射率性能的側(cè)壁蓄能反光材料研究已相對(duì)較多，但對(duì)蓄能后釋放余暉性能的研究較少。

蓄能反光材料是一類高反射率的光致發(fā)光材料，將稀土元素作為激活劑的第三代蓄能反光材料迎來了發(fā)展的新紀(jì)元[5]，第三代的蓄能反光材料相比于第二代的蓄能反光材料擁有更好的余輝性能和化學(xué)穩(wěn)定性，以硅酸鹽和鋁酸鹽為代表的蓄能反光材料在交通、顯示、涂料、醫(yī)療、陶瓷等行業(yè)得到了更多的應(yīng)用[6]。同時(shí)，蓄能反光材料又是一類兼顧美觀與功能的環(huán)保材料，蓄能反光材料作為隧道側(cè)壁材料能夠利用其自發(fā)光功能在隧道事故災(zāi)害中起到輔助應(yīng)急救援的作用，對(duì)隧道的行車安全起到十分積極的作用[7-8]。

隨著隧道數(shù)量與規(guī)模的增加，易燃物品運(yùn)輸量也隨之增加，加之隧道內(nèi)的照明質(zhì)量普遍較低，隧道已然成為交通事故高發(fā)區(qū)，若交通事故誘發(fā)火災(zāi)，將造成嚴(yán)重的生命和財(cái)產(chǎn)損失，施救難度更是遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他路段[9]。如2014年3月1日在晉濟(jì)高速公路山西晉城段巖后隧道內(nèi)發(fā)生的汽車追尾事故，引發(fā)的火災(zāi)總共造成40人死亡、12人受傷。以及2016年3月17日在日本Hachihonmatsu隧道發(fā)生一起交通事故，導(dǎo)致2人死亡，70人受傷的嚴(yán)重后果。隧道事故發(fā)生災(zāi)害后，及時(shí)的應(yīng)急救援以及被困人員的自我逃生往往成為減少事故傷亡的關(guān)鍵環(huán)節(jié)[10-13]。能見度較高的應(yīng)急救援或被困人員自救環(huán)境對(duì)于增加逃生率，減少事故傷亡具有重要的作用。因此，筆者結(jié)合公路隧道側(cè)壁蓄能反光材料，對(duì)應(yīng)急救援功能，余暉亮度以及余暉光色特征進(jìn)行系統(tǒng)試驗(yàn)分析，以期為公路隧道應(yīng)急救援提供一個(gè)新思路。

1 蓄能反光材料在公路隧道中的應(yīng)急救援功能分析

蓄能反光材料最大的特點(diǎn)在于其蓄能自發(fā)光功能。在外界光能停止激發(fā)后，蓄能反光材料可通過自我放能的方式(電子的能級(jí)躍遷)發(fā)光，即光致發(fā)光現(xiàn)象[14]，進(jìn)而產(chǎn)生一定的余暉亮度。

隧道一旦發(fā)生火災(zāi)，可燃物燃燒釋放的濃煙迅速彌漫隧道頂部，事故發(fā)生段將陷入照明失效狀態(tài)，被困人員僅能從逃生指示標(biāo)示獲得逃生指引。逃生指示標(biāo)示一般間隔較遠(yuǎn)，面積較小，作用效果有限，而蓄能反光材料在隧道照明失效的情況下，恰好能夠利用蓄能自發(fā)光功能，提供逃生所需視覺亮度。

圖1為逃生指示標(biāo)示與蓄能反光材料自發(fā)光亮度對(duì)比。圖2為蓄能反光材料應(yīng)用于公路隧道側(cè)壁時(shí)，隧道突然斷電后的余暉效果。

圖1 蓄能反光材料余輝效果Fig. 1 Afterglow performance of energy-storage and reflective sidewall-materials

圖2 斷電后的余暉效果Fig. 2 Afterglow performance after power off in road tunnel

由圖1，圖2可見，蓄能反光材料的發(fā)光亮度遠(yuǎn)高于人眼的最低識(shí)別亮度，即使實(shí)驗(yàn)板的尺寸較小，仍能夠?qū)χ車臻g提供一定的照明亮度。在突然斷電情況下，公路隧道側(cè)壁使用蓄能反光材料對(duì)于顯示整體輪廓，提升應(yīng)急救援或被困人員自救的效果具有十分重要的應(yīng)用價(jià)值。相比于逃生指示標(biāo)示，蓄能反光材料有以下優(yōu)勢(shì)：

1) 蓄能反光材料的涂刷范圍為隧道側(cè)壁墻面，整體提供的照明亮度優(yōu)于逃生指示標(biāo)示。

2) 蓄能反光材料覆蓋于一定高度的公路隧道側(cè)壁墻面，能夠讓逃生者更好地感知隧道輪廓。在長隧道或者曲線形隧道，蓄能反光材料的自發(fā)光效果更有利于提供逃生線路。

3) 蓄能反光材料自發(fā)光過程為吸能放能的過程，相比于逃生指示標(biāo)示，蓄能反光材料無需額外的電能，也避免了墻后的電路走線問題。

2 隧道蓄能反光側(cè)壁材料余輝亮度試驗(yàn)分析

2.1 不同材料種類下的余輝亮度

余輝亮度曲線是國內(nèi)外專家學(xué)者比較常用的用來衡量蓄能發(fā)光性能的重要參數(shù)曲線，其能夠較好地反映蓄光反光材料的余輝亮度以及余輝持續(xù)時(shí)間[14]。筆者以第三代蓄能反光材料中具有代表性的鋁酸鹽與硅酸鹽蓄能反光材料為試驗(yàn)對(duì)象，采用PR-305長余輝熒光粉測(cè)試儀(圖3)分別測(cè)量了兩類材料的余輝性能。

圖3 PR-305長余輝熒光粉測(cè)試儀Fig. 3 PR-305 phosphor powder tester of long afterglow

試驗(yàn)采用氙燈光源，以1 000 lx平均照度照射在蓄能反光材料表面10 min，然后以秒為單位測(cè)量蓄能反光材料的自發(fā)光亮度值。

硅酸鹽和鋁酸鹽蓄能反光材料的余輝亮度以及余輝雙對(duì)數(shù)曲線如圖4、圖5。

圖4 余輝亮度曲線Fig. 4 Afterglow luminance curve

圖5 余輝雙對(duì)數(shù)曲線Fig. 5 Double logarithmic curve of the afterglow

由圖4可知，硅酸鹽蓄能反光材料余輝時(shí)間、余輝亮度均小于鋁酸鹽蓄能反光材料。根據(jù)測(cè)量結(jié)果，兩種蓄能反光材料1 h后的余輝亮度仍遠(yuǎn)高于人眼的最低識(shí)別亮度(0.32 mcd/m2)，最終硅酸鹽蓄能反光材料的余輝時(shí)間為3 h，鋁酸鹽蓄能反光材料余輝時(shí)間為10 h。

圖5反映了兩種蓄能反光材料在隧道光環(huán)境下余輝亮度衰減趨勢(shì)。從圖5可以看出，兩種蓄能反光材料的ln(L)(亮度的自然對(duì)數(shù))與ln(t)(時(shí)間的自然對(duì)數(shù))基本維持線性關(guān)系，即兩種蓄能反光材料的余輝亮度衰減形式與大多數(shù)蓄能反光材料保持一致，遵循以下衰減公式[15]：

I=I0×t-n

(1)

式中：I為光源停止激發(fā)ts后，材料的發(fā)光強(qiáng)度；I0為光源停止激發(fā)時(shí)材料的發(fā)光強(qiáng)度；n為衰減常數(shù)。

對(duì)于雙對(duì)數(shù)亮度曲線而言，直線斜率的絕對(duì)值即為蓄能反光材料的衰減系數(shù)n，數(shù)據(jù)經(jīng)函數(shù)擬合，硅酸鹽蓄能反光材料衰減系數(shù)n為0.959，鋁酸鹽蓄能反光材料衰減系數(shù)n為1.005，即硅酸鹽蓄能反光材料衰減速度低于鋁酸鹽蓄能反光材料。

總體來說，應(yīng)用于隧道后的鋁酸鹽蓄能反光材料余輝性能優(yōu)于硅酸鹽蓄能反光材料，但兩種材料的余輝性能均能保證在相當(dāng)長的一段時(shí)間內(nèi)為被困人員提供逃生所需的基本照明。

2.2 不同材料配比下的余輝亮度

蓄能反光材料主要由溶劑與發(fā)光粉組成，其自發(fā)光作用主要依靠材料內(nèi)發(fā)光粉的光致發(fā)光作用，發(fā)光粉含量的多少，即不同的材料配比將極大地影響蓄能反光材料的余輝性能。研究以水泥砂漿為底板制作不同配比的蓄能反光材料樣板，采用2.1小結(jié)余暉亮度測(cè)定方法，分別測(cè)量了4種不同材料配比的鋁酸鹽蓄能反光材料的余輝性能。文中蓄能反光材料配比單指蓄能反光材料中發(fā)光粉的含量。配比分別為0.1～0.4的鋁酸鹽蓄能反光材料余輝初始亮度與余輝時(shí)間如圖6、圖7。

圖6 蓄能反光材料配比與余輝初始亮度的關(guān)系曲線Fig. 6 Relationship curve between the ratio of the energy-storage and reflective materials and the afterglow initial brightness

圖7 蓄能反光材料配比與余輝時(shí)間的關(guān)系曲線Fig. 7 Relationship curve between the ratio of the energy-storage and reflective materials and the afterglow duration

由圖6可知，當(dāng)蓄能反光材料配比從0.1提高到0.2，其余輝初始亮度從0.828 cd/m2，提高為1.618 cd/m2，余輝初始亮度增加了95%。當(dāng)材料配比從0.2提高到0.3，余輝初始亮度增加了127%；當(dāng)材料配比從0.3提高到0.4，余輝初始亮度增加不到10%。圖7中的余輝時(shí)間同樣保持了相同的增長規(guī)律，最長的余輝時(shí)間為14 h。

綜上所述，發(fā)光粉含量為0.3左右時(shí)，材料的余輝性能基本達(dá)到了穩(wěn)定的極限狀態(tài)。因此，在不考慮成本的情況下，0.3材料配比下蓄能反光材料余輝性能最佳，在隧道事故災(zāi)害發(fā)生后所起的應(yīng)急救援效果最顯著。

3 隧道蓄能反光側(cè)壁材料余輝光譜能量分布試驗(yàn)分析

3.1 試驗(yàn)概況

公路隧道突發(fā)斷電條件下，整個(gè)隧道視覺環(huán)境處在一個(gè)較暗的中間視覺或暗視覺亮度范圍。該視覺環(huán)境下，不同色彩(光譜能量分布)給人的感知亮度也不相同[17]。近年來視覺亮度的研究也成為了研究的熱點(diǎn)，由美國倫斯勒理工學(xué)院的Rea教授提出的中間視覺X模型與歐盟主導(dǎo)所提出的中間視覺MOVE模型得到了更多國內(nèi)外學(xué)者的認(rèn)可。在兩類中間視覺模型中，均以S/P值作為評(píng)價(jià)光譜分布的重要參數(shù)[16-17]，S/P值計(jì)算公式如下[18-19]：

(2)

式中：λ為波長；P(λ)為波長為λ的光譜相對(duì)強(qiáng)度；V′(λ)為暗視覺下光譜光視效率值；V(λ)為明視覺下光譜光視效率值。

試驗(yàn)利用美國Photo Research系列PR655光譜掃描輻射度計(jì)(圖8)，以新型硅酸鹽蓄能反光材料和鋁酸鹽蓄能反光材料為試驗(yàn)對(duì)象，分別測(cè)定和計(jì)算兩種蓄能反光材料的光譜能量分布和S/P值。

圖8 PR-655光譜掃描輻射度計(jì)Fig. 8 PR-655 spectra scanning radiometer

圖9為試驗(yàn)板，試驗(yàn)底板為鋁板，蓄能反光材料的涂刷厚度為2 mm。試驗(yàn)首先分別測(cè)量了蓄能反光材料自發(fā)光1 min后，5 min后，10 min后的光譜能量分布，然后，結(jié)合所測(cè)的余暉光譜能量分布曲線和式(2)計(jì)算得到相應(yīng)的S/P值。

圖9 硅酸鹽(左)、鋁酸鹽(右)蓄能反光材料試驗(yàn)板Fig. 9 Test sample of silicate (left) and aluminate (right) energy-storage and reflective materials

3.2 硅酸鹽和鋁酸鹽蓄能反光材料光譜能量分布和S/P值

硅酸鹽和鋁酸鹽蓄能反光材料的自發(fā)光(1 min)光譜能量分布如圖10。由圖10可見，自發(fā)光1 min后兩種蓄能反光材料光譜分布都為單峰的分布形式顯示，硅酸鹽蓄能反光材料自發(fā)光光譜峰值波長為468 nm，主波長為480 nm，為藍(lán)光波長，自發(fā)光顏色為藍(lán)色。鋁酸鹽蓄能反光材料的自發(fā)光光譜峰值波長為520 nm，主波長為541 nm，為綠光波長，自發(fā)光顏色為綠色。

鋁酸鹽和硅酸鹽蓄能反光材料在自發(fā)光1 min后，5 min后，10 min后的光譜能量分布所對(duì)應(yīng)的S/P值如圖11。

圖10 硅酸鹽和鋁酸相連蓄能反光材料自發(fā)光光譜Fig. 10 Self-luminescence spectra of silicate and aluminate energy-storage and reflective material

圖11 蓄能反光材料S/P值變化Fig. 11 Variation of S/P ratio of the energy-storing and reflective material

兩種蓄能反光材料自發(fā)光5 min后光譜能量分布對(duì)應(yīng)S/P值與幾種常見光源的光譜能量分布對(duì)應(yīng)S/P值如圖12。由圖11可知，兩種蓄能反光材料對(duì)應(yīng)的S/P值未隨時(shí)間發(fā)生明顯變化，任意時(shí)刻硅酸鹽蓄能反光材料對(duì)應(yīng)的S/P值高于鋁酸鹽蓄能反光材料對(duì)應(yīng)的S/P值。由圖12可知，蓄能反光材料S/P值遠(yuǎn)高于普通照明光源，即余暉中藍(lán)光成分較多的硅酸鹽蓄能反光材料(主波長480 nm)和余暉中綠光成分較多的鋁酸鹽蓄能反光材料(主波長541 nm)發(fā)光效率高于發(fā)白光的LED燈以及黃光成分較多的金鹵燈、高壓鈉燈。

圖12 常見光源與蓄能反光材料S/P值對(duì)比Fig. 12 Comparison of S/P ratio between common light source and the energy-storage and reflective material

余暉呈藍(lán)綠色的蓄能反光材料擁有較高的S/P值，也符合了中間視覺和暗視覺亮度下人眼對(duì)色彩敏感程度的理論認(rèn)知[20-21]。與幾種常見光源相比，低亮度條件下有較高發(fā)光效率的蓄能反光材料更有利于在隧道火災(zāi)斷電等事故發(fā)生后引導(dǎo)被困人員的逃生與疏散。

4 結(jié) 論

筆者基于余輝亮度與余輝光譜，通過試驗(yàn)與計(jì)算分析了蓄能反光材料在隧道事故災(zāi)害中的輔助應(yīng)急救援功能，主要得出如下結(jié)論：

1) 以筆者所使用的兩類蓄能反光材料為例，蓄能反光材料1 h后的余輝亮度均遠(yuǎn)高于人眼能夠識(shí)別的最低識(shí)別亮度0.32 mcd/m2，在隧道的事故災(zāi)害中均能夠在相當(dāng)長的一段時(shí)間內(nèi)為被困人員提供逃生所需的基本應(yīng)急照明。

2) 材料配比對(duì)蓄能反光材料的初始余暉亮度和余暉時(shí)間影響很大，當(dāng)發(fā)光粉含量占總量30%時(shí)能夠更好地發(fā)揮蓄能反光材料的余暉性能。

3) 兩種蓄能反光材料相比，余暉中藍(lán)光成分較高的硅酸鹽蓄能反光材料擁有更高的自發(fā)光光譜S/P值，即余暉中藍(lán)光成分較高的硅酸鹽蓄能反光材料擁有更高的光視效率。但硅酸鹽蓄能反光材料的余輝亮度與余輝持續(xù)時(shí)間比鋁酸鹽蓄能反光材料低。

4) 蓄能反光材料是一類發(fā)光性能穩(wěn)定，工藝成熟的環(huán)保節(jié)能材料，具有較高的余暉亮度和S/P值。發(fā)藍(lán)綠光的蓄能反光材料在暗視覺下人眼的感知亮度較高，蓄能反光材料覆蓋于隧道側(cè)壁后，有利于在隧道事故災(zāi)害中輔助被困人員感知隧道輪廓，提供逃生線路的指引。

5) 在公路隧道內(nèi)部發(fā)生交通事故突然斷電情況下，其蓄能發(fā)光特性對(duì)于提高應(yīng)急救援水平具有重要意義。但如何將該余暉光學(xué)性能指標(biāo)應(yīng)用于公路隧道，即蓄能反光材料在公路隧道側(cè)壁的涂裝形式，施工工藝等有待進(jìn)一步研究。

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(責(zé)任編輯：譚緒凱)

Emergency Rescue Performance of Energy-Storage and Reflective Sidewall-Materials in Highway Tunnel

HE Shiyong1，CHEN Wei2，LIANG Bo3，ZHANG Yi1

(1.School of Civil Engineering，Chongqing Jiaotong University，Chongqing 400074，P.R.China; 2.Chongqing Railway Group Co.Ltd.，Chongqing 401120，P.R.China; 3.State Key Laboratory Breeding Base of Mountain Bridge and Tunnel Engineering，Chongqing Jiaotong University，Chongqing 400074，P.R.China)

According to the research status of the application of the energy-storage and reflective materials and the characteristics of accidents in highway tunnels，the importance of the energy-storage and reflective materials used in highway tunnel side wall for improving the visual environment of emergency rescue was analyzed.Aiming at the energy-storage and self-luminous characteristics of energy-storage and reflective materials，the tests of afterglow luminance and afterglow spectrums of the energy-storage and reflective materials with two different composition ratios were carried out.The characteristic parameters of the above two kinds of materials，such as the material ratio coefficient，the brightness and duration of afterglow，and the power distribution of afterglow spectral were analyzed and calculated.The results show that the self-luminous brightness of energy-storage and reflective sidewall-material in 1 hour is much higher than the limit the human can recognize.The energy-storage and reflective sidewall-material with 0.3 luminous powder ratio has the best afterglow performance，and the initial brightness and the afterglow duration are significantly improved by this ratio.Silicate light-storage and reflective materials have a higher S/P value of afterglow spectral than the aluminate light-storage and reflective materials do，while the aluminate light-storage and reflective materials have better performance in afterglow brightness.Reasonable selection of the relative parameters of energy-storage and reflective sidewall-materials is helpful to improve the emergency rescue function of highway tunnel emergency accidents and disasters.

tunnel engineering; energy-storage and reflective sidewall-material; emergency rescue; afterglow brightness; afterglow spectral power distribution

2016-12-29；

2017-03-30

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51678096)；重慶市科委項(xiàng)目(cstc2015shmszx30023)；云南省交通廳科技項(xiàng)目(2014(A)17)

何世永(1988—)，男，河南開封人，博士，主要從事公路隧道運(yùn)營維護(hù)安全與節(jié)能方面的研究。E-mail：he-sy@hotmail.com。

10.3969/j.issn.1674-0696.2017.06.04

U454

A

1674-0696(2017)06-024-06