案例應(yīng)用公路隧道照明設(shè)計(jì)研究

1、· 公路隧道照明設(shè)計(jì)應(yīng)解決好隧道中特有的視覺(jué)現(xiàn)象，尤其是根據(jù)隧道所在地的光氣候、朝向、隧道入口的光環(huán)境等，選擇合適的洞外景物亮度值等照明設(shè)計(jì)參數(shù)值，它們關(guān)系到公路隧道照明節(jié)能、交通安全和快速。 關(guān)鍵字：隧道照明 42篇 察覺(jué)對(duì)比 1篇 照明設(shè)計(jì) 238篇 照明節(jié)能 32篇 照明安全 2篇 1.引言公路隧道由于具有縮短里程、節(jié)省時(shí)間、提高交通運(yùn)輸效率、節(jié)省用地和有利于保護(hù)生態(tài)環(huán)境等優(yōu)點(diǎn)，在山區(qū)的公路建設(shè)中被廣泛采用。因此，隧道照明設(shè)施的規(guī)模及數(shù)量越來(lái)越大，隧道的運(yùn)營(yíng)電費(fèi)和維護(hù)費(fèi)用也越來(lái)越高，照明節(jié)能和照明安全也越來(lái)越突出，為了解決好照明節(jié)能和安全問(wèn)題，就必須研究公路隧道照明。隧道的構(gòu)造

2、比較特殊，它的兩側(cè)和頂部是封閉的，會(huì)產(chǎn)生隧道特有的人眼明適應(yīng)和暗適應(yīng)，尤其是白晝的視覺(jué)問(wèn)題。在白晝，剛接近長(zhǎng)隧道時(shí)，駕駛員看到是一個(gè)黑洞，這是“黑洞”現(xiàn)象;如果隧道較短，則會(huì)產(chǎn)生“黑框”現(xiàn)象;由于洞外亮度大，進(jìn)入隧道后，人眼需要適應(yīng)時(shí)間，即產(chǎn)生“適應(yīng)的滯后現(xiàn)象”;對(duì)于長(zhǎng)隧道的中間段，汽車(chē)廢氣會(huì)形成煙霧，影響駕駛員的可見(jiàn)度;在隧道出口，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)很亮的洞口，形成強(qiáng)烈的眩光，降低駕駛員的可見(jiàn)度，這就是“亮洞”現(xiàn)象。上述這些現(xiàn)象均會(huì)對(duì)駕駛員的視覺(jué)生理產(chǎn)生影響;在隧道中同時(shí)還會(huì)產(chǎn)生管狀視覺(jué)現(xiàn)象和閃爍現(xiàn)象等，這些現(xiàn)象也均會(huì)對(duì)駕駛員的視覺(jué)心理產(chǎn)生影響，會(huì)使駕駛員產(chǎn)生心理上不舒適感，從而產(chǎn)生安全隱患。所以隧

3、道照明設(shè)計(jì)必須解決好隧道照明特有的視覺(jué)問(wèn)題，尤其是確定合理的洞外亮度值，這樣才能創(chuàng)造出良好的視覺(jué)環(huán)境，從而更有利于隧道照明安全和節(jié)能。在機(jī)動(dòng)車(chē)交通量和設(shè)計(jì)行車(chē)速度一定的條件下，隧道洞外景物亮度值大小將直接關(guān)系到入口段亮度值大小，也即與隧道照明節(jié)能、營(yíng)運(yùn)電費(fèi)、工程投資和行車(chē)安全等有關(guān)。2.洞外景物亮度研究目前在進(jìn)行隧道照明設(shè)計(jì)時(shí)，入口段的亮度值是由洞外亮度L20(s)乘以入口段亮度折減系數(shù)K近似算得1，而確定洞外亮度L20(s)的方法主要有4種：查表法，黑度法，數(shù)碼相機(jī)照相法和亮度計(jì)算法(環(huán)境簡(jiǎn)圖法)。(1)查表法查表法就是根據(jù)國(guó)標(biāo)I洞外亮度中，按洞外停車(chē)視距(如設(shè)計(jì)車(chē)速80km/h為100m)

4、視看隧道的20度視野的天空面積百分比值、洞口朝向或洞外環(huán)境、車(chē)速查取洞外亮度值。由于重慶市目前新建的公路隧道大多數(shù)位于山區(qū)，此時(shí)的天空面積百分比值通常為零，此時(shí)如按國(guó)標(biāo)在設(shè)計(jì)車(chē)速一定時(shí)查取洞外亮度值，那么只能按暗環(huán)境和亮環(huán)境進(jìn)行確定，這時(shí)不但存在如何區(qū)分暗環(huán)境和亮環(huán)境的問(wèn)題，而且還沒(méi)有考慮不同朝向和洞外植被、護(hù)坡、端墻、路面鋪裝等洞外環(huán)境的影響。實(shí)際上不同情況的洞外亮度值差別是很大的，具體測(cè)試值見(jiàn)表1(由重慶交通科研設(shè)計(jì)院測(cè)試)。 表1高速公路隧道在天空面積百分比為零時(shí)洞外亮度實(shí)測(cè)值從表l中可以算得，南向洞外亮度平均值為4073cd/m2，北向?yàn)?400cd/m2，東向?yàn)?455cd/m2，西

5、向?yàn)?725cd/m2;由此看來(lái)，南向洞外亮度為最大，東向和西向洞外亮度較小，所以，即使當(dāng)天空面積百分比為零時(shí)，L20(s)也是與朝向有關(guān)的;此外還與“公路隧道通風(fēng)照明設(shè)計(jì)規(guī)范”1規(guī)定東洞口與西洞口取用南洞口與北洞口之中問(wèn)值的說(shuō)法是有矛盾的。從表1中可看出，L20(s)大小與洞外環(huán)境關(guān)系很大，如果保留自然植被或洞口正墻面采用深色植被和瀝青路面等措施，那么就可使L20(s)減小到3000cd/m2左右。從表1中還可以看出，隧道代號(hào)為22的L20(s)值是當(dāng)?shù)仄渌舷蛩淼赖亩赐饬炼戎档?倍左右，原因是該隧道口正墻面采用具有規(guī)劃(鏡面)反光特性的大理石材料，因此導(dǎo)致了在特定的反射角度時(shí)，反射光很強(qiáng)，

6、造成了眩光，L20(s)也上升到6870cd/m2，這是不利于隧道照明節(jié)能和安全的，應(yīng)在進(jìn)行隧道照明設(shè)計(jì)時(shí)避免在洞口外采用鏡面反射材料，宜采用粗糙的建筑材料，努力降低洞外亮度值，使隧道照明設(shè)計(jì)有利于隧道照明節(jié)能和安全，從而使隧道照明設(shè)計(jì)更為合理。(2)黑度法黑度法是一種洞外亮度測(cè)量法，它是國(guó)標(biāo)1推薦的一種洞外亮度的實(shí)測(cè)方法。實(shí)測(cè)時(shí)，在接近段起點(diǎn)S處(當(dāng)設(shè)計(jì)車(chē)速為80km/h時(shí)距洞口 100m)，距地面1.5m高正對(duì)隧道洞口方向20度視野的洞外環(huán)境一次成像在膠片上，拍攝黑白照片時(shí)還需要在洞口旁立一個(gè)已知亮度的灰板作為參照物，然后將沖洗出來(lái)的膠片置于黑度儀上測(cè)讀度視野內(nèi)各景物的黑度1，將各自所占面

7、積的百分比作為權(quán)重計(jì)算出平均黑度，再與參照物的亮度作比較，確定現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量時(shí)刻的洞外亮度L20(s)值。實(shí)測(cè)應(yīng)選在夏季(68月)晴天無(wú)云連續(xù)進(jìn)行3天，每天測(cè)量5次(10：0014：00，地方時(shí)，每次間隔lh)或11次(7：0017：00，地方時(shí)，每次間隔lh)。黑度法的缺點(diǎn)是測(cè)量精度與感光膠片質(zhì)量、沖洗狀況等關(guān)系密切，而且確定洞外亮度過(guò)程復(fù)雜，不適宜在工程在應(yīng)用：而且偶然幾天的洞外亮度測(cè)量結(jié)果不一定能真實(shí)反映出當(dāng)?shù)氐墓鈿夂蜃兓囊?guī)律性，會(huì)導(dǎo)致實(shí)際的洞外亮度值與設(shè)計(jì)值之間產(chǎn)生誤差，使相對(duì)誤差超出士25%范圍?？傊?，從實(shí)際應(yīng)用和理論觀點(diǎn)上看，用黑度法確定洞外亮度還需要進(jìn)一步改進(jìn)才行，并且要進(jìn)行長(zhǎng)期實(shí)測(cè)

8、后才能確定洞外亮度的變化規(guī)律性。(3)數(shù)碼相機(jī)照相法為了消除黑度法因采用感光膠片帶來(lái)的測(cè)量誤差和縮短測(cè)試洞外亮度的周期，隨著電子科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)碼相機(jī)獲得了進(jìn)一步完善，因此可利用數(shù)碼相機(jī)照相法確定洞外亮度到。雖然數(shù)碼相機(jī)的成像技術(shù)在不斷提高，但是數(shù)碼相機(jī)畢竟不是測(cè)光儀器，所以由不同型號(hào)、不同廠(chǎng)家生產(chǎn)的數(shù)碼相機(jī)采集的光度參數(shù)會(huì)產(chǎn)生差別，為此應(yīng)進(jìn)行數(shù)碼相機(jī)光學(xué)特性化研究3，確定數(shù)碼相機(jī)所采集的數(shù)字圖像的灰度值和刺激值之間的關(guān)系式與相應(yīng)的校正系數(shù)，并在光度學(xué)實(shí)驗(yàn)里進(jìn)行標(biāo)定，即在正常曝光條件下，利用標(biāo)準(zhǔn)灰板、色板，確定刺激值與被測(cè)目標(biāo)的亮度表達(dá)式，這樣才能利用數(shù)碼相機(jī)對(duì)洞外亮度分布進(jìn)行近似測(cè)量。數(shù)碼

9、相機(jī)照相法快速簡(jiǎn)便，具有一定的測(cè)量精度，滿(mǎn)足隧道照明工程上的應(yīng)用要求。將數(shù)碼相機(jī)照相法作為隧道照明設(shè)計(jì)的實(shí)測(cè)驗(yàn)證的手段是可行的，但是，數(shù)碼相機(jī)照相法與黑度法一樣，必須要排除測(cè)量洞外亮度的偶然性才行，為了隧道照明安全和節(jié)能，采用數(shù)碼相機(jī)照相法和黑度法均需要進(jìn)行長(zhǎng)期實(shí)測(cè)后才能確定適宜的洞外亮度值;而且當(dāng)隧道口土建完成后，還應(yīng)保證公路路面施工也需要同時(shí)完成，完成時(shí)問(wèn)應(yīng)在每年6月份之前，否則就不適合用實(shí)測(cè)法確定洞外亮度值。 (4)亮度計(jì)算法亮度計(jì)算法又稱(chēng)為環(huán)境簡(jiǎn)圖法。環(huán)境簡(jiǎn)圖法的實(shí)質(zhì)就是由隧道口外景物亮度與各部分所占的百分比乘積算得的，所以必須確定合理洞外景物亮度值。環(huán)境簡(jiǎn)圖法要求在接近洞口段起點(diǎn)s處

10、，距地面1.5m高正對(duì)隧道洞方向20度視野范圍內(nèi)，考慮天空亮度、路面亮度、洞IJ環(huán)境亮度和隧道洞口亮度的貢獻(xiàn)，于是算得洞外亮度值。L20(s)=cLc+rLr+eLe+rLr (1)式中L20(s)洞外亮度(cd/m2);LC20度視野范圍內(nèi)的天空亮度(cd/m2);Lr一一洞外道路路面亮度(cd/m2);Le一一環(huán)境亮度(cd/m2);Lr_一洞口亮度(cd/m2);c、r、e、t分別為天空、路面、環(huán)境、洞口所占的百分比。由于隧道入口所占的百分比較小，一般在8%左右，而且洞口亮度也很小，所以洞口亮度對(duì)洞外亮度貢獻(xiàn)是很小的，可忽略不計(jì)。于是，式(1)可以簡(jiǎn)化成下式，L20(s)=cLc+rLr

11、+eLe (2)從式(2)中可以看出，利用正對(duì)隧道口的20度視野的數(shù)碼相片和AutoCAD軟件較容易地確定天空、路面和環(huán)境所占的百分比c、r和e值。而洞外亮度值L20(s)的確定，需要計(jì)算出符合當(dāng)?shù)毓鈿夂?、植被和隧道口朝向等情況的由天空和太陽(yáng)直射光在地物上產(chǎn)生的亮度，即需要選擇合適的天空亮度模型和大氣透明度，以及不同時(shí)刻、不同季節(jié)、不同路面、不同表面反射情況和反射角度等，通過(guò)式(2)計(jì)算出洞外亮度值。不同朝向的隧道口看到的天空、路面等的反射光亮度的粗略參考值見(jiàn)表21。表2洞外景物亮度 (單位：cd/m2)洞口朝向天空路面巖石 樹(shù)木 、草地建筑物南80003000300020008000東、西1

12、20004000200020006000北 160005000100020004000根據(jù)式(2)和表2可算得洞外亮度L20(s)值，如以實(shí)測(cè)值(見(jiàn)表1)為準(zhǔn)，則計(jì)算值與實(shí)測(cè)值比較見(jiàn)表3。表3隧道口洞外亮度計(jì)算值與實(shí)測(cè)值比較隧道代號(hào)朝向計(jì)算值/（cd/m2）實(shí)測(cè)值/（cd/m2）相對(duì)誤差（%）21北27093828-2931北26543403-2252北28523310-1462北29983060-2.022南26826870-6132南23732572-7.751南27743920-2961南23942930-1871東27162460+1081東26962450+1072西27483070

13、-1082西26082380+9.6從表3中可以看出，當(dāng)隧道口朝向?yàn)闁|、西向時(shí)，計(jì)算值與實(shí)測(cè)值較為吻合，相對(duì)誤差在-10%+10%范圍內(nèi);當(dāng)隧道口朝向?yàn)槟稀⒈毕驎r(shí)，其相對(duì)誤差較大，但是計(jì)算值一般偏小，原因主要是由表2中巖石表面的亮度差別太大造成的，而且?guī)r石所占的百分比也較大，一般要占30%左右，所以造成了較大計(jì)算誤差;例如隧道口為北向時(shí)，表2中巖石亮度為1000cd/m2，而實(shí)測(cè)平均值為3036cd/m2，兩者相差3倍多;由于62號(hào)隧道巖石面積占的百分比只有0.08，所以L(fǎng)20(s)計(jì)算值與實(shí)測(cè)值相差不大，相對(duì)誤差為-2.0%。從表2中可以看出，景物的類(lèi)型較少，這是不利于隧道照明計(jì)算的;為此，

14、應(yīng)將我國(guó)常見(jiàn)的隧道口外景物歸類(lèi)，并且給出不同光氣候區(qū)對(duì)應(yīng)的景物表面亮度值。例如，路面應(yīng)分別給出混凝土路面和瀝青路面兩種情況等，從而使表2給出的景物亮度更符合實(shí)際情況。 3.隧道照明設(shè)計(jì)隧道照明設(shè)計(jì)最新研究成果表明，當(dāng)確定了合適的不同朝向的隧道口的景物亮度等參數(shù)值后，就可以按照CIE在2004年公路隧道和地下通道照明指南中的建議：采用察覺(jué)對(duì)比法進(jìn)行隧道照明設(shè)計(jì)，即可以根據(jù)等效光幕亮度等有關(guān)的參數(shù)值計(jì)算出入口段亮度Lth。為了使隧道照明設(shè)計(jì)達(dá)到安全和節(jié)能的要求，就不但要合理確定設(shè)計(jì)參數(shù)值，而且還要采用新穎的、可靠的設(shè)計(jì)理念，同時(shí)還要采用高效光源和燈具，增大光反射比等。在現(xiàn)行的照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范中，

15、沒(méi)有考慮隧道照明光源的光譜分布對(duì)駕駛員的視覺(jué)影響，尤其是沒(méi)有考慮人眼中新發(fā)現(xiàn)的第3種感光細(xì)胞一一神經(jīng)結(jié)細(xì)胞4對(duì)人的機(jī)敏程度等光生物效應(yīng)的影響;同時(shí)也沒(méi)有考慮中間視覺(jué)情況，而是僅僅按照明視覺(jué)時(shí)錐狀感光細(xì)胞起作用的條件下進(jìn)行隧道照明計(jì)算。實(shí)際上，在隧道照明條件下，人眼中視網(wǎng)膜上的神經(jīng)結(jié)感光細(xì)胞、錐狀感光細(xì)胞和桿狀感光細(xì)胞同時(shí)起作用，所以在進(jìn)行隧道照明設(shè)計(jì)時(shí)，必須要考慮到這種特殊視覺(jué)情況?？傊?，應(yīng)該采用視覺(jué)科學(xué)的研究成果合理地解決好隧道照明設(shè)計(jì)，同時(shí)還應(yīng)采用與現(xiàn)行的隧道照明亮度設(shè)計(jì)方法不同的新穎照明設(shè)計(jì)方法可見(jiàn)度設(shè)計(jì)方法5，使隧道照明達(dá)到節(jié)能和安全要求。選擇隧道照明光源的現(xiàn)行評(píng)價(jià)指標(biāo)是：光效高、透霧

16、性能好、壽命不小于10000h。這里所指的光效是采用明視覺(jué)2度視野光度學(xué)系統(tǒng)確定的光效，即所謂額定光效;但是，在中間視覺(jué)時(shí)，光源的光效不是一個(gè)固定值，而是一個(gè)隨人眼適應(yīng)水平而變化的值，所以，為了更符合隧道照明實(shí)際情況，并且考慮光生物效應(yīng)的影響，宜采用在不同人眼適應(yīng)水平條件下反應(yīng)時(shí)間相等時(shí)，相對(duì)于高壓鈉燈的亮度對(duì)比系數(shù)來(lái)評(píng)價(jià)光源的光效會(huì)更為合適;同時(shí)還要考慮光源的壽命、透霧能力和營(yíng)運(yùn)費(fèi)、價(jià)格等方面的因素，即由光源性?xún)r(jià)比來(lái)選擇隧道照明光源。隧道照明燈具應(yīng)滿(mǎn)足防護(hù)等級(jí)不低于IP65，配光合適，眩光少，更換方便，防腐性能好等，而且，還要選擇品質(zhì)優(yōu)良的照明配套電器，使問(wèn)接能耗小。目前可選用品質(zhì)優(yōu)良的電子

17、鎮(zhèn)流器，也可選用節(jié)能型電感鎮(zhèn)流器，但要加強(qiáng)檢修維護(hù)，定期檢測(cè)配電線(xiàn)路的無(wú)功損耗，及時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題并及時(shí)更換。總之，不但要求光源質(zhì)量好，而且還要求與其配套的附件質(zhì)量也要好。隧道內(nèi)汽車(chē)廢氣多，可見(jiàn)度差，而且會(huì)污染燈具的透光表面，光損失嚴(yán)重，所以燈具的維護(hù)系數(shù)一般為0.50.7，我國(guó)取為0.60.7，即有30%左右光能損耗掉了。這可以用二氧化鈦(TiO2)光觸媒膜自動(dòng)去掉燈具透光表面上汽車(chē)廢氣和油污等污垢，提高光透過(guò)率。二氧化鈦光觸媒 膜具有很強(qiáng)的氧化分解作用，會(huì)使有機(jī)物分解，自動(dòng)清潔燈具透光表面，而且化學(xué)穩(wěn)定性好，強(qiáng)度大，硬度與玻璃相同，壽命長(zhǎng)，材料價(jià)低。在隧道照明中采用二氧化鈦光觸膜技術(shù)，可以消除汽

18、車(chē)廢氣，塵埃在燈光發(fā)光面上的污垢，增加光輸出，減少燈具人工清潔次數(shù)，降低維護(hù)費(fèi)用。如果選擇了合適的燈具和其安裝角度，增大隧道頂棚和墻壁的光反射比，尤其是使側(cè)壁2m以下的光反射比較大，那么由于隧道頂棚、墻和路面之間的多次反射，可使路面平均亮度和側(cè)壁2m以下的亮度較大，使隧道照明設(shè)計(jì)更為合理，從而達(dá)到隧道照明安全和節(jié)能要求。4.小結(jié)公路隧道照明設(shè)計(jì)應(yīng)首先根據(jù)當(dāng)?shù)毓鈿夂虻葘?shí)際情況，對(duì)洞口上建進(jìn)行精心設(shè)計(jì)，降低洞口景物亮度，選擇適宜的設(shè)計(jì)參數(shù)，并且要采用新穎的察覺(jué)對(duì)比法及視覺(jué)科學(xué)的研究成果進(jìn)行隧道照明設(shè)計(jì)，要嚴(yán)格把握好一個(gè)適合的“度”，即采用合適的隧道照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)制，切實(shí)解決好隧道中特有的視覺(jué)問(wèn)題，同時(shí)采用行之有效的照明節(jié)能措施，從隧道照明系統(tǒng)工程觀點(diǎn)出發(fā)進(jìn)行合理的隧道照明設(shè)計(jì)和隧道通風(fēng)設(shè)計(jì)，加強(qiáng)管理和維護(hù)，實(shí)現(xiàn)隧道照明和行車(chē)安全，快遞，舒適的目的。1交通部重慶公路科學(xué)研究所公路隧道通風(fēng)照明設(shè)計(jì)規(guī)范S.JTJ026.1-1999，北京：人民交通出版社，2000.2陳仲林，翁季等，用數(shù)碼相機(jī)測(cè)量亮度分布J.照明工程學(xué)報(bào)，2005，16(3)：111