高速公路隧道洞口遮光棚亮度長度計算及經(jīng)濟(jì)性分析

雷開云, 劉貞毅, 康澤洲, 張家清, 史玲娜

1.四川雅康高速公路有限責(zé)任公司， 四川 雅安 625000；2.自動駕駛技術(shù)交通運(yùn)輸行業(yè)研發(fā)中心，重慶 400067；3.招商局重慶交通科研設(shè)計院有限公司， 重慶 400067)

隨著我國高速公路不斷向西部延伸，隧道占比不斷攀升，公路運(yùn)營壓力越來越突出。巨額的電費(fèi)開支困擾著運(yùn)營單位，節(jié)能減排的需求強(qiáng)烈。近年來，公路隧道照明領(lǐng)域已有不少科研工作者在此方面開展了大量研究工作并取得了重大進(jìn)展[1-5]，其研究方向大體可分為以下幾種：1) 通過隧道光源替換節(jié)能，如將能耗高且光效低的鈉燈、無極燈、熒光燈更換為能耗低且光效高的LED燈[6-8]；2) 通過運(yùn)營節(jié)能，如近年來比較熱門的LED調(diào)光節(jié)能[9-12]；3) 通過其他措施節(jié)能，如洞口減光節(jié)能[13-14]、太陽能光伏發(fā)電節(jié)能等[15-16]。

遮光棚即是一種較好的洞口減光節(jié)能措施，它是一種頂部為封閉式結(jié)構(gòu)的棚狀構(gòu)筑物，利用透明或半透明材料的透光作用以達(dá)到減光效果，避免了陽光直接投射到路面上。根據(jù)主體結(jié)構(gòu)選材的不同，遮光棚可以分為鋼結(jié)構(gòu)遮光棚、鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)遮光棚、鋼和鋼筋混凝土組合結(jié)構(gòu)遮光棚。

近年來，遮光棚在國內(nèi)已有不少應(yīng)用案例，但對于遮光棚的長度、棚內(nèi)亮度設(shè)計等僅僅簡單照搬JTG/T D70/2-01—2014《公路隧道照明設(shè)計細(xì)則》(簡稱《細(xì)則》)上的規(guī)定，缺乏理論依據(jù)。本文根據(jù)CIE88[17]理論推導(dǎo)出了滿足行車安全的隧道入口遮光棚的計算公式，可用于指導(dǎo)遮光棚的設(shè)計。根據(jù)分析結(jié)果，采用遮光棚方案的經(jīng)濟(jì)性優(yōu)于入口段采用大規(guī)模電光照明方案，而且運(yùn)營期間維護(hù)工作更簡單、工作量更少。

1 視覺適應(yīng)理論

CIE將隧道照明需求劃分為入口段、過渡段、中間段和出口段，其中入口段對亮度要求最高，過渡段次之，中間段最低，出口段則稍微提高以便提早適應(yīng)隧道外亮度環(huán)境。

為保證行車安全，駕駛員視線要看到前方一定距離之外，這樣當(dāng)前方有異常情況時才有足夠的反應(yīng)時間及時停車。當(dāng)車輛即將駛?cè)胨淼罆r，若隧道內(nèi)部環(huán)境很暗，則需要行至洞口位置才能看清隧道內(nèi)部情況；若內(nèi)部環(huán)境較為明亮，則能在距離洞口較遠(yuǎn)處看清隧道內(nèi)部情況，因此隧道入口段的照明需要滿足一定的亮度要求。

當(dāng)車輛駛?cè)胨淼篮螅{駛員視線仍需要看到一定距離之外，因此入口段的設(shè)計長度仍需滿足一定的視覺需求。

1.1 停車視距

受車輛慣性影響，安全行車的前提是與前車或障礙物保持一定的距離。該距離至少應(yīng)包含駕駛員反應(yīng)時間內(nèi)所行駛的距離以及車輛制動時間內(nèi)行駛的距離，當(dāng)然該距離越大越好。但在公路工程設(shè)計中往往需要找到該距離的最小值，停車視距即為其最小距離，它可由式(1)表示[17]：

(1)

式中：υ為設(shè)計速度，km/h；t0為反應(yīng)時間，s；g為重力加速度，9.81 m/s2；f為車輛與路面的摩擦系數(shù)，該值與車輛及輪胎有關(guān)，其值可參考CIE曲線；tanβ為路面縱坡，%。

顯然，速度越快，需要的停車視距越大；車輛路面摩擦系數(shù)越大，需要的停車視距越小；上坡比下坡停車需要的停車視距小。以設(shè)計速度υ=80 km/h、縱坡tanβ=0的高速公路為例，濕滑路面下f=0.34，則停車視距SD=96.3 m；干燥路面下f=0.625，則停車視距SD=62.5 m，二者相差約34 m。

1.2 小目標(biāo)視認(rèn)距離與入口段亮度折減系數(shù)k

由于隧道入口段的亮度Lth通常只有洞外亮度L20(S)的1%～7%,而Lth與L20(S)的比值即為入口段亮度折減系數(shù)k[18]，入口段相比后續(xù)段的亮度遞減要大得多，因此隧道入口段被公認(rèn)為事故的“高發(fā)路段”。國際照明協(xié)會推薦以邊長為0.2 m、表面反射系數(shù)為0.2的立方體作為小目標(biāo)物，用于測試駕駛員發(fā)現(xiàn)隧道內(nèi)小目標(biāo)的能力[17]。

文獻(xiàn)[19]研究表明，駕駛員對小目標(biāo)物的視認(rèn)距離D與入口段亮度折減系數(shù)k之間呈明顯的正相關(guān)性，即隨著隧道入口段亮度折減系數(shù)k的提高，駕駛員的小目標(biāo)視認(rèn)距離D逐漸增大。這是因?yàn)閗越大，意味著隧道內(nèi)外的亮度差越小，人眼更容易適應(yīng)洞內(nèi)亮度，有利于駕駛員及早發(fā)現(xiàn)障礙物。文獻(xiàn)[19]在大量實(shí)測數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上給出了D與k的關(guān)系式，如式(2)：

(2)

其中，k∈[0.007,0.061]。

小目標(biāo)物的視認(rèn)距離D與入口段亮度折減系數(shù)k關(guān)系曲線如圖1所示。

圖1 小目標(biāo)視認(rèn)距離D與入口亮度折減系數(shù)k關(guān)系

1.3 遮光棚亮度

在隧道入口新建遮光棚，那么遮光棚即為隧道的入口段，棚內(nèi)亮度即為入口段亮度。棚內(nèi)亮度高，有利于提高小目標(biāo)視認(rèn)距離，從而提前發(fā)現(xiàn)路面異常。但是亮度太高又會使得后續(xù)過渡段亮度升高，照明能耗增加，因此遮光棚內(nèi)亮度宜按滿足小目標(biāo)視認(rèn)距離確定。當(dāng)小目標(biāo)視認(rèn)距離D大于停車視距SD時，駕駛員可在停車視距外發(fā)現(xiàn)小目標(biāo)物，滿足安全行車要求，即

D≥SD

(3)

將式(1)、式(2)代入式(3)可得遮光棚內(nèi)亮度折減系數(shù)：

(4)

其中,f為棚外路面的摩擦系數(shù)，對于隧道入口段由于停車視距位于洞外，應(yīng)按最不利條件下(雨天濕滑路面)的摩擦系數(shù)取值。

計算出折減系數(shù)k后，便可計算出遮光棚內(nèi)亮度最小值：

Lthmin=k·L20(S)

(5)

以設(shè)計速度v=80 km/h、縱坡tanβ=-3%的高速公路為例，按濕滑路面f=0.34取值，可計算得出遮光棚內(nèi)亮度折減系數(shù)k≥0.042 749；當(dāng)洞外亮度L20(S) =3 000 cd/m2時，遮光棚內(nèi)亮度最小值Lthmin=128.2 cd/m2。

以洞外亮度L20(S) =3 000 cd/m2的高速公路為例，當(dāng)濕滑路面f=0.34時，不同坡度、不同速度下的遮光棚內(nèi)亮度最小值如表1所示。

表1 不同坡度、不同速度下的遮光棚內(nèi)亮度最小值

注：tanβ>0表示上坡，tanβ<0表示下坡，下同。

由表1可以看出，下坡坡度越大，遮光棚內(nèi)需要的亮度最小值Lthmin越高，這是因?yàn)橄缕聞x車距離長，需要提高亮度以增強(qiáng)視認(rèn)距離；而設(shè)計速度υ越大的路面，遮光棚內(nèi)需要的亮度最小值Lthmin也越高，因?yàn)樗俣却笠馕吨鴦x車距離長。

1.4 遮光棚長度

遮光棚長度Ds應(yīng)大于設(shè)計速度下車輛駛?cè)脒^渡段時的停車視距要求，即

Ds≥SD

(6)

將式(1)帶入式(6)，即

(7)

高速公路隧道縱坡一般在3%～-3%之間，不同路面摩擦系數(shù)下，設(shè)計速度80 km/h時，高速公路入口遮光棚長度如表2所示。

表2 不同摩擦系數(shù)下入口遮光棚長度

由表2可知，遮光棚長度Ds不僅與隧道縱坡有關(guān)，還與路面摩擦系數(shù)有關(guān)。下坡坡度越大，Ds值越大；上坡坡度越大，Ds值越?。煌瑯涌v坡下，摩擦系數(shù)大的路面Ds值小。若要減小遮光棚長度，則需盡可能地提高路面摩擦系數(shù)。在遮光棚內(nèi)鋪設(shè)抗滑路面可有效提高車輛與路面之間的摩擦系數(shù)，目前國內(nèi)已有摩擦系數(shù)為0.8甚至更高的抗滑路面鋪裝材料[20-21]，并已在高速公路隧道入口得到了廣泛應(yīng)用[22-24]。

2 與CIE、國內(nèi)照明規(guī)范對比

以長度為1 000 m、縱坡為0%、交通量為1 200 veh/(ln·h)、設(shè)計速度為80 km/h、洞外亮度L20(S)為3 000 cd/m2的某隧道為例，采用CIE設(shè)計方案，入口段平均亮度為153 cd/m2，長度為96.3 m；按照《細(xì)則》設(shè)計的入口段平均亮度為78.75 cd/m2，長度為84.2 m；采用具有防雨結(jié)構(gòu)的遮光棚設(shè)計，并鋪設(shè)雨天摩擦系數(shù)為0.6的抗滑路面，棚內(nèi)亮度為121.8 cd/m2，長度為64.2 m。不同縱坡下的入口段方案對比如表3所示。

表3 不同方案下入口段平均亮度、長度對比

注：CIE方案和《細(xì)則》方案入口段分為前、后2個半段，前半段亮度為180 cd/m2，后半段亮度由108 cd/m2線性下降到72 cd/m2，平均亮度153 cd/m2；《細(xì)則》前半段亮度為105 cd/m2，后半段亮度為52.5 cd/m2，平均亮度78.75 cd/m2。

從表3可以看出，CIE方案、《細(xì)則》方案入口段亮度均為固定值，沒有考慮隧道縱坡對入口段亮度的影響，CIE方案雖然取值較大可以保證行車安全，但存在入口能耗過高的問題。

遮光棚方案既考慮了滿足行車亮度的需求，又盡可能地考慮了減少照明能耗的問題。從確定入口段長度方面分析，CIE和遮光棚方案均采用了1倍停車視距，該長度有利于駕駛員及時發(fā)現(xiàn)過渡段異常情況，因而具有較高的安全性；但CIE和遮光棚方案的不同點(diǎn)在于，CIE方案是按雨天濕滑路面摩擦系數(shù)計算，由于抗滑路面的摩擦系數(shù)較高，因此CIE停車視距比遮光棚的視距大，而《細(xì)則》方案入口段長度則是進(jìn)行了一定程度的折減。

3 經(jīng)濟(jì)性分析

3.1 無遮光棚的傳統(tǒng)照明設(shè)計方案

以長度為600 m、縱坡為0%、交通量為1 200 veh/(ln·h)、設(shè)計速度為80 km/h的某隧道為例，傳統(tǒng)設(shè)計方案及其工程量如表4、表5所示。

表4 傳統(tǒng)隧道照明設(shè)計方案

注：根據(jù)《細(xì)則》，隧道出入口段10 m范圍內(nèi)若有陽光直射進(jìn)入，可不設(shè)照明；基本應(yīng)急照明為隧道全線布設(shè)。

表5 傳統(tǒng)隧道照明設(shè)計方案燈具數(shù)量

3.2 有遮光棚的隧道照明設(shè)計方案

在隧道入口設(shè)置80 m遮光棚完全取代入口段，棚內(nèi)鋪設(shè)雨天摩擦系數(shù)為0.6的抗滑路面，洞外亮度3 000 cd/m2，隧道設(shè)計速度為80 km/h，計算棚內(nèi)最低亮度要求為121 cd/m2。隧道內(nèi)布燈方案及其工程量如表6、表7所示。

3.3 經(jīng)濟(jì)性分析

對比傳統(tǒng)設(shè)計方案，通過遮光棚的“過渡”作用，原隧道入口段的亮度直接減為過渡段亮度，因此隧道內(nèi)僅設(shè)過渡加強(qiáng)照明、基本/應(yīng)急照明和出口加強(qiáng)照明。單洞照明安裝功率由32.88 kW降低為11.36 kW，減少21.52 kW，不但節(jié)約了照明工程造價，而且為后期運(yùn)營節(jié)約了大量電費(fèi)。但是遮光棚的修建增加了工程投資，一定程度上抵消了照明節(jié)約的成本。現(xiàn)就上述隧道遮光棚的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行簡單分析。

表6 有遮光棚的隧道照明設(shè)計方案

注：由于隧道入口有遮光棚，隧道入口無陽光直射進(jìn)入，因此入口段10 m范圍內(nèi)需布燈；基本應(yīng)急照明為隧道全線布設(shè)。

表7 有遮光棚的隧道照明設(shè)計方案燈具數(shù)量

根據(jù)工程造價信息，經(jīng)計算80 m遮光棚的建設(shè)成本為89萬元，維護(hù)成本約為每年0.5萬元，10年總成本為94萬元；抗滑路面建設(shè)成本比普通路面貴80元/m2，80 m路面成本多出6.4萬元；2項(xiàng)合計100.4萬元。

采用傳統(tǒng)電光照明方案，入口段加強(qiáng)照明燈具及線纜的布設(shè)費(fèi)用如表8所示。

表8 傳統(tǒng)方案入口加強(qiáng)段照明工程費(fèi)用

考慮調(diào)光控制，該部分加強(qiáng)照明按年平均等效開啟時長1 825 h計算，每年電費(fèi)約為3.927萬元(電費(fèi)按1元/度計)，燈具每年維護(hù)費(fèi)用約為0.5萬元。若以10年壽命周期計算，考慮光衰影響燈具10年內(nèi)需全部更換一遍，則入口加強(qiáng)段照明總成本為：

43.472+3.927×10+0.5×10+38.88=126.6萬元

遮光棚方案10年總成本為100.4萬元，傳統(tǒng)電光照明方案總成本為126.6萬元。由此可見，設(shè)置遮光棚方案的經(jīng)濟(jì)效益優(yōu)于傳統(tǒng)照明布燈方案。相比燈具更換、清洗等維護(hù)工作，遮光棚僅需每年甚至每2～3年進(jìn)行刷漆等簡單維護(hù)工作，其工作量更少、維護(hù)更簡單。

4 結(jié)論

本文根據(jù)CIE理論推導(dǎo)出了遮光棚設(shè)計的亮度和長度計算公式，為遮光棚應(yīng)用于隧道洞口減光設(shè)計提供了理論依據(jù)。通過分析可知，遮光棚對隧道入口減光的顯著作用主要體現(xiàn)在它將隧道入口段的加強(qiáng)照明“前移”到隧道外面的遮光棚內(nèi)，而該棚內(nèi)亮度隨著外界環(huán)境亮度自動變化，不需要額外的電光照明，從而降低了加強(qiáng)照明能耗，起到了一定的節(jié)能作用。由于遮光棚的造價較低，而且維護(hù)簡單，因而相對傳統(tǒng)電光照明方案又具有一定的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢，且當(dāng)隧道設(shè)計速度越高時，優(yōu)勢越明顯。