基于工程案例隧道照明計算

中國電建集團(tuán)貴陽勘測設(shè)計研究院有限公司 盧煥麗

隧道是人類利用地下空間的一種建筑形式，為保障隧道內(nèi)通行安全，隧道內(nèi)照明燈具需要24h工作。而隧道內(nèi)環(huán)境惡劣，灰塵堆積，燈具自身的損耗和清潔工作使隧道內(nèi)燈具的維護(hù)難度又進(jìn)一步提高，既不利用節(jié)能減排，也不利于道路的行駛安全[1]。

隧道內(nèi)燈具如果設(shè)置不合理，會影響駕駛員對道路輪廓及周圍障礙物的判斷，從而影響行駛安全。另外，車輛駛?cè)牖蝰偝鏊淼罆r，隧道內(nèi)外的亮度差，容易讓駕駛員在視覺上產(chǎn)生“黑洞效應(yīng)”與“白洞效應(yīng)”，進(jìn)而增加了交通事故發(fā)生的概率。本文基于工程實際案例，提供了一種燈具布置方案，用Dialux evo軟件對隧道照明的亮度、均勻度等進(jìn)行仿真模擬，希望能對隧道照明的設(shè)計提供一些參考價值。

1 隧道照明工程案例

1.1 工程概況

本工程場內(nèi)雙向交通隧道長1008m，設(shè)計時速20km/h，隧道等級為三級B；本工程隧道為水泥混凝土路面，其平均亮度與平均照度換算系數(shù)取10lx/（cd/m2）；隧道限界凈高：8.41m，限界凈寬：11.7m=0.75m（檢修道）+0.25m（左側(cè)側(cè)向?qū)挘?4.75x2+0.25（右側(cè)側(cè)向?qū)挘?0.75m（檢修道），隧道剖面如圖1所示，圖中所標(biāo)單位為cm。

圖1 70W高壓鈉燈配光曲線

該隧道根據(jù)交通量情況，其路面亮度總均勻度不低于0.3、其路面中線亮度縱向均勻度不低于0.5。燈具采用中線側(cè)偏形式布置，燈具安裝高度距隧道道面約7.8m。對于雙向交通隧道，其照明可根據(jù)實際情況劃分為入口段照明、過渡段照明、中間段照明、洞外引道照明、洞口接近段的減光設(shè)施等。本工程洞外亮度取2000cd/m2，停車視距Ds取20m。表1為隧道各段基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，圖1為隧道照明的橫斷面圖。

表1 隧道各段基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

1.2 燈具的選型

隧道照明燈具目前主要有熒光燈、高壓鈉燈、LED燈等。其中，高壓鈉燈燈光效高，壽命長，顯色性差，穿透性強(qiáng)，常用于多霧天氣的山區(qū)、大型車比例高、對光色要求不高及車流量不大的隧道照明中，較經(jīng)濟(jì)。熒光燈顯色性好，光色柔和，壽命較短，屬于非環(huán)保產(chǎn)品且后期維護(hù)工作量大。LED燈能耗低，顯色性好，壽命長，光效高、可控性好，但透霧性不強(qiáng)。LED燈在光源的發(fā)光效率、燈具的效率上較高壓鈉燈、熒光燈等存在不少優(yōu)勢，因此綜合上述各燈具類型的特點，本工程隧道照明選用LED燈。高壓鈉燈、熒光燈、LED燈的配光曲線分別如圖1、圖2、圖3所示。

圖2 84W熒光燈配光曲線

圖3 40W LED燈配光曲線

1.3 入口段Dialux evo軟件仿真數(shù)據(jù)

本工程按20～40km/h速度設(shè)計，隧道的入口段總長度取1倍停車視距，入口段長度：Dth1=Dth2=10m，入口段亮度應(yīng)滿足：Lth1=0.01L20（S）=0.01×2000=20cd/m2。入口段1取LED 40W的基本照明+LED 120W的加強(qiáng)照明交替布置，間距約1.66m。Dialux evo軟件仿真結(jié)果如圖4所示，入口段1的平均照度、均勻度等參數(shù)如下：路面平均亮度26.6cd/m2、路面平均照度266lx、總均勻度0.71、中線縱向均勻度0.83，其總均勻度及中線縱向均勻度均滿足要求。

圖4 隧道入口段1仿真圖

入口段2長度：Dth1=Dth2=10m，Lth2=0.5Lth1=10cd/m2，入口段2取LED40W的基本照明等間距布置，間距約3.33m。Dialux evo軟件仿真結(jié)果如圖5所示，入口段2的平均照度、均勻度等參數(shù)如下：路面平均亮度18.6cd/m2、路面平均照度186lx、總均勻度0.61、中線縱向均勻度0.6，其總均勻度及中線縱向均勻度均滿足要求。

圖5 隧道入口段2仿真圖

1.4 過渡段Dialux evo軟件仿真數(shù)據(jù)

圖6 隧道過渡段仿真圖

1.5 中間段Dialux evo軟件仿真數(shù)據(jù)

本工程為雙向隧道，隧道總長度為1008m，除兩側(cè)入口段、過渡段外，其余為中間段，中間段長度約912m。中間段取LED 40W的基本照明等間距布置，間距約18m。Dialux evo軟件仿真結(jié)果如圖7所示，中間段的平均照度、均勻度等參數(shù)如下：路面平均亮度2.31cd/m2、路面平均照度23.1lx、總均勻度0.76、中線縱向均勻度0.8，其總均勻度及中線縱向均勻度均滿足要求。

圖7 隧道中間段仿真圖

1.6 仿真結(jié)果分析

由于本工程隧道等級較低、時速低，入口段1、入口段2、過渡段等距離較短，隧道照明的亮度或照度轉(zhuǎn)換需要一個過程。因此，入口段2、過渡段等存在著亮度或照度較規(guī)范要求值較高的現(xiàn)象。當(dāng)仿真用于等級高、時速高的長隧道中時，此現(xiàn)象可通過合理設(shè)置燈具等措施消除。

本工程隧道交通量較小，著重考慮照明設(shè)計的經(jīng)濟(jì)性，以中線側(cè)偏的形式布置燈具為主；如果在交流量大的隧道中，照明燈具可采用兩排交錯布置，提高亮度均勻度及行車的舒適性與安全性。

本工程設(shè)計時洞外亮度取2000cd/m2，洞外亮度是隧道照明系統(tǒng)設(shè)計的重要參數(shù)，洞外亮度的設(shè)置是否合理得當(dāng)，對本工程投資、運營電費等均有較大的影響。有記載日本東京的灣海底隧道照明曾做過比較詳細(xì)的對比，車速等其他條件相同的情況下，洞外亮度L20（S）分別取4000cd/m2、6000cd/m2時，隧道的設(shè)備費相差大約34%，隧道的年耗電量相差大約30%[3]。且隧道洞外亮度L20（S）的值需要待隧道洞口工程完工后才能通過現(xiàn)場實測獲得，因此在設(shè)計之初，需要對洞外亮度值進(jìn)行預(yù)估。當(dāng)預(yù)估值與后期現(xiàn)場實測相差較大時，應(yīng)及時調(diào)整燈具參數(shù)，以滿足路面亮度、總均勻度、中線縱向均勻度等參數(shù)要求。

本工程根據(jù)工程實際設(shè)置應(yīng)急照明，應(yīng)急照明燈具采用部分基本照明燈具，應(yīng)急照明供電電源維持時間不少于30min，采用EPS滿足使用要求。應(yīng)急照明亮度不應(yīng)小于中間段亮度的10%，且不低于0.2cd/m2[2]。

1.7 隧道照明的配電

隧道洞口處設(shè)置兩臺室外箱式變電站，兩臺箱式變電站前端電源引自不同的變電所，不會同時斷電。隧道內(nèi)照明及應(yīng)急照明分別由不同的箱式變電站供電，在末端配電箱雙切，滿足隧道內(nèi)一、二級負(fù)荷的供電需求。另外，在隧道配套的變電所內(nèi)設(shè)置EPS作為電源轉(zhuǎn)換期間，隧道內(nèi)因停電而發(fā)生交通事故時應(yīng)急照明的備用電源。照明干線電纜從箱式變電站引出后，沿隧道頂部電纜橋架經(jīng)預(yù)埋的可撓金屬導(dǎo)管引至相應(yīng)的照明配電箱，由照明配電箱引出的照明干線經(jīng)預(yù)埋的可撓金屬導(dǎo)管引至隧道頂部電纜橋架，燈具的分支線采用穿刺線夾由干線引出。

2 隧道照明的優(yōu)化措施

2.1 減少洞外亮度

日本東京灣海底隧道做洞外亮度設(shè)計對比時，可通過隧洞口的山坡植被綠化、結(jié)構(gòu)物的減光措施、在隧洞口搭設(shè)遮光棚等減少洞外亮度[3]。隧道洞口處的減光措施能顯著降低洞口區(qū)域道面的亮度，緩和隧洞口部內(nèi)外的亮度差異，延長駕駛員的視覺調(diào)整時間，在一定程度上能減少“黑洞效應(yīng)”，也能減少入口段的加強(qiáng)照明，從而能在一定程度上達(dá)到節(jié)能的效果。

2.2 智能調(diào)控技術(shù)

利用LED無級調(diào)光的優(yōu)勢，隧道照明實現(xiàn)無級調(diào)光控制[3]，并配合電力監(jiān)控系統(tǒng)，根據(jù)天氣情況（陰天、晴天、雨天等）、車流量、白天或夜晚等及時開關(guān)燈具或調(diào)整燈具光通量等滿足安全行駛的要求，達(dá)到節(jié)能減碳的目的。另外，根據(jù)目前大數(shù)據(jù)、無線物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，逐步構(gòu)建智能照明調(diào)光系統(tǒng)，通過監(jiān)測隧道洞口、入口段、過渡段等位置亮度的變化，獨立調(diào)節(jié)每一盞燈的輸出功率，使隧道內(nèi)亮度能平滑過渡到中間段，消除“黑洞效應(yīng)”、消除對駕駛的視覺造成的障礙。

2.3 隧道照明檢測手段的完善

照明檢測是衡量隧道照明質(zhì)量的重要方法，應(yīng)定期進(jìn)行照明檢測，包括出口段、洞外亮度的檢測也應(yīng)該納入檢測中來，才能完整的評價一個隧道照明系統(tǒng)及照明質(zhì)量的好壞。目前，隧道照明檢測方法較模糊，各檢測單位的檢測方法存在較大的差異性，較難客觀準(zhǔn)確地評價一個隧道照明系統(tǒng)的運營情況，而檢測中以抽檢為主，覆蓋面較小，照明檢測指標(biāo)主要以隧道路面的照度、亮度、總均勻度、中線縱向均勻度等為主，檢測標(biāo)準(zhǔn)也各不相同，檢測設(shè)備耗時較長等問題突出，從長遠(yuǎn)發(fā)展來看，有必要對隧道照明檢測系統(tǒng)進(jìn)行研究分析與完善，更加智能快速的車載隧道照明檢測系統(tǒng)值得期待。

2.4 新能源的應(yīng)用

探討太陽能光伏發(fā)電、自然光光纖照明運用于某些隧道照明的可行性，另外，在風(fēng)資源特別豐富的地區(qū)，可以采用風(fēng)能發(fā)電來解決隧道照明，或者風(fēng)能與太陽能充分結(jié)合，以達(dá)到綠色、低碳的目的。

2.5 選用新型的隧道側(cè)壁材料

具有良好逆反射的隧道側(cè)壁材料可以有效改善隧道內(nèi)的照明環(huán)境，從而實現(xiàn)節(jié)能目的。探索新型的隧道側(cè)壁材料，是目前值得研究的一個方向。

3 結(jié)語

隧道照明是隧道配套機(jī)電設(shè)施的重要組成部分，尤其對于車流量大、時速高的隧道內(nèi)，隧道照明設(shè)置合理可有效地改善隧道內(nèi)駕駛員的視覺感受，減少隧道內(nèi)事故發(fā)生的概率。隧道入口段、過渡段、出口段的長度及亮度影響著隧道交通的安全，但同時也是能耗大戶，今后如何在保證運營系統(tǒng)安全，并為隧道提供一個良好駕駛視覺環(huán)境的條件下，節(jié)省能耗，是目前隧道照明值得關(guān)注的問題。另外，完善照明檢測系統(tǒng)、實現(xiàn)節(jié)能減排等是提高照明質(zhì)量、響應(yīng)“雙碳”目標(biāo)的重要舉措。