不同路面類型下公路隧道照明的效能分析

馬 非，陳開良，王 乾，彭 力

(1.招商局重慶交通科研設計院有限公司隧道分院，重慶 400067；2.三明福銀高速公路有限責任公司，福建三明 365000；3.重慶交通大學交通運輸學院，重慶 400074；4.重慶大學建筑城規學院，重慶 400040)

引言

我國隧道不僅修建在山嶺地區，在江河、海峽和港灣等地區也越來越多地考慮修建隧道，這樣可不影響水路通航，提高舒適性，增加隱蔽性且不受氣候影響[1-3]。因此，在今后一段時間內，我國公路隧道的數量和里程還將持續上升。隨著隧道數量的持續上升，安全與節能成為現今隧道照明面臨的兩個突出問題。傳統的隧道照明方式不僅會消耗大量的電能，給運營企業造成經濟負擔，并且巨大的能源消耗也會引起霧霾等嚴重空氣污染問題。從節約資源、保護壞境角度出發，研究如何減小隧道照明消耗的電能越來越成為國內外研究學者關注的重點[4-7]。為了達到隧道照明節能的目的，研究者考慮了隧道分段照明、隧道輪廓標、燈具類型、配光曲線、布燈形式等因素，使其照明效果能夠達到安全與節能的最優組合[8-12]。不同的路面類型會影響到隧道內的各照明指標。公路隧道路面通常采用水泥混凝土路面或瀝青路面。水泥混凝土路面摩擦系數較小，反射率較大，為 0.24～0.31。瀝青路面摩擦系數大，反射率較小，為 0.18～0.21。因此，目前研究認為，在滿足行車安全的基礎上，路面盡量選用水泥混凝土路面，并加入淺色石子改善路面亮度，可以提高照明效果[8]。但是，目前這方面的相關研究還較少，本文通過軟件模擬對不同路面類型下的照明指標進行分析，得出照明效果最好的路面類型，對未來隧道內路面的設計工作具有重大意義。

1 不同路面類型模型的建立

1)路面類型。傳統的路面分類為剛性路面、柔性路面及半剛性路面，剛性路面就是水泥混凝土路面，柔性路面就是瀝青路面，半剛性路面介于兩者之間。我國隧道路面結構的特點是：在中長及特長隧道中，水泥混凝土路面所占的比例較大，瀝青混凝土路面和復合式路面采用較少；短隧道中多采用瀝青混凝土路面。本文研究的不同路面類型有水泥路面，瀝青路面和濕潤路面，其中濕潤路面又有反射程度不同的類型，隧道內各路面描述見表1。

2)照明指標。通過對照明指標的分析可以進行照明效果的評價，本研究分析的照明指標包括路面照度，路面亮度，目標亮度，光幕亮度以及小目標可見度，其表示的具體含義見表2。

表1 路面類型分類

表2 照明指標

圖1 隧道橫斷面Fig.1 The cross-section of tunnel

3)隧道模型。該隧道模型屬于單向三車道，總寬13.85 m，單車道寬3.75 m，路面至拱頂距離為7.3 m，燈具布置位置距離路面高度為5.50 m，布燈形式為兩側交錯布燈，布燈間距10 m，燈具發光軸線與豎直面夾角為15°。隧道橫斷面圖如圖1所示。圖2是用極坐標方法表示的配光曲線圖，此外還可以用直角坐標法和等光強曲線法表示。從圖2可以看出配光曲線(kenall2)在55°附近，最大光強數值為404 cd/klm(8010/19.813)，橫向配光曲線不對稱。

圖2 配光曲線示意圖Fig.2 The light distribution curve diagram

2 模擬計算結果分析

1)路面照度。采用照明軟件AGI32進行計算，得出不同路面類型的路面照度值，見表3。

表3 不同路面材料下路面照度值

路面照度總體上差異不大，那是由于照度只與燈源本身相關，與接收面的情況無關，模擬呈現在誤差范圍內波動，路面照度的變化趨勢如圖3所示。

圖3 不同路面類型下路面照度值比較Fig.3 The comparison of illuminance of different pavement

2)路面亮度。計算得到不同路面類型的路面亮度值，見表4。從表4可以看出路面亮度總體上差異較大，濕潤路面的路面亮度值較高，最高亮度比最低亮度高出60.1%。濕潤路面亮度最大值隨著反光率的增加而增加，但是最小值有減小的趨勢，表明濕潤路面反射率的提高增大了路面亮度的不均勻，從駕駛員舒適性考慮，濕潤的路面對行車安全不利。所有路面亮度值變化趨勢如圖4所示。

表4 不同路面材料下路面亮度值

圖4 不同路面材料下路面亮度值比較Fig.4 The comparison of luminance of different pavement

3)目標物亮度。計算得到不同路面類型情況下的目標物亮度值，其數值關系到目標是否能被發現，見表5。

目標物亮度總體上差異不大，濕潤路面的路面照度值較高，且隨著路面反光率的增加而增加，目標物亮度值變化趨勢如圖5所示。

4)光幕亮度。計算得到不同路面類型情況下的光幕亮度，其數值見表6。

表6和圖6可以看出光幕亮度總體上差異不大，尤其是最大值幾乎相同，平均值略微有些變化，其變化趨勢如圖6所示。

5)小目標可見度。計算得到不同路面類型情況下的STV值，見表7。

表5 不同路面材料下路面目標物亮度值

圖5 不同路面類型下路面目標亮度比較Fig.5 The comparison of luminance of target object under the different pavement type

表6 不同路面材料下路面光幕亮度值

圖6 不同路面類型下路面光幕亮度比較Fig.6 The comparison of veiling luminance under the different pavement type

表7 不同路面材料下亮度STV值

不同路面的STV值差異較大，尤其是瀝青路面的STV值比水泥路面和濕潤路面較高，表明瀝青路面有益于洞內小目標的發現。路面的STV值變化趨勢如圖7所示。

圖7 不同路面類型下STV比較Fig.7 The comparison of STV under the different pavement

3 綜合評價

根據前面得到的模擬分析結果，分析不同路面類型對平均亮度、小目標物亮度、背景亮度、 小目標物可見度的貢獻，從而在不同條件下為選擇路面類型提供參考。

根據表8中的數據可以得出綜合判斷：①對于干燥的水泥路面和瀝青路面來說，水泥路面在小目標物亮度和背景亮度之間區別很小，雖然水泥路面的平均亮度比瀝青路面高，但是小目標的可見度反而比瀝青路面低很多，所以在隧道路面類型的選擇中，在滿足規范里地面亮度要求的前提下，盡量選擇瀝青路面。②同一類型路面，路面濕潤程度越高，路面平均亮度、小目標物可見亮度越高，除W1外，小目標物可見度越高。但是，由于路面平均亮度的增加只是因為濕潤造成的路面部分鏡面反射的效果，而濕潤路面摩擦系數將減小，低溫狀態下將更小，更容易引發交通事故。因此在設計中，不能單單依靠指標的滿足就判斷隧道照明設計符合規范要求，還要求在現場判斷路面情況。③解決進入洞口處的濕潤問題將是未來進一步工作的重點。

表8 不同路面材料下路面情況綜合評價

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