基于視覺適應(yīng)的隧道入口外段遮光構(gòu)件設(shè)計(jì)研究

瑋 寶，翁 季，黃新月，王夢(mèng)穎

(重慶大學(xué)建筑城規(guī)學(xué)院，重慶 400045)

0 引言

隧道入口接近段遮光構(gòu)件的設(shè)置，對(duì)改善行車環(huán)境、確保行車安全以及節(jié)能減排都具有重要意義。本研究根據(jù)人眼暗適應(yīng)曲線的原理，在解決白晝隧道入口光差大造成的交通安全問題的同時(shí)，也彌補(bǔ)了現(xiàn)有隧道入口段采用大量人工照明增光措施解決光差問題的不足。相對(duì)于隧道入口段需要全天候高強(qiáng)度的人工照明措施導(dǎo)致的高成本高能耗的弊端，通過利用隧道入口段遮光構(gòu)件的自然減光措施來達(dá)到節(jié)能和降低現(xiàn)有成本的目的，使其在實(shí)際應(yīng)用中更易于推廣。此外，通過后期設(shè)計(jì)成果的模擬對(duì)比試驗(yàn)進(jìn)行光學(xué)數(shù)據(jù)分析，其可操作性和安全性亦可以得到論證。

1 隧道入口“黑洞效應(yīng)”與解決方法

2012年v溫州調(diào)整三都嶺隧道一年事故735 起，平均每天兩起，究其原因是入口采光不足引起隧道內(nèi)外光差大導(dǎo)致駕駛員“暫時(shí)失明”難以應(yīng)對(duì)突發(fā)事件。由于暗適應(yīng)比明適應(yīng)所需的反應(yīng)時(shí)間更長、反應(yīng)過程更復(fù)雜，因此，暗適應(yīng)的“黑洞效應(yīng)”比明適應(yīng)的“白洞效應(yīng)”所產(chǎn)生的危害更大。由此看來，在隧道入口處進(jìn)行一定的減光設(shè)計(jì)顯得更為重要。

解決隧道入口光差大的普遍做法是通過在入口段內(nèi)加以大師的人工照明來減弱亮度對(duì)比帶來的交通安全問題，此方法不僅缺乏高效性，更帶來嚴(yán)重的能耗問題。據(jù)統(tǒng)計(jì)，小于3 000 m 的中長隧道中出入口處加強(qiáng)照明所需的用電量約占整個(gè)隧道照明的50%。采用入口段的減光措施不僅可以形成一個(gè)光過渡帶，有效解決入口段的光差問題，改善進(jìn)入隧道的光環(huán)境，消除“黑洞”效應(yīng)，保證行車安全，同時(shí)也達(dá)到了節(jié)能的目的。

在隧道入口接近段進(jìn)行一定的遮光構(gòu)件設(shè)計(jì)，不管是從行車的安全性與舒適性的角度，還是從節(jié)能減排的角度出發(fā)，都是非常必要的。

2 隧道入口遮光構(gòu)件類型的選擇

在隧道入口利用減弱自然光達(dá)到減光效果的覺構(gòu)件類型有:遮陽棚、遮光板、遮光棚。

遮陽棚(圖1)利用透明或半透明材料的透光作用以達(dá)到減光效果，不允許陽光直接投射到路面上。遮光板(圖2)是利用透明或半透明材料的透光作用以達(dá)到減光效果，也不允許陽光直接投射到路面上，光過渡的效應(yīng)一般。遮光棚(圖3)是一種頂部為敞開式結(jié)構(gòu)的棚狀構(gòu)筑物，與遮陽棚、遮光板相比，其區(qū)別在于允許日光直射到路面上，且結(jié)構(gòu)相對(duì)簡單、輕巧。

從節(jié)能、經(jīng)濟(jì)以及施工等方面進(jìn)行對(duì)比，遮光棚這一尖減光措施減光效果好，不受自然環(huán)境因素影響，不增加隧道通風(fēng)長度，工程投資少，運(yùn)營期間維護(hù)工作量小。

因此采用遮光棚塔式更為合理。

圖1 遮陽棚

圖2 遮光板

圖3 遮光棚

3 隧道實(shí)地調(diào)研

3.1 無遮光構(gòu)件隧道調(diào)研——北碚隧道

北碚隧道是國道212 線渝合(重慶—合川)高速公路上的特長隧道。雙洞單向行車，單洞兩車道，左右洞分離布置，限制速度60 km/h。隧道采用削竹式入口。隧道整體朝向?yàn)槟掀珫|60°左右，入口朝向?yàn)槟掀珫|15°。

3.1.1 照度數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

使用照度計(jì)對(duì)隧道路面照度進(jìn)行測(cè)量，并對(duì)隧道入口接近段照度數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，如圖4 所示，橫坐標(biāo)單位為m，0 點(diǎn)取在隧道入口正下方的路面中心處;縱坐標(biāo)單位為lx。

圖4 北碚隧道接近段光照折線圖

由圖4 可見，無遮光構(gòu)件的隧道入口接近段在較短距離內(nèi)照度值變化差異大，這樣的現(xiàn)象在夏季晴天的時(shí)候尤其明顯。

3.1.2 北碚隧道調(diào)研結(jié)論

通過調(diào)研發(fā)現(xiàn)，北碚隧道入口處光差較大，駕駛員偶爾會(huì)出現(xiàn)“黑洞效應(yīng)”，存在嚴(yán)重安全隱患。北碚隧道實(shí)地調(diào)研結(jié)果不僅再次論證了在隧道入口接近段實(shí)施減光措施的必要性，同時(shí)也為后期構(gòu)件的研究設(shè)計(jì)提供了模型實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

3.2 有遮光構(gòu)件隧道調(diào)研——向陽隧道

向陽隧道是國道212 線渝合(重慶—合川)高速公路上的特長隧道。雙洞單向行車，單洞兩車道，左右洞分離布置，限制速度60 km/h。隧道整體朝向?yàn)槟掀珫|60°左右，入口朝向?yàn)槟掀珫|15°。

向陽隧道減光構(gòu)件類型為遮光棚減光(圖5)，構(gòu)件長12 m 寬8.5 m，材料采用白色混凝土。遮光構(gòu)件之間以兩段式方式排列，兩段式距離分別為40 cm 和20 cm。遮光構(gòu)件的結(jié)構(gòu)為側(cè)面實(shí)墻，中間由三根柱子支撐，頂部為寬為10 cm 的混凝土條(圖6)。

圖5 向陽隧道入口段遮光構(gòu)件實(shí)物圖

圖6 向陽隧道遮光構(gòu)件剖面圖

3.2.1 照度數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

使用照度計(jì)對(duì)隧道路面照度進(jìn)行測(cè)量，并對(duì)隧道入口接近段照度數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，如圖7 所示，橫坐標(biāo)單位為m，0 點(diǎn)取在隧道入口正下方的路面中心處;縱坐標(biāo)單位為lx。

3.2.2 向陽隧道調(diào)研結(jié)論

對(duì)比北碚隧道和向陽隧道接近段可以發(fā)現(xiàn)向陽隧道通過加建入口遮光構(gòu)件達(dá)到了良好的入口光過渡效果，并降低了隧道入口段加強(qiáng)照明的能耗，通過對(duì)向陽隧道入口減光措施的調(diào)研發(fā)現(xiàn)，向陽隧道遮光棚的優(yōu)點(diǎn)是經(jīng)濟(jì)適用，缺點(diǎn)是不符合人眼的暗適應(yīng)曲線，駕駛員無法很好地適應(yīng)光差的變化。因此，本研究試圖以北碚隧道為研究對(duì)象，通過增加遮光棚來達(dá)到減光目的，并通過遮光構(gòu)件的排布設(shè)計(jì)使減光過程盡量符合人眼暗適應(yīng)曲線，從而達(dá)到既節(jié)約能源，又能保證駕駛員安全性和舒適性的效果。

圖7 向陽隧道接近段光照折線圖

4 北碚隧道遮光棚設(shè)計(jì)

4.1 設(shè)計(jì)思路

本設(shè)計(jì)以北碚隧道為原型制作1∶10 隧道接近段減光構(gòu)件模型，測(cè)試篩選出與實(shí)際瀝青路面和實(shí)際混凝土構(gòu)件反射率相近的實(shí)驗(yàn)材料，并制作可調(diào)節(jié)構(gòu)件間距的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，利用照度?jì)測(cè)試遮光構(gòu)件下的模擬水平路面照度并繪制變化趨勢(shì)圖。由于CIE 隧道沿線亮度曲線由人眼暗適應(yīng)曲線(圖8)原理得出，因此將繪制的變化趨勢(shì)圖與CIE 曲線進(jìn)行比對(duì)，反復(fù)調(diào)節(jié)構(gòu)件距離至兩條曲線基本吻合，得出最合理(即最契合人眼暗適應(yīng)曲線)構(gòu)件排布間距。此外，為避免產(chǎn)生頻閃現(xiàn)象，對(duì)得出的構(gòu)件排布方式進(jìn)行修正，得出最終模型成果，并進(jìn)行節(jié)能的量化計(jì)算。

圖8 人眼暗適應(yīng)曲線圖

4.2 入口減光段設(shè)計(jì)長度

李英濤等指出，隧道出入口處遮光棚長度主要由隧道洞外及洞內(nèi)照度、洞外及洞內(nèi)亮度、駕駛員視力恢復(fù)時(shí)間及隧道設(shè)計(jì)速度等因素決定。同時(shí)也提出隧道出入口減光段長度計(jì)算模型［式(1)、式(2)］，并針對(duì)不同的隧道設(shè)計(jì)速度得出減光段的設(shè)計(jì)長度取值(如表1)。根據(jù)北碚隧道實(shí)際情況，入口減光段合理設(shè)計(jì)長度取74 m。

式中Sin——隧道入口處減光段合理設(shè)計(jì)長度(m);

Sout——隧道出口處減光段合理設(shè)計(jì)長度(m);

Dtr——隧道過渡照明段長度(m);

Vd——隧道設(shè)計(jì)速度(km/h)。

表1 隧道出入口減光段合理設(shè)計(jì)長度取值

4.3 遮光棚遮光構(gòu)件排布設(shè)計(jì)原理

當(dāng)人從光亮處進(jìn)入黑暗中，人眼對(duì)光的敏感度會(huì)瞬間大幅度降低，之后逐漸增加，約30 分鐘達(dá)到最大限度，此過程稱為人眼暗適應(yīng)，人眼的暗適應(yīng)曲線為不規(guī)則曲線。而在本設(shè)計(jì)中，隧道接近段光環(huán)境經(jīng)遮光構(gòu)件的改善后，照度分布情況隨著車輛的行駛滿足人眼暗適應(yīng)的需求，即遮光構(gòu)件呈不規(guī)則漸變排列滿足人眼的暗適應(yīng)曲線，獲得更佳的舒適性。

4.4 模型設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)

4.4.1 材料反射率模擬

通過篩選與瀝青路面和混凝土構(gòu)件材料反射率相近的色紙來模擬現(xiàn)實(shí)隧道入口段的光環(huán)境。通過在光學(xué)實(shí)驗(yàn)室的實(shí)驗(yàn)我們篩選出編號(hào)為423c 的色紙模擬混凝土遮光構(gòu)件(ρ=0.308 6)與編號(hào)為424c 的色紙模擬瀝青路面(ρ=0.196 0)。

同時(shí)，隧道內(nèi)部亮度由可調(diào)亮燈泡提供，滿足CIE曲線中三段式減光中第一段的亮度，即L內(nèi)=35%×L外。

4.4.2 入口段遮光構(gòu)件尺寸

模型設(shè)計(jì)比例為1 ∶10，北碚隧道設(shè)計(jì)速度為60 km/h，依據(jù)隧道出入口減光段合理設(shè)計(jì)長度取值(表1)，入口減光格柵段長度為7.1 m，測(cè)試過程中默認(rèn)太陽光為平行光線。圖9 為以北碚隧道實(shí)際尺寸設(shè)計(jì)的實(shí)際單元構(gòu)件尺寸。

圖9 實(shí)際單元構(gòu)件尺寸(mm)

4.4.3 設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)調(diào)試

以路面中心線為準(zhǔn)，測(cè)量出每一個(gè)單元構(gòu)件投射到路面上的明點(diǎn)與暗點(diǎn)的照度，以米為單位，一個(gè)單位里均勻取3 點(diǎn)，隨機(jī)取樣列入統(tǒng)計(jì)表格。測(cè)量范圍從隧道入口洞口正下方開始到遮光構(gòu)件結(jié)束處的正下方為止。每一組數(shù)據(jù)中格柵的間隔依據(jù)上一組數(shù)據(jù)路面照度變化進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整，并根據(jù)暗部與亮部的面積比例采用加權(quán)平均的方式來統(tǒng)計(jì)照度數(shù)據(jù)。表2 為從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)組中篩選出的最接近人眼暗適應(yīng)曲線變化趨勢(shì)的數(shù)據(jù)組。

根據(jù)暗部與亮部的面積比例采用加權(quán)平均的方式來統(tǒng)計(jì)照度數(shù)據(jù)。通過改變?cè)O(shè)計(jì)模型的格柵間距(圖10)，每一組數(shù)據(jù)中格柵的間隔依據(jù)上一組數(shù)據(jù)路面照度與CIE 曲線的對(duì)比差進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整。

圖10 實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蜏y(cè)量過程示意

表2 最適合人眼暗適應(yīng)曲線變化趨勢(shì)數(shù)據(jù)組

續(xù)表

4.4.4 效果對(duì)比

通過實(shí)驗(yàn)和數(shù)據(jù)組的比較調(diào)整確定了最佳格柵間距下的路面水平照度，并將其與人眼暗適應(yīng)曲線的入口段水平照度進(jìn)行比較。如圖11。

圖11 實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果與人眼暗適應(yīng)曲線入口段水平照明對(duì)照?qǐng)D

4.5 避免頻閃效應(yīng)

當(dāng)陽光直射入光格柵時(shí)，地面會(huì)出現(xiàn)陰暗交替的斑馬線。當(dāng)斑馬線引起的明暗變化頻率處于2.5～15 Hz 范圍內(nèi)時(shí)，將會(huì)使駕駛員產(chǎn)生閃爍效應(yīng)，引起視覺不適與心理干擾，從而影響行車安全。

故光格柵的間距設(shè)計(jì)應(yīng)避開在此范圍內(nèi)的閃爍頻率。明暗交替的閃爍頻率與行車速度及遮光棚遮光構(gòu)件間距關(guān)系式為

式中F——頻閃頻率，Hz;

V——隧道設(shè)計(jì)速度，m/s;

d——遮光棚光格柵中心間距，m。

北碚隧道按設(shè)計(jì)速度Vd=60 km/h，避免頻閃頻率為f≤2.5 Hz 或f≥15 Hz，計(jì)算得，遮光棚光格柵中心間距:d≤1.48 m 或≥8.9 m。

在格柵間距難以滿足防頻閃要求時(shí)，在透光格柵間設(shè)置橫向細(xì)小格柵片，或在遮光構(gòu)件外部加設(shè)減光膜，這樣可以消除車道正上方駕駛員20% 的仰角內(nèi)自然光進(jìn)入視線的可能，避免產(chǎn)生斑馬線的閃爍效應(yīng)。

在后期實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)最佳格柵間距數(shù)據(jù)組里出現(xiàn)了3 m 的格柵間距，落在了產(chǎn)生頻閃的距離區(qū)間內(nèi)，為了避免頻閃于是我們?cè)陧敳康牟晒饪p中每間隔0.5 m 設(shè)置橫向格柵片來防眩。圖12 為實(shí)驗(yàn)修繕防?，F(xiàn)象后的減光構(gòu)件防眩部分的細(xì)節(jié)大樣。

4.6 最終成果

經(jīng)過實(shí)驗(yàn)測(cè)試與修正，最終獲得與人眼暗適應(yīng)曲線變化趨勢(shì)相近的減光構(gòu)件排布設(shè)計(jì)方式，如圖13。

圖12 減光構(gòu)件防眩段細(xì)部大樣示意圖(mm)

圖13 減光構(gòu)件段最終調(diào)試效果面示意圖(mm)

5 節(jié)能效果量化(電能、經(jīng)濟(jì))

在入口接近段增加遮光構(gòu)件后可以把原先加強(qiáng)照明部分的電能W1轉(zhuǎn)化為普通照明的電能W2，節(jié)約的電能占整個(gè)隧道照明電能的百分比

按照我國《公路隧道照明設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定，長度大于100 m 的公路隧道應(yīng)設(shè)置照明設(shè)施，且每延公里隧道照明負(fù)荷不應(yīng)小于60 kW。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，目前我國已建成通車的公路隧道已超過2 600 延公里。

(1)每小時(shí)全國隧道消耗能量

(2)以重慶電費(fèi)0.52 元/度(即0.52 元/千瓦時(shí))為例，每小時(shí)全國隧道產(chǎn)生電費(fèi)

(3)每小時(shí)全國隧道消耗的電能所產(chǎn)生的CO2:

一般發(fā)1 度電大概需要300 g 煤粉左右，300 g 煤中就大約有165 g 的碳，也就會(huì)生成約為500 g 的CO2。即:

而采用接近段遮光構(gòu)件節(jié)約的電能百分比約為50%，則每小時(shí)全國隧道消耗能量可節(jié)約7.8 ×104kW·h，每小時(shí)可節(jié)約電費(fèi)4.056 ×104元，每小時(shí)可減少CO2排放量為3.9 ×107g。

6 小結(jié)

通過對(duì)模擬的北碚隧道自然光過渡段構(gòu)件設(shè)計(jì)及測(cè)試結(jié)果的分析，得出減光防眩最不利時(shí)間段(夏季/正午)的格柵間距以及接近人眼暗適應(yīng)曲線的減光效果。隧道入口遮光構(gòu)件的設(shè)計(jì)首要前提是保證減光的合理，以及符合人眼暗適應(yīng)曲線變化的舒適度，然后應(yīng)考慮修建成本與節(jié)約照明電量的關(guān)系，計(jì)算出回收成本的年限，確保安裝構(gòu)件經(jīng)濟(jì)合理。同時(shí)也應(yīng)根據(jù)工程地點(diǎn)朝向、隧道設(shè)計(jì)車速、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等對(duì)自然光過渡設(shè)置方式進(jìn)行具體的分析與設(shè)計(jì)，然后再考慮遮光建筑實(shí)用性與美觀性的協(xié)調(diào)問題。

［1］李英濤，程國柱.公路隧道出入口減光格柵段合理長度研究［J］.公路工程，2009(5):13～15，20

［2］中華人民共和國行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)公路隧道通風(fēng)照明設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.1999(1)

［3］彭子暉.隧道自然光過渡設(shè)計(jì)淺議［J］.地下工程與隧道，2013(2):13～15，20