王 勇, 王國欣, 李書渝, 李金會, 蘇井高, 向 明

(1. 中國建筑第八工程局有限公司工程研究院, 上海 200135; 2. 中國建筑土木建設有限公司, 北京 100070)

0 引言

在公路隧道建設中,由于空間環(huán)境的封閉,須在洞內(nèi)各工作面提供足夠照明以滿足施工需要。近年來,隨著環(huán)保意識增強,LED作為一種高效節(jié)能的新一代照明技術逐步取代傳統(tǒng)白熾燈、節(jié)能燈成為隧道施工照明的主流,也是打造優(yōu)質(zhì)隧道工程的重要手段[1-4]。調(diào)查發(fā)現(xiàn),目前隧道施工中常見的LED照明燈具主要有泛光燈、球泡燈與燈帶3種,三者技術特點的差異使得照明效果與照明成本也各不相同。故根據(jù)隧道施工不同工作面照明需要,進行LED燈具的優(yōu)化選取與布置,是當前進一步深化隧道施工綠色照明面臨的重要問題。在隧道各施工照明區(qū)段中,已施作二次襯砌結(jié)構(gòu)的成洞段長度最長,作為運輸通道需不間斷照明,且隨著二次襯砌推進布燈將持續(xù)增多。對成洞段LED燈具的選取與布置進行優(yōu)化設計,將對整個隧道施工的照明節(jié)能起到至關重要的作用。JTG/T F60—2009《公路隧道施工技術細則》[5]規(guī)定,隧道施工成洞段平均照度應不小于4 lx。

目前關于隧道LED照明的研究主要集中于運營階段,如: 龔志遠等[6]采用DIALux軟件對運營期隧道不同照明區(qū)段的LED布燈照明效果進行了模擬分析,為智能調(diào)光提供了布燈參考;李然等[7]對燈具的不同安裝高度和角度進行數(shù)值模擬試驗,通過平均照度與均勻度的對比分析,確定了LED隧道燈的最佳安裝位置;黃傳茂[8]與范士娟等[9]均研究了對稱、交錯、中央、側(cè)偏等不同布燈方式對LED燈具照明效果的影響,對運營期隧道燈具優(yōu)化布置起到一定的參考作用。但是,由于隧道施工階段與運營階段在照明標準、燈具類型、布燈形式、洞內(nèi)環(huán)境等方面存在較大差異,使得當前較為成熟的運營階段LED照明研究成果難以直接應用于施工階段[10]。

本文基于公路隧道施工成洞段照明特點,采用德國DIALux照明模擬軟件[11-12]開展LED燈具優(yōu)化設計研究,并在重慶紅巖村橋隧項目進行相關應用驗證,以期為更加高效、節(jié)能、經(jīng)濟地實現(xiàn)公路隧道施工照明綠色化提供一定的技術支撐。

1 隧道施工LED照明燈具與照明設計方法

隧道施工中常見的LED照明燈具主要有泛光燈、球泡燈與燈帶3種,其典型實物與相應配光曲線分別如圖1和圖2所示。

圖1 隧道施工常見LED照明燈具Fig. 1 Common LED lighting fixtures in tunnel construction

其中,泛光燈應用最為廣泛,其防護等級普遍高于IP65,拆裝便捷,在振動與濃塵條件下均可正常工作,適用于各工作面照明。球泡燈防護等級相對較低,須與燈口配合使用,故多用于照明條件相對較好的成洞段。燈帶應用率最低,雖然其照明連續(xù)性最佳,但帶狀構(gòu)造使其易臟污,影響照明效果,更換時需剪斷拼插連接,操作復雜,增加了維護成本;且隨燈帶增長,其與電源接頭處發(fā)熱的問題也十分嚴重,增大了安全風險,同樣限制了其推廣使用。

圖2 隧道施工常見LED照明燈具配光曲線Fig. 2 Light distribution curves of common LED lighting fixtures in tunnel construction

在隧道施工照明設計方面,目前現(xiàn)場多依經(jīng)驗布燈,缺乏系統(tǒng)指導,難免造成照明過度或照明不足的問題。為便于工程人員進行燈具選取布置,可借鑒運營期隧道照明設計方法,采用利用系數(shù)法進行隧道施工期成洞段照明設計。所謂利用系數(shù)是指燈具投射到工作面上的總光通量與燈具內(nèi)所有光源發(fā)出的總光通量的比值,其大小主要受燈具效率、燈具光強分布、空間幾何特征和空間結(jié)構(gòu)表面反射系數(shù)等因素影響。JTG/T D70/2-01—2014《公路隧道照明設計細則》[13]規(guī)定,隧道路面平均照度可采用利用系數(shù)法按式(1)進行計算。

式中:Eav為隧道路面平均照度,lx;η為利用系數(shù);?為燈具額定光通量,lm;M為維護系數(shù);ω為燈具布置系數(shù),對稱布置時取為2,交錯、中線及中央側(cè)偏布置時取為1,施工照明為單側(cè)布燈,故取為1;W為路面寬度,m;S為燈具間距,m。

故燈具與利用系數(shù)確定后,便可根據(jù)路面平均照度要求反推燈具布置間距,從而確定布燈方案。

進一步地,設成洞段長度為L(單位為m),燈具光效為λ(單位為lm/W),則成洞段全長所需燈具數(shù)量n=ωL/S,單盞燈具功率P=?/λ(單位為W)。若燈具價格為C0(單位為元/盞),施工周期內(nèi)清潔維護費用為C1(單位為元/盞),電費為k(單位為元/kWh),則成洞段燈具初期投入費用為nC0,維護費用為nC1,而平均每月照明所需電費

成洞段獲得單位平均照度每月所需電費

在隧道幾何尺寸與維護系數(shù)確定的情況下,f僅與利用系數(shù)η和光效λ成反比,兩者越高則獲得單位照度成本越低。因此,在隧道施工照明中,應盡量選擇高光效與高利用系數(shù)的燈具,這是降低綜合照明成本的重要手段。

除平均照度要求外,運營隧道還對路面照度總均勻度U0和路面中線照度縱向均勻度U1進行了規(guī)定。其中,U0定義為路面最小照度與平均照度之比,U1定義為路面中線最小照度與最大照度之比。通過對2個參數(shù)進行控制,可保證隧道照明具有較好的均勻性,避免炫光與視覺疲勞。在隧道施工成洞段照明中,本文將上述2個參數(shù)作為參考指標進行了研究。

2 DIALux成洞段照明模擬方案

由上述平均照度計算公式可知,通過調(diào)整燈具種類與布燈方式獲得較高的利用系數(shù)是施工照明節(jié)能的關鍵。因此,為了獲得燈具種類與安裝高度、間距、仰角對利用系數(shù)的影響,采用DIALux照明模擬軟件計算獲得了不同參數(shù)取值下的路面平均照度及均勻度,并反算出了相應的利用系數(shù)。計算所用隧道內(nèi)輪廓線如圖3所示,路面寬度為17.23 m,凈空高度為8.87 m。

圖3 隧道斷面幾何尺寸(單位: m)Fig. 3 Geometric dimension of tunnel cross-section (unit: m)

此外,在典型取值下,進一步研究了照明效果與隧道斷面大小及路面、側(cè)壁反射系數(shù)的關系。計算采用的具體參數(shù)取值如表1所示(表中標?數(shù)據(jù)為典型值)。其中,球泡燈安裝仰角考慮一般豎直或水平布置的習慣,取為0°和90°。且為便于比較3種燈具照明差異,泛光燈、球泡燈光源光通量均取為8 000 lm/盞,而燈帶單位長度光通量取為8 000 lm與泛光燈、球泡燈典型布置間距12 m的比值。斷面大小影響計算中,以圖3斷面為基準,命名為DM-3,并分別乘以0.6、0.8、1.2、1.4的長度縮放系數(shù),依次得到斷面DM-1、DM-2、DM-4、DM-5。對于維護系數(shù),考慮隧道施工環(huán)境惡劣,本文取為0.5。

表1 計算參數(shù)取值Table 1 Values of calculation parameters

3 模擬結(jié)果分析

3.1 典型參數(shù)下計算結(jié)果對比

典型參數(shù)下3種LED燈具隧道照明效果與2燈間路面照度分布如圖4所示?？芍? 在光源光通量相同的情況下,由于配光曲線不同,三者照明效果也會產(chǎn)生較大差異。其中,泛光燈照明集光性較強,可將燈光投向需要照明的地方,其正前方路面明亮,所對隧道內(nèi)壁也有一定的亮度,而布燈一側(cè)內(nèi)壁相對較暗;球泡燈光線較分散,隧道布燈側(cè)頂拱、邊墻部位較亮,而路面與所對隧道內(nèi)壁照明效果相對較差;燈帶由于是連續(xù)性布置,因此縱向照明均勻性最好,避免了照明集中與顯著的明暗對比情況。

圖4 3種LED燈照明效果對比Fig. 4 Comparison of lighting effects of three LED fixtures

3.2 布燈參數(shù)影響

3.2.1 球泡燈

不同布燈方案下球泡燈利用系數(shù)、路面平均照度、路面照度總均勻度U0與路面中線照度縱向均勻度U1的計算結(jié)果分別如表2—5所示。可知: 球泡燈利用系數(shù)始終在0.409～0.429,最大僅變化4.9%,考慮施工照明標準較低,該變化對整體照明效果影響十分有限,故可認為球泡燈利用系數(shù)受布燈仰角、間距、高度影響均較小。且進一步結(jié)合Eav計算公式可知,此時平均照度與布燈間距近似呈反比關系。路面照度總均勻度U0主要與布燈仰角和高度相關,受間距影響相對較小。高度越大,仰角越大,U0越大。而路面中線照度縱向均勻度U1主要隨布燈間距增大而減小,受仰角及高度影響相對較小。

基于球泡燈利用系數(shù)隨布燈間距增大而變化不大這一特點,當成洞段采用球泡燈照明時,在不改變平均照度的前提下,可在照明設計中采取提高燈具功率(光通量),同時增大布燈間距的做法減少燈具數(shù)量,降低初期投入。此外,應盡量采用水平布燈(仰角90°)與較高處布燈的方法來增大最小照度值,從而提高路面照度總體均勻度U0。

表2 球泡燈利用系數(shù)計算結(jié)果Table 2 Calculation results of utilization coefficient of LED bulbs

表3 球泡燈路面平均照度計算結(jié)果Table 3 Calculation results of average illuminance of LED bulbs

表4 球泡燈路面照度總均勻度計算結(jié)果Table 4 Calculation results of overall uniformity of road surface luminance of LED bulbs

表5 球泡燈路面中線照度縱向均勻度計算結(jié)果Table 5 Calculation results of longitudinal uniformity of road surface luminance of LED bulbs

3.2.2 泛光燈

受配光影響,泛光燈布燈仰角與高度越大,路面受較強光照面積將越小,由此造成平均照度減小,進而導致計算利用系數(shù)隨之降低。如表6所示,50°、70°、90°時平均利用系數(shù)分別為0.815、0.699和0.508,仰角越大利用系數(shù)越低;高度越大,利用系數(shù)總體越低,但由1.5 m增至3.0 m時,利用系數(shù)最大僅變化0.058;而隨間距增大,利用系數(shù)變化更小,最大僅0.016;故對于泛光燈利用系數(shù)取值,布燈仰角的影響顯著大于高度與間距。且與球泡燈相比,泛光燈利用系數(shù)要大得多,故當燈具光通量與布燈間距相同時,采用泛光燈將有更好的照明效果。

表6 泛光燈利用系數(shù)計算結(jié)果Table 6 Calculation results of utilization coefficient of LED floodlights

泛光燈路面平均照度計算結(jié)果如表7所示?？芍? 由于泛光燈利用系數(shù)隨間距變化很小,故平均照度與間距同樣近似呈反比關系。

表7 泛光燈路面平均照度計算結(jié)果Table 7 Calculation results of average illuminance of LED floodlights

泛光燈U0和U1計算結(jié)果分別如表8和表9所示。可知: 對于泛光燈U0,其隨布燈仰角、高度增大及間距減小而增大;對于U1,其隨布燈間距增大而顯著下降,受高度與仰角影響較小;且泛光燈U0、U1顯著小于球泡燈U0、U1。

表8 泛光燈路面照度總均勻度計算結(jié)果Table 8 Calculation results of overall uniformity of road surface luminance of LED floodlights

表9 泛光燈路面中線照度縱向均勻度計算結(jié)果Table 9 Calculation results of longitudinal uniformity of road surface luminance of LED floodlights

綜上,當采用泛光燈時,同樣可基于其利用系數(shù)隨布燈間距增加變化不大的特點,通過提高燈具功率,同時增大間距的做法減少燈具數(shù)量。且在實際安裝時,可采用較小仰角以進一步增大平均照度,但需綜合考慮其對照明均勻性的影響。

3.2.3 燈帶

由于燈帶呈條狀連續(xù)布置,故利用系數(shù)與布燈間距無關。燈帶利用系數(shù)和路面平均照度計算結(jié)果分別如表10和表11所示?？芍? 布燈仰角對燈帶利用系數(shù)的影響顯著大于高度,且利用系數(shù)隨其非單調(diào)變化,在50°時總體最高。而與球泡燈、泛光燈相比,燈帶的利用系數(shù)介于兩者之間,略小于泛光燈,大于球泡燈。由Eav計算公式可知,當路面寬度與維護系數(shù)確定后,平均照度僅與燈帶利用系數(shù)及?/S(即燈帶單位長度光通量)成正比。

表10 燈帶利用系數(shù)計算結(jié)果Table 10 Calculation results of utilization coefficient of LED strips

表11 燈帶路面平均照度計算結(jié)果Table 11 Calculation results of verage illuminance of LED strips

燈帶U0和U1計算結(jié)果分別如表12和表13所示?？芍? 對于燈帶U0,其整體上隨布燈仰角與高度增加而增大;對于U1,其普遍在0.95以上,表明燈帶沿隧道縱向照明均勻性很好,受高度與仰角影響很小,且燈帶U0、U1計算結(jié)果大于球泡燈與泛光燈的U0、U1計算結(jié)果。

表12 燈帶路面照度總均勻度計算結(jié)果Table 12 Calculation results of overall uniformity of road surface luminance of LED strips

表13 燈帶路面中線照度縱向均勻度計算結(jié)果Table 13 Calculation results of longitudinal uniformity of road surface luminance of LED strips

綜上,當采用燈帶時,雖然理論上可通過調(diào)整布燈角度增大照明效果,但實際中由于燈帶材質(zhì)較軟,照明方向難以精確把控。若增加調(diào)節(jié)固定裝置勢必增加照明成本,得不償失。故建議在燈帶照明設計中采用較小利用系數(shù)取值,從而考慮燈帶安裝角度難以控制對照明質(zhì)量的影響。

3.3 斷面大小影響

不同斷面下球泡燈、泛光燈、燈帶照明計算結(jié)果分別如表14—16所示。由表14可知: 球泡燈利用系數(shù)與斷面大小關系不大,取值在0.410～0.428變化。平均照度隨斷面增大下降明顯,而U0、U1隨之分別減小與增大。由表15可知: 泛光燈利用系數(shù)隨斷面增大略有增加,但最大變化量為0.083,相對較小; 平均照度隨斷面增大下降明顯,U0基本無變化,而U1顯著增加。由表16可知: 燈帶利用系數(shù)隨斷面增大總體略有增加,但最大變化量為0.04,同樣相對較小;平均照度與U0隨斷面增大下降明顯,而U1基本不變。

表14 不同斷面下球泡燈照明計算結(jié)果Table 14 Calculation results of LED bulbs under different tunnel cross-sections

表15 不同斷面下泛光燈照明計算結(jié)果Table 15 Calculation results of LED floodlights under different tunnel cross-sections

表16 不同斷面下燈帶照明計算結(jié)果Table 16 Calculation results of LED strips under different tunnel cross-sections

3.4 反射系數(shù)影響

不同反射系數(shù)下球泡燈、泛光燈、燈帶照明計算結(jié)果分別如表17—19所示?？芍? 隧道路面與側(cè)壁反射系數(shù)越高,3種燈具的利用系數(shù)、平均照度、U0、U1越大,且側(cè)壁反射系數(shù)的影響顯著大于路面反射系數(shù)。以泛光燈為例,路面反射系數(shù)為60%情況下的利用系數(shù)、平均照度、U0、U1分別是反射系數(shù)為10%時的1.07、1.07、2.26、1.03倍;而對于側(cè)壁反射系數(shù)相應可達1.35、1.35、6.25、1.14倍。實際施工中,隧道側(cè)壁為裸露的原始混凝土結(jié)構(gòu),而路面臟污嚴重,反射系數(shù)普遍較低,進一步結(jié)合文獻[14],建議將路面與側(cè)壁反射系數(shù)近似取為20%,對一般成洞段施工照明設計具有一定的參考性。

表17 不同反射系數(shù)下球泡燈照明計算結(jié)果Table 17 Calculation results of LED bulbs under different reflection coefficients

表18 不同反射系數(shù)下泛光燈照明計算結(jié)果Table 18 Calculation results of LED floodlights under different reflection coefficients

表19 不同反射系數(shù)下燈帶照明計算結(jié)果Table 19 Calculation results of LED strips under different reflection coefficients

4 LED照明現(xiàn)場應用

重慶紅巖村橋隧項目是重慶快速路3縱線的重要組成部分,隧道全長11.262 km,主要含紅巖村左右主線隧道、歇臺子連接線X-A與X-B隧道以及軌道交通5號線紅巖村暗挖車站及區(qū)間隧道。其中,紅巖村隧道左、右線分別長3 723.54 m和3 715 m,2洞軸線間距28～45 m,為小凈距隧道。隧道內(nèi)標準段道路為3車道,設計路幅寬度為12.0 m,毛洞寬度為16.2 m,斷面大小約158 m2,內(nèi)輪廓采用三心圓形式。

該項目在隧道施工照明中普遍采用了泛光燈與球泡燈2種LED燈具,并在成洞段布置了50 m長的LED燈帶照明試驗段,如圖5所示。其中,球泡燈主要用于成洞段照明,布燈仰角為90°,呈水平狀,安裝于統(tǒng)一固定在隧道側(cè)壁電纜槽的燈口之上,效果美觀。而泛光燈在成洞段及其他各工作面均有廣泛使用。照明所用LED燈具型號及典型布置參數(shù)如表20所示。

以全長約7 439 m的紅巖村左、右線隧道為例,若全長均按單一燈具布置,則所需泛光燈、球泡燈與燈帶的初期投入分別為6.69、3.15、10.04萬元,總功率分別為41.79、31.52 、59.51 kW,每月照明費用分別為3.05、2.30、4.34萬元(按1元/kWh計算)。而根據(jù)現(xiàn)場使用反饋,在電壓穩(wěn)定的情況下,泛光燈與球泡燈使用壽命接近,在半年左右,而燈帶壽命最短。故在當前照明方案下,球泡燈綜合照明成本最低、燈帶最高。

進一步采用TA8120型數(shù)字照度計對當前方案下3種燈具照明效果進行了現(xiàn)場實測,并與DIALux相應理論計算值進行對比。測點按GB/T 5700—2008《照明測量方法》[15]所述道路照明測試方法布置。隧道縱向2燈間均勻布置11個測點,橫向每車道布置3個測點(共計10個測點),故2燈之間測點總數(shù)為11×10=110個。測試過程如圖6所示,結(jié)果如表21所示。在理論計算中,各燈光效均取為80 lm/W,維護系數(shù)取為0.5。

圖5 紅巖村橋隧項目隧道LED照明Fig. 5 LED lighting in the tunnels of Hongyancun project

表20 紅巖村橋隧項目隧道LED照明參數(shù)Table 20 LED lighting parameters of Hongyancun bridge and tunnel project

圖6 照明效果現(xiàn)場實測Fig. 6 Site measurement of lighting effect

由現(xiàn)場實測結(jié)果可知,實測值排序與理論值排序大致相同,路面平均照度由高到低依次為燈帶、泛光燈、球泡燈,但數(shù)值有較大差異,主要原因是: 1)燈具質(zhì)量參差不齊,實際光效偏離計算設定值; 2)實際中燈具(特別是燈帶)布置角度不易控制; 3)計算中反射系數(shù)取值的影響; 4)3種燈具新舊不一,維護系數(shù)取值有所偏差; 5)儀器精度與測試誤差,且實測結(jié)果表明各燈平均照度均高于4 lx成洞段最低照明標準,而U0、U1與運營期隧道最低標準0.3與0.5[13]相比相對較小,這是由施工照明單側(cè)布燈較低導致路面最小照度值較低的特點決定的。

此外,由實測結(jié)果也可知目前燈帶試驗段平均照度較高,存在一定的過度照明,若通過降低功率的方法獲得與球泡燈相同的平均照度,則僅需4.06 W/m,照明費用每月為2.20 萬元,與球泡燈照明費用接近。但考慮到其初期投入遠高于球泡燈,以及后期維護的便捷性,建議優(yōu)選球泡燈。且球泡燈實測平均照度與泛光燈相近,但初期投入與照明費用均較低。故在目前燈具型號及布燈方案下,球泡燈是紅巖村隧道成洞段照明的最優(yōu)選擇。

5 結(jié)論與建議

本文提出一套公路隧道施工成洞段LED照明設計方法,并通過DIALux照明仿真對相關影響因素進行了研究分析,得到以下結(jié)論與建議:

1)相同布燈時,3種隧道施工LED燈具利用系數(shù)由高到低依次為泛光燈、燈帶、球泡燈。且利用球泡燈與泛光燈利用系數(shù)受布燈間距影響很小的特點,可采取提高燈具功率、增大布燈間距的做法,以減少燈具數(shù)量,節(jié)省初期投入。

2)相同布燈時,3種燈具路面照明均勻性由好到差依次為燈帶、球泡燈、泛光燈。且3種燈具U0均隨布燈仰角、高度增加而增大,減小布燈間距將顯著增大泛光燈U0,但對球泡燈影響很小。隨間距增加,球泡燈與泛光燈U1顯著減小,而燈帶U1基本不受影響。

3)隨著隧道斷面增大,球泡燈與泛光燈的U1顯著增加,利用系數(shù)與U0變化較小;而燈帶U0下降明顯,利用系數(shù)與U1變化不大。反射系數(shù)越高,路面照明效果越好,且側(cè)壁反射系數(shù)影響顯著大于路面反射系數(shù)。

4)綜合考慮照明效果與經(jīng)濟性,隧道施工成洞段照明建議以球泡燈與泛光燈為主。當布燈間距與燈具光效相同時,優(yōu)選泛光燈,兩者不同時,應根據(jù)布燈方案計算所需燈具功率,并結(jié)合照明成本進行燈具優(yōu)選。

5)本文研究主要針對隧道施工成洞段基本照明,接下來可在工作面照明方面進一步開展研究工作;且需拓展考慮隧道斷面形狀等工況對施工照明效果的影響,從而完善相關優(yōu)化設計方法。