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=NΦSUFKK1/(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；ΦS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、ΦS、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S≤2.5h；交错或中间排列S≤1.5h。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=80×13=1040lx，
亮度为46cd/m2时，平均照度E=46×13=598lx，
亮度为4.5cd/m2时，平均照度E=4.5×13=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①～⑥区段，①～⑥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。
①段的亮度L1=(133+106.5)/2=120cd/m2
②段的亮度L2=(102+30)/2=91cd/m2
③段的亮度L3=(80+63)/2=71.5cd/m2
④段的亮度L4=(63+46)/2=54.5cd/m2
⑤段的亮度L5=(46+25.5)/2=35.6cd/m2
⑥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。