毗鄰隧道減光棚洞配置技術

劉 鵬，馬 非，夏楊于雨，崔向陽

(1.重慶交通大學土木工程學院，重慶 400047；2.招商局重慶交通科研設計院，重慶 400067)

引言

截至2017年底，全國公路隧道為16 229處，比2016年增加1 048處[1]，公路隧道群(包括毗鄰隧道和連續隧道)的特殊路段也相應地增多。根據鐵路隧道相關規范定義，隧道群是相鄰隧道洞口間距不小于一列旅客列車長度的一組隧道[2]；而公路毗鄰隧道目前還沒有明確定義公路隧道群和毗鄰隧道概念以及其限定長度，考慮到通風、照明、消防安全、交通安全等因素，多將兩隧道間距L≤250 m 的隧道定義為毗鄰隧道；L>250 m且L≤1 000 m定義為連續隧道[3，4]。而隧道群的特殊存在，使得與單體隧道光環境相比有明顯的不同。受自然光影響，白天隧道內亮度較低，連續隧道區段亮度較高，這將迫使駕駛者在該地段經歷連續的明暗視覺適應[5，6]。

毗鄰隧道光環境對駕駛者的視覺存在一定的影響，甚至在少數太陽直射等特殊地區的毗鄰隧道光環境對駕駛造成直接干擾[7]。據統計，駕駛人失誤中，感知失誤占42%左右，判斷失誤占36%[8]，這說明信息獲得性感知對駕駛者來說極其重要。感官對交通信息傳遞占比中，視覺約占80%[9]，這表明視覺感知是駕駛者交通特性的重要依據來源，在隧道環境下，影響視覺感知的主要因素就是洞外亮度和洞內照明亮度。因此，隧道群區段亮度連續變化適應問題就是一個大的隧道風險源，對該區段亮度進行相應的調整措施是非常必要的。

1 工程概況

模型設計依據汕湛高速惠清段項目，位于廣東省中部地區，高速公路惠州至清遠段為山嶺重丘區高速公路，根據初步設計文件，全線共有隧道16座，2座總里程8 459.5 m的特長隧道、5 座總里程為7 816.5 m的長隧道、6 座總里程為4 228.5 m的中隧道、3 座總里程為899 m的短隧道(16座隧道總長21.403 km)。隧道線路長，沿線路段有多處連續隧道，毗鄰隧道以八片山隧道與太和洞隧道為典型。

圖1 山區毗鄰隧道光環境現狀

八片山隧道左線小樁號為ZK172+567，大樁號為ZK173+568，長1 001 m，右線小樁號為YK172+565，大樁號為YK173+570,長1 005 m，為中長隧道。太和洞隧道左線小樁號為ZK173+735，大樁號為ZK177+986，長4251 m，右線小樁號為YK173+752，大樁號為YK178+050，長4298 m,為特長隧道。其中左線毗鄰區間長167 m，右線毗鄰區間長182 m，本次研究依托此工程建立模型分析。

2 計算模型

2.1 模型建立

建立三維計算模型，模型為兩車道毗鄰減光棚，路面寬度為11.75 m，加上應急車道總路寬為15 m，減光棚模型縱向長度為200 m，透光帶寬度為1.5 m，減光棚外表面材料反射率為0.43(除透光帶)，內表面反射率為0.3。實際工程路面類型為瀝青混凝土，反射特性為R3[10](以漫反射為主，些許的鏡面反射)，其中路面反射率為0.22，光澤度s1取1.1，平均亮度系數Q0為0.07，因實際工程為新建隧道，故模型路面參數標準取值與工程隧道實際參數接近一致。模型如圖2所示。

圖2 減光棚模型

研究采用DIAlux 4.13光學分析軟件，在建立的毗鄰隧道減光棚模型基礎上模擬不同光環境，欲分析6月與12月天氣條件下減光棚頂部兩側透光、中部兩側透光和底部兩側透光在不同透光率時路面照度的增益情況，其中DIAlux軟件季節天氣參數設定根據《日光空間分布-天空亮度分布參考》(CIE 110：1994)[11]，天氣模型分晴天、陰天、混合天空，太陽方位角αs和太陽高度角γs設定見表1。光環境模擬如圖3所示。

表1 6月與12月各時段αs和γs設定

圖3 減光棚模型的光環境

2.2 模型計算指標

本次研究的幾個關鍵照明指標分別為路面照度、路面平均照度和照度總均勻度。其中照度公式為

(1)

平均照度計算公式為

(2)

式中，Eav為平均照度，單位為lx/m2；∑Φ為照射總光通量，單位為lm；Cu和η分別為利用系數和維護系數；S為照射區域面積，單位為m2。其中利用系數和維護系數與照明裝置有關，而減光棚利用的是自然光，故此處計算可簡化為

(3)

照度均勻度是表征光線分布均勻度的重要指標，均勻度越高視覺舒適性越好。路面總照度均勻度的計算公式為

(4)

式(4)中，E1為路面照度總均勻度；Emin為計算區域內路面最小照度lx；Eav為計算區域內路面平均照度。結合實際工程，據規范路面亮度總均勻度不應低于0.4的要求，由亮度與照度的比例關系，照度總均勻度也應不低于0.4[12,13]。

3 最優減光棚配置分析

減光棚透光位置配置影響路面照度均勻度，合理的透光位置配置有利于在白天下依靠自然光獲得最佳路面照度均勻度，提高駕駛光環境的舒適性。為此，此次模擬分析了減光棚頂部兩側透光、中部兩側透光和底部兩側透光在夏季與冬季天氣下路面照度總均勻度變化情況。隨機選擇50%的透光率作為不變量，探討透光位置配置優化。

3.1 六月份減光棚透光分析

模型分別模擬計算了6月天6：00、9：00、12：00、15：00、18：00等主要時段毗鄰區減光棚的路面平均照度、最大和最小照度、照度均勻度，結果見表2。

表2 6月天各透光位置50%透光率計算

由表2可以看出，在六月份晴天的9：00至18：00為有效值，頂部兩側透光時整體路面照度總均勻度變化范圍為0.57～0.64，中部兩側透光時整體路面照度總均勻度變化區間為0.68～0.84，底部兩側透光時整體路面照度總均勻度變化區間為0.53～0.58。很明顯，中部兩側透光時，路面整體照度總均勻度值最高，對駕駛者的視覺影響性最低，但底部和頂部兩側透光時路面均勻度也滿足基本均勻度大于0.4的要求。此外，在50%透光率下，頂部透光時路面平均照度最高為1 584 lx，中部透光時路面平均照度最高為981 lx，底部透光時路面平均照度最高為451 lx。晝天三種透光配置路面平均照度和照度均勻度擬合曲線見圖4。

圖4 6月天各透光位置50%透光率擬合曲線

3.2 十二月份減光棚透光分析

十二月份模擬計算與六月份模擬參數保持相對不變，天氣時差作為主變量，同樣計算晝天5個時段照度值。計算結果見表3。

表3 12月天各透光位置50%透光率計算

由表3可以看出，在12月天的9：00至15：00為有效值，頂部兩側透光時整體路面照度總均勻度在模擬時段內變化區間為0.47～0.54，中部兩側透光時整體路面照度總均勻度在模擬時段內變化區間為0.67～0.73，底部兩側透光時整體路面照度總均勻度在模擬時段內變化區間為0.49～0.55。由上得出中部兩側透光時路面照度均勻度相對于底部和頂部兩側透光依然最高。12月份中部和頂部兩側50%透光率路面平均照度在800～1 277 lx范圍內波動，照度較佳，底部兩側50%透光路面平均照度為可接受值。計算結果擬合曲線見圖5。

圖5 12月天各透光位置50%透光率擬合曲線

4 最佳透光率分析

透光位置的透光率影響自然光投射到路面的總光通量，即決定著路面亮度、照度等指標的優良情況。因此，在最佳減光棚透光配置的研究基礎上又進一步對不同透光率做了相關研究。由以上結果可知，中部兩側透光時路面均勻度最好，所以針對減光棚中部兩側透光分析了在6月與12月天氣下路面平均照度變化情況。本次減光棚模型透光位置選擇30%、50%、70%和90%的透光率進行最佳透光率研究。

4.1 六月份各透光率模擬分析

最佳透光率分析時同樣分別模擬計算了6月天中6：00、9：00、12：00、15：00和18：00五個時段毗鄰區減光棚路面平均照度、最大和最小照度、照度總均勻度。計算結果見表4。

由表4可以看出，隨著透光率的遞增，路面平均照度也隨之增加。在6月天9：00至15：00時段為照度峰值區間，該時段30%透光率下對應路面平均照度主要波動值529～590 lx，50%透光率下對應路面平均照度主要變化值878～981 lx，70%透光率下對應路面平均照度主要波動在1 228～1 372 lx，90%透光率路面照度變化1 578～1 763 lx。雖然各透光率下路面平均照度都在接受范圍內，但50%透光率下路面平均照度更接近舒適最佳值900 lx。路面均勻度方面，從計算結果知道，同一時間不同透光率下路面總均勻度變化微小，變化幅度在0.02左右。計算結果擬合曲線見圖6。

圖6 六月天減光棚中部兩側不同透光變化曲線

4.2 十二月份各透光率模擬分析

12月份天氣情況下，減光棚中部兩側不同透光率模擬結果見表4。

從表5可知，在12月天同樣9：00至15：00時段為照度峰值區間，30%透光率下對應路面平均照度主要集中在482～642 lx，50%透光率下對應路面平均照度主要值集中在799～1 065 lx，70%透光率下對應路面平均照度主要變化值1 117～1 489 lx，90%透光率路面照度在1 432～1 914 lx之間。同理可知，50%透光率下路面平均照度更接近舒適最佳值900 lx，效果最佳。模擬透光位置為中部兩側透光，所以12月份相比6月份路面平均照度峰值反而更高；路面均勻度與6月份模擬結果相似，同一時段內路面照度總均勻度受透光率影響很小。計算結果擬合曲線圖如圖7所示。

表5 十二月天減光棚中部兩側不同透光率計算

圖7 十二月天減光棚中部兩側不同透光變化曲線

5 結論

1)毗鄰隧道減光棚透光配置模擬結果對比得出，中部兩側透光路面總均勻度最好，照度總均勻度最高可達0.84。但是頂、中、底部兩側透光時路面總均勻度都大于0.4，滿足規范的最低要求。

2)減光棚在6月份時路面均勻度比7月份路面均勻度要高，中部兩側透光時路面均勻度夏季與冬季在相同時間點波動0.01～0.05，頂部和底部兩側透光時路面均勻度變化幅度為0.05～0.1，即在不同季節變化時，減光棚中部兩側透光路面均勻度更穩定。

3)毗鄰隧道減光棚透光率模擬結果對比得出，中部兩側透光率在50%～70%范圍內時路面平均照度在800～1 200 lx之間，此時路面照度最佳，更接近最舒性適駕駛視覺；其中路面總均勻在相同時間條件下受透光率影響很小，總均勻度變化范圍不超過0.02。

4)雖然減光棚相同透光率下頂部兩側透光時路面平均照度要略高于中部和底部兩側透光條件下路面平均照度，但中部兩側透光時棚洞內整體光環境較舒適，路面照度和總均勻最佳；底部兩側透光無論是針對路面均勻度還是平均照度來說效果都一般。