摘要：為研究城市地下互通立交隧道典型布燈參數(shù)對分流段分岔點(diǎn)的照明質(zhì)量影響，本文以南京建寧西路過江通道右線為參照，基于DIALux照明模擬軟件建立了城市地下互通立交隧道模型，通過設(shè)置不同布燈方式、布燈間距、安裝仰角等進(jìn)行隧道照明模擬實(shí)驗(yàn)，以路面平均照度Eav、路面照度總均勻度Eou、路面中線照度縱向均勻度Elu為照明質(zhì)量評(píng)價(jià)參數(shù)，研究地下互通立交隧道分流段分岔點(diǎn)區(qū)域加強(qiáng)照明燈具布設(shè)參數(shù)優(yōu)化。結(jié)果表明：Eav、Eou受布燈方式影響較小，與布燈間距成反比，仰角為15° ～ 25°時(shí)最大；對于Elu-主隧道來說，雙側(cè)交錯(cuò)布燈時(shí)效果更好，對于Elu-匝道來說，燈具安裝仰角的影響較大，仰角越大，Elu-匝道越大；現(xiàn)場加強(qiáng)照明燈具布設(shè)方案建議如下：（1）若采取雙側(cè)對稱布置，則布燈間距宜取7 m，安裝仰角為25°；（2）若采取雙側(cè)交錯(cuò)布置，則布燈間距宜取7 m，安裝仰角為20°。

關(guān)鍵詞：城市地下互通立交隧道；分岔點(diǎn)；布燈參數(shù)；照明質(zhì)量

中圖分類號(hào)：U453.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1673-6478（2023）01-0104-06

Study on Optimization of Light Distribution Parameters for Bifurcation Points of

Urban Underground Interchange Tunnel Based on DIALux

DING Hongzhi JIANG Haokai ZHANG Yuchun

（1.Nanjing Construction Center of Public Works，Nanjing Jiangsu 210019，China；2.Faculty of Geosciences and Environmental Engineering，Southwest Jiaotong University，Chengdu Sichuan 610031，China）

Abstract：In order to study the influence of typical light distribution parameters of urban underground interchange tunnel on the lighting quality of the bifurcation point of the diversion section，with the right line of the cross-river channel of Jianning West Road in Nanjing as the reference，the urban underground interchange tunnel model was established based on DIALux lighting simulation software. The tunnel lighting simulation experiment was carried out by setting different light distribution methods，light distribution spacing and installation elevation angle. The average pavement illuminance Eav，the total uniformity of pavement illuminance Eou and the longitudinal uniformity of pavement midline illuminance Elu were used as the lighting quality evaluation parameters to study the optimization of the layout parameters of the strengthened lighting lamps in the bifurcation point area of the underground interchange tunnel. The results show that Eav and Eou are less affected by the arrangement of lamps，and are inversely proportional to the spacing of lamps，and the maximum is at the elevation angle of 15° ～ 25°；for the Elu-main tunnel，the effect is better when the lights are arranged on both sides. For the Elu-ramp，the installation elevation angle of the lamps has a great influence. The same trend of elevation angle and Elu-ramp. Proposals for strengthening lighting layout on site are as follows：（1）If the bilateral symmetrical layout is adopted，the spacing of lamps should be 7 m，and the installation elevation angle should be 25°；（2）If the two-side staggered arrangement is adopted，the spacing of the lights should be 7 m and the installation elevation angle should be 20°.

Key words：urban underground interchange tunnel；bifurcation point；lamp parameters；lighting quality

0 引言

截至2020年底，我國公路隧道已建成21 316處、2 199.93萬延米[1]，隨著我國城市規(guī)模的不斷擴(kuò)大，汽車保有量不斷增加，城市交通壓力日益增大，地面交通擁堵的狀況亟待解決。為解決地面交通擁堵狀況，發(fā)展地下城市交通系統(tǒng)是有效途徑[2-3]，城市地下交通不僅可以減少用地，緩解土地資源緊張，還能構(gòu)成交通路網(wǎng)立體交叉，疏解交通壓力[4]。一般情況下，在城市地下隧道的發(fā)展中，不僅僅只有普通的單線隧道，還會(huì)涉及新建隧道與既有隧道及地面如何連接交互等問題，如國內(nèi)當(dāng)前已建成或在建的城市地下互通立交隧道廈門海滄疏港通道蔡尖尾山2號(hào)隧道、南京建寧西路過江通道等。但目前我國城市隧道照明所依據(jù)的規(guī)范，針對城市地下互通隧道分流段、合流段等隧道照明關(guān)鍵位置并沒有明確的照明設(shè)計(jì)方法，為保障城市地下互通隧道的行車安全，針對分流、合流段等關(guān)鍵位置的隧道照明研究尤為重要。目前，我國隧道照明研究的主要方向是實(shí)現(xiàn)隧道照明安全與節(jié)能的平衡，在滿足照明質(zhì)量的要求上合理布置隧道照明燈具是實(shí)現(xiàn)節(jié)能的有效手段之一，我國隧道照明設(shè)計(jì)規(guī)范對燈具規(guī)定了4種布置形式，分別是中線、中線偏側(cè)、兩側(cè)交錯(cuò)和兩側(cè)對稱布置[5]，但是并未對相關(guān)的具體參數(shù)做出要求[6]。

在關(guān)于隧道照明燈具布置參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)方面，季佳俊[7]通過仿真模擬分別研究了LED燈與高壓鈉燈在不同布燈形式、不同高度、不同間距對燈具利用系數(shù)、路面平均照度、路面照度總均勻度的影響規(guī)律。任神河等[8]通過控制變量法分別對高壓鈉燈的安裝高度和角度進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究并得出了LED燈的最優(yōu)安裝高度和角度。范士娟等[9-10]通過使用DIALux分別模擬了隧道對稱布燈、交錯(cuò)布燈和中間布燈下LED燈的路面照明質(zhì)量，結(jié)果表明，中間布燈的照明效果最好，并以燈具安裝高度、縱向安裝間距和單燈功率為優(yōu)化參數(shù)，進(jìn)一步建立了隧道中間段中央布燈方式的參數(shù)優(yōu)化模型。李然等[11]使用DIALux對隧道中間段燈具不同安裝高度和仰角進(jìn)行模擬研究，得到燈具的最佳安裝位置。黃艷國等[12]以照明燈具總功率最小為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，建立隧道中間段燈具中線偏側(cè)布燈方式的優(yōu)化模型，利用遺傳蟻群算法求解該模型，對燈具橫向角度、縱向角度、中線偏側(cè)距離、燈具間距和高度等相關(guān)參數(shù)給出建議值。

基于前人研究發(fā)現(xiàn)，對于復(fù)雜城市地下互通立交隧道分流、合流段的布燈參數(shù)研究很少，且該區(qū)域由于存在車輛分流、合流等現(xiàn)象，需要比普通中間段更高的照明條件。因此，本文以南京建寧西路過江通道為研究對象，利用DIALux模擬該隧道分流段分岔點(diǎn)不同布燈方式、布燈間距及安裝仰角對照明質(zhì)量的影響，揭示隧道照明質(zhì)量指標(biāo)隨典型布燈參數(shù)的變化規(guī)律，以期為復(fù)雜城市地下互通立交隧道分流段分岔點(diǎn)照明布燈方式提供參考。

1 隧道照明仿真實(shí)驗(yàn)

本文采用DIALux照明模擬軟件進(jìn)行仿真模擬，根據(jù)南京建寧西路過江通道右線建立仿真模型，該隧道右線主要分為以下幾段：主線江北整體暗埋段（三車道，寬12.75 m，高5.3 m）、橫江大道ZA、ZB匝道（三車道，寬12 m，高5.3 m；雙車道，寬9.45 m，高5.3 m）、盾構(gòu)段（三車道，寬13.3 m，高5.6 m）、主線江南整體暗埋段（雙車道，寬9 m，高6.5 m）、惠民路A匝道（雙車道，寬8.5 m，高5.15 m），分別對隧道模型路面、側(cè)壁、頂棚賦予不同反射率的材質(zhì)，為盡可能貼近真實(shí)隧道環(huán)境，將瀝青路面反射率設(shè)為0.2，側(cè)壁反射率設(shè)為0.8，頂棚反射率設(shè)置為0.1[13]。由于隧道整體結(jié)構(gòu)太大，故將盾構(gòu)段進(jìn)行縮短簡化，不影響最終模擬計(jì)算效果。計(jì)算區(qū)域選取為主隧道-惠民路匝道分流段分岔點(diǎn)附近的一組燈具范圍，計(jì)算區(qū)域在隧道中間段，不受外界光環(huán)境影響，故不考慮洞外亮度。隧道模型及計(jì)算區(qū)域如圖1所示。

根據(jù)所依托工程的設(shè)計(jì)文件，本文隧道照明模擬主隧道使用60 W隧道燈、惠民路匝道使用20 W隧道燈，燈具總光通量分別為6 627 lm和2 200 lm，燈具光強(qiáng)分布曲線如圖2所示。

由于計(jì)算區(qū)域?yàn)樗淼婪至鞫?，路面寬度約21 m，單側(cè)布燈方式難以滿足隧道照明要求，故不考慮單側(cè)布燈方式，僅考慮雙側(cè)對稱布燈和雙側(cè)交錯(cuò)布燈；不同安裝仰角會(huì)對路面的亮度和照度分布造成很大影響，我國《公路隧道照明設(shè)計(jì)細(xì)則》規(guī)定，隧道燈具的安裝仰角在0 ～ 60°之間[5]，因此，本文模擬工況的安裝仰角設(shè)為在0 ～ 60°范圍內(nèi)，以每5°為梯度增加；布燈間距直接影響著隧道照明質(zhì)量，為找出更加合適的布燈間距，在建寧西路過江通道中間段原有設(shè)計(jì)布燈間距6 m的基礎(chǔ)上，將布燈間距以1 m為梯度依次增大至10 m。綜合考慮布燈方式、安裝仰角、布燈間距對隧道照明評(píng)價(jià)指標(biāo)的影響。具體工況設(shè)置如表1所示。

2 結(jié)果分析

2.1 路面平均照度

圖3給出了互通隧道分流段分岔點(diǎn)計(jì)算區(qū)域內(nèi)在兩種布燈方式下、不同布燈間距和安裝仰角下的路面平均照度（Eav），Eav是在隧道路面上預(yù)先設(shè)定的點(diǎn)位上測得的各點(diǎn)位照度平均值，該指標(biāo)是隧道照明設(shè)計(jì)的關(guān)鍵參數(shù)，直接反映出隧道照明質(zhì)量。由圖3可知，布燈方式為雙側(cè)對稱和雙側(cè)交錯(cuò)時(shí)，在同一布燈間距和安裝仰角下，Eav差距很小，僅相差1 ～ 5 Lux，說明布燈方式對路面平均照度影響較小。無論采取何種布燈方式，Eav均是隨著布燈間距的增加而減小，隨著安裝仰角的增加而先增大后減小。原因在于當(dāng)布燈間距較小時(shí)，相同距離內(nèi)有較多燈具，燈具發(fā)出的總光通量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于當(dāng)布燈間距較大時(shí)。此外，當(dāng)安裝仰角過小時(shí)，燈具直射地面，較多光通量被直接投射到燈具正下方，距燈具較遠(yuǎn)的地面只能受到較少光通量照射，形成“光斑”；當(dāng)安裝仰角過大時(shí)，多數(shù)光通量直接射入對面隧道壁，也僅有較少光通量投射到路面，造成路面平均照度較小。因此，要提升Eav，需要將燈具安裝仰角設(shè)為一個(gè)合適的值。

燈具按雙側(cè)對稱方式布置時(shí)，如圖3（a），當(dāng)仰角為15°和20°時(shí)，不同布燈間距下其Eav均達(dá)到最大，其中布燈間距為6 m時(shí)，Eav最大，約為154 Lux，其次是布燈間距為7 m時(shí)，約為147 Lux；當(dāng)燈具按雙側(cè)交錯(cuò)方式布置時(shí)，如圖3（b）所示，除布燈間距為8 m以外，其余布燈間距下，Eav最大值也出現(xiàn)在仰角為15°和20°時(shí)，布燈間距為8 m時(shí)，最大值出現(xiàn)在仰角為20°時(shí)。因此，若以Eav為評(píng)價(jià)指標(biāo)，隧道分流段布燈方式可采用雙側(cè)對稱或雙側(cè)交錯(cuò)布置，布燈間距應(yīng)取6 m，安裝仰角取15°。

2.2 路面照度總均勻度

圖4給出了互通隧道分流段分岔點(diǎn)計(jì)算區(qū)域內(nèi)在兩種布燈方式下、不同布燈間距和安裝仰角下的路面照度總均勻度（Eou），Eou是在隧道路面點(diǎn)位最小照度與路面平均照度的比值，保證Eou是為了給駕駛員提供良好的視覺舒適性，若均勻度不佳，駕駛員在駕駛過程中會(huì)經(jīng)歷明暗交替帶來的斑馬效應(yīng)和閃爍效應(yīng)，容易導(dǎo)致視覺疲勞，因此該指標(biāo)也是評(píng)價(jià)路面照明質(zhì)量的關(guān)鍵參數(shù)。路面照度均勻度包括路面照度總均勻度（Eou）和路面中線照度縱向均勻度（Elu）。

由圖4可知，無論采取何種布燈方式，Eou均是隨著布燈間距的增大而減小，且布燈間距和安裝仰角相同時(shí)，雙側(cè)對稱布燈和雙側(cè)交錯(cuò)布燈的Eou相近。如圖4（a）所示，燈具雙側(cè)對稱布置，布燈間距為6 m時(shí)，Eou隨燈具安裝仰角的增大而先增大后減小，仰角達(dá)到60°時(shí)Eou急劇減?。徊紵糸g距為7 m時(shí)，Eou在不同安裝仰角下基本維持在0.71 ～ 0.74，變化較小，在仰角為10° ～ 25°時(shí)Eou均維持最大值0.74；當(dāng)布燈間距達(dá)到9 m及以上時(shí)，Eou隨安裝仰角的增大而增大。如圖4（b）所示，燈具雙側(cè)交錯(cuò)布置，布燈間距為6 m時(shí)，Eou隨燈具安裝仰角的增大而減小；布燈間距為7 m時(shí)，Eou在不同安裝仰角下基本維持在0.71 ～ 0.73，變化較?。划?dāng)布燈間距達(dá)到9 m及以上時(shí)，Eou隨安裝仰角的增大而逐漸增大?？傮w來說，當(dāng)布燈間距在9 m以下時(shí)，Eou受布燈方式和安裝仰角的影響較小，受布燈間距的影響較為明顯。

2.3 路面照度中線縱向均勻度

圖5、6分別給出了互通隧道分流段分岔點(diǎn)計(jì)算區(qū)域內(nèi)主隧道側(cè)和惠民路匝道側(cè)在兩種布燈方式下、不同布燈間距和安裝仰角下的路面中線照度縱向均勻度（Elu），Elu是在隧道路面點(diǎn)位最小照度與最大照度的比值。

由圖5（a）、（b）可知，在主隧道側(cè)，按雙側(cè)對稱布燈時(shí)，Elu隨著布燈間距的增大而減小、隨著安裝仰角的增大而增大，但總體來說，同一布燈間距下，不同安裝仰角對Elu影響較小，不同仰角下Elu差值在0.05以內(nèi)，且當(dāng)布燈間距為6 m、7 m時(shí)，同一仰角下Elu僅差0.02左右；當(dāng)按雙側(cè)交錯(cuò)布燈時(shí)，Elu變化較為復(fù)雜，無明顯規(guī)律，但總體來說，在任一布燈間距和仰角時(shí)，其Elu值都較大，最小值也達(dá)到0.89，滿足規(guī)范要求。在同一布燈間距和安裝仰角下，雙側(cè)對稱布燈較雙側(cè)交錯(cuò)布燈Elu值略小。

由圖6（a）、（b）可知，在惠民路匝道側(cè)，無論采取何種布燈方式，Elu都是隨著安裝仰角的增大而增大，且安裝仰角越大，不同布燈間距在同一仰角下的Elu越接近。這說明對于惠民路匝道這一側(cè)來說，對Elu影響較大的是安裝仰角，故此處燈具設(shè)置應(yīng)在滿足其他參數(shù)的基礎(chǔ)上盡可能采用大仰角。

建寧西路過江通道中間段設(shè)計(jì)亮度為3 cd/m2，設(shè)計(jì)速度為60 km/h，道路標(biāo)準(zhǔn)為城市主干路，根據(jù)《公路隧道照明設(shè)計(jì)細(xì)則》（JTG/T 07012-01-2014）[5]和《城市隧道照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（DB32/T 3692-2019）[14]規(guī)定：①隧道分流段、合流段亮度不宜低于中間段亮度的3倍，故該分流段分岔點(diǎn)區(qū)域亮度宜在9 cd/m2以上，而亮度與平均照度間的換算系數(shù)黑色瀝青路面可取15 lx/（cd·m-2），即該分岔點(diǎn)路面平均照度不宜低于135 Lux（如圖3虛線）；②隧道中間段燈具設(shè)置閃爍頻率應(yīng)小于2.5 Hz或大于15 Hz，經(jīng)計(jì)算，燈具布設(shè)間距應(yīng)小于1.1 m或大于6.67 m；③城市主干路隧道路面照度總均勻度應(yīng)大于或等于0.5，路面中線照度縱向均勻度應(yīng)大于或等于0.75。

根據(jù)以上制約條件，只有同時(shí)滿足以上三點(diǎn)的才符合設(shè)計(jì)和規(guī)范要求，并且要讓燈具光通量得到充分利用并達(dá)到最佳照明效果，應(yīng)綜合路面平均照度Eav、路面照度總均勻度Eou、路面中線照度縱向均勻度Elu這三個(gè)參數(shù)，觀察三個(gè)參數(shù)是否都達(dá)到了較高水平，這樣的布燈方式、布燈間距和安裝仰角的組合才是燈具最優(yōu)布設(shè)方案?；谝陨显瓌t，經(jīng)過對模擬工況的對比分析，得到了建寧西路過江通道惠民路匝道分岔點(diǎn)的燈具分別采取雙側(cè)對稱和雙側(cè)交錯(cuò)布置時(shí)的最優(yōu)布設(shè)間距和仰角，具體結(jié)論和照明模擬偽色圖見表2和圖7。

3 結(jié)論

本文基于DIALux照明模擬軟件進(jìn)行城市地下互通立交隧道分流段分岔點(diǎn)的仿真模擬，對不同布燈方式、布燈間距、安裝仰角等130組照明工況進(jìn)行分析，得到以下結(jié)論：

（1）路面平均照度Eav和路面照度總均勻度Eou都與布燈間距成反比、與布燈方式相關(guān)性較?。p側(cè)布燈），前者安裝仰角為15° ～ 25°時(shí)最大，后者安裝仰角為10° ～ 25°時(shí)最大；

（2）對于主隧道一側(cè)來說，布燈方式為雙側(cè)交錯(cuò)布置時(shí)路面中線照度縱向均勻度Elu-主隧道比雙側(cè)對稱布置時(shí)在相同布燈間距和安裝仰角下更大，但都達(dá)到規(guī)范要求；對匝道一側(cè)來說，燈具安裝仰角對Elu影響較大，仰角越大，匝道一側(cè)的Elu-匝道越大；

（3）對于建寧西路過江通道主隧道-惠民路匝道分流段分岔點(diǎn)的燈具布設(shè)建議如下：①若采取雙側(cè)對稱布置，則布燈間距宜取7 m，安裝仰角為25°；②若采取雙側(cè)交錯(cuò)布置，則布燈間距宜取7 m，安裝仰角為20°。

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