高等级公路隧道照明工程设计与研究

高等级公路隧道照明工程设计与研究作者：数字社区智能家居2007年2月刊 发布时间：2007-8-13 16:38:11 隧道作为高等级公路的特殊路段，当车辆在驶入、通过和驶出隧道的过程中，会出现一系列的视觉问题。为适应视觉的变化，需设置附加电光照明，关于隧道照明设计，不同国家有不同的标准和要求。中国在这方面虽起步较晚，但也有相应的规范和要求。 原则和标准 1. 隧道照明设计的原则 为解决车辆驶入或驶出隧道时亮度的突变使视觉产生的“黑洞效应”或“白洞效应”，许多国家各自确定了一些设计原则和标准：如美国IES、英国BS、日本隧道照明设计指南、国际照明协会的CIE标准以及中国的公路隧道设计规范等。共同遵守的设计原则可以归纳为以下几点： (1)隧道内不管是白天或夜间均需设基本照明； (2)白天车辆进入隧道时，路面亮度应逐渐下降，使司机的视觉有一个适应过程，将入口段分为引入段、适应段和过渡段； (3)确定引入段、适应段和过渡段的长度(S)，通常按车速(V)以T=2s的适应时间来确定，可用S=VT/3.6(m)来估算； (4)出口段也应设过渡照明，在双向交通情况下和入口段相同； (5)夜间出入口不设加强照明，洞外应设路灯照明，亮度不低于洞内基本亮度的1/2；隧道内应设应急照明，其亮度不低于基本亮度的1/10。 2.隧道照明设计的标准 依据以上原则，中国JTJ 026-90公路隧道设计规范中给出了明确的标准。 白天照明的隧道照明区段长度及路面最低亮度如表1。隧道内基本照明及夜间照明亮度如表2。设计及其改进方法 1）. 照明计算按照规范要求公路隧道照明应考虑4个因素：路面亮度；路面亮度的均匀性；闪烁的防止；眩光的控制。 （1）路面亮度计算，为了便于计算，一般是先计算平均照度，而后根据路面所选用的材料，选定一换算系数，再换算成亮度，计算平均照度的公式为：E=NSUFKK1/(BS)式中：N为灯具排列方式(相对排列时为2，交错排列时为1)；UF为路面直射光利用系数；K1为因相互反射作用使照度上升的系数；S为灯具中全部光源的总光通量(lm)；K为减光系数；B为路面宽度(m)；S为灯具间隔(m)。其中，N、S、B、S由设计而定，UF、K、K1通常可分别取0.38、 0.48、1.23，也可由查表或计算得到。 （2）亮度均匀度的定性判断路面及洞壁下半部分亮度均匀度应满足一定的要求，在灯具安装间距确定后，可按下述方法定性判断是否满足均匀度的要求，即相对排列S2.5h；交错或中间排列S1.5h。式中：S为灯具安装间距；h为灯具安装高度。 （3）闪烁的防止闪烁效应是由于照明器不连续布置，司机的视觉不断经受明暗变化的刺激,使人产生不快感。闪烁效应的频率低于2.5Hz或高于15Hz时可不计。闪烁频率(F)主要与灯具安装间距(S)和车速(V)有关，即F=V/S。据此，将不产生闪烁效应的布灯间距列于表3。 （4）眩光的控制，眩光是由视线内有亮度极高的物体或强烈的亮度对比，引起不舒适或造成视觉下降的现象。所以要尽量避免采用高亮度大光源照明，以控制眩光。 2）. 区段的划分及亮度的确定 （1）规范要求的照明曲线 按表1的标准要求，规范中给出了白天照明渐变梯度图(照明曲线，如图1)。 对规范中给出的照明曲线，这里提出3种处理方法，以设计车速80km/h为例，第1种是简单处理，就是将120m入口按引入段40m，亮度为 80cd/m2；适应段40m，亮度为46cd/m2；过渡段40m，亮度为4.5cd/m2，这样大梯度过渡如图1中粗线所示，因平均亮度低于规范要求的亮度，显然不可取。 第2种是折衷处理，就是将120m入口段40m，洞口最高亮度取洞外亮度4000cd/m2的1/30即133cd/m2，则该段的亮度为(133+ 80)=106.5cd/m2；适应段40m，亮度为(80+46)/2=63cd/m2；过渡段40m，亮度为(46+4.5)/2= 25.25cd/m2，这样大梯度过渡，形成的梯度曲线和规范要求的渐变曲线相差甚远，也不宜采用，如图1细线所示。 第3种是渐变处理，就是分别计算出亮度为80cd/m2、46cd/m2、4.5cd/m2的布灯间距，然后逐渐的变化布灯间距，以适应渐变曲线，如设计路面宽度为8.5m，选用400W高压钠灯。亮度为80cd/m2时，平均照度E=8013=1040lx，亮度为46cd/m2时，平均照度E=4613=598lx，亮度为4.5cd/m2时，平均照度E=4.513=58.5lx(选用100W高压钠灯) 这样从入口开始，引入段灯距从连续布设到间距2.28m，适应段灯距从2.28m到3.79m，过渡段从400W灯3.79m间距到100W灯间距 8.1m，亮度值形成一个一个的点，将这些点连接起来，就是规范要求的照明曲线。这种处理方法的缺点是设计和施工都很不方便，实际上也没有必要，就此提出一种改进方法。 （2）改进的照明曲线，由上面可以看出，实现规范要求的照明曲线有多种方法，同时也说明规范要求的照明曲线不实际也不合理。结合多座隧道的照明设计、施工及运营实践经验，现提出一种改进的方法。改进的照明曲线如图2。改进方法是把长均为40m的引入段，适应段和过渡段各分成20m的两个区段，形成了图2中的区段，各区段的亮度取区段的起点和终点亮度的平均值,形成了改进后的照明曲线，各点及各段亮度如下：入口亮度L0=133cd/m2，A点亮度La=106.5cd/m2，B点亮度Lb=80cd/m2，C点亮度Lc=(Lb+Ld)/2=(80+46) /2=63cd/m2，D点亮度Ld=46cd/m2，E点亮度Le=(Ld+Lf)/2=(46+4.5)/2=25.25cd/m2，f点亮度Lf= 4.5cd/m2。段的亮度L1=(133+106.5)/2=120cd/m2段的亮度L2=(102+30)/2=91cd/m2段的亮度L3=(80+63)/2=71.5cd/m2段的亮度L4=(63+46)/2=54.5cd/m2段的亮度L5=(46+25.5)/2=35.6cd/m2段的亮度L6=(25.5+4.5)/2=14.9cd/m2 从图2改进后的小梯度照明曲线可以看出每个区段亮度是一定的，也就是说每个区段中的灯具间隔是相同的。这样每个区段只须计算一次布灯间距，并且还可以看出用改进后的小梯度照明曲线，设计和施工都很方便，完全可以替代规范中要求的渐变曲线，且通过实际工程检验效果良好。 照明控制 隧道附加光电照明要根据洞外亮度的变化进行控制。 第一种方案是按洞外亮度的不同，分为晴天白昼、阴雨白昼、清晨、傍晚、夜间5种情况进行控制。晴天白昼出入口加强照明灯全开；清晨、傍晚和阴雨白昼合并为一种情况，加强照明灯隔一开一，即开一半；夜间关加强灯，开路灯。隧道在运营中一般除检修外基本灯不关闭，只有在交通量很少时可开一半关一半，以利节能。由此照明控制应设置专门的测光装置，以确定洞外亮度，进而决定开哪些灯关哪些灯。 第二种方案是按一年中的不同季节，每个季节制定一套配时方案即开关灯时间，在主控机上编程实现自动控制。 第三种方案是人工干预控制，即根据洞外不同亮度，手动控制开关灯时间及灯种。 结语 隧道照明工程设计还有很多方面，如灯具的选择、供电线缆、供电管路、应急照明、诱导照明、横洞照明、路灯照明等，这里仅讨论了照明设计的原则、标准、照明曲线以及照明控制等。随着技术的发展，实际工程的实施、检测和检验，公路隧道设计规范中的一些标准和要求也有待修改和完善。