光導照明系統在淺層汽車隧道中的設計探討

周 露

(深圳市市政設計研究院有限公司，廣東深圳518029)

0 汽車隧道照明特點簡析

汽車隧道是一種特殊的管狀構筑物，其頂部和兩側是封閉構造。 隧道內外光環境差別較大，對駕駛員的行車心理及視覺感官影響較大，對于在隧道內快速通行的車輛內人員，會產生“黑洞效應”、“白洞效應”和適用滯后的現象，駕駛員容易無法及時規避某些不易發現的障礙物而產生安全隱患。 因此在設計隧道照明時，需要充分考慮各方面因素，為駕駛員提供一個安全舒適的行駛環境。

由于隧道的半封閉空間特性，為隧道內行車安全，需要設置照明裝置。 根據隧道外光強度、長度等將隧道劃分為入口段、過渡段、中間段和出口段。為了適應隧道進出口區段亮度急劇變化，適時提供照明，需要在入口段、過渡段和出口段中設置加強照明。

隧道內加強照明有2 個特點:一是離隧道洞口越近，需提供亮度值也越大；二是天氣越晴朗，洞外日光亮度則大為增加，對隧道內加強照明需求也越大。 根據部分隧道運行數據，500m 以下隧道照明負荷一半以上為加強照明負荷，長度越短隧道，加強照明負荷所占比例也越大。

淺層汽車隧道頂部覆土一般小于4m，光導照明系統較為簡潔，可以在此類隧道內實施使用。

1 光導照明系統及其應用優勢

光導照明系統是一種節能型照明系統，由采光裝置、光導管和漫射器三部分構成，圖1 為其原理圖，它是通過采光裝置將自然光線收集到系統內部，然后通過光導管傳輸，最后將自然光線通過系統底部的漫射器均勻地分散開來，從而實現自然光線在隧道內有效地照明。

圖1 光導照明系統原理圖

光導照明系統獨特的天然優勢是導入隧道內亮度變化與隧道外一致，即隧道外亮度越大，導入隧道內亮度也相應變大。 這一特性可自然抵消黑洞和白洞等現象，進而減少照明裝置、線纜和電能消耗。 同時通過使用自然光進行照明，可以有效地避免頻閃和眩光，大大提高行車舒適性、安全性。

光導照明系統為一次投資，投入使用后僅需每半年擦洗維護，使用年限長達25 年，幾乎沒有運行成本。 雖然前期建設投資較電力照明系統大，但綜合性價比優于純電力照明系統。

但光導照明系統自身也存在一定局限，受隧道上部構筑物限界、光導管路由長度和彎頭數量限制，導入隧道內照明效率受限。 然而對于部分淺層汽車隧道，可以避開這些限制條件，充分發揮光導照明系統的天然優勢。 目前上海長江路隧道浦西匝道使用光導照明系統，并已建成投入使用多年，現場效果圖如圖2～3 所示。

圖2 洞外效果圖

圖3 洞內效果圖

2 基于光導照明系統設計方案

根據光導照明系統特點，以東莞市某工程中一處淺層汽車隧道為例，從設計方案、對比優化仿真分析和經濟節能等方面進行探討。

2.1 項目概況

道路等級為城市快速路，設計行車速度80km/h，隧道為雙艙結構，單向寬度11.75m，道路縱坡0.35%。 隧道全長480m，隧道內凈空5m，隧道上部覆土0.7～2.0m。 除隧道上部兩條平交道路行車道范圍外，其余區域基本為綠化帶。

2.2 設計主要制約因素

隧道內照明設計時根據JTGD 70-2014 《公路隧道照明設計細則》，將隧道劃分為入口段、過渡段、出口段三個區段。 同時根據隧道照明運行模式，將本隧道照明分為白天模式和夜間模式設計。白天模式采用光導照明系統為主，輔助電力照明系統，夜間模式采用純電力照明系統。

根據GB 50033-2013 《建筑采光設計標準》，東莞地區屬于光氣候分區第IV 區，地區全年平均照度30klx≤Eq＜35klx。 根據設計細則要求，計算得出各段所需最低照度值:入口段1 照度為1 050lx，入口段2 照度為525lx，過渡段1 照度為157lx，過渡段2照度為52lx，出口段照度為260lx。

設計時還需考慮隧道內路幅寬度、凈高、隧道頂覆土深度等實際情況，以及隧道頂板開孔尺寸、數量和布置形式對結構受力，隧道上部道路行人和行車的影響和隧道上部露出地面采光裝置對城市景觀的影響。

綜合分析上述三方面因素，同時為了降低建設成本，光導照明系統從直徑250～2 000mm 范圍內最終選用直徑750mm 光導管。 根據選用的光導管尺寸確定光導照明布置如下表1 所示。

光導照明布置 表1

隧道內光導布置示意圖如圖4～5 所示。

2.3 仿真結果分析

目前有多款照明計算軟件都具有日光分析功能，如AgI321.90、Dialux、Relux 等，這些軟件都是基于CIE110-1994 提出的天空類型和太陽方位角模型進行仿真模擬，本工程選用Dialux4.3 版本。

圖4 光導布置斷面圖

圖5 光導布置平面示意圖

在仿真計算前，根據隧道開孔、隧道光線遮擋、道路方位走向及隧道尺寸結構等，采用AutoCAD 先建好隧道模型。 然后利用Dialux 按照光導系統折射后總效率85%，依據日光分析功能，設定隧道所處的經緯度和各類天氣工況，對隧道照度模擬仿真，并按照各個區段確定計算區域，仿真結果如表2 所示。

仿真模擬結果 表2

通過仿真結果可以看出:(1)應用光導照明系統在隧道相鄰區段路面照度比值控制在3 倍以內，為人眼的視覺適應提供良好光環境過度；(2)除陰天工況下9 時照度不滿足要求，需額外開啟電力照明外，其余工況均很好滿足規范要求；(3)電力照明模式(對比)布置也滿足規范要求。

2.4 經濟節能分析

與電力照明模式進行對比，本隧道共投入光導照明裝置122 套，節省設置照明燈具264 套、安裝功率26.4kW，預計年節省電能9.6 萬kWh，靜態投資性價比明顯。 通過使用光導照明系統，不僅可以提供良好照明環境，還能節省能源，帶來可觀的經濟價值和環保效益。

3 結束語

光導照明具有良好的照度調節效果及更便捷的光環境過渡，且基本無需后期維護管理。 通過利用自然光照明，可以做到全頻譜、無閃爍、無眩光、無能耗，節能效果顯著，可實現隧道內綠色低碳照明，筆者認為，值得在具備光導照明系統實施條件的淺層汽車隧道內推廣應用。