縱坡對(duì)城市下穿隧道入口段照明設(shè)計(jì)的影響

凌定祥，郭麗蘋，何 瑤

(1. 江蘇省揚(yáng)州市公路管理處，揚(yáng)州 225000； 2. 蘇交科集團(tuán)股份有限公司，南京 210019)

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，城市建設(shè)突飛猛進(jìn)，城市下穿隧道成為城市道路的重要組成部分。城市下穿隧道具有車速和交通量呈潮汐變化、埋深較淺、隧道斷面較大、縱坡坡度較大及運(yùn)營(yíng)管理復(fù)雜等特點(diǎn)[1]，為其照明設(shè)計(jì)增加了難度。隧道照明設(shè)計(jì)不僅影響到隧道運(yùn)營(yíng)的安全與舒適，而且制約著隧道的養(yǎng)護(hù)費(fèi)用。

目前，現(xiàn)行規(guī)范并未就城市下穿隧道的照明設(shè)計(jì)進(jìn)行特殊要求，因此，設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)過程中多參照《公路隧道照明設(shè)計(jì)細(xì)則》(以下簡(jiǎn)稱“設(shè)計(jì)細(xì)則”)進(jìn)行設(shè)計(jì)。本文基于城市下穿隧道縱坡與公路隧道縱坡之間的差異，分析其對(duì)隧道入口段照明設(shè)計(jì)的適應(yīng)距離、入口段TH1和TH2長(zhǎng)度、視線天空面積百分比產(chǎn)生的影響，進(jìn)而對(duì)設(shè)計(jì)細(xì)則中的計(jì)算公式在城市下穿隧道設(shè)計(jì)中的適用性進(jìn)行探討。

1 城市下穿隧道縱坡與公路隧道縱坡對(duì)比

受實(shí)際路線的線型影響，城市下穿隧道縱坡與公路隧道縱坡存在著較大的差異。通常情況下，城市下穿隧道縱坡中間點(diǎn)最低，形成“波谷”[2]；而公路隧道縱坡多為一字型(存在一定坡度)，或中間點(diǎn)最高，形成“波峰”[3]，如圖1所示。

2 縱坡對(duì)適應(yīng)距離的影響

(a) 城市下穿隧道

(b) 公路隧道

縱坡坡度小于零的情況下(如圖3所示)，適應(yīng)距離d的推導(dǎo)過程如式(1)～(5)所示，其中，α角為縱坡角度的絕對(duì)值。

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

縱坡坡度大于零的情況下，按照同樣的推導(dǎo)過程，可得其適應(yīng)距離如下：

(6)

3 縱坡對(duì)停車視距的影響

停車視距指同一車道上，車輛行駛時(shí)遇到前方障礙物而必須采取制動(dòng)停車時(shí)所需要的最短行車距離[5]。不同規(guī)范對(duì)停車視距的規(guī)定略有不同，此處以設(shè)計(jì)細(xì)則為例，其對(duì)照明停車視距的規(guī)定條款如表1所示。

表1 照明停車視距Ds (m)

4 縱坡對(duì)入口段TH1、TH2長(zhǎng)度的影響

根據(jù)設(shè)計(jì)細(xì)則的相關(guān)規(guī)定，入口段TH1、TH2長(zhǎng)度的計(jì)算公式如下：

(7)

為探討縱坡對(duì)入口段TH1、TH2長(zhǎng)度的影響，特采用控制變量法進(jìn)行分析，假定隧道凈空高度h為6 m，通過計(jì)算得出不同坡度、不同車速下入口段的TH1、TH2長(zhǎng)度，如表2所示。

表2 入口段TH1、TH2長(zhǎng)度 (原公式) (m)

注：因公式中的縱坡坡度α用度數(shù)表示，而表格中的縱坡坡度則用百分比表示，故計(jì)算過程中利用公式α=arctan|x%|在兩者之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換。

考慮縱坡坡度對(duì)適應(yīng)距離的影響，更新原入口段TH1、TH2長(zhǎng)度的計(jì)算公式如下：

① 縱坡小于零

(8)

② 縱坡大于零

(9)

將相關(guān)數(shù)據(jù)帶入更新后的公式，得到入口段的TH1、TH2長(zhǎng)度，如表3所示。

表3 入口段TH1、TH2長(zhǎng)度(新公式) (m)

由表2～3可知，隨著縱坡坡度由負(fù)值變?yōu)檎?，入口段的TH1、TH2長(zhǎng)度不斷縮減；隨著設(shè)計(jì)速度的增大，入口段的TH1、TH2長(zhǎng)度不斷增加。對(duì)比表2～3的數(shù)據(jù)可知，更新后的公式對(duì)照明段長(zhǎng)度的計(jì)算結(jié)果小于原公式，縱坡大于零時(shí)，相差很小，差值不超過0.11 m；縱坡小于零時(shí)，相差較明顯，且差值隨著縱坡絕對(duì)值的變大而變大，最大可達(dá)4 m。

因此，當(dāng)縱坡坡度大于零時(shí)，為方便設(shè)計(jì)，可不考慮其對(duì)入口段TH1、TH2長(zhǎng)度的影響，但當(dāng)縱坡小于零時(shí)，則應(yīng)適當(dāng)加以考慮。

5 縱坡對(duì)視線天空面積百分比的影響

洞外亮度L20(S)是指在接近段起點(diǎn)A處，距地面1.5 m高，正對(duì)洞口方向20°視場(chǎng)實(shí)測(cè)得到的平均亮度[4]。視線天空面積百分比是洞外亮度最主要的影響因素，本文將通過討論視線天空面積百分比，進(jìn)而形成對(duì)洞外亮度的推論。

除縱坡外，影響視線天空面積百分比的因素還有很多，如洞外環(huán)境、山體形狀及高度、隧道周邊建筑物等，此處僅考慮縱坡對(duì)視線天空面積百分比的影響。

① 縱坡坡度為零時(shí)，洞口視線天空面積百分比的計(jì)算：

如圖4所示，陰影部分代表視線非天空面積，空白部分代表視線天空面積。設(shè)總視線范圍面積為S，非陰影部分面積為S′。

圖4 縱坡坡度為零時(shí)視線天空面積百分比

陰影部分的面積S3為三角形(陰影部分1)與扇形的面積(陰影部分2)之和，即：

(10)

非陰影部分的面積S′為：

(11)

縱坡坡度為零時(shí)，洞口天空百分比η1為：

(12)

式中，r為視線半徑，r=L×tan10°；d為三角形的垂足，d=h-1.5。

② 縱坡坡度小于零時(shí)，洞口視線天空面積百分比的計(jì)算：

縱坡坡度小于零時(shí)，視線天空面積如圖5所示。參考縱坡坡度為零時(shí)的計(jì)算推導(dǎo)過程，可得其洞口視線天空面積百分比η2為：

(13)

式中，d1為三角形的垂足，d1=d×cosα=(h-1.5)×cosα。

圖5 縱坡坡度小于零時(shí)視線天空面積百分比

③ 縱坡坡度大于零時(shí)，洞口視線天空面積百分比的計(jì)算：

圖6 縱坡坡度大于零時(shí)視線天空面積百分比

縱坡坡度大于零時(shí)，視線天空面積如圖6所示。參考縱坡坡度為零時(shí)的推導(dǎo)過程，可得洞口視線天空面積百分比η3為：

(14)

式中，d″為三角形垂足的立面投影長(zhǎng)度，d2=d÷cosα=(h-1.5)÷cosα。

假定凈空高度h為6 m，帶入具體數(shù)值，計(jì)算結(jié)果如表4所示。

表4 視線天空面積百分比η (%)

根據(jù)設(shè)計(jì)細(xì)則中的相關(guān)規(guī)定，對(duì)福建、廣東、重慶、陜西等省(市)近百座隧道洞外亮度進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，對(duì)測(cè)試結(jié)果分析可知，所測(cè)山嶺公路隧道洞口方向20°圓錐視場(chǎng)內(nèi)，視線天空面積百分比通常為0。

城市下穿隧道入口上方通常有土建結(jié)構(gòu)、覆土或防撞側(cè)石等的遮擋?？紤]如上因素，再次計(jì)算視線天空面積百分比如下：

① 縱坡坡度小于等于零

(15)

式中，d3為三角形垂足的立面投影長(zhǎng)度，d3=d×cosα+2.3=(h-1.5)×cosα+2.3。

② 縱坡坡度大于零

(16)

式中，d4為三角形垂足的立面投影長(zhǎng)度，d4=d÷cosα+2.3=(h-1.5)÷cosα+2.3。

將數(shù)值帶入式(12)～(13)進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果如表5所示。

表5 考慮遮擋的視線天空面積百分比η (%)

由表4～5可知，隨著縱坡坡度由負(fù)值變?yōu)檎?，視線天空面積百分比逐漸減小；隨著設(shè)計(jì)速度的增大，視線天空面積百分比逐漸增大。對(duì)比表4～5中的數(shù)據(jù)可知，考慮洞口遮擋因素給計(jì)算結(jié)果帶來了一定的變化，時(shí)速為60 km/h時(shí)的變化最大，變化量可達(dá)10%。因城市下穿隧道的縱坡坡度多為負(fù)值，故設(shè)計(jì)估算時(shí)多采用縱坡坡度小于零情況下的理論視線天空面積百分比。

6 縱坡對(duì)洞外亮度的影響

洞外亮度是隧道照明的基礎(chǔ)參數(shù)，該參數(shù)的合理設(shè)定對(duì)工程投資和運(yùn)營(yíng)費(fèi)用有較大影響。因隧道洞外亮度值需在工程完工后才能通過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)獲得，故設(shè)計(jì)之初須對(duì)其進(jìn)行預(yù)估。根據(jù)設(shè)計(jì)細(xì)則中的相關(guān)描述，提出公路隧道洞外亮度建議值如表6所示。

表6 公路隧道洞外亮度L20(S) (103 cd/m2)

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果，公路隧道洞口亮度實(shí)測(cè)值普遍在2 300～3 300 cd/m2之間，削竹式洞門隧道洞外亮度通常在2 500 cd/m2左右，端墻式洞門隧道洞外亮度通常在3 000 cd/m2左右。

僅考慮土建結(jié)構(gòu)、覆土和防撞側(cè)石遮擋的情況下，城市下穿隧道視線天空面積百分比不超過40%，下降明顯。考慮洞口形式的影響，削竹式洞口比端墻式洞口的亮度建議值下降了500 cd/m2，而城市下穿隧道敞開段有側(cè)墻，側(cè)墻對(duì)洞口亮度的影響遠(yuǎn)大于洞口形式，因此，考慮側(cè)墻及城市下穿隧道周圍樓宇等建筑物的遮擋，給出洞外亮度建議值如表7所示。

表7 城市下穿隧道洞外亮度L20(S) (103cd/m2)

7 結(jié)論

(1) 縱坡坡度大于零時(shí)，其對(duì)入口段TH1、TH2長(zhǎng)度的影響較小，為簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)過程，設(shè)計(jì)時(shí)可忽略不計(jì)，但當(dāng)縱坡坡度小于零時(shí)，應(yīng)適當(dāng)予以考慮。

(2) 縱坡對(duì)洞口視線天空面積百分比存在一定的影響，故其對(duì)洞口亮度取值也會(huì)產(chǎn)生一定的影響?，F(xiàn)行規(guī)范并未對(duì)城市下穿隧道照明參數(shù)設(shè)計(jì)進(jìn)行特殊規(guī)定，因此，設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)過程中應(yīng)主要參照設(shè)計(jì)細(xì)則進(jìn)行設(shè)計(jì)。

(3) 對(duì)設(shè)計(jì)細(xì)則中的公式是否適用于城市下穿隧道進(jìn)行了探討，為類似工程的照明設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。

本文探討了不同縱坡對(duì)城市下穿隧道洞外亮度產(chǎn)生的影響，其中，隧道側(cè)墻、洞口建筑物等因素的影響僅為理論分析，后續(xù)可通過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)一步論證。