陳 偉

(福建省交通科研院有限公司，福州 350004)

因隧道內(nèi)照明系統(tǒng)開支巨大，改善隧道照明系統(tǒng)，降低能耗勢在必行[1]。根據(jù)規(guī)范中對隧道照明基本亮度需求可知，光線反射能力與路面顏色息息相關(guān)，彩色路面可以增加隧道內(nèi)照明亮度，提高車輛通行時的識別效果，有效的節(jié)約照明資源[2-3]。同時，鋪設(shè)有彩色路面的路段在光照對比度，交通路況警示方面優(yōu)于普通路面，能夠更加有效集中駕駛員注意力，緩解因在亮度不足的環(huán)境中產(chǎn)生的視覺疲勞，改善隧道行車安全性[4-6]。 對彩色路面路表結(jié)構(gòu)的隧道照明效果進(jìn)行研究，有助于完善隧道照明效果，進(jìn)而為彩色路面環(huán)境下隧道設(shè)施優(yōu)化提供一定的理論指導(dǎo)。

本文選取福建省龍巖市松毛嶺隧道為研究對象，該隧道地處長汀與連城兩縣交界處，海拔高度為782 m，是江西通往沿海開放地區(qū)及福建銜接京九鐵路的主要通道。 隧道為雙向兩車道設(shè)計，全長1364 m，寬度10.5 m，有效凈高7.12 m。 原路面為水泥路面，于2014 年底加鋪瀝青混凝土面層(結(jié)構(gòu)型式為1 cm 應(yīng)力吸收層+8 cmAC-20C+4 cmSMA-13)。 由于地理位置為山區(qū)丘陵地貌，彎道多且縱坡大(接線6.06 km，最大縱坡7%)，隧道車流時速60 km/h，車流量≤180 輛/h。 修建多年以來，隨著行車污染和設(shè)施老化，發(fā)生交通事故的隱患大，進(jìn)行路表結(jié)構(gòu)升級改造有助于提升隧道內(nèi)部整體亮度， 較大程度上保障了行車安全。

1 彩色抗滑超薄鋪裝路面特性

彩色抗滑超薄鋪裝是將MMA 新型彩色瀝青路用材料直接攤設(shè)于路表，不用添加其他材料，從而有效的改善路面的反光性能[7]。本文主要研究在瀝青路面材料表層上添加MMA 新型彩色瀝青路用材料的一種措施。

MMA 新型彩色瀝青路用材料特點是與黑色瀝青路面的對比度及自身的反射率來提高路面的照度值，以達(dá)到改善公路隧道內(nèi)部亮度的目的。 從反射的角度來說，MMA新型彩色瀝青路用材料主要是利用了光線的鏡面反射和漫反射現(xiàn)象，以漫反射為主、鏡面反射為輔，如圖1 所示。

圖1 鏡面反射和漫反射示意圖

本文研究7 種顏色的彩色鋪裝路面，分別為黑、白、灰、紅、藍(lán)、黃和綠。 當(dāng)目標(biāo)的視角和亮度相同時，人眼的視覺效果取決于瞳孔的大小。 如果輻射光譜中有更多的藍(lán)綠光成分，人眼的瞳孔會縮小很多，相應(yīng)的視覺效果會明顯提升。抗滑超薄鋪裝路面顏色淺，有利于增強(qiáng)隧道路面的亮度，改善駕駛視覺。由于受限于隧道內(nèi)部對凈空的要求，加鋪層厚度是路面結(jié)構(gòu)層設(shè)計的關(guān)鍵。針對以上使用環(huán)境的特定要求，最適宜方案當(dāng)屬彩色抗滑超薄鋪裝。MMA 新型彩色瀝青路用材料攤鋪厚度僅為1～3 mm，對隧道凈空無影響，同時又能與原有瀝青層路面牢固黏結(jié)，保證了路面抗滑性能， 自身顏色可依據(jù)使用環(huán)境和特定需求進(jìn)行靈活匹配，簡潔實用、安全節(jié)能是隧道內(nèi)使用彩色抗滑超薄鋪裝的優(yōu)勢所在。

MMA 新型彩色瀝青路用材料具有良好的路用性能，在外部環(huán)境綜合作用下，表現(xiàn)出較好的高溫穩(wěn)定性、耐磨性和抗水損壞能力，且與基層的粘結(jié)性良好，瀝青膜不易出現(xiàn)剝落、變形等現(xiàn)象。

本文彩色鋪裝使用的材料依據(jù)《路面防滑涂料》(JT/T 712-2008)進(jìn)行室內(nèi)試驗，檢測結(jié)果如表1 所示。

表1 路面防滑涂料檢測結(jié)果

2 明色性能分析

彩色抗滑超薄鋪裝改變了路面原有的顏色， 勢必影響隧道路面的照明效果。 在同樣的照明工況下，采用照度計對試驗段鋪裝前后路面照度進(jìn)行檢測， 檢測結(jié)果見表2。

從現(xiàn)場取得的照度檢測數(shù)據(jù)可知， 一方面， 鋪裝MMA 新型彩色瀝青抗滑超薄層后隧道路面的亮度有所提升， 并且測值提升幅度隨著測點與洞口距離的增大而變化更為突出；另一方面，路面攤鋪不同顏色種類的材料對亮度影響程度也隨之不同，相比而言，灰色可以比紅色更好地改善路面的亮度。即同等亮度需求下，灰色路面比紅色路面對環(huán)境照明依賴更小，隨著離洞口距離越大，相應(yīng)照明能耗越小。

通過實際道路運營半年后的觀察， 除路表鋪裝材料外觀顏色因行車污染稍顯暗淡外， 整體未產(chǎn)生裂紋或者顆粒缺失現(xiàn)象，仍保有較高的粗糙度，行車安全方面交通事故率為零。 表3 為采用手工鋪砂法檢測攤鋪前后隧道路面100 m 區(qū)間內(nèi)的構(gòu)造深度。

表2 試驗段路面照度檢測數(shù)據(jù)

表3 隧道內(nèi)不同路面處構(gòu)造深度

綜合隧道內(nèi)不同路面的構(gòu)造深度值分析， 得出在路面投入使用1 年后，構(gòu)造深度有所上升。這是由于路面成型初期，混合料表面存在瀝青薄膜的裹附作用，摩擦系數(shù)未達(dá)到最佳狀態(tài)，隨著通車后輪胎對路面磨耗不斷增加，使得摩擦系數(shù)在短期內(nèi)迅速呈現(xiàn)峰值， 隨后漸漸趨于穩(wěn)定。 車輛對路面的磨損也進(jìn)入緩慢下降狀態(tài)。

3 基于路表結(jié)構(gòu)的隧道彩色路面亮度模型修正

3.1 考慮構(gòu)造深度的亮度修正

為了確定構(gòu)造深度對路面反射光的影響規(guī)律， 采用彩色抗滑超薄鋪裝工程國道G319 線松毛嶺隧道的鋪裝試樣，室內(nèi)測定試樣的反射比和亮度系數(shù)，試驗結(jié)果如表4～5 所示。

表4 試件反射比試驗結(jié)果

表5 試件亮度系數(shù)試驗結(jié)果

由表4～5 可見，構(gòu)造深度小的試件反射系數(shù)略高，但試件的構(gòu)造深度對試件反射比的影響不大。 在亮度模型中，為了考慮路面的粗糙程度的影響，本文定義構(gòu)造深度修正系數(shù)進(jìn)行考慮，根據(jù)表5 的數(shù)據(jù)，計算公式如下：

式中： K2為構(gòu)造深度修正系數(shù)， 計算結(jié)果見表6；q′為同顏色的表面較光滑的試驗試件對應(yīng)的亮度系數(shù)，(cd.m-2/lx)；q 為同顏色的表面較粗糙的試驗試件對應(yīng)的亮度系數(shù)，(cd.m-2/lx)。

根據(jù)表6 可知，在滿足規(guī)范的條件下，當(dāng)彩色路面材料的構(gòu)造深度相差不大時， 可以選用構(gòu)造深度較小的路面材料以提高路面亮度， 在亮度模型中構(gòu)造深度修正系數(shù)可取1.00～1.20。

表6 亮度模型構(gòu)造深度修正系數(shù)

3.2 考慮潮濕狀態(tài)的亮度修正

沿隧道縱深方向， 根據(jù)濕度的變化特點可分為3 個區(qū)域：快速變化區(qū)、平緩過渡區(qū)、恒定區(qū)。快速變化區(qū)為隧道洞口內(nèi)40～50 m 范圍內(nèi)，路面濕度明顯增加。平緩過渡區(qū)范圍為距洞口50～120 m 的范圍內(nèi)，該區(qū)域內(nèi)路面濕度變化減緩，逐漸趨于穩(wěn)定。恒定區(qū)為距洞口120 m 以外的區(qū)域，路面濕度保持恒定或小范圍波動，外界環(huán)境變化對該區(qū)域路面濕度影響不明顯。

光在隧道潮濕路面發(fā)生反射時可以分成3 個部分的線性組合：第1 部分為環(huán)境光部分，主要由物體表面的顏色決定；第2 部分是漫反射部分，它主要由入射光的強(qiáng)度和物體表面的材質(zhì)決定。 第1 部分和第2 部分的反射光強(qiáng)度不隨反射角的變化而變化， 也就是說在物體和入射角固定，無論從哪個方向觀察物體，這2 個部分的反射光的強(qiáng)度是固定的。而第3 部分是規(guī)則反射，這個部分的反射光被認(rèn)為是造成高光區(qū)的主要原因， 其顏色與光源的顏色一致，而且隨著入射角和反射角的變化而變化。

根據(jù)隧道中路面潮濕程度對路面反射照度的影響，本項目將路面考慮潮濕狀態(tài)的亮度修正系數(shù)定義為K3相同環(huán)境下干燥路面與潮濕路面的反射照度之比,如式(2)。

式中： K3為潮濕狀態(tài)的亮度修正系數(shù)；E′為潮濕路面的最大反射照度，(lx)；E 為干燥路面的最大反射照度，(lx)。

隧道路面狀態(tài)越加潮濕， 路面反射中規(guī)則反射所占比例增大， 造成某一方向觀察路面時潮濕區(qū)域亮度突然增大。當(dāng)駕駛員由干燥區(qū)域駛向潮濕區(qū)域時，潮濕路面突然變亮，影響駕駛員注視點分布。 路面潮濕程度越高，對路面亮度、駕駛安全的影響越大。

為了確定路面潮濕狀態(tài)對路面反光特性及亮度的影響，本文將試件表面用水澆濕見圖2，在實驗室測定其反射規(guī)則以及反射比，試驗結(jié)果如表7 所示。

圖2 澆濕的試件

表7 不同顏色試件干濕狀態(tài)下反射規(guī)則、反射比及定向度

由表7 可見，當(dāng)路面材料處于潮濕狀態(tài)下，0°～15°小角度范圍內(nèi)的反射照度都普遍比較大。 由定向度數(shù)據(jù)可見，除黑色與黃色兩個試件外，其他顏色路面在潮濕狀態(tài)下，定向度均有不同程度的提高，可見，當(dāng)路面為潮濕狀態(tài)，地面的反射規(guī)則發(fā)生變化。同時，從亮度考慮，駕駛員的注視角度在1°左右，所有在實際亮度計算時，考慮潮濕條件對亮度的影響是有必要的。

根據(jù)式(2)，采用考慮潮濕狀態(tài)的亮度修正系數(shù)K3來表示。 因為干燥與潮濕狀態(tài)的反色規(guī)則是分2 次進(jìn)行完成，2 次試驗燈具壽命不太一致，為排除非實驗因素的影響，根據(jù)式(3)將實驗數(shù)據(jù)歸一化處理，計算時選當(dāng)次實驗的最大照度與入射照度比值，再進(jìn)行計算。 計算公式和各顏色路面材料考慮潮濕狀態(tài)的亮度修正系數(shù)計算結(jié)果如式(3)：

通過由不同顏色的計算出來的考慮潮濕狀態(tài)的亮度修正系數(shù)可知，當(dāng)路面處于潮濕狀態(tài)時，小角度的反射照度有所提高， 所以在實際工程應(yīng)用時刻根據(jù)地面的潮濕狀態(tài)對亮度進(jìn)行一定的修正，修正系數(shù)K3的取值范圍為1.00～1.14。

3.3 亮度修正系數(shù)工程應(yīng)用

在以上提出的亮度修正系數(shù)基礎(chǔ)上， 結(jié)合相應(yīng)類型燈具的性能參數(shù)針對福建省龍巖市松毛嶺隧道原有照明系統(tǒng)分區(qū)段進(jìn)行亮度模型重建， 并根據(jù)模型調(diào)整燈具安裝位置及排布間距。 施工前后現(xiàn)場測得的亮度結(jié)果見表8 所示。

由表8 亮度檢測結(jié)果可見， 考慮了亮度修正系數(shù)并重新建模調(diào)整后的隧道照明系統(tǒng)整體亮度效果提升明顯，其中紅色路面亮度平均增幅為9.38%，灰色路面亮度平均增幅更是提升到30.81%，并且隨著測試點與洞口距離的增大，路面亮度提高越大。

表8 路面平均亮度檢測結(jié)果

4 結(jié)語

本文從彩色路面的作用機(jī)理、 路面顏色性能及路用性能等方面來分析彩色路面的路表結(jié)構(gòu)，得出以下結(jié)論：

(1)通過室內(nèi)試驗，路表較光滑的路面反射比和亮度系數(shù)值都有一定程度的提高， 因此在滿足規(guī)范允許條件下，可以選用構(gòu)造深度較小的路面材料以提高路面亮度，并且給出了考慮構(gòu)造深度的亮度修正系數(shù)。

(2) 通過在室內(nèi)實驗中對彩色路面進(jìn)行淋濕處理，當(dāng)路面材料處于潮濕狀態(tài)下， 小角度范圍內(nèi)的反射照度與同等路面干燥狀態(tài)下的反射照度相比， 有一定程度的增大。 因此，在實際工程應(yīng)用時根據(jù)路面的潮濕狀態(tài)，需要對亮度進(jìn)行一定的修正， 并且給出考慮潮濕狀態(tài)的亮度修正系數(shù)K3。

(3)由推斷出的構(gòu)造深度和潮濕狀態(tài)修正系數(shù)，建立隧道路面亮度模型， 從而將規(guī)范規(guī)定的隧道亮度需求轉(zhuǎn)化為彩色路面照度需求，合理優(yōu)化照明設(shè)施的排布方案，節(jié)約照明資源的同時也提高了隧道行車安全性。