劉建春， 沈 猛， 納守勇

(重慶忠萬高速公路有限公司， 重慶 404100)

近年來，涪豐石高速公路通行車輛快速增長，車流量的增加對隧道的照明環(huán)境提出了更高要求，加上現(xiàn)運營設(shè)備老化、性能下降和新舊規(guī)范更替[1]，現(xiàn)有照明系統(tǒng)難以滿足隧道運營安全和駕駛舒適的需要，急需全面提升隧道照明的品質(zhì)。

通過多年的不斷探索和實踐，LED照明技術(shù)在隧道照明中的應(yīng)用已趨于成熟[2-4]，LED燈具的散熱和光衰得到了較好的控制[5-7]。LED燈具的造價近年來也逐漸降低，且在全國范圍內(nèi)道路照明和隧道照明領(lǐng)域，LED燈具正逐漸取代能耗高、顯色性低的高壓鈉燈[8-10]。因此從高速公路運營需求、技術(shù)條件、經(jīng)濟合理性等方面來看[11-14]，已經(jīng)具備對隧道進行LED照明節(jié)能改造的條件。

以往隧道照明改造案例如浙江金麗溫高速、象山港大橋連接路段、穿好高速，以及四川段滬蓉高速等公路隧道照明系統(tǒng)均采用重新布燈設(shè)計，供電電纜重新敷設(shè)方式改造，這對隧道正常交通運營影響較大。若能采用原位替燈方案將大大減少改造的拆安費用和提高電纜利用率，并縮短影響運營的時長。本文正是基于現(xiàn)行規(guī)范針對原位替燈進行配置設(shè)計，研究分析該方案的可行性，并作出經(jīng)濟效益評估。

1 工程概況

本文研究依托重慶涪豐石高速公路(涪陵至豐都、豐都至石柱段高速公路)隧道照明改造工程，該高速公路是重慶市、貴州北部、四川南部地區(qū)通往長三角地區(qū)最快捷的公路運輸通道，也是滬渝通道內(nèi)最后建設(shè)的一條高速公路。涪豐石高速公路全長110.007 km，雙向4車道，于2009年6月開工建設(shè)，2012年底建成正式通車。其中，涪陵至豐都段包含有12座隧道，豐都至石柱段包含有7座隧道，設(shè)計速度80 km/h。

2 照明節(jié)能改造配置方案

2.1 加強照明部分

涪豐石高速公路隧道照明布置形式為拱頂單排偏側(cè)布置，加強照明燈具為高壓鈉燈，入口段為400 W高壓鈉燈，間距1.5 m，設(shè)計亮度75 cd/m2，長度81 m；過渡段Ⅰ為250 W高壓鈉燈，間距3 m，設(shè)計亮度為22.5 cd/m2，長度72 m；過渡段Ⅱ為150 W高壓鈉燈，間距4.5 m，設(shè)計亮度為7.5 cd/m2，長度90 m；出口段為150 W高壓鈉燈，間距4.5 m，設(shè)計亮度為10.0 cd/m2，長度60 m。原配置方案見表1(不含折減隧道)。

表1 隧道現(xiàn)狀照明配置方案

以《重慶高速公路繞城以外隧道照明品質(zhì)提升總體設(shè)計方案》(由重慶交通局牽頭，招商局重慶交科院擬定，簡稱重慶繞城總體設(shè)計)對涪豐石高速公路隧道照明改造設(shè)計為代表(重新整體設(shè)計)，改造提升方案見表2(不含折減隧道)。其中，該方案設(shè)計采用的配光曲線類型如圖1所示，該類配光曲線也是目前市場上較為普遍的一種，適用于拱頂單光帶照明。

通過現(xiàn)場踏勘、現(xiàn)場測量等手段掌握相關(guān)資料。隧道設(shè)計速度為80 km/h，洞外亮度L20(S)取3 000 cd/m2，維護系數(shù)取0.75。入口折減系數(shù)k根據(jù)未來10年交通量取值。結(jié)合JTGT D70/2-01—2014《公路隧道照明設(shè)計細則》，隧道照明加強區(qū)段入口段Ⅰ、入口段Ⅱ、過渡段Ⅰ、過渡段Ⅱ、出口段Ⅰ、出口段Ⅱ的長度同樣為40 m、40 m、72 m、90 m、30 m、30 m。

為便于對比，原位替燈方案配光曲線與重慶繞城總體設(shè)計方案一致。原位替燈配置方案見表3(不含折減隧道)。

圖1 照明配光曲線

表2 重慶繞城總體設(shè)計配置方案

表3 隧道原位替燈配置方案

2.2 基本照明部分

涪豐石高速公路隧道基本照明同樣為拱頂單排偏側(cè)布置?；菊彰鳛?0 W LED燈具，全隧道貫通布置，對長度大于2 000 m的隧道，燈具間距為9 m，長度小于2 000 m的隧道，燈具間距為7 m。各配置方案見表4。

表4 基本照明配置方案

3 光學(xué)仿真分析

3.1 數(shù)值仿真模型

通過查閱涪豐石高速公路原隧道照明系統(tǒng)施工圖建立隧道模型，如圖2所示。實際工程路面類型為瀝青混凝土，反射特性為R3[15]，數(shù)值仿真軟件采用DIALUX 4.13光學(xué)分析軟件。燈具模型同樣拱頂布置，橫向偏距0.75 m(偏行車方向右側(cè))，縱向間距參照表2、表3分別設(shè)計，原燈具安裝高度為6.9 m。燈具配光模型如圖1所示，光通量可調(diào)，照明系統(tǒng)維護系數(shù)取0.75。

3.2 計算對比

分別對原位替燈配置方案和重慶繞城總體設(shè)計配置方案進行仿真計算，計算指標(biāo)為路面平均亮度。計算結(jié)果對比分析見表5。

圖2 隧道照明模型

表5 2種配置方案照明計算對比

由表5可以看出，原位替燈配置方案和重慶繞城總體設(shè)計配置方案均能較好地滿足規(guī)范設(shè)計亮度要求值；相比設(shè)計亮度來說，原位替燈配置方案的各照明區(qū)段計算亮度平均余留溢出設(shè)計亮度值的37%左右；重慶繞城總體設(shè)計配置方案的各照明區(qū)段計算亮度平均余留溢出設(shè)計亮度值的92%左右。若不考慮照明系統(tǒng)的0.75維護系數(shù)折減，2種方案計算亮度溢出比如圖3所示。

圖3 各照明區(qū)段計算亮度溢出占比

在隧道照明系統(tǒng)設(shè)計中，考慮運營年限內(nèi)燈具光衰、環(huán)境污染和意外損壞等因素需要一個維護系數(shù)，一般取值為0.75，加上新燈安裝條件，所以計算值溢出設(shè)計值50%～80%較為合理。由圖3可以看出，原位替燈配置方案的各照明區(qū)段計算亮度平均余留溢出80%左右，重慶繞城總體設(shè)計配置方案的各照明區(qū)段計算亮度平均余留溢出150%左右，即重慶繞城總體設(shè)計配置方案是設(shè)計值的2.5倍左右。

綜上分析，原位替燈配置方案是可行的，且相比重新整體設(shè)計的重慶繞城總體配置方案更節(jié)能。

4 經(jīng)濟效益分析

1) 配置方案效益比選

經(jīng)濟效益方面，本文主要從照明配置總功率成本、每年使用電費和燈具施工成本3個方面進行分析。因涪豐石路段高速公路隧道基本照明燈具平均占總燈數(shù)68.85%左右，占比較大，所以僅對2種配置方案中的基本照明作了相關(guān)比較。經(jīng)查閱涪豐石高速公路原隧道照明系統(tǒng)施工圖等信息，隧道布燈間距為7 m的基本照明燈總計約3 438盞，布燈間距為9 m的基本照明燈總計約4 764盞。計算電費單價0.69元/度，LED燈功率單價7.5元/W，隧道燈拆安費220元/盞。涪豐石高速公路隧道基本照明方案比選見表6。

由表6可知，原位替燈配置方案比重慶繞城總體設(shè)計配置方案明顯要經(jīng)濟。原位替燈配置方案在每年電費使用、燈具成本、燈具施工成本方面分別節(jié)

表6 涪豐石高速基本照明方案比選

約66.6萬元、113萬元、139.4萬元，即原位替燈方案總體經(jīng)濟效益約319萬。

2) 基于原位替燈方案照明改造后經(jīng)濟效益分析

據(jù)上分析，原位替燈配置方案無論是在照明質(zhì)量上，還是經(jīng)濟效益上都是最佳的。因此，為便于實際工程應(yīng)用，對照明改造前后進行效益對比(不包含洞外引道、緊急停車帶和橫通道照明)。照明燈具工程量統(tǒng)計見表7，能耗分析對比見表8。

表7 改造前后燈具工程量

由表8可知，按照原位替燈方案進行LED照明節(jié)能改造，涪豐路段改造后將節(jié)省電費約173.21萬元，改造前后節(jié)能率為52.78%；豐石路段改造后將節(jié)省電費約98.9萬元，改造前后節(jié)能率為43.36%；涪豐路段預(yù)計3.65年后回收成本，豐石路段預(yù)計5.2年后將回收成本。

表8 改造前后能耗分析對比

注：加強照明和基本照明工作時長分別按12 h/d和18 h/d計算。

5 結(jié)論

1) 在照明系統(tǒng)維護系數(shù)取0.75條件下，原位替燈配置方案和重慶繞城總體設(shè)計配置方案均能較好地滿足規(guī)范要求，其計算亮度余留值分別占設(shè)計亮度值的37%和92%，故原位替燈配置方案不僅可行，且節(jié)能效益更佳。

2) 由基本照明經(jīng)濟效益分析可知，原位替燈配置方案很明顯比重慶繞城總體設(shè)計配置方案要經(jīng)濟，總體經(jīng)濟效益約節(jié)約319萬元。

3) 按照原位替燈方案進行照明改造，涪豐路段改造前后節(jié)能率為52.78%，豐石路段改造前后節(jié)能率為43.36%。