案例應用公路隧道照明設計研究

1、· 公路隧道照明設計應解決好隧道中特有的視覺現(xiàn)象，尤其是根據隧道所在地的光氣候、朝向、隧道入口的光環(huán)境等，選擇合適的洞外景物亮度值等照明設計參數值，它們關系到公路隧道照明節(jié)能、交通安全和快速。 關鍵字：隧道照明 42篇 察覺對比 1篇 照明設計 238篇 照明節(jié)能 32篇 照明安全 2篇 1.引言公路隧道由于具有縮短里程、節(jié)省時間、提高交通運輸效率、節(jié)省用地和有利于保護生態(tài)環(huán)境等優(yōu)點，在山區(qū)的公路建設中被廣泛采用。因此，隧道照明設施的規(guī)模及數量越來越大，隧道的運營電費和維護費用也越來越高，照明節(jié)能和照明安全也越來越突出，為了解決好照明節(jié)能和安全問題，就必須研究公路隧道照明。隧道的構造

2、比較特殊，它的兩側和頂部是封閉的，會產生隧道特有的人眼明適應和暗適應，尤其是白晝的視覺問題。在白晝，剛接近長隧道時，駕駛員看到是一個黑洞，這是“黑洞”現(xiàn)象;如果隧道較短，則會產生“黑框”現(xiàn)象;由于洞外亮度大，進入隧道后，人眼需要適應時間，即產生“適應的滯后現(xiàn)象”;對于長隧道的中間段，汽車廢氣會形成煙霧，影響駕駛員的可見度;在隧道出口，會產生一個很亮的洞口，形成強烈的眩光，降低駕駛員的可見度，這就是“亮洞”現(xiàn)象。上述這些現(xiàn)象均會對駕駛員的視覺生理產生影響;在隧道中同時還會產生管狀視覺現(xiàn)象和閃爍現(xiàn)象等，這些現(xiàn)象也均會對駕駛員的視覺心理產生影響，會使駕駛員產生心理上不舒適感，從而產生安全隱患。所以隧

3、道照明設計必須解決好隧道照明特有的視覺問題，尤其是確定合理的洞外亮度值，這樣才能創(chuàng)造出良好的視覺環(huán)境，從而更有利于隧道照明安全和節(jié)能。在機動車交通量和設計行車速度一定的條件下，隧道洞外景物亮度值大小將直接關系到入口段亮度值大小，也即與隧道照明節(jié)能、營運電費、工程投資和行車安全等有關。2.洞外景物亮度研究目前在進行隧道照明設計時，入口段的亮度值是由洞外亮度L20(s)乘以入口段亮度折減系數K近似算得1，而確定洞外亮度L20(s)的方法主要有4種：查表法，黑度法，數碼相機照相法和亮度計算法(環(huán)境簡圖法)。(1)查表法查表法就是根據國標I洞外亮度中，按洞外停車視距(如設計車速80km/h為100m)

4、視看隧道的20度視野的天空面積百分比值、洞口朝向或洞外環(huán)境、車速查取洞外亮度值。由于重慶市目前新建的公路隧道大多數位于山區(qū)，此時的天空面積百分比值通常為零，此時如按國標在設計車速一定時查取洞外亮度值，那么只能按暗環(huán)境和亮環(huán)境進行確定，這時不但存在如何區(qū)分暗環(huán)境和亮環(huán)境的問題，而且還沒有考慮不同朝向和洞外植被、護坡、端墻、路面鋪裝等洞外環(huán)境的影響。實際上不同情況的洞外亮度值差別是很大的，具體測試值見表1(由重慶交通科研設計院測試)。 表1高速公路隧道在天空面積百分比為零時洞外亮度實測值從表l中可以算得，南向洞外亮度平均值為4073cd/m2，北向為3400cd/m2，東向為2455cd/m2，西

5、向為2725cd/m2;由此看來，南向洞外亮度為最大，東向和西向洞外亮度較小，所以，即使當天空面積百分比為零時，L20(s)也是與朝向有關的;此外還與“公路隧道通風照明設計規(guī)范”1規(guī)定東洞口與西洞口取用南洞口與北洞口之中問值的說法是有矛盾的。從表1中可看出，L20(s)大小與洞外環(huán)境關系很大，如果保留自然植被或洞口正墻面采用深色植被和瀝青路面等措施，那么就可使L20(s)減小到3000cd/m2左右。從表1中還可以看出，隧道代號為22的L20(s)值是當地其他南向隧道的洞外亮度值的2倍左右，原因是該隧道口正墻面采用具有規(guī)劃(鏡面)反光特性的大理石材料，因此導致了在特定的反射角度時，反射光很強，

6、造成了眩光，L20(s)也上升到6870cd/m2，這是不利于隧道照明節(jié)能和安全的，應在進行隧道照明設計時避免在洞口外采用鏡面反射材料，宜采用粗糙的建筑材料，努力降低洞外亮度值，使隧道照明設計有利于隧道照明節(jié)能和安全，從而使隧道照明設計更為合理。(2)黑度法黑度法是一種洞外亮度測量法，它是國標1推薦的一種洞外亮度的實測方法。實測時，在接近段起點S處(當設計車速為80km/h時距洞口 100m)，距地面1.5m高正對隧道洞口方向20度視野的洞外環(huán)境一次成像在膠片上，拍攝黑白照片時還需要在洞口旁立一個已知亮度的灰板作為參照物，然后將沖洗出來的膠片置于黑度儀上測讀度視野內各景物的黑度1，將各自所占面

7、積的百分比作為權重計算出平均黑度，再與參照物的亮度作比較，確定現(xiàn)場測量時刻的洞外亮度L20(s)值。實測應選在夏季(68月)晴天無云連續(xù)進行3天，每天測量5次(10：0014：00，地方時，每次間隔lh)或11次(7：0017：00，地方時，每次間隔lh)。黑度法的缺點是測量精度與感光膠片質量、沖洗狀況等關系密切，而且確定洞外亮度過程復雜，不適宜在工程在應用：而且偶然幾天的洞外亮度測量結果不一定能真實反映出當地的光氣候變化的規(guī)律性，會導致實際的洞外亮度值與設計值之間產生誤差，使相對誤差超出士25%范圍?？傊瑥膶嶋H應用和理論觀點上看，用黑度法確定洞外亮度還需要進一步改進才行，并且要進行長期實測

8、后才能確定洞外亮度的變化規(guī)律性。(3)數碼相機照相法為了消除黑度法因采用感光膠片帶來的測量誤差和縮短測試洞外亮度的周期，隨著電子科學技術的發(fā)展，數碼相機獲得了進一步完善，因此可利用數碼相機照相法確定洞外亮度到。雖然數碼相機的成像技術在不斷提高，但是數碼相機畢竟不是測光儀器，所以由不同型號、不同廠家生產的數碼相機采集的光度參數會產生差別，為此應進行數碼相機光學特性化研究3，確定數碼相機所采集的數字圖像的灰度值和刺激值之間的關系式與相應的校正系數，并在光度學實驗里進行標定，即在正常曝光條件下，利用標準灰板、色板，確定刺激值與被測目標的亮度表達式，這樣才能利用數碼相機對洞外亮度分布進行近似測量。數碼

9、相機照相法快速簡便，具有一定的測量精度，滿足隧道照明工程上的應用要求。將數碼相機照相法作為隧道照明設計的實測驗證的手段是可行的，但是，數碼相機照相法與黑度法一樣，必須要排除測量洞外亮度的偶然性才行，為了隧道照明安全和節(jié)能，采用數碼相機照相法和黑度法均需要進行長期實測后才能確定適宜的洞外亮度值;而且當隧道口土建完成后，還應保證公路路面施工也需要同時完成，完成時問應在每年6月份之前，否則就不適合用實測法確定洞外亮度值。 (4)亮度計算法亮度計算法又稱為環(huán)境簡圖法。環(huán)境簡圖法的實質就是由隧道口外景物亮度與各部分所占的百分比乘積算得的，所以必須確定合理洞外景物亮度值。環(huán)境簡圖法要求在接近洞口段起點s處

10、，距地面1.5m高正對隧道洞方向20度視野范圍內，考慮天空亮度、路面亮度、洞IJ環(huán)境亮度和隧道洞口亮度的貢獻，于是算得洞外亮度值。L20(s)=cLc+rLr+eLe+rLr (1)式中L20(s)洞外亮度(cd/m2);LC20度視野范圍內的天空亮度(cd/m2);Lr一一洞外道路路面亮度(cd/m2);Le一一環(huán)境亮度(cd/m2);Lr_一洞口亮度(cd/m2);c、r、e、t分別為天空、路面、環(huán)境、洞口所占的百分比。由于隧道入口所占的百分比較小，一般在8%左右，而且洞口亮度也很小，所以洞口亮度對洞外亮度貢獻是很小的，可忽略不計。于是，式(1)可以簡化成下式，L20(s)=cLc+rLr

11、+eLe (2)從式(2)中可以看出，利用正對隧道口的20度視野的數碼相片和AutoCAD軟件較容易地確定天空、路面和環(huán)境所占的百分比c、r和e值。而洞外亮度值L20(s)的確定，需要計算出符合當地光氣候、植被和隧道口朝向等情況的由天空和太陽直射光在地物上產生的亮度，即需要選擇合適的天空亮度模型和大氣透明度，以及不同時刻、不同季節(jié)、不同路面、不同表面反射情況和反射角度等，通過式(2)計算出洞外亮度值。不同朝向的隧道口看到的天空、路面等的反射光亮度的粗略參考值見表21。表2洞外景物亮度 (單位：cd/m2)洞口朝向天空路面巖石 樹木 、草地建筑物南80003000300020008000東、西1

12、20004000200020006000北 160005000100020004000根據式(2)和表2可算得洞外亮度L20(s)值，如以實測值(見表1)為準，則計算值與實測值比較見表3。表3隧道口洞外亮度計算值與實測值比較隧道代號朝向計算值/（cd/m2）實測值/（cd/m2）相對誤差（%）21北27093828-2931北26543403-2252北28523310-1462北29983060-2.022南26826870-6132南23732572-7.751南27743920-2961南23942930-1871東27162460+1081東26962450+1072西27483070

13、-1082西26082380+9.6從表3中可以看出，當隧道口朝向為東、西向時，計算值與實測值較為吻合，相對誤差在-10%+10%范圍內;當隧道口朝向為南、北向時，其相對誤差較大，但是計算值一般偏小，原因主要是由表2中巖石表面的亮度差別太大造成的，而且?guī)r石所占的百分比也較大，一般要占30%左右，所以造成了較大計算誤差;例如隧道口為北向時，表2中巖石亮度為1000cd/m2，而實測平均值為3036cd/m2，兩者相差3倍多;由于62號隧道巖石面積占的百分比只有0.08，所以L20(s)計算值與實測值相差不大，相對誤差為-2.0%。從表2中可以看出，景物的類型較少，這是不利于隧道照明計算的;為此，

14、應將我國常見的隧道口外景物歸類，并且給出不同光氣候區(qū)對應的景物表面亮度值。例如，路面應分別給出混凝土路面和瀝青路面兩種情況等，從而使表2給出的景物亮度更符合實際情況。 3.隧道照明設計隧道照明設計最新研究成果表明，當確定了合適的不同朝向的隧道口的景物亮度等參數值后，就可以按照CIE在2004年公路隧道和地下通道照明指南中的建議：采用察覺對比法進行隧道照明設計，即可以根據等效光幕亮度等有關的參數值計算出入口段亮度Lth。為了使隧道照明設計達到安全和節(jié)能的要求，就不但要合理確定設計參數值，而且還要采用新穎的、可靠的設計理念，同時還要采用高效光源和燈具，增大光反射比等。在現(xiàn)行的照明設計標準和規(guī)范中，

15、沒有考慮隧道照明光源的光譜分布對駕駛員的視覺影響，尤其是沒有考慮人眼中新發(fā)現(xiàn)的第3種感光細胞一一神經結細胞4對人的機敏程度等光生物效應的影響;同時也沒有考慮中間視覺情況，而是僅僅按照明視覺時錐狀感光細胞起作用的條件下進行隧道照明計算。實際上，在隧道照明條件下，人眼中視網膜上的神經結感光細胞、錐狀感光細胞和桿狀感光細胞同時起作用，所以在進行隧道照明設計時，必須要考慮到這種特殊視覺情況?？傊瑧摬捎靡曈X科學的研究成果合理地解決好隧道照明設計，同時還應采用與現(xiàn)行的隧道照明亮度設計方法不同的新穎照明設計方法可見度設計方法5，使隧道照明達到節(jié)能和安全要求。選擇隧道照明光源的現(xiàn)行評價指標是：光效高、透霧

16、性能好、壽命不小于10000h。這里所指的光效是采用明視覺2度視野光度學系統(tǒng)確定的光效，即所謂額定光效;但是，在中間視覺時，光源的光效不是一個固定值，而是一個隨人眼適應水平而變化的值，所以，為了更符合隧道照明實際情況，并且考慮光生物效應的影響，宜采用在不同人眼適應水平條件下反應時間相等時，相對于高壓鈉燈的亮度對比系數來評價光源的光效會更為合適;同時還要考慮光源的壽命、透霧能力和營運費、價格等方面的因素，即由光源性價比來選擇隧道照明光源。隧道照明燈具應滿足防護等級不低于IP65，配光合適，眩光少，更換方便，防腐性能好等，而且，還要選擇品質優(yōu)良的照明配套電器，使問接能耗小。目前可選用品質優(yōu)良的電子

17、鎮(zhèn)流器，也可選用節(jié)能型電感鎮(zhèn)流器，但要加強檢修維護，定期檢測配電線路的無功損耗，及時發(fā)現(xiàn)問題并及時更換?？傊坏蠊庠促|量好，而且還要求與其配套的附件質量也要好。隧道內汽車廢氣多，可見度差，而且會污染燈具的透光表面，光損失嚴重，所以燈具的維護系數一般為0.50.7，我國取為0.60.7，即有30%左右光能損耗掉了。這可以用二氧化鈦(TiO2)光觸媒膜自動去掉燈具透光表面上汽車廢氣和油污等污垢，提高光透過率。二氧化鈦光觸媒 膜具有很強的氧化分解作用，會使有機物分解，自動清潔燈具透光表面，而且化學穩(wěn)定性好，強度大，硬度與玻璃相同，壽命長，材料價低。在隧道照明中采用二氧化鈦光觸膜技術，可以消除汽

18、車廢氣，塵埃在燈光發(fā)光面上的污垢，增加光輸出，減少燈具人工清潔次數，降低維護費用。如果選擇了合適的燈具和其安裝角度，增大隧道頂棚和墻壁的光反射比，尤其是使側壁2m以下的光反射比較大，那么由于隧道頂棚、墻和路面之間的多次反射，可使路面平均亮度和側壁2m以下的亮度較大，使隧道照明設計更為合理，從而達到隧道照明安全和節(jié)能要求。4.小結公路隧道照明設計應首先根據當地光氣候等實際情況，對洞口上建進行精心設計，降低洞口景物亮度，選擇適宜的設計參數，并且要采用新穎的察覺對比法及視覺科學的研究成果進行隧道照明設計，要嚴格把握好一個適合的“度”，即采用合適的隧道照明設計標準制，切實解決好隧道中特有的視覺問題，同時采用行之有效的照明節(jié)能措施，從隧道照明系統(tǒng)工程觀點出發(fā)進行合理的隧道照明設計和隧道通風設計，加強管理和維護，實現(xiàn)隧道照明和行車安全，快遞，舒適的目的。1交通部重慶公路科學研究所公路隧道通風照明設計規(guī)范S.JTJ026.1-1999，北京：人民交通出版社，2000.2陳仲林，翁季等，用數碼相機測量亮度分布J.照明工程學報，2005，16(3)：111