重慶海天堡特大斷面城市隧道入口段照明燈具最佳初始安裝位置研究

白松巖，賈家銀，何世永，周世均，龐 博

(1.重慶交通大學(xué) 省部共建山區(qū)橋梁及隧道工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400074；2.重慶中環(huán)建設(shè)有限公司，重慶 401120)

引言

我國(guó)城市隧道的入口處每逢高峰時(shí)段總會(huì)產(chǎn)生擁堵現(xiàn)象，為提高城市隧道的交通容納量，新建、擴(kuò)建的四車(chē)道及以上特大斷面城市隧道也就應(yīng)運(yùn)而生[1]。根據(jù)國(guó)際隧道協(xié)會(huì)界定的隧道橫斷面積尺寸標(biāo)準(zhǔn)，橫斷面面積超過(guò)100 m2的隧道即為特大斷面城市隧道。特大斷面城市隧道顯著的結(jié)構(gòu)特征是斷面大、跨度大、扁平度小[2]。

駕駛員駛?cè)胨淼赖乃查g往往會(huì)因隧道洞內(nèi)外的亮度差異產(chǎn)生視覺(jué)感知降低的現(xiàn)象[3]。因此，為了減少隧道洞口內(nèi)外的亮度差異，國(guó)內(nèi)學(xué)者通過(guò)研究隧道入口段受自然光影響的規(guī)律進(jìn)而對(duì)隧道入口段的照明進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。吳桂林等[4]結(jié)合云南保騰高速公路鹿山隧道，得到隧道入口段各區(qū)段自然光及LED燈復(fù)合照明下隧道照度的分布規(guī)律，為今后進(jìn)一步合理利用自然光、人工光源進(jìn)行隧道復(fù)合照明節(jié)能研究提供參考。游峰等[5]通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)的形式對(duì)隧道入口段的自然光變化規(guī)律進(jìn)行了研究，結(jié)果顯示，引入自然光對(duì)提高駕駛員在隧道中的行駛安全性上具有較大的幫助。劉琦等[6]建立隧道自然光照明環(huán)境模型，分析了自然光影響下不同長(zhǎng)度隧道內(nèi)的照明環(huán)境，為隧道入口段照明規(guī)范編制和照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供借鑒。李靖等[7]在研究隧道照明段落劃分理論的基礎(chǔ)上，運(yùn)用自然光作為該部分照明段光源的方法，提出了隧道延伸照明段落，對(duì)提高隧道節(jié)能具有十分重要的意義。周燁等[8]以能耗最低為目標(biāo)，得出洞外亮度取值與入口段加強(qiáng)照明的布燈間距存在高次多項(xiàng)關(guān)系，從而為隧道照明節(jié)能設(shè)計(jì)提供工程指導(dǎo)。通過(guò)對(duì)隧道入口段照明的研究現(xiàn)狀進(jìn)行分析，特大斷面城市隧道在隧道照明技術(shù)研究領(lǐng)域?qū)儆谳^新的概念，學(xué)者們的研究對(duì)象往往是以中等斷面隧道、大斷面隧道為主，較少涉及對(duì)于特大斷面城市隧道的照明設(shè)計(jì)研究。

本文依托重慶海天堡隧道這一特大斷面(橫斷面面積達(dá)145.91 m2)城市隧道照明系統(tǒng)新建項(xiàng)目，以現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量的方式研究自然光影響下該隧道入口段路面照度(亮度)隨隧道深度變化的規(guī)律，得出該隧道入口段照明燈具在不同天空類(lèi)型下的最佳初始安裝位置，為進(jìn)一步完善特大斷面城市隧道入口段照明設(shè)計(jì)規(guī)范提供理論參考。

1 照明實(shí)驗(yàn)方法

1.1 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)概況

國(guó)內(nèi)外針對(duì)洞外亮度的取值建議是以累計(jì)出現(xiàn)頻率75 h以上較大值的亮度值作為最不利條件進(jìn)行考慮。實(shí)際中，這種情況通常出現(xiàn)在夏季晴天[9]。因此，本次試驗(yàn)時(shí)間為2021年7月10日～7月22日，試驗(yàn)地點(diǎn)為重慶海天堡隧道右幅隧洞區(qū)域(圖1)。該隧道全長(zhǎng)377 m，路面寬14.5 m，高6.44 m，設(shè)計(jì)時(shí)速為80 km/h。

圖1 隧道右幅Fig.1 The right tunnel

依據(jù)ISO 15469:2004/CIE 011:2003[10]指導(dǎo)文件中 15種標(biāo)準(zhǔn)天空模型(表1)，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)天氣狀況總結(jié)得出：現(xiàn)場(chǎng)天空類(lèi)型共計(jì)7種，分別是云天天空的種類(lèi)2、4、5；陰天天空的種類(lèi)7、9；晴天天空的種類(lèi)11、12。

表1 天空類(lèi)型[10]Table 1 Sky types

1.2 入口段的長(zhǎng)度計(jì)算

在我國(guó)現(xiàn)行的《公路隧道照明設(shè)計(jì)細(xì)則》(JTG/TD70/2-01—2014)[11]中認(rèn)為，入口段長(zhǎng)度D根據(jù)照明停車(chē)視距、最小襯托長(zhǎng)度等進(jìn)行計(jì)算。為保障駕駛員對(duì)道路路面上相關(guān)目標(biāo)物的辨識(shí)能力，在障礙物背后應(yīng)有最小長(zhǎng)度為b的明亮路面(Ds為一倍停車(chē)視距)，如圖2所示。

圖2 入口段長(zhǎng)度計(jì)算Fig.2 Length calculation of threshold zone

車(chē)輛駛至洞外適應(yīng)點(diǎn)A時(shí)，駕駛員的20°視場(chǎng)中，洞外景物基本消失[11]。

依據(jù)JTG/T D70/2-01—2014[11]，隧道入口段可劃分為兩段，分別定為T(mén)H1段和TH2段。入口段TH1和TH2的長(zhǎng)度可根據(jù)式(1)進(jìn)行計(jì)算：

(1)

其中，Dth1、Dth2分別為入口段TH1、TH2的長(zhǎng)度(m)；Ds為照明停車(chē)視距(m)；h為隧道凈空高度(m)。

海天堡隧道設(shè)計(jì)車(chē)速為80 km/h，對(duì)應(yīng)的照明停車(chē)視距Ds為100 m，隧道凈空高度h為5 m。通過(guò)計(jì)算，可以確定重慶海天堡特大斷面城市隧道入口段TH1和TH2的長(zhǎng)度為78 m。

1.3 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)步驟

1.3.1 隧道洞外亮度L20(S)測(cè)量

通過(guò)成像式亮度計(jì)對(duì)典型特大斷面城市隧道工程實(shí)例——重慶海天堡隧道進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量，利用環(huán)境簡(jiǎn)圖法對(duì)隧道洞外亮度L20(S)進(jìn)行計(jì)算，得到在不同天空類(lèi)型、不同時(shí)間的隧道洞外亮度L20(S)。

(1)測(cè)量參數(shù)。

測(cè)量在不同時(shí)間、不同天氣的隧道洞外亮度L20(S)。

(2)儀器布置位置。

在距離洞口一倍停車(chē)視距處的道路中線位置布設(shè)儀器。

(3)測(cè)定方案。

①在距離隧道洞口一倍停車(chē)視距，使用PR-655光譜輻射亮度進(jìn)行亮度標(biāo)定。

②安裝且調(diào)試好PM1423成像式亮度計(jì)，保證鏡頭高度為1.5 m，中心對(duì)準(zhǔn)隧道洞口中心，然后對(duì)洞口景觀進(jìn)行拍照，按時(shí)間順序依次測(cè)量各個(gè)測(cè)區(qū)的亮度。

1.3.2 隧道入口段光環(huán)境指標(biāo)測(cè)量

(1)測(cè)量參數(shù)。

測(cè)量隧道入口段在不同天氣、不同位置的照度(亮度)分布。

(2)測(cè)點(diǎn)布置。

參照《公路隧道照明設(shè)計(jì)細(xì)則》(JTGTD 702-01—2014)[11]和《照明測(cè)量方法》(GB/T 5700—2008)[12]中的規(guī)定，路面測(cè)點(diǎn)應(yīng)滿(mǎn)足以下要求：

①照度亮度同時(shí)測(cè)量時(shí)可按亮度布點(diǎn)法布置測(cè)點(diǎn)；

②計(jì)算區(qū)域內(nèi)縱向測(cè)點(diǎn)間距不宜大于1.0 m，橫向計(jì)算點(diǎn)應(yīng)不少于5個(gè)，必須保證車(chē)道中線上有測(cè)點(diǎn)；

③若按橫向5點(diǎn)布置，兩側(cè)最外面的兩個(gè)點(diǎn)應(yīng)分別位于距每條車(chē)道兩側(cè)邊界線的1/10車(chē)道寬處；

④實(shí)驗(yàn)直接采取亮度布點(diǎn)法布置測(cè)點(diǎn)，為了保證測(cè)量精確度，本次試驗(yàn)路面橫向按每車(chē)道5點(diǎn)布置，縱向布點(diǎn)間距可根據(jù)布燈間距的變化做一定的調(diào)整，但不超過(guò)2 m。

由于隧道較短，測(cè)量區(qū)域?yàn)檎麄€(gè)入口段，具體測(cè)點(diǎn)布設(shè)如圖3所示。

圖3 地面測(cè)點(diǎn)布設(shè)示意圖Fig.3 Layout of ground measuring points

(3)測(cè)定方案。

①將已經(jīng)調(diào)試完成的TES-1339R數(shù)位式照度計(jì)的測(cè)量球置于測(cè)點(diǎn)位置，記錄照度；

②測(cè)試過(guò)程中將PR-655光譜亮度計(jì)安裝于設(shè)定位置，通過(guò)PR-655光譜亮度計(jì)對(duì)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行拍攝讀取亮度；

③TES-1339R數(shù)位式照度計(jì)測(cè)量數(shù)據(jù)與PR-655光譜亮度計(jì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)整理

2.1 隧道洞外亮度L20(S)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)整理

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，采用環(huán)境簡(jiǎn)圖法計(jì)算了在不同天空類(lèi)型、不同時(shí)間的洞外亮度L20(S)[13，14]，公式為：

L20(S)=cLc+rLr+eLe+τLτ

(2)

其中，Lc為天空亮度；c為天空所占百分比；Lr為路面亮度(cd/m2)；r為道路所占百分比；Le為環(huán)境亮度(cd/m2)；e為環(huán)境所占百分比；Lτ為入口段亮度(cd/m2)；τ為隧道入口所占百分比；且c+r+e+τ=1。

現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量時(shí)段定為清晨無(wú)日光時(shí)5：00至夜晚無(wú)日光時(shí)20：00，每隔20 min進(jìn)行一次測(cè)量，取1h內(nèi)3次測(cè)量的亮度平均值作為該時(shí)段的亮度值。經(jīng)過(guò)計(jì)算，在不同時(shí)間、不同天空類(lèi)型下的洞外亮度L20(S)見(jiàn)表2。

表2 不同時(shí)間、不同天空類(lèi)型下的洞外亮度L20(S)(單位：cd/m2)Table 2 Luminance L20 (S) outside the cave at different times and different sky types (unit:cd/m2)

入口段亮度隨時(shí)間、天空類(lèi)型變化而變化的規(guī)律如圖4所示。

圖4 洞外亮度L20(S)的變化Fig.4 Change of luminance L20 (S) outside the tunnel

由表2及圖4可知，在7種天氣條件下，亮度最高的時(shí)間段集中在12:00～13:00，云天天空5在3種云天天空下洞外亮度L20(S)達(dá)到最高；陰天天空9在2種陰天天空下洞外亮度L20(S)達(dá)到最高；晴天天空12在2種晴天天空下洞外亮度L20(S)達(dá)到最高。

在云天天空情況下，云天天空5下的隧道入口段屬于最不利照明條件[15]；在陰天天空情況下，陰天天空9下的隧道入口段屬于最不利照明條件；在晴天天空情況下，晴天天空12下的隧道入口段屬于最不利照明條件。

2.2 隧道入口段光環(huán)境指標(biāo)數(shù)據(jù)整理

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量情況，以不同天空類(lèi)型下，亮度最高的時(shí)刻來(lái)測(cè)量各測(cè)點(diǎn)的照度，經(jīng)過(guò)換算后以亮度來(lái)分析路面亮度的變化趨勢(shì)；以前后測(cè)點(diǎn)亮度相差超過(guò)30%且數(shù)值≥10 cd/m2作為衡量隧道入口段受洞外自然光影響較大的長(zhǎng)度區(qū)段[16]。

(1)云天天空。

由圖5可知，在天空類(lèi)型為云天天空2時(shí),隧道入口段23 m與24 m的測(cè)點(diǎn)亮度平均值相差31.7%，24 m之后的區(qū)段相鄰測(cè)點(diǎn)亮度平均值相差低于30%；在天空類(lèi)型為云天天空4時(shí)，隧道入口段26 m與27 m的測(cè)點(diǎn)亮度相差32.4%，27 m之后的區(qū)段相鄰測(cè)點(diǎn)亮度相差低于30%；在天空類(lèi)型為云天天空5時(shí)，隧道入口段27 m與28 m的測(cè)點(diǎn)亮度平均值相差30.8%，28 m之后的區(qū)段相鄰測(cè)點(diǎn)亮度平均值相差低于30%。由此可知，當(dāng)分別處于云天天空2、4、5時(shí)，隧道入口段前24 m、27 m、28 m屬于受自然光影響較大的長(zhǎng)度區(qū)段。

圖5 云天天空下的隧道入口段亮度變化Fig.5 Luminance change of tunnel threshold zone under cloudy sky

(2)陰天天空。

由圖6可知，在天空類(lèi)型為陰天天空7時(shí)，隧道入口段16 m與17 m的測(cè)點(diǎn)亮度平均值相差11.7 cd/m2，17 m之后的區(qū)段相鄰測(cè)點(diǎn)亮度平均值相差低于10 cd/m2；在天空類(lèi)型為陰天天空9時(shí)，隧道入口段19 m與20 m的測(cè)點(diǎn)亮度平均值相差10.8 cd/m2，20 m之后的區(qū)段相鄰測(cè)點(diǎn)亮度平均值相差低于10 cd/m2。由此可知，當(dāng)分別處于陰天天空7、9時(shí)，隧道入口段前17 m、20 m屬于受自然光影響較大的長(zhǎng)度區(qū)段。

圖6 陰天天空下的隧道入口段亮度變化Fig.6 Luminance change of tunnel threshold zone under cloudy sky

(3)晴天天空。

由圖7可知，在天空類(lèi)型為晴天天空11時(shí)，隧道入口段32 m與33 m的測(cè)點(diǎn)亮度平均值相差32.9%，33 m之后的區(qū)段相鄰測(cè)點(diǎn)亮度平均值相差低于30%；在天空類(lèi)型為晴天天空12時(shí)，隧道入口段35 m與36 m的測(cè)點(diǎn)亮度平均值相差31.4%，36 m之后的區(qū)段相鄰測(cè)點(diǎn)亮度平均值相差低于30%。由此可知，當(dāng)分別處于晴天天空11、12時(shí)，隧道入口段前33 m、36 m屬于受自然光影響較大的長(zhǎng)度區(qū)段。

圖7 晴天天空下的隧道入口段亮度變化Fig.7 Luminance change of tunnel threshold zone under sunny sky

(4)天空對(duì)比。

由圖8中可知，綜合不同天空類(lèi)型下，隧道入口段受自然光影響較大區(qū)段的情況，隧道洞外亮度L20(S)越高，對(duì)隧道入口段的影響區(qū)段越長(zhǎng)。

圖8 最不利照明條件下隧道入口段亮度變化對(duì)比Fig.8 Luminance contrast of tunnel threshold zone under the most unfavorable lighting conditions

3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

3.1 隧道入口段的亮度規(guī)范曲線

根據(jù)JTG/T D70/2-01—2014[11]，隧道入口段TH1、TH2的亮度計(jì)算式為：

Lth1=k×L20(S)

(3)

Lth2=0.5×k×L20(S)

(4)

式中，Lth1、Lth2為入口段TH1、TH2的亮度(cd/m2)；L20(S)為洞外亮度(cd/m2)；k為入口段亮度折減系數(shù)，可按表3取值。

根據(jù)表3，可得到不同時(shí)間入口段的亮度值，如表4所示。

表3 入口段亮度折減系數(shù)取值表Table 3 Values of luminance reduction coefficient at threshold zone

表4 不同時(shí)間、不同天氣下的隧道入口段亮度 (單位：cd/m2)Table 4 Luminance of tunnel threshold zone under different time and weather (unit:cd/m2)

隧道在云天天空下，12:00～13:00時(shí)為此種天氣下最不利照明條件，此時(shí)隧道入口段亮度為96 cd/m2；隧道在陰天天空下，12:00～13:00時(shí)為此種天氣下最不利照明條件，此時(shí)隧道入口段亮度為43 cd/m2；隧道在晴天天空下，12:00～13:00時(shí)為此種天氣下最不利照明條件，此時(shí)隧道入口段亮度為150 cd/m2，結(jié)合JTG/T D70/2-01—2014中的關(guān)于亮度規(guī)范階梯曲線可得出在不同天空類(lèi)型下重慶海天堡隧道入口段的亮度規(guī)范值，如圖9所示。

圖9 不同天空類(lèi)型下隧道入口段的亮度適應(yīng)曲線Fig.9 Luminance adaptation curve of tunnel threshold zone under different sky types

3.2 隧道入口段的照明區(qū)段劃分

根據(jù)最不利照明條件的亮度規(guī)范限值，通過(guò)對(duì)海天堡隧道入口段自然光的亮度的對(duì)比分析，可將入口段分為自然光照明區(qū)段、自然光輔助人工照明區(qū)段和人工照明區(qū)段三種區(qū)段[17]，具體如圖10～圖12所示。

圖10 云天天空下的路面亮度變化Fig.10 Road luminance change under cloudy sky

圖11 陰天天空下的路面亮度變化Fig.11 Change of pavement luminance under cloudy sky

圖12 晴天天空下的路面亮度變化Fig.12 Variation of pavement luminance under sunny sky

由圖10可知，在云天天空下，自然光強(qiáng)度隨著隧道縱深的增加而逐漸減弱，對(duì)隧道路面亮度增效作用隨之減弱，隧道進(jìn)洞口至隧道縱深25 m區(qū)段在白天無(wú)需LED燈照明；當(dāng)25 m≤隧道縱深<32 m時(shí)，單純依靠自然光照明已無(wú)法滿(mǎn)足路面亮度需求，應(yīng)將自然光與LED燈相結(jié)合進(jìn)行復(fù)合照明以滿(mǎn)足路面亮度需求；當(dāng)隧道縱深≥32 m時(shí)，隧道路面亮度已低于入口段亮度規(guī)范限值的10%，自然光和LED燈光的復(fù)合照明意義不大，應(yīng)將人工照明作為照明設(shè)計(jì)的主要依據(jù)。

由圖11可知，在陰天天空下，自然光強(qiáng)度隨著隧道縱深的增加而逐漸減弱，對(duì)隧道路面亮度增效作用隨之減弱，隧道進(jìn)洞口至隧道縱深30 m區(qū)段在白天無(wú)需LED燈照明；當(dāng)30 m≤隧道縱深<35 m時(shí)，單純依靠自然光照明已無(wú)法滿(mǎn)足路面亮度需求，應(yīng)將自然光與LED燈相結(jié)合進(jìn)行復(fù)合照明以滿(mǎn)足路面亮度需求；當(dāng)隧道縱深≥35 m時(shí)，隧道路面亮度已低于入口段亮度規(guī)范限值的10%，自然光和LED燈光的復(fù)合照明意義不大，應(yīng)將人工照明作為照明設(shè)計(jì)的主要依據(jù)。

由圖12可知，在晴天天空下，自然光強(qiáng)度隨著隧道縱深的增加而逐漸減弱，對(duì)隧道路面亮度增效作用隨之減弱，隧道進(jìn)洞口至隧道縱深27 m區(qū)段在白天無(wú)需LED燈照明；當(dāng)27 m≤隧道縱深<41 m時(shí)，單純依靠自然光照明已無(wú)法滿(mǎn)足路面亮度需求，應(yīng)將自然光與LED燈相結(jié)合進(jìn)行復(fù)合照明以滿(mǎn)足路面亮度需求；當(dāng)隧道縱深≥41 m時(shí)，隧道路面亮度已低于入口段亮度規(guī)范限值的10%，自然光和LED燈光的復(fù)合照明意義不大，應(yīng)將人工照明作為照明設(shè)計(jì)的主要依據(jù)。

4 研究結(jié)論

(1)重慶海天堡特大斷面城市隧道的洞外亮度L20(S)在不同天空類(lèi)型下最高的時(shí)段集中在12:00～13:00，當(dāng)處于云天天空時(shí)，云天天空5下的隧道入口段屬于最不利照明條件；處于陰天天空時(shí)，陰天天空9下的隧道入口段屬于最不利照明條件；處于晴天天空時(shí)，晴天天空12下的隧道入口段屬于最不利照明條件。因此，當(dāng)處于此種天空類(lèi)型下的最不利照明條件時(shí)，為便于分析，可將云天天空5、陰天天空9、晴天天空12視為各自天空類(lèi)型的代表性天空種類(lèi)，據(jù)此類(lèi)天空種類(lèi)進(jìn)行隧道入口段的照明設(shè)計(jì)。

(2)根據(jù)重慶海天堡特大斷面城市隧道入口段的實(shí)際亮度需求曲線，將入口段分為自然光照明區(qū)段、自然光輔助人工照明區(qū)段和人工照明區(qū)段三種區(qū)段，當(dāng)云天、陰天、晴天天空處于最不利照明時(shí)段，進(jìn)洞口至隧道縱深依次為25 m、30 m、27 m的區(qū)域，無(wú)需人工光照條件即可實(shí)現(xiàn)隧道安全采光需求；進(jìn)洞口至隧道縱深依次為25～32 m、30～35 m、27～41 m區(qū)段時(shí)，可利用自然光輔助人工照明；進(jìn)洞口至隧道縱深依次為≥32 m、≥35 m、≥41 m區(qū)段時(shí)，在自然光照明條件下隧道路面亮度已低于入口段亮度規(guī)范限值的10%，使用自然光輔助人工照明意義不大，應(yīng)以人工照明作為第三區(qū)段照明設(shè)計(jì)的依據(jù)。

通過(guò)確定重慶海天堡特大斷面城市隧道的燈具安裝初始位置，可減少燈具的使用數(shù)量，有效降低隧道入口段的照明能耗；進(jìn)一步，通過(guò)研究隧道洞外自然光對(duì)隧道入口段的影響規(guī)律，可將照明燈具進(jìn)行針對(duì)性的分配，以便于與自然光相結(jié)合，避免在自然光輔助人工照明區(qū)段因過(guò)度照明而產(chǎn)生的功率浪費(fèi)的現(xiàn)象，最大程度上減少入口段的照明能耗。