毗鄰隧道減光棚洞配置技術(shù)

劉 鵬，馬 非，夏楊于雨，崔向陽(yáng)

(1.重慶交通大學(xué)土木工程學(xué)院，重慶 400047；2.招商局重慶交通科研設(shè)計(jì)院，重慶 400067)

引言

截至2017年底，全國(guó)公路隧道為16 229處，比2016年增加1 048處[1]，公路隧道群(包括毗鄰隧道和連續(xù)隧道)的特殊路段也相應(yīng)地增多。根據(jù)鐵路隧道相關(guān)規(guī)范定義，隧道群是相鄰隧道洞口間距不小于一列旅客列車長(zhǎng)度的一組隧道[2]；而公路毗鄰隧道目前還沒(méi)有明確定義公路隧道群和毗鄰隧道概念以及其限定長(zhǎng)度，考慮到通風(fēng)、照明、消防安全、交通安全等因素，多將兩隧道間距L≤250 m 的隧道定義為毗鄰隧道；L>250 m且L≤1 000 m定義為連續(xù)隧道[3，4]。而隧道群的特殊存在，使得與單體隧道光環(huán)境相比有明顯的不同。受自然光影響，白天隧道內(nèi)亮度較低，連續(xù)隧道區(qū)段亮度較高，這將迫使駕駛者在該地段經(jīng)歷連續(xù)的明暗視覺(jué)適應(yīng)[5，6]。

毗鄰隧道光環(huán)境對(duì)駕駛者的視覺(jué)存在一定的影響，甚至在少數(shù)太陽(yáng)直射等特殊地區(qū)的毗鄰隧道光環(huán)境對(duì)駕駛造成直接干擾[7]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，駕駛?cè)耸д`中，感知失誤占42%左右，判斷失誤占36%[8]，這說(shuō)明信息獲得性感知對(duì)駕駛者來(lái)說(shuō)極其重要。感官對(duì)交通信息傳遞占比中，視覺(jué)約占80%[9]，這表明視覺(jué)感知是駕駛者交通特性的重要依據(jù)來(lái)源，在隧道環(huán)境下，影響視覺(jué)感知的主要因素就是洞外亮度和洞內(nèi)照明亮度。因此，隧道群區(qū)段亮度連續(xù)變化適應(yīng)問(wèn)題就是一個(gè)大的隧道風(fēng)險(xiǎn)源，對(duì)該區(qū)段亮度進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整措施是非常必要的。

1 工程概況

模型設(shè)計(jì)依據(jù)汕湛高速惠清段項(xiàng)目，位于廣東省中部地區(qū)，高速公路惠州至清遠(yuǎn)段為山嶺重丘區(qū)高速公路，根據(jù)初步設(shè)計(jì)文件，全線共有隧道16座，2座總里程8 459.5 m的特長(zhǎng)隧道、5 座總里程為7 816.5 m的長(zhǎng)隧道、6 座總里程為4 228.5 m的中隧道、3 座總里程為899 m的短隧道(16座隧道總長(zhǎng)21.403 km)。隧道線路長(zhǎng)，沿線路段有多處連續(xù)隧道，毗鄰隧道以八片山隧道與太和洞隧道為典型。

圖1 山區(qū)毗鄰隧道光環(huán)境現(xiàn)狀

八片山隧道左線小樁號(hào)為ZK172+567，大樁號(hào)為ZK173+568，長(zhǎng)1 001 m，右線小樁號(hào)為YK172+565，大樁號(hào)為YK173+570,長(zhǎng)1 005 m，為中長(zhǎng)隧道。太和洞隧道左線小樁號(hào)為ZK173+735，大樁號(hào)為ZK177+986，長(zhǎng)4251 m，右線小樁號(hào)為YK173+752，大樁號(hào)為YK178+050，長(zhǎng)4298 m,為特長(zhǎng)隧道。其中左線毗鄰區(qū)間長(zhǎng)167 m，右線毗鄰區(qū)間長(zhǎng)182 m，本次研究依托此工程建立模型分析。

2 計(jì)算模型

2.1 模型建立

建立三維計(jì)算模型，模型為兩車道毗鄰減光棚，路面寬度為11.75 m，加上應(yīng)急車道總路寬為15 m，減光棚模型縱向長(zhǎng)度為200 m，透光帶寬度為1.5 m，減光棚外表面材料反射率為0.43(除透光帶)，內(nèi)表面反射率為0.3。實(shí)際工程路面類型為瀝青混凝土，反射特性為R3[10](以漫反射為主，些許的鏡面反射)，其中路面反射率為0.22，光澤度s1取1.1，平均亮度系數(shù)Q0為0.07，因?qū)嶋H工程為新建隧道，故模型路面參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)取值與工程隧道實(shí)際參數(shù)接近一致。模型如圖2所示。

圖2 減光棚模型

研究采用DIAlux 4.13光學(xué)分析軟件，在建立的毗鄰隧道減光棚模型基礎(chǔ)上模擬不同光環(huán)境，欲分析6月與12月天氣條件下減光棚頂部?jī)蓚?cè)透光、中部?jī)蓚?cè)透光和底部?jī)蓚?cè)透光在不同透光率時(shí)路面照度的增益情況，其中DIAlux軟件季節(jié)天氣參數(shù)設(shè)定根據(jù)《日光空間分布-天空亮度分布參考》(CIE 110：1994)[11]，天氣模型分晴天、陰天、混合天空，太陽(yáng)方位角αs和太陽(yáng)高度角γs設(shè)定見表1。光環(huán)境模擬如圖3所示。

表1 6月與12月各時(shí)段αs和γs設(shè)定

圖3 減光棚模型的光環(huán)境

2.2 模型計(jì)算指標(biāo)

本次研究的幾個(gè)關(guān)鍵照明指標(biāo)分別為路面照度、路面平均照度和照度總均勻度。其中照度公式為

(1)

平均照度計(jì)算公式為

(2)

式中，Eav為平均照度，單位為lx/m2；∑Φ為照射總光通量，單位為lm；Cu和η分別為利用系數(shù)和維護(hù)系數(shù)；S為照射區(qū)域面積，單位為m2。其中利用系數(shù)和維護(hù)系數(shù)與照明裝置有關(guān)，而減光棚利用的是自然光，故此處計(jì)算可簡(jiǎn)化為

(3)

照度均勻度是表征光線分布均勻度的重要指標(biāo)，均勻度越高視覺(jué)舒適性越好。路面總照度均勻度的計(jì)算公式為

(4)

式(4)中，E1為路面照度總均勻度；Emin為計(jì)算區(qū)域內(nèi)路面最小照度lx；Eav為計(jì)算區(qū)域內(nèi)路面平均照度。結(jié)合實(shí)際工程，據(jù)規(guī)范路面亮度總均勻度不應(yīng)低于0.4的要求，由亮度與照度的比例關(guān)系，照度總均勻度也應(yīng)不低于0.4[12,13]。

3 最優(yōu)減光棚配置分析

減光棚透光位置配置影響路面照度均勻度，合理的透光位置配置有利于在白天下依靠自然光獲得最佳路面照度均勻度，提高駕駛光環(huán)境的舒適性。為此，此次模擬分析了減光棚頂部?jī)蓚?cè)透光、中部?jī)蓚?cè)透光和底部?jī)蓚?cè)透光在夏季與冬季天氣下路面照度總均勻度變化情況。隨機(jī)選擇50%的透光率作為不變量，探討透光位置配置優(yōu)化。

3.1 六月份減光棚透光分析

模型分別模擬計(jì)算了6月天6：00、9：00、12：00、15：00、18：00等主要時(shí)段毗鄰區(qū)減光棚的路面平均照度、最大和最小照度、照度均勻度，結(jié)果見表2。

表2 6月天各透光位置50%透光率計(jì)算

由表2可以看出，在六月份晴天的9：00至18：00為有效值，頂部?jī)蓚?cè)透光時(shí)整體路面照度總均勻度變化范圍為0.57～0.64，中部?jī)蓚?cè)透光時(shí)整體路面照度總均勻度變化區(qū)間為0.68～0.84，底部?jī)蓚?cè)透光時(shí)整體路面照度總均勻度變化區(qū)間為0.53～0.58。很明顯，中部?jī)蓚?cè)透光時(shí)，路面整體照度總均勻度值最高，對(duì)駕駛者的視覺(jué)影響性最低，但底部和頂部?jī)蓚?cè)透光時(shí)路面均勻度也滿足基本均勻度大于0.4的要求。此外，在50%透光率下，頂部透光時(shí)路面平均照度最高為1 584 lx，中部透光時(shí)路面平均照度最高為981 lx，底部透光時(shí)路面平均照度最高為451 lx。晝天三種透光配置路面平均照度和照度均勻度擬合曲線見圖4。

圖4 6月天各透光位置50%透光率擬合曲線

3.2 十二月份減光棚透光分析

十二月份模擬計(jì)算與六月份模擬參數(shù)保持相對(duì)不變，天氣時(shí)差作為主變量，同樣計(jì)算晝天5個(gè)時(shí)段照度值。計(jì)算結(jié)果見表3。

表3 12月天各透光位置50%透光率計(jì)算

由表3可以看出，在12月天的9：00至15：00為有效值，頂部?jī)蓚?cè)透光時(shí)整體路面照度總均勻度在模擬時(shí)段內(nèi)變化區(qū)間為0.47～0.54，中部?jī)蓚?cè)透光時(shí)整體路面照度總均勻度在模擬時(shí)段內(nèi)變化區(qū)間為0.67～0.73，底部?jī)蓚?cè)透光時(shí)整體路面照度總均勻度在模擬時(shí)段內(nèi)變化區(qū)間為0.49～0.55。由上得出中部?jī)蓚?cè)透光時(shí)路面照度均勻度相對(duì)于底部和頂部?jī)蓚?cè)透光依然最高。12月份中部和頂部?jī)蓚?cè)50%透光率路面平均照度在800～1 277 lx范圍內(nèi)波動(dòng)，照度較佳，底部?jī)蓚?cè)50%透光路面平均照度為可接受值。計(jì)算結(jié)果擬合曲線見圖5。

圖5 12月天各透光位置50%透光率擬合曲線

4 最佳透光率分析

透光位置的透光率影響自然光投射到路面的總光通量，即決定著路面亮度、照度等指標(biāo)的優(yōu)良情況。因此，在最佳減光棚透光配置的研究基礎(chǔ)上又進(jìn)一步對(duì)不同透光率做了相關(guān)研究。由以上結(jié)果可知，中部?jī)蓚?cè)透光時(shí)路面均勻度最好，所以針對(duì)減光棚中部?jī)蓚?cè)透光分析了在6月與12月天氣下路面平均照度變化情況。本次減光棚模型透光位置選擇30%、50%、70%和90%的透光率進(jìn)行最佳透光率研究。

4.1 六月份各透光率模擬分析

最佳透光率分析時(shí)同樣分別模擬計(jì)算了6月天中6：00、9：00、12：00、15：00和18：00五個(gè)時(shí)段毗鄰區(qū)減光棚路面平均照度、最大和最小照度、照度總均勻度。計(jì)算結(jié)果見表4。

由表4可以看出，隨著透光率的遞增，路面平均照度也隨之增加。在6月天9：00至15：00時(shí)段為照度峰值區(qū)間，該時(shí)段30%透光率下對(duì)應(yīng)路面平均照度主要波動(dòng)值529～590 lx，50%透光率下對(duì)應(yīng)路面平均照度主要變化值878～981 lx，70%透光率下對(duì)應(yīng)路面平均照度主要波動(dòng)在1 228～1 372 lx，90%透光率路面照度變化1 578～1 763 lx。雖然各透光率下路面平均照度都在接受范圍內(nèi)，但50%透光率下路面平均照度更接近舒適最佳值900 lx。路面均勻度方面，從計(jì)算結(jié)果知道，同一時(shí)間不同透光率下路面總均勻度變化微小，變化幅度在0.02左右。計(jì)算結(jié)果擬合曲線見圖6。

圖6 六月天減光棚中部?jī)蓚?cè)不同透光變化曲線

4.2 十二月份各透光率模擬分析

12月份天氣情況下，減光棚中部?jī)蓚?cè)不同透光率模擬結(jié)果見表4。

從表5可知，在12月天同樣9：00至15：00時(shí)段為照度峰值區(qū)間，30%透光率下對(duì)應(yīng)路面平均照度主要集中在482～642 lx，50%透光率下對(duì)應(yīng)路面平均照度主要值集中在799～1 065 lx，70%透光率下對(duì)應(yīng)路面平均照度主要變化值1 117～1 489 lx，90%透光率路面照度在1 432～1 914 lx之間。同理可知，50%透光率下路面平均照度更接近舒適最佳值900 lx，效果最佳。模擬透光位置為中部?jī)蓚?cè)透光，所以12月份相比6月份路面平均照度峰值反而更高；路面均勻度與6月份模擬結(jié)果相似，同一時(shí)段內(nèi)路面照度總均勻度受透光率影響很小。計(jì)算結(jié)果擬合曲線圖如圖7所示。

表5 十二月天減光棚中部?jī)蓚?cè)不同透光率計(jì)算

圖7 十二月天減光棚中部?jī)蓚?cè)不同透光變化曲線

5 結(jié)論

1)毗鄰隧道減光棚透光配置模擬結(jié)果對(duì)比得出，中部?jī)蓚?cè)透光路面總均勻度最好，照度總均勻度最高可達(dá)0.84。但是頂、中、底部?jī)蓚?cè)透光時(shí)路面總均勻度都大于0.4，滿足規(guī)范的最低要求。

2)減光棚在6月份時(shí)路面均勻度比7月份路面均勻度要高，中部?jī)蓚?cè)透光時(shí)路面均勻度夏季與冬季在相同時(shí)間點(diǎn)波動(dòng)0.01～0.05，頂部和底部?jī)蓚?cè)透光時(shí)路面均勻度變化幅度為0.05～0.1，即在不同季節(jié)變化時(shí)，減光棚中部?jī)蓚?cè)透光路面均勻度更穩(wěn)定。

3)毗鄰隧道減光棚透光率模擬結(jié)果對(duì)比得出，中部?jī)蓚?cè)透光率在50%～70%范圍內(nèi)時(shí)路面平均照度在800～1 200 lx之間，此時(shí)路面照度最佳，更接近最舒性適駕駛視覺(jué)；其中路面總均勻在相同時(shí)間條件下受透光率影響很小，總均勻度變化范圍不超過(guò)0.02。

4)雖然減光棚相同透光率下頂部?jī)蓚?cè)透光時(shí)路面平均照度要略高于中部和底部?jī)蓚?cè)透光條件下路面平均照度，但中部?jī)蓚?cè)透光時(shí)棚洞內(nèi)整體光環(huán)境較舒適，路面照度和總均勻最佳；底部?jī)蓚?cè)透光無(wú)論是針對(duì)路面均勻度還是平均照度來(lái)說(shuō)效果都一般。