隧道工程結課論文隧道照明設計淺談

1、碩士研究生課程«隧道工程»結課論文院(系): 土木工程與建筑學院 專業(yè)： 建筑與土木工程 任課教師: 研究生姓名: 學號: 成績： 日期： 2014年 月 日 隧道照明設計淺析【摘要】隧道照明不同于一般道路照明，有其明顯的特殊性和重要性，對隧道的交通安全起著至關重要的作用。隧道照明具有隧道內外亮度差極大、空氣污染嚴重、空間有限、噪音大、震動大等特點。隧道的照明要根據這些特點來設計解決。且隧道具有縮短里程、節(jié)省時間、提高交通運輸效率、節(jié)省用地和有效保護生態(tài)環(huán)境等優(yōu)點，但伴隨著隧道照明設施的規(guī)模及數量與隧道的運營電費和維護費用必將越來越大、越來越高。因此，在當前我國能源緊張、用

2、電缺口巨大的形勢下，做好隧道照明的節(jié)能也有很重要的意義。來本文重點介紹隧道照明的主要特點及照明設計方法、影響隧道照明因素、隧道照明應注意的問題及隧道照明節(jié)能措施。【關鍵詞】隧道照明；照明設計；照明節(jié)能一、隧道照明的特點隧道照明具有以下特點：隧道內外亮度差極大、空氣污染嚴重、空間有限、噪音大、震動大等。隧道照明的設計不同于道路照明，尤其在白天晴天的時候隧道內外的亮度差別極大（通常相差幾百到幾千倍），駕駛員進入隧道時，從外部向隧道內看是一個黑洞（對長隧道而言）或一個黑框（對短隧道而言）；白天駕駛員通過較長的隧道接近出口時，看到的是一個刺眼的炫亮白洞。為了消除黑洞和白洞現象，必須在隧道的入口和出口使

3、路面的亮度達到一定水平，即加強照明；隧道內由于車輛排除的煙氣，受到汽車前照明燈的照射，光線被煙霧吸收形成光散射現象，造成光幕，從而是前方的障礙物與路面、側壁亮度對比減弱，使駕駛員識別障礙物的能力下降，所以隧道內基本段的亮度也要比普通路面高，而且隧道內燈具的布置還應該盡量減少頻閃現象。二、隧道照明設計 人眼對光的適應特性：從眼睛構造可知，視細胞有錐體細胞和桿體細胞兩種，這兩種細胞對光的感受性是不同的，桿體細胞對光的感受性很高，而錐體細胞對光的感受性很低。在明亮的環(huán)境下（亮度達到 10cd/m2），主要由錐體細胞參與視覺工作，這種視覺狀態(tài)稱為明視覺；在昏暗的環(huán)境下（亮度在 10-210-6cd/m

4、2），主要由桿體細胞參與視覺工作，這種視覺狀態(tài)稱為暗視覺；亮度在 1010-2cd/m2時，桿細胞和錐體細胞同時工作。錐體細胞和桿體細胞對光的敏感性不同，錐體細胞對 555nm 的光敏感性最大，桿體細胞對 507nm的光敏感性最大。 眼睛不但在陽光下能看清物體，在月光下也能看見物體，這主要是由于錐體細胞和桿體細胞相互交換工作、瞳孔的大小變化以及視網膜上的化學變化等因素有關。當視覺環(huán)境內亮度有較大幅度變化時，視覺對視覺環(huán)境內亮度變化順應時的感受性稱為適應。適應有明適應、暗適應兩種。人從黑暗處進入明亮環(huán)境時，最初會感到刺眼，而且無法看清周圍的景物，但過一會兒就可恢復正常的視力，這種適應叫明適應。人

5、從明亮的環(huán)境進入暗處時，在最初階段將什么都看不見，逐漸適應了黑暗后才能區(qū)分周圍物體的輪廓，這種從亮處到暗處人們視覺閥限下降的過程就稱為暗適應。明適應和暗適應所需的適應時間視具體情況有長有短，一般說來明適應所需時間短，暗適應所需時間長。在設計隧道照明時，要考慮到人的明適應和暗適應因素，重視過渡空間和過渡照明的設計。為了滿足眼睛適應性要求，在隧道入口需作一段明暗過渡照明，以保證一定的視力要求。隧道出口處因適應時間很短，一般在 1s 以內，故可不作其它處理，況且隧道照明不同于其它道路照明，存在以下幾種特殊的視覺問題：（1）進入隧道前（白天）：由于隧道內外的亮度差別極大，因此從隧道外部去看，照明很不充

6、分的隧道入口會看到“黑洞”現象。（2）進入隧道后（白天）：汽車由明亮的外部進入即使不太暗的隧道以后，要經過一定時間才能看清隧道內部的情況，這稱為“適應滯后”現象。（3）隧道出口處：在白天，汽車穿過較長的隧道接近出口時，由于通過出口看到的外部亮度極高，出口看上去是個“亮洞”，會出現極強的眩光，駕駛員感到極不適應；夜間與白天正好相反，隧道出口看到的不是亮洞而是黑洞，這樣駕駛員就看不清外部道路的線型及路上的障礙物。 以上這幾種特殊的視覺問題給隧道照明提出了較高的要求。有效解決這些視覺問題，可從以下幾方面著手。1、隧道照明的設置 隧道照明可劃分為引入段、適應段、過渡段、基本段和出口段等五個區(qū)段照明，其

7、每個區(qū)段照明的作用： 引入段：消除“黑洞”現象，使駕駛員在洞口處能辨認障礙物； 適應段：進入隧道后，駕駛員能很快適應并消除“黑洞”現象； 過渡段：駕駛員逐漸適應隧道內部照明； 基本段：隧道內部基本照明； 出口段：在白天，使駕駛員能逐漸適應出口處的強光，消除“亮洞”現象；在夜間，使駕駛員能在洞內看清外部道路的線型及路上的障礙物，消除出口處的“黑洞”現象。 隧道照明的設計亮度以白天和夜間兩種不同情況來確定，白天照明的隧道，其照明區(qū)段的劃分和路面最低亮度可按照下列照明漸變圖和表1如下：照明漸變梯度圖（白天）表1區(qū)段照明長度及路面最低亮度注：（1）上表是以隧道口部環(huán)境亮度為 4000cd/m2為基本亮

8、度擬定的，如果洞外亮度大于或小于 4000cd/m2表值應乘以系數 k0。K0=洞外環(huán)境亮度/4000 （2）當洞口沒有減光措施時，要考慮縮短或取代引入段。 （3）當設計速度超過 80km/h 時應作專門研究。 隧道照明的設計是以亮度作為衡量指標的。但在設計方案的計算當中，我們還必須引入照度的指標進行參考。照明要求的亮度是分白天和夜間兩種不同情況。隧道出口和入口的照明設計應達到一定的照度標準。在白天，隧道出口段的亮度和入口段的亮度，應比隧道內基本照明亮度值高；在夜間，則相反，應低于隧道內基本照明亮度值；當隧道外有路燈照明時，隧道內路面亮度值不得低于露天亮度值得2倍。2、照明光源及燈具 照明光源

9、及燈具的選擇是否適當是隧道照明質量有無保證的關鍵。隧道照明的光源，除應滿足在隧道特定環(huán)境下的光效、光通量、壽命及工作特性、光色、顯色性和控制配光的難易程度等要求外，還應選擇在汽車排煙形成的煙霧中仍能保證有良好能見度的光源。因此，通常情況下，應使用在煙霧中有較好透視性的低壓鈉燈或高壓鈉燈，如果是短隧道或柴油車比率較小的隧道，煙霧會少些，亦可使用顯色性相對較好的熒光燈。隧道出入口的照明，可選用光通量高的高壓鈉燈。選擇照明器時應注意選擇尺寸合理、耐腐蝕性強、不易老化、防潮和防噴流的燈具。照明器應有較好的配光性能，避免眩光，可采用專用的隧道燈。隧道內基本照明及夜間照明標準列入下表：注：（1）平均照度換

10、算系數：13（混凝土路面）；22（瀝青路面） （2）當設計車速超過 80km/h 時應作專門研究。3、照明燈具的布置 隧道照明燈具的布置，除考慮亮度分布外，還要考慮閃光、誘導性、燈具維修方便，其布置形式主要有三種，即相對排列、交錯排列和中央排列。為了避免燈具不連續(xù)直射光由側面進入駕駛室造成“閃光”的不快感，應盡量不將燈具裝在側面，而裝在隧道頂部兩側或中央，且安裝高度應在路面以上 4m 為宜。照明燈具呈線形分布，在一般情況下路面亮度均勻度不應小于 0.35。 在照明燈具的選用上，一般分為一般照明、應急照明、特殊燈光照明這三種情況，根據不同的情況要選用不同的照明燈具。（1）一般照明 一般照明包括保

11、證隧道內正常行車所必需的基本照明和消除出入口“白洞”和“黑洞”效應的加強照明。隧道基本照明布燈方案為：兩側交錯布燈，間距為10m，燈具安裝于距路面中心5.3m處的隧道側壁上。為了美觀，加強照明燈具的安裝高度同基本照明保持一致，并均勻布設于基本照明燈具間。 按規(guī)范要求一般照明為一級負荷。根據民用建筑電氣設計規(guī)范（JGJ/T 1692）第11.8.6條要求：“特別重要的照明負荷，宜在負荷末級配電盤采用自動切換電源的方式，也可采用由兩個專用回路各帶約50的照明燈具的配電方式?！憋@然，“在負荷末級配電盤采用自動切換電源的方式”不適于隧道照明，本隧道采用“由兩個專用回路各帶約50的照明燈具的配電方式”。

12、這樣即使在有一路電源或一臺變壓器檢修或故障的情況下，也能保證隧道內最少有一半燈具正常點亮，不會引起整個隧道一般照明燈具全部熄滅而對高速行駛的車輛造成危險。 隧道內的照明根據各區(qū)段在不同環(huán)境下的亮度要求及交通量進行控制。通過隧道內、外設置的亮度監(jiān)測儀和環(huán)形線圈來檢測隧道口附近的光強，并通過隧道的交通量來控制各區(qū)段的照明亮度，使駕駛員盡快適應隧道內、外的光強變化，消除因光強變化所引起的視角障礙，從而達到既滿足隧道的亮度要求，保證行車安全，又能延長燈具使用壽命和節(jié)約能源的目的。根據公路隧道通風照明設計規(guī)范（JTJ 026.11999）要求“入口段加強照明白天分晴天、云天、陰天、重陰4級控制，基本照明

13、分夜晚交通量大、交通量小2級控制，出口段加強照明分白天、夜晚2級控制”。（2）應急照明 大部分駕駛者在進入隧道時一般會開啟車燈，但是還有部分駕駛者在進入一般照明全開啟的隧道后會關閉車燈，這樣做存在著很大的危險。雖然我們前面所說的一般照明是按照一級負荷來供電的，但是也不排除兩路電源同時故障的可能。如果一般照明斷電的話，沒有開啟車燈的車輛在隧道這樣一個狹小的空間高速行駛其危險性就不言而喻，會發(fā)生由于司機的恐慌而引起追尾、碰壁等一系列交通事故。而設置了應急照明的隧道就完全可以降低此類事故的發(fā)生，當一般照明斷電時，還有一部分應急照明燈具繼續(xù)工作，雖然亮度較一般照明低，但是足以使司機采取一系列的安全駕駛

14、措施，如：開啟車燈、減速等。 應急照明的設置有以下幾種方案：（a）從布燈方式上分為利用基本照明燈作為應急的方案和單獨設置應急燈的方案。這兩種方案都可以滿足要求，由于大部分隧道采用高壓鈉燈照明，而高壓鈉燈（包括其它氣體放電燈）斷電后再起動時間較長（58min），很難作為應急照明燈?，F在國內外在采用高壓鈉燈作為照明光源在隧道中的常規(guī)做法是單獨設置應急燈，這樣會造成重復投資，并且影響美觀。因此采用的是利用基本照明燈作為應急照明的方案。平時應急照明作為基本照明的一部分，當基本照明出現故障后應急照明燈繼續(xù)工作，以保證隧道內行車安全。（b）從應急電源選用上有集中設置應急電源和分散應急電源方案。分散應急電源

15、一般應用于規(guī)模較小的建筑中，而在大型建筑中由于應急燈具數量較多，考慮到維護和投資方面的因素，一般采用集中應急電源裝置。集中應急電源裝置一般有EPS（應急電源）、UPS（不間斷電源）和發(fā)電機幾種。因啟動發(fā)電機啟動時間較長，不滿足公路隧道通風照明設計規(guī)范（JTJ 026.11999）第4.9.1條“長度大于1000m的隧道應設置應急照明系統，并保證照明中斷時間不超過0.3s?！钡囊?guī)定，因此設計中發(fā)電機作為應急電源的方案不予考慮；而由于隧道的特殊環(huán)境要求，并且從節(jié)能、壽命的方面考慮，最終應急電源選用了EPS裝置。采用高壓鈉燈等氣體放電光源作為隧道應急照明尚無先例，通過試驗證明高壓鈉燈在中斷供電時間大

16、于5ms的情況下，部分產品有熄滅現象，一旦熄滅再啟動時間更長?；诔Ｒ?guī)的EPS裝置切換時間（市電轉應急）為0.1s，為了滿足隧道應急照明能正常可靠的工作，設計要求EPS裝置的切換時間小于5ms。（c）疏散及誘導照明。當隧道內發(fā)生火災時，產生的大量煙霧將籠罩在隧道頂部，并且隨著氣流方向向前推進。大量煙霧將會使隧道內亮度急劇下降，因此對人員、車輛的疏散極為不利，可能使疏散的人員及車輛發(fā)生二次災害?；谏鲜鲈颍淼纼葢O置疏散及誘導照明。采用LED光源，間距為10m，其中每40m設一盞疏散指示燈，以便火災狀態(tài)下指示人員安全快速地離開現場。每120m設一盞藍色疏散指示燈，提醒司機保持與前車之間的安全

17、距離。 疏散燈為長明燈，不受控制；誘導燈正常情況下常亮，當發(fā)生事故時，通過隧道監(jiān)控中心下發(fā)指令，將誘導燈調為閃爍狀態(tài)以提醒司機謹慎駕駛。疏散及誘導照明電源由EPS提供。（3）特殊燈光照明 在一般照明燈的安裝高度，于隧道每側安裝一排藍色的投光燈向洞頂投射，將洞頂整體照亮，形成“藍天”的基本色調。再用圖案燈將預先制作的“白云”等圖像投射到隧道頂部，來形成“藍天”“白云”的效果。道路兩側，合理設置了一些仿真植物等景觀，并給以適當的泛光照明，目的是更能逼真地再現室外自然環(huán)境。這樣，一幅美侖美奐的“藍天白云”效果就形成了，駕車穿過，有穿越時空的感覺，同時，這些仿真植物等景觀的設置，還可以起到行車誘導作用

18、。4、照明供電 隧道照明由于突然停電或其它原因而熄滅時，在全黑的情況下容易造成危險事故。因此，隧道照明的供電電源要求較高，一般應有兩個獨立電源供電，并設應急照明，應急照明亮度值不得低于基本亮度值的 1/10，且應急照明必須有獨立的供電系統。三、隧道照明節(jié)能措施探討1、 隧道照明系統設計中存在的問題 為確保高速公路隧道行車安全，國家已明確規(guī)定了高速公路隧道內各段照明的平均照度值，但是高速公路隧道照明由于受燈具設備的選型與安裝、道路幾何與隧道走向、路面狀況、隧道壁反射特性等多方面因素的影響，隧道照明平均照度值計算變得非常復雜，從而影響到隧道內各段照明的平均照度值。高速公路隧道照明系統設計方案中普遍

19、存在以下問題：高速公路隧道照明系統建設投資成本費用高。高速公路隧道照明系統投入使用后，運營能耗大。高速公路隧道照明系統投入運營后，維護、維修工作量大費用高。2、 隧道照明現有控制方式及存在的問題 國內目前對隧道照明設備的控制方式主要有三種：手動控制模式、分時段進行的時序控制模式和分級控制模式。在實際使用中最常用的方案是采用分級控制模式，即根據氣候條件、隧道外的照度及交通流量進行控制分級。其工作原理是：通過隧道內外設置的照度檢測儀，檢測隧道入口處內外的光強度，并輔以車流量等其他信息，分級控制整個隧道內各段的燈光照明強度使駕駛員能盡快適應隧道內外的光強變化，消除因光強所引起的視覺障礙，減少事故的發(fā)

20、生。現有照明控制模式在實際運行中存在著相當大的電能浪費。為了保證車輛的通行安全，隧道照明系統的設計采用保守的預估方法。對洞外照度的設計是以全年洞外最大亮度和最高行車時速來確定隧道內各段的燈具功率和燈具分布密度。而在實際運行過程中，照明強度一般遠遠小于設計參數，因此照明系統的節(jié)能設計還有很大的改進空間。此外，在照明控制過程中因線路布線回路的限制，只能做到23級人工或自動控制對于如天氣、車速、車流量等參數只是在設計階段給予以最大值考慮，最終各段的照明照度也始終處于最大值狀態(tài)，無法對整個隧道的照明進行自適應控制。因此這種傳統設計與使用的隧道照明系統存在著大量電能浪費問題。3、 隧道照明節(jié)能方法 隧道

21、照明節(jié)能包含照明設計節(jié)能和管理節(jié)能等方面，其中照明設計節(jié)能是最重要的節(jié)能措施，它包括采用新穎的、可靠的設計理念和合理的標準值，以及采用高效光源、高效燈具、增大光反射系數和照明控制節(jié)能等。（1）采用先進的隧道照明控制和管理系統 現在高速公路隧道照明系統控制，都采用時間控制器方法進行控制，即設定某時開白天燈，某時開夜晚燈。一年365d，白天與夜晚時間是變化的(即夏季日照長、冬季日照短)，而時間設定控制為固定的，不能根據隧道內外實際照度對比值進行控制，造成隧道照明系統電能浪費。若要隧道管理人員經常到現場修改設定控制器開關時間，它將增加隧道管理人員工作量和維護費用。在隧道實際運營過程中，隧道照明取值與

22、車速、車流量、洞外光照有密切的關系。隧道照明控制參數研究的一個目標，是在確保安全的前提下，實現隧道照明的高效節(jié)能。隧道照明節(jié)能綜合控制系統，以檢測得到的洞外亮度、車速、車流量等交通參數為輸入，以照明節(jié)能控制器為執(zhí)行設備，開發(fā)照明節(jié)能控制系統。該系統能夠根據交通參數和環(huán)境參數，自適應調節(jié)控制燈具亮度，在保證安全行駛條件的前提下，實現燈具照明的最優(yōu)控制。（2）確定合理的隧道照明設計標準值 在機動車交通量和設計行車速度一定的條件下，現行的隧道照明系統的設計基準一洞外亮度的取值大小將直接關系到入口段和過渡段亮度取值大小，也即與隧道照明節(jié)能、營運電費、工程投資和行車安全有關。因為洞外亮度隨當地的氣候、季

23、節(jié)、時刻、隧道朝向、隧道入口的視野環(huán)境，如綠化、植被等有關。據研究表明，當其他條件不變時，洞外亮度值的改變對電費和設備費用影響很大。所以應通過調查分析、實測比較、理論分析和在光氣候理論基礎上，考慮洞外植被情況、當地光氣候特點等合理地確定洞外亮度值。另外基本照度也應該根據現場環(huán)境和各種交通參數進行確定，從而達到節(jié)能的目的。（3）使用新型的照明燈具和光源目前，國內隧道燈具多采用白熾燈、熒光燈、高壓鈉燈、低壓鈉燈等，大多存在光帶窄、配光質量不夠、能耗高、質量穩(wěn)定性差、壽命短等問題。普遍使用的高壓鈉燈發(fā)黃光，也導致隧道照明的視覺效果不佳，影響行車安全。因此，采用新型照明燈具和合理的控制系統對保證隧道經

24、濟安全運行有著十分重要的意義。無極燈、LED燈等新產品引起了人們的日益關注。這些產品應用于隧道照明，除滿足隧道對燈具光效、光通量、壽命及工作特性、光色、顯色性和配光控制難易程度等主要要求外，還能節(jié)約運行和維護成本，實現穩(wěn)定經濟運行。因此可從隧道照明光源：高壓鈉燈、金屬鹵化物燈、無極熒光燈(電磁感應燈)、節(jié)能燈、LED燈中，利用反應時間實驗等確定隧道照明光源。（4）增大光反射比如果選擇合適的燈具及其安裝角度，并且增大頂棚和墻壁的反光比，山 隧道頂棚、墻和路面之間的多次反射，估計可使隧道照明反射光增量系數將比表面未作處理的隧道約增人20，即節(jié)電20左右。（5）管理節(jié)能管理節(jié)能豐要是指對隧道內光源、