粵東南地區毗鄰隧道區段光環境特征研究

邱自萍，王子豪，華開成，陳伯俊

(1.廣東交通職業技術學院，廣東 廣州 510650；2.重慶交通大學土木工程學院，重慶 400074；3.廣東省路橋建設發展有限公司，廣東 廣州 510625)

引言

據統計，截至2019年末，全國在役公路隧道19067處，總里程達1 896.66萬米，比2018年分別增加了1329處、173.05萬米[1]。因此，公路隧道群所占比例也越來越大，所謂公路隧道群，是指在某一路段上的隧道數量至少為2處或更多，包括連續隧道和毗鄰隧道[2]。針對連續隧道和毗鄰隧道間距劃分上的概念模糊問題，王少飛[3]提出應從通風、照明、交通安全及消防安全等方面統籌考慮，并將相鄰隧道間距L≤250 m定義為毗鄰隧道，相鄰隧道間距250 m

相比于連續隧道，毗鄰隧道間距更加接近，晝天由于外界自然光的影響使得隧道間亮度較高，而洞內亮度較低，駕駛員在晝天行駛于這種特殊路段的過程中，短時間內將經歷多次劇烈的明暗交替，視野內產生連續的“白洞效應”與“黑洞效應”，這是毗鄰隧道與單體隧道光環境差異顯著的重要原因[4-8]。由于人的眼睛對于光環境的明暗適應是有差別的，一般人進入隧道內的暗適應時間約為10 s，而駛出隧道的明適應時間約為1～3 s[9]，正是這種明暗適應過程，將給駕駛員的生理和心理帶來極大的影響[10]，而根據彭余華等[11]對云南省16條高速公路隧道群交通事故的統計情況分析，駕駛員明暗適應的頻繁變化，影響了其對前方道路車輛和障礙物的辨識，成為毗鄰隧道事故高發的重要誘因。

目前只是針對單一隧道或固定間距下毗鄰隧道的洞口光環境及減光措施進行了分析研究，而由于毗鄰隧道間距的不同，山體也會阻擋一部分自然光，因此不同間距下毗鄰段及兩端隧道縱深一定距離處的光環境可能有所不同，有必要對此進行探究。本文依托實際工程， 選取夏至日一天中太陽輻照最強烈的時段，采用大型光學分析軟件DIALux4.13對變間距毗鄰段及兩端隧道縱深一定距離處的光環境變化規律進行分析探究，力求為后續毗鄰隧道光環境改善及隧道內照明系統配置提供一些參考。

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，光環境現狀如圖1和圖2所示。

圖1 上游洞口Fig.1 Upstream tunnel entrance

圖2 下游洞口Fig.2 Downstream tunnel entrance

2 計算模型

2.1 模型建立及工況劃分

根據依托工程所在地理位置，建立三維計算模型，模型為兩車道隧道及毗鄰路段，路面寬度11.75 m。實際工程路面類型為瀝青混凝土，反射特性為R3[12](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。模型示意圖如圖3～圖6所示。

圖3 毗鄰隧道三維模型平面圖(間距50 m)Fig.3 3D model plan of adjacent tunnel (50 m spacing)

圖4 毗鄰隧道路段三維模型平面圖(間距150 m)Fig.4 3D model plan of adjacent tunnel section (150 m spacing)

圖5 模型地理位置設定Fig.5 Model location setting

圖6 毗鄰隧道三維模型光環境Fig.6 Light environment of 3D model of adjacent tunnel

研究采用DIALux 4.13光學分析軟件，在建立的變間距毗鄰隧道路段模型基礎上模擬不同工況，目的是分析夏至日晴天一天中太陽輻照最強烈時段(11:00—14:00)下毗鄰路段及兩端隧道縱深50 m處的光環境變化情況，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)[13]，天氣模型分晴天、陰天、混合天空，本次天氣設定為只有晴天，太陽方位角αs和太陽高度角γs設定見表1，取自常用的太陽位置計算器，輸入相應的地理位置和時間，可以計算得到對應的太陽高度角和太陽方位角。

表1 夏至日各時段αs和γs設定

工況依據毗鄰段間距不同分為5個大工況，分別為50～150 m五種間距，間距步長為25 m，左右兩端隧道段隧道1、隧道2縱深距離均為50 m。每個大工況根據時段的不同劃分為11:00、12:00、13:00和14:00四個小工況，因此，對于每個毗鄰段間距都有四個時段與之對應，共計20個工況。

2.2 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)

照度是客觀可精確測量的物理量，與人眼的視覺感受無關，因測量方便，照度被作為道路照明質量評價標準之一。平均照度計算公式為：

(2)

式中，Eav為平均照度，單位為lx/m2；Cu和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，此處利用的是自然光，故計算可簡化為：

(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)

式中，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，由亮度與照度的比例關系，照度總均勻度也應不低于0.4[14，15]。

3 數據分析

本次模擬計算了毗鄰段長度在50～150 m范圍內變化時，隧道1、隧道2及毗鄰段的路面平均照度、路面照度均勻度在夏至日晴天11:00—14:00之間的變化情況，由于路面照度均勻度關系到駕駛員行駛時對前方道路障礙物的視認功能和駕駛視覺舒適[16]，因此可用來作為研究分析的一個重要指標，計算結果如表2所示。

表2 平均照度、路面照度均勻度隨時間變化表

3.1 路面平均照度值分析

圖7～圖10反映了11:00—14:00時，不同間距下的各區段的路面平均照度，結合表2的路面平均照度數據可以看出，當間距一定時，四個時段內毗鄰段由于受到日光的直接照射，路面平均照度值遠遠高于隧道1和隧道2，而隧道2也因地理位置影響導致其洞口受到日光直射，因此路面平均照度值均略高于隧道1洞口。因此，當毗鄰段間距為50～150 m的任意值時，無論隧道1(隧道2)作為入口(出口)，洞內外照度值相差巨大，所產生的“黑洞效應”和“白洞效應”都很強烈。

圖7 變間距毗鄰段11點路面平均照度Fig.7 The average road surface illuminance of 11:00 in adjacent sections with variable spacing

圖8 變間距毗鄰段12點路面平均照度Fig.8 The average road surface illuminance of 12:00 in adjacent sections with variable spacing

圖9 變間距毗鄰段13點路面平均照度Fig.9 The average road surface illuminance of 13:00 in adjacent sections with variable spacing

圖10 變間距毗鄰段14點路面平均照度Fig.10 The average road surface illuminance of 14:00 in adjacent sections with variable spacing

結合圖表可看出，當時段一定時，毗鄰段路面平均照度值也與間距成正相關，間距從75 m開始，12:00的毗鄰段路面平均照度值最接近100 000 lx，100 m時突破100 000 lx，之后隨著毗鄰段間距的增加，在相同時間點毗鄰段路面平均照度值均高于100 000 lx。同時在12:00，若按線性規律推算，隨著毗鄰段間距的增加，毗鄰段路面平均照度值同比前值增幅依次為1.05%、0.49%、0.29%和0.19%，增幅逐漸減少，之后照度值的變化應趨于穩定。

3.2 照度總均勻度分析

毗鄰段直接受日光直射，條件不適用于現行的相關隧道規范，因此圖11和圖12反映了隧道1和隧道2洞口縱深50 m區段的路面照度總均勻度情況，從圖中可以看出，隧道1和隧道2的路面照度總均勻度均達不到規范所規定的下限值0.4，隧道1洞口不受日光直射，而隧道2洞口處在11:00—14:00均受到日光直射，因此隧道2洞口處照度值很高，使得隧道2區段的路面照度總均勻度很低，遠低于隧道1區段的路面照度總均勻度值。

圖12 隧道2路面照度總均勻度Fig.12 The overall uniformity of road surface illuminance of tunnel 2

結合圖表還可看出，毗鄰段間距不同時，隧道1區段的路面照度總均勻度相差不大，最大差值在14:00取得，50 m間距時的路面照度總均勻度最大，為0.27；150 m間距時的路面照度總均勻度最小，為0.22，相差0.05。在11:00—14:00，毗鄰段間距在50 m時的路面照度總均勻度均高于其他所有間距時的路面照度總均勻度。從整體來看，11:00—14:00的各間距下的路面照度總均勻度隨著毗鄰段間距的增加大致呈現持平或減小的趨勢，毗鄰段間距在125 m和150 m時，11:00—14:00的各路面照度總均勻度變化曲線相重合。

4 結論

通過對變間距隧道毗鄰段在夏至日晴天11:00—14:00下的各區段光環境分析，可以得出如下結論：

1)毗鄰段間距越大，毗鄰段路面平均照度與隧道1和隧道2的路面平均照度差異越顯著，“黑洞效應”和“白洞效應”越劇烈，越容易增加駕駛員進出隧道時的心理與生理壓力；在所有毗鄰段間距下，12:00時毗鄰段路面平均照度均為最大；當毗鄰段間距在75～100 m之間時，毗鄰段路面平均照度達到100 000 lx，在此之后隨著間距的增加，路面平均照度增幅漸趨緩慢。因此，當毗鄰段間距大于75 m時，若設置隧道外減光棚洞，棚洞的設置參數可取穩定值。

2)從數值模擬結果來看，對于該地區任意毗鄰隧道，隨著毗鄰段間距的增加，若存在不受日光直射的隧道洞口，則此洞口及其縱深50 m處的整個區段路面照度總均勻度值并不會有明顯波動；若存在日光直射的隧道洞口，則此洞口及其縱深處50 m的整個區段路面照度總均勻度會變得很低，但數值上同樣不會有明顯波動。而無論日光是否直射洞口，區段的路面照度總均勻度均達不到規范所滿足的0.4下限值，因此有必要設置隧道洞外減光設施增加路面照度總均勻度值，提升駕駛員行駛時的視功能和視舒適感受。

3)本次僅針對所依托的實際工程進行分析與研究，由于毗鄰隧道區段光環境規律受到隧道所在地理位置、地形、氣候、洞門結構形式及隧道周邊景物亮度等變量的影響，因此還需考慮進一步研究。