北京地鐵13號線清河站兩端地上區(qū)間照明方案研究

潘元欣

(中鐵工程設計咨詢集團有限公司,北京 100055)

為滿足地鐵地上區(qū)間夜間運營和維護需求，考慮乘客疏散要求，地上區(qū)間在地面路基段采用高桿燈的常規(guī)照明方式，如區(qū)間照明與接觸網(wǎng)支柱同桿架設，高架線路也采用在橋梁護欄、道路兩邊有護欄設施范圍內(nèi)采用低位照明的方案[1]。原北京地鐵13號線上地站—西二旗站地上區(qū)間由高架橋區(qū)段和地面段組成，地面段為碎石道床，區(qū)間通常采用常規(guī)照明方式，燈桿高度近6.1 m，燈具高度距軌平面約5.5 m，燈具光源為高壓鈉燈，功率70 W。自2003年開通以來，受地上區(qū)間環(huán)境影響，燈具元器件老化嚴重，且因燈具安裝高度條件所限，利用區(qū)間檢修車維修效率較低，致使部分區(qū)間照明無法正常工作[2]。

1 工程概況

清河站綜合交通樞紐位于既有地鐵13號線上地站—西二旗站區(qū)間線路的東側(cè)，新增北京地鐵13號線清河站設置在樞紐工程內(nèi)，站臺與國鐵站臺同高程平行設置。既有13號線上地站—西二旗站區(qū)間范圍內(nèi)新建上地站—清河站及清河站—西二旗站區(qū)間的部分區(qū)間，區(qū)間在既有線東側(cè)新建地鐵線路，從小營西路南側(cè)既有地鐵13號線路基段接出，出交通樞紐后，繼續(xù)向北沿地面敷設，接入既有地鐵13號線路基段。與既有13號線區(qū)間在地面路基部分接駁，撥線設計范圍為：右線YDK11+443.804～YDK12+751.530，長1 304.726 m[3]。結(jié)合清河站加站及撥線工程，動力照明專業(yè)完成區(qū)間照明、檢修電源配電設計[3]。

2 照明方案研究

2.1 燈具選型原則

根據(jù)既有區(qū)間照明維修存在的問題，本工程中照明設計充分考慮更換燈具光源及附件的便捷性，燈桿高度適當降低。與既有地上區(qū)間照明方式不同，清河站兩端地上區(qū)間燈具光源采用60 W的LED光源[4]，采用燈桿高度為地面以上≮4.0 m，安裝后燈具下沿距軌面≮2.5 m設計。根據(jù)原中國鐵路總公司“關(guān)于印發(fā)《高速鐵路反恐怖和治安防范標準(試行)》的通知”相關(guān)要求，YDK12+209～YDK12+284東側(cè)區(qū)間與國鐵清河站聲屏障貼鄰。為滿足燈具及附件均布置在設備限界以外要求，與線路、限界、軌道、路基、供電系統(tǒng)、國鐵建筑、國鐵接觸網(wǎng)支柱基礎(chǔ)、國鐵站場等相關(guān)專業(yè)配合后，與國鐵聲屏障貼鄰設置的成套燈具邊沿到燈桿軸線≯0.7 m，其他標準斷面區(qū)間采用1.1 m的燈具形式，區(qū)間燈具基礎(chǔ)均為獨立設置。圖1為路基標準橫斷面。圖2為路基特殊橫斷面。

圖1 路基標準橫斷面(單位：mm)

為提高地上區(qū)間的路面亮度總均勻度，照明燈柱中心線與路基邊線對應，考慮地上區(qū)間為比較特殊的照明場所，區(qū)間周邊明、暗條件變化不定，特別是地上區(qū)間屬于郊外重要道路，建筑物相對較少，環(huán)境較暗。根據(jù)路基寬度、橫斷面、路基的材料特性等土建條件，對燈具選型、安裝高度、懸挑長度、燈具仰角、間距和燈具布置方式等統(tǒng)一規(guī)劃[3]，選擇理想配光曲線的燈具，盡可能提高軌行區(qū)范圍的路面亮度縱向均勻度。

2.2 燈具布置方案

為了減少陰影范圍，提高路面總體均勻度，參考機動車道交通道路照明設計原則，燈具按照左、右線燈具交錯布置方式設計，同側(cè)燈具每隔25 m設置1套[3]。降低燈具安裝高度后，燈桿成本有所降低，但路面產(chǎn)生明暗交替的“斑馬紋”，路面亮度縱向均勻度隨之減小，照明舒適度進一步降低[5]。如增大燈具的仰角，雖然會增加到達燈具對面一側(cè)路面光線，但路面亮度并不會顯著增加，不適炫光還會有所增加，降低照明質(zhì)量。為減小上述不利影響，優(yōu)先選用配光曲線圖和等光強曲線圖良好的截光型燈具，燈具的懸挑長度不超過安裝高度的1/4設計。為了最大限度限制炫光影響，降低對司機視線妨礙，燈具仰角按15°設計。

考慮到地上區(qū)間尚不能完全等同于城市道路及相關(guān)場所，本工程與城市道路常規(guī)照明方式有所區(qū)別[6]，表1為地上區(qū)間燈具安裝高度、間距理論計算值與設計值。

圖2 路基特殊橫斷面(單位：mm)

表1 地上區(qū)間燈具安裝高度、間距理論計算值與設計值

2.3 點照度計算及模型驗證

城市道路照明設計、測試和評價通常以亮度為指標，文獻[7]提出道路照明的亮度標準應該動態(tài)全方位的測量路面亮度，同時對亮度測量做了一些規(guī)定，并根據(jù)規(guī)范引入了亮度標準。文獻[8]通過優(yōu)化道路水平照度配光后，根據(jù)測試點照度離散分布特點，利用笛卡爾橢球陣列擬合透鏡表面來實現(xiàn)該預期的分布。利用照明設計軟件，按照預期的設置參數(shù)計算出配光曲線優(yōu)化后的預計值；同時文獻[8]也提出考慮到實際照明場景中，水平照度更容易測量獲得[9]。根據(jù)地上區(qū)間的特點，按照路面屬于漫反射、不考慮反射光通量產(chǎn)生照度的特定場所，采用點照度計算方法對地上區(qū)間照明進行計算和探討，主要討論點光源在特征點照度的計算。

根據(jù)IEC140-2000RoadLightingCalculations，路面漫反射特性由亮度系數(shù)來描述，其定義為q=L/Eh，其中，L為某一觀察位置所得到的亮度值，Eh為被測點的水平照度，q為路面的亮度系數(shù)。因此亮度系數(shù)q與入射光線平面與觀察者位置夾角β和光線入射角ε有關(guān)，根據(jù)某一方向的光強值計算出單個光源在某觀察方向上的亮度

L(β,ε)=Ehq(β,ε)=Eh[r(β,ε)/cos3(ε)]

由于我國目前地上區(qū)間的平均亮度系數(shù)Q0尚未明確，因此采用照度計算更符合本工程特點，同時為后期地上區(qū)間實際照明場景中照度測試提供理論數(shù)據(jù)。

根據(jù)點光源指向平面照度定義，地上區(qū)間任意點的照度按照光強曲線圖采用逐點法計算。由于光源尺寸與光源到計算點之間的距離相比小很多，燈具的縱軸垂直于路軸，燈具發(fā)出的大部分光射向道路的縱軸方向。本工程設計中采用類似圓盤形發(fā)光體且直徑不大于照射距離的1/5，按點光源進行照度計算誤差率均<5%，因此采用距離平方反比定律及余弦定理，對地上區(qū)間任意特征點P點和K點進行點照度討論計算[5]，圖3為點光源在地上區(qū)間任意點照度(逐點法)計算示意。備選燈具的配光曲線如圖4所示，等光強曲線如圖5所示。

圖3中P點為A套燈具和B套燈具連線的中心點，根據(jù)配光曲線及任意點照度計算公式Ep=IγC(cosγ2/h2)，P點的光強主要由A套燈具和B套燈具共同提供，K點的總照度為B套燈具和C套燈具共同提供。根據(jù)備選燈具提供的配光曲線和等光強曲線可知，P點和K點的點照度值、平均照度值、最大照度值見表2。

圖3 點光源在地上區(qū)間任意點照度(逐點法)計算示意(單位：mm)

圖4 配光曲線

圖5 等光強曲線

表2 燈具主要技術(shù)參數(shù)及P點、K點的點照度值、平均照度值、最大照度值

由于路面亮度計算，需要燈具的光強數(shù)據(jù)和路面亮度系數(shù)(q)或簡化亮度系數(shù)(r)。實際路面的q或r只有通過測量才能獲得。國際照明委員會CIE定義了道路表面分級系統(tǒng)，道路的降低量化系數(shù)R分級系統(tǒng)有4個等級，被稱為R1～R4的反射表格，等級越高，路面的光潔度也就越高[10]。在同樣的照明條件下，路面的亮度水平和路面材料有很大關(guān)系。CIE研究人員對60條不同道路的R分級進行計算得出，均勻度計算受光潔因子分級系統(tǒng)S1的影響遠大于深淺度水平Q0計算帶來的影響，因此平均亮度的計算可能受影響，但不影響均勻度的計算。亮度系數(shù)受到光源選擇和道路材質(zhì)類型影響，采用簡化亮度系數(shù)會造成計算值和實際值有較大的差異[9]。按照本工程照度計算邊界條件，采用CJJ 45-2015 《城市道路照明設計標準》中附錄A 路面亮度系數(shù)和簡化亮度系數(shù)表，參考瀝青柏油路面進行模擬。如水泥混凝土路面，其平均亮度系數(shù)約為瀝青柏油路面的1.4倍[11]。本工程道床表面為0.5 m厚II型級配碎石填筑，光潔因子S1遠大于瀝青柏油路面，平均亮度系數(shù)也遠大于瀝青柏油路面，由于我國地鐵區(qū)間碎石道床為主的路面光潔因子S1目前尚未明確，也沒有對應的亮度系數(shù)，因此平均亮度維持值還需修正。

按照本工程照度計算邊界條件，采用DIAlux照明計算軟件對道路照明效果進行計算機輔助設計和仿真評估[12]，生成區(qū)間照度及評價指標見表3。

表3 區(qū)間照度及評價指標

圖6為模擬3D仿真效果圖，圖7為地上區(qū)間照度偽色表現(xiàn)圖。

圖6 3D仿真效果圖

圖7 地上區(qū)間偽色表現(xiàn)圖

通過表3可以看出，備選燈具地上區(qū)間的點照度值、平均照度值、最大照度的計算值和DIAlux照明計算軟件模擬結(jié)果較為吻合，炫光限制閾值增量TI(%)最大初始值滿足機動車道次干道≯10的要求，表明采用該配光曲線的截光型燈具的照度能夠滿足規(guī)范要求。參考機動車道次干道照明標準值，總均勻度U0最小值為0.4，縱向均勻度Ul最小值為 0.5，通過對比表3與圖7，可以看出以上兩項指標不滿足機動車道次干道瀝青柏油路面類的照明標準值要求。地上區(qū)間燈具安裝就位后的現(xiàn)場實景1和實景2。分別見8、圖9。

圖8 地上區(qū)間燈具實景(1)

圖9 地上區(qū)間燈具實景(2)

3 結(jié)論

北京地鐵13號線撥線工程于2019年2月17日通過驗收恢復運營，地鐵清河站于2019年12月30日與國鐵清河站同步開通運營。近年來北京地鐵早期開通的線路陸續(xù)進入升級改造階段，通過對北京地鐵13號線清河站兩端地上區(qū)間照明方案研究，提出以下建議。

(1)地上區(qū)間照明設計應結(jié)合區(qū)間的土建條件綜合考慮，如路基寬度、橫斷面、路基的材料特性等，根據(jù)燈具布置方案，結(jié)合備選燈具的配光曲線和等光強曲線，合理選擇燈具懸挑長度、燈具仰角。

(2)由于地上區(qū)間不同于城市道路的機動車道照明，對地鐵區(qū)間的路面總均勻度最小值和路面縱向均勻度最小值等尚未做明確要求。對于此類較特殊的照明場所，后續(xù)還需補充地鐵區(qū)間碎石道床類路面的亮度系數(shù)，以利于區(qū)間路面亮度計算。

(3)降低燈具安裝高度后，采用蝙蝠翼形配光曲線，盡可能提高軌行區(qū)范圍的亮度均勻度，最大限度限制炫光影響，減小“斑馬效應”對駕駛?cè)藛T的心里影響，建議燈具制造廠商對等光強曲線進一步優(yōu)化和改進，調(diào)整燈具道路縱向照明的擴散角，調(diào)整燈具中單顆LED光源排列形式進行二次光學設計，適當降低配光曲線中高度角0°～30°內(nèi)的光強值，提高高度角70°以外的光強值，燈具安裝高度降低或采用低位照明方式時，實現(xiàn)“帶狀”配光效果以滿足地上區(qū)間等特定環(huán)境下的照明需求。

(4)本方案在改造過程中節(jié)約材料、能耗降低及施工便利性主要體現(xiàn)在以下4個方面。

①燈桿高度由原來的6.1 m調(diào)整為4.0 m，燈桿高度降低約34%，節(jié)約鋼材成本約50%。

②燈桿預制混凝土基礎(chǔ)由原來的0.28 m3減小到0.162 m3，混凝土消耗降低約42%。

③燈具光源由原來70 W調(diào)整為60 W，電能消耗降低約14%。

④采用一次性成型成套燈桿，LED驅(qū)動電源由燈具本體內(nèi)安裝調(diào)整到燈具接線箱內(nèi)安裝，使得維護工作更加便捷、有效。預制基礎(chǔ)安裝穩(wěn)固可靠，滿足地上區(qū)間防風、抗震、沉降及抗傾覆穩(wěn)定性要求。在北京地鐵13號線停運撥線期間，多工種同期施工預裝式成套燈具安裝效率有效提高。