高速公路隧道照明設(shè)計(jì)研究

常國(guó)偉

（山西省交通科學(xué)研究院，山西 太原 030006）

公路隧道照明的目的是創(chuàng)造洞內(nèi)良好的視覺環(huán)境，確保在白天和夜間行駛的車輛以設(shè)計(jì)速度能夠安全地接近、穿越和通過隧道，同時(shí)為在高速公路隧道內(nèi)的車輛駕駛員提供舒適和安全的行車環(huán)境。高速公路隧道照明系統(tǒng)主要包括：入口段照明、過渡段照明、中間段照明、出口段照明、緊急停車帶和橫通道照明、應(yīng)急照明及洞外引道照明[1]。本文主要研究了高速公路隧道照明系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案、設(shè)計(jì)過程及照明控制等。

山西省高速公路某隧道為單向交通雙車道，左洞全長(zhǎng)3 900 m，右洞全長(zhǎng)3 910 m，隧道內(nèi)凈空高度為5 m，路面寬度為8.75 m，縱坡為1.5%，隧道洞口形式為端墻式，隧道內(nèi)路面采用水泥混凝土路面，平均亮度與平均照度間的換算系數(shù)取10 lx/(cd·m-2)，隧道內(nèi)設(shè)計(jì)行車速度為80 km/h。根據(jù)工可報(bào)告中提供的該隧道段預(yù)計(jì)建成通車10年后的標(biāo)準(zhǔn)小客車交通量為33 887 pcu/d，預(yù)計(jì)建成通車15年后的標(biāo)準(zhǔn)小客車交通量為40 333 pcu/d，該隧道選取設(shè)計(jì)小時(shí)交通量系數(shù)K為0.11，方向分布系數(shù)D為0.55。

1 隧道照明設(shè)計(jì)方案

1.1 設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)及思路

為保證行車安全，高速公路隧道照明系統(tǒng)按照《公路隧道照明設(shè)計(jì)細(xì)則》（JTG/T D70/2-01—2014）和《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范 第二冊(cè) 交通工程與附屬設(shè)施》（JTG D70/2—2014）規(guī)范要求進(jìn)行設(shè)計(jì)。本隧道照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)基本思路是在保證行車安全和舒適的條件下，使照明回路操作簡(jiǎn)便，并采用高效節(jié)能光源，盡量達(dá)到節(jié)約能源的目的（光源選用高壓鈉燈和LED隧道燈）?？煽?、先進(jìn)的照明控制是確保隧道安全運(yùn)營(yíng)及節(jié)能的重要手段，通過照明調(diào)光控制，使亮度水平更加符合實(shí)際的車流量和洞外亮度情況，從而達(dá)到安全運(yùn)營(yíng)和節(jié)能降耗的目的。

公路隧道照明設(shè)計(jì)應(yīng)統(tǒng)籌規(guī)劃，一次設(shè)計(jì)。照明設(shè)施根據(jù)預(yù)測(cè)交通量變化分兩期進(jìn)行實(shí)施，高速公路隧道照明設(shè)施分期按10年為界劃分。結(jié)合隧道實(shí)施計(jì)劃，本隧道預(yù)計(jì)于2019年底建成通車，故本隧道照明系統(tǒng)的設(shè)計(jì)選取2029年為照明設(shè)計(jì)近期，選取2039年為照明設(shè)計(jì)遠(yuǎn)期。

1.2 設(shè)計(jì)方案的確定

高速公路隧道建成通車后，隧道照明的運(yùn)營(yíng)和維護(hù)費(fèi)用是最大的日常開支項(xiàng)目之一，目前高速公路隧道照明通常采用的燈具為高壓鈉燈和LED燈兩種。

高壓鈉燈具有透霧能力強(qiáng)、光效高、壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。目前高壓鈉燈技術(shù)已經(jīng)很成熟，在國(guó)內(nèi)外大型工程已應(yīng)用，且高壓鈉燈的穿透性較好，特別是隧道內(nèi)車輛排放的煙塵影響行車司機(jī)的視覺，高壓鈉燈的穿透性可大大提高隧道亮度。

LED隧道燈具有長(zhǎng)壽命、低光衰、高效節(jié)能、綠色環(huán)保、高顯色性等優(yōu)點(diǎn)。燈具發(fā)出的光接近自然光，使物體顏色更真實(shí)自然，在車輛進(jìn)入隧道后，司機(jī)可以很快適應(yīng)光線顏色變化，確保行車的安全。另外，LED隧道燈可以瞬間啟動(dòng)，斷電后重新接通電源光源可即刻點(diǎn)亮，減小了等待照明系統(tǒng)恢復(fù)正常的過程中對(duì)交通安全可能造成的隱患。

考慮通車運(yùn)營(yíng)后隧道照明的經(jīng)濟(jì)性并結(jié)合隧道所在地理位置特點(diǎn)及隧道內(nèi)車輛組成比例，本隧道照明的光源采用高壓鈉燈和LED隧道燈相結(jié)合的設(shè)計(jì)方案，中間段基本照明燈具采用兩側(cè)交錯(cuò)布設(shè)的方式，其他段照明燈具采用兩側(cè)對(duì)稱布設(shè)的方式。入口段加強(qiáng)照明燈具選用250 W的高壓鈉燈，過渡段和出口段加強(qiáng)照明燈具選用150 W的高壓鈉燈，中間段基本照明燈具選用70 W的LED隧道燈。

為預(yù)防突然停電引起隧道驟暗而影響行車安全，隧道全線設(shè)置了應(yīng)急照明。從基本照明燈具中選擇行車方向右側(cè)的奇數(shù)燈作為應(yīng)急照明光源，24 h全亮。為保證意外情況下人員迅速疏散，在行人（車）橫洞頂部設(shè)置LED照明，在隧道左右洞進(jìn)出口外引道行車方向右側(cè)布置10 m單臂鋼桿路燈照明，光源采用70 W的LED隧道燈。

2 隧道照明設(shè)計(jì)過程

2.1 入口段照明

由于隧道洞外亮度L20的合理確定需要待隧道洞口工程完工后才能通過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)獲得，無法在短時(shí)期內(nèi)準(zhǔn)確測(cè)量，故在設(shè)計(jì)之初需要根據(jù)洞門形式以及洞門周圍景物反射率等因素預(yù)估并確定洞外亮度，本項(xiàng)目隧道處于山嶺重丘區(qū)地段且隧道入口為端墻式洞口，故其洞外亮度L20暫按3 000 cd/m2考慮。

依據(jù)本隧道工程可行性研究報(bào)告中提供的設(shè)計(jì)近期和遠(yuǎn)期年份的預(yù)測(cè)標(biāo)準(zhǔn)小客車平均日交通量和車輛組成比例，將交通量換算成混合車型高峰小時(shí)交通量，按照線性內(nèi)插取值確定本隧道入口段亮度折減系統(tǒng)K值，結(jié)合本隧道左右洞的縱坡，分別確定入口段亮度和長(zhǎng)度的值。

2.2 過渡段照明

過渡段宜按漸變遞減原則劃分為TR1、TR2、TR3三個(gè)照明段。因本隧道基本照明段的亮度為2.5 cd/m2，而本隧道過渡段TR3的亮度Ltr3值未大于中間段亮度Lin的2倍，因此本隧道可不設(shè)置過渡段TR3加強(qiáng)照明。根據(jù)入口段的亮度和長(zhǎng)度，分別計(jì)算出各過渡段的亮度和長(zhǎng)度。

2.3 中間段照明

根據(jù)本隧道段混合車型高峰小時(shí)交通量值，確定本隧道段中間段亮度為2.5 cd/m2。由于本隧道為單向交通且以設(shè)計(jì)速度通過本隧道的行車時(shí)間超過135 s，因此本隧道中間段分為兩個(gè)照明段，第一照明段長(zhǎng)度為666 m，設(shè)計(jì)亮度為2.5 cd/m2，第二照明段長(zhǎng)度為余下的中間段長(zhǎng)度，設(shè)計(jì)亮度為2.0 cd/m2。

根據(jù)規(guī)范要求，緊急停車帶主要為異常車輛提供檢修維護(hù)的場(chǎng)所，故其照明宜采用顯色指數(shù)高的光源，亮度不應(yīng)低于4.0 cd/m2。同時(shí)為保證意外情況下人員迅速疏散，隧道設(shè)有行人、行車橫洞，橫通道亮度取 1.0 cd/m2值[2]。

2.4 出口段照明

出口段宜劃分為EX1、EX2兩個(gè)照明段，每段長(zhǎng)度宜取30 m，與之對(duì)應(yīng)的亮度分別由基本段的亮度計(jì)算所得[2]。

2.5 應(yīng)急照明與洞外引道照明

本隧道設(shè)置應(yīng)急照明系統(tǒng)，采用不間斷供電系統(tǒng)。應(yīng)急照明亮度不低于中間段亮度的10%，且不低于0.2 cd/m2。應(yīng)急照明燈具可利用部分基本照明燈具，應(yīng)急照明供電電源維持時(shí)間不少于30 min。

當(dāng)隧道處于無照明路段時(shí)，容易出現(xiàn)因洞內(nèi)外亮度反差引起的視覺偏差，故設(shè)置引道段照明，利于駕駛員提前察覺隧道狀況或洞外道路狀況[3]。本隧道洞外引道照明亮度取1.0 cd/m2，長(zhǎng)度取130 m。隧道洞內(nèi)各區(qū)段照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)見表1。

表1 隧道左右洞照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)表

2.6 燈具布置

本隧道照明設(shè)計(jì)所選的250 W高壓鈉燈的額定光通量為28 000 lm，150 W高壓鈉燈的額定光通量為16 000 lm，70 W LED燈具的額定光通量為7 000 lm，各燈具的利用系數(shù)均為0.8，養(yǎng)護(hù)系數(shù)為0.7。兩側(cè)交錯(cuò)布置的布置系數(shù)為1，兩側(cè)對(duì)稱布置的布置系數(shù)為2，中間段照明燈具采用兩側(cè)交錯(cuò)布設(shè)方式，其他段照明燈具采用兩側(cè)對(duì)稱布設(shè)方式。根據(jù)燈具布置間距計(jì)算公式：S=(η·φ·M·N)/(W·Eav），得出本隧道內(nèi)各區(qū)段照明燈具的布設(shè)間距及燈具數(shù)量如表2。

表2 隧道照明各區(qū)段長(zhǎng)度及燈具布置表

3 隧道照明控制設(shè)計(jì)

隧道房建變電所在照明控制裝置內(nèi)為監(jiān)控系統(tǒng)預(yù)留接口，便于監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。隧道照明控制分為定時(shí)控制和手動(dòng)控制兩種，照明控制裝置布置于隧道房建變電所相應(yīng)低壓柜內(nèi)。上述兩種控制方式是比較成熟的控制方案，但隨著科學(xué)的發(fā)展，各種照明控制理念相互推出，更科學(xué)的控制理念會(huì)進(jìn)入隧道照明控制系統(tǒng)中去。目前結(jié)合交通監(jiān)控，根據(jù)交通量的變化控制隧道照明亮度，以及補(bǔ)償和限制電網(wǎng)電壓等控制方法，在隧道實(shí)施階段，將根據(jù)當(dāng)前的技術(shù)引入較先進(jìn)和成熟的照明節(jié)能控制模式。

加強(qiáng)照明應(yīng)根據(jù)洞外亮度和交通量變化，進(jìn)行入口段、過渡段和出口段的調(diào)光方案設(shè)計(jì)，可分白天（夏季晴天、其他季節(jié)晴天/夏季云天、其他季節(jié)云天/夏季陰天、其他季節(jié)陰天/重陰天）、晚上、夜間六級(jí)調(diào)光分級(jí)組合進(jìn)行。本隧道在洞口及隧道照明引入段各設(shè)一臺(tái)亮度檢測(cè)儀，按六級(jí)天候控制?；菊彰鲬?yīng)根據(jù)交通量變化，按照隧道中間段的亮度值進(jìn)行調(diào)光方案設(shè)計(jì)。本項(xiàng)目隧道內(nèi)各區(qū)段照明回路開通時(shí)段見表3。

表3 隧道照明調(diào)光分級(jí)控制一覽表

4 結(jié)論

高速公路隧道照明系統(tǒng)是高速公路機(jī)電工程設(shè)計(jì)的一項(xiàng)重要內(nèi)容，尤其是《公路隧道照明設(shè)計(jì)細(xì)則》實(shí)施后，對(duì)于新建和改建公路隧道照明設(shè)計(jì)方案的確定具有很好的指導(dǎo)作用。在設(shè)計(jì)時(shí)要特別注意新規(guī)范與舊規(guī)范的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)差異，隧道內(nèi)照明指標(biāo)、調(diào)光模式、節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)等進(jìn)行了適當(dāng)?shù)慕档秃驼{(diào)整，大大提高了項(xiàng)目建設(shè)期與運(yùn)營(yíng)維護(hù)期間隧道照明系統(tǒng)的費(fèi)用[2]，同時(shí)對(duì)隧道照明設(shè)施進(jìn)行了有效的遠(yuǎn)程和現(xiàn)場(chǎng)控制，不僅可以提高隧道運(yùn)行安全水平，也能實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排。