高海拔地区隧道照明设计优化研究

李 卓 张青侠

(中交第一公路勘察设计研究院有限公司，陕西 西安 710075)



高海拔地区隧道照明设计优化研究

李 卓 张青侠

(中交第一公路勘察设计研究院有限公司，陕西 西安 710075)

介绍了高海拔、高寒公路隧道的隧址特点，以青海省某高海拔隧道为例，分析了照明停车视距和洞外亮度两点设计参数，给出了隧道内各区段照明系统的优化方案，并探讨了隧道照明控制方式，在保证行车安全的基础上满足了绿色节能的要求。

高海拔，隧道，照明，停车视距

0 引言

汽车在公路隧道内行驶时,为了保障洞内的行车安全性，需要在洞内设置合理的照明光源，创造良好的视觉环境，克服进入隧道的“黑洞”和出隧道的“白洞”效应，让司乘人员可以安全、舒适的通过隧道。随着国家“十三五”西部大开发的规划，西藏、青海等西部省份的公路建设快速发展，公路隧道也呈现规模化建设趋势，如在建和已通车的西藏拉林高速公路、青海花石峡至大武高速公路、云南香德二级公路等均有长、特长隧道。这些项目均地处高寒、高海拔地区，因为特殊的地理环境和气候原因，隧道的照明设计应当区别于平原地区。本文依托青海省花石峡至大武的某隧道，对高海拔地区的隧道照明设计进行优化研究。

1 隧道照明参数的优化

该隧道平均海拔在4 400 m以上，时速为80 km/h。按照国际通行的海拔划分标准属于高寒、高海拔地区。该地区具有空气稀薄缺氧、土壤温度低、太阳辐射高、日照时间长、降水量少等特征。结合隧道照明设计的要点，该隧道可从以下几方面进行设计参数的优化。

1.1 停车视距的优化

由于高海拔地区空气含氧量低，驾驶员在高原环境下行车，生理和心理方面都受到了影响。虽然驾驶员身体素质有差异性，但是随着海拔的攀升，吸入氧气的减少会出现头痛、头晕、嗜睡、反应迟钝、注意力不集中等情况。如果在缺氧情况下驾驶时间太久，驾驶员更容易出现疲劳，反应迟钝等情况，严重影响驾驶员的正常驾驶，极易引发交通事故。通过对驾驶员在高原环境的主观感受的调查，缺氧疲劳和反应延误是影响行车安全的最主要环境因素。海拔越高驾驶员的延误时间越长,根据相关文献研究[1]，在4 000 m以上的海拔延误时间要比平原地区多0.25 s，知亥代隧道地处4 400 m海拔，反应延误时间保守按0.5 s计算。

停车视距是进行隧道入口段长度计算的基础，根据JTG/T D70/2—01—2014公路隧道照明设计细则,当纵坡为-4%时，80 km/h时速的停车视距为112 m。但高海拔地区的停车视距和平原地区停车视距应有区别。停车视距的计算公式如下：

(1)

其中，S1为反应距离；S2为制动距离；S3为安全距离；平原地区t为感觉时间和制动生效时间之和，总时间为2.5 s，再加上高原的反应延误时间0.5 s，时间t最终取值为3 s。通过计算，可以得到停车视距长度为150 m。因此从确保交通安全与行驶舒适性的角度来确定，得出高海拔地区的停车视距值是高于平原地区的。再根据入口段长度计算公式：

(2)

将停车视距S代入式(2)，可以计算出，青海省该隧道入口段1,2的长度应为70m。

1.2 洞外亮度的优化

洞外亮度是照明系统的设计基准之一，洞外亮度的正确取值，对隧道内安全行车至关重要，对于前期的工程投资和后期的运营电费更是有极大的影响。该项目隧址区为高海拔山岭隧道，因洞口外山体植被稀少，天空面积百分比不到10%，根据JTG/TD70/2—01—2014公路隧道照明设计细则,设计时速为80km/h时，洞外亮度取值应为3 500cd/m2。高海拔地区太阳日照强度大，同等时速洞外亮度高于平原地区，按照设计习惯高海拔隧道洞外亮度增加500cd/m2，最终该隧道亮度按4 000cd/m2取值。根据研究，在相同时速下，洞外亮度分别取4 000cd/m2和6 000cd/m2时，设备费相差34%，耗电量相差30%[2]。因此在隧道洞口的设计中需进行景观治理，采用削竹洞门、洞门颜色深化处理、植被浓密深色植物等方法降低洞外亮度。同理，本项目按照4 000cd/m2进行隧道照明设计，如不进行洞口减光治理，势必造成前期的投资规模和后期运营电费的增加。

隧址区地处高海拔高寒地带，冬季会有长时间积雪植被覆盖率低，采用高大的乔木类树种不易成活，周期长且事倍功半，采用植被的方式不适合高海拔地区隧道[3]。本项目在隧道进口和出口均设置有遮阳棚，采用封闭式透光构造遮阳效果很好，洞口因遮阳棚的遮光作用，隧道照明设计可根据遮阳棚的减光效果，对洞口段亮度做相应折减。经过计算，本项目在左右洞隧道进口分别设置有50 m和40 m的遮阳棚洞，采用棚洞结构有力降低了洞外亮度,可折减为2 500 cd/m2进行隧道的照明设计。同时遮阳棚洞可以降低隧址区冬季积雪引起的车辆滑移，也能减轻雨雪对路面的基层侵蚀延长使用寿命。

2 隧道照明方案优化

该隧道左洞4 570 m，右洞4 495 m，为双洞四车道隧道，隧道洞门均为端墙式，隧道内进、出口300 m采用复合式路面，其他路段采用水泥混凝土路面。根据工可，方向不均匀系数取0.55，高峰小时交通量系数取0.13，计算得本项目隧道单向每车道高峰小时交通量在2025年为198辆(绝对数)，在2036年为320辆(绝对数)，均小于350辆(绝对数)。近、远期入口段亮度折减系数K值均取0.025。根据JTG/T D70/2—01—2014公路隧道照明设计细则进行照明设计[4]。

2.1 隧道照明设计方案优化

1)中间段照明：项目近远期交通量均小于350辆(绝对数)，根据规范确定中间段亮度为1.5 cd/m2。由于本隧道为特长隧道，且以设计速度通过本隧道的行车时间超过135 s，因此照明段分为两个照明段，第一段长度666 m，设计亮度1.5 cd/m2。第二段照明为余下中间段长度，设计亮度为1.2 cd/m2。结合规范中规定采用LED灯具时，可对亮度进行50%折减，折减后第一段和第二段中间段亮度均低于1 cd/m2，因此本项目中间段不分中间段1,2，均以1 cd/m2为设计亮度标准。

2)入口段照明：优化后的洞外亮度取值L20(S)=2 500 cd/m2，K值根据工可计算取0.025;入口段Lth1=L20(S)×K=62.5，Lth2=0.5×Lth1=31.25。

3)过渡段照明：过渡段按照细则应分为TR1,TR2,TR3三个照明段，亮度Ltr1=Lth1×0.15=9.4,Ltr2=Lth1×0.05=3.125,Ltr3=Lth1×0.02=1.25。因本隧道过渡段3的亮度Ltr3值未大于中间段亮度Lin的2倍，因此仅设置过渡段1和过渡段2。

4)出口段照明：出口段宜划分为EX1和EX2两个照明段，每段长度宜取30 m，与之对应的亮度分别由基本段的亮度计算所得。

5)棚洞照明：考虑到棚洞在冬季雨雪天气，顶部会有积雪，棚洞起不到减光作用，反而会形成新的“黑洞效应”。针对该高海拔隧道在冬天的特殊工况，需要安装照明设施，且应等同为入口段1的延伸段。综合以上分析，优化后的照明设计亮度见表1。

2.2 隧道照明控制方案优化

1)隧道主洞调光控制的优化：传统照明采用分四级或六级回路调光照明，其粗犷的调光方式使得洞内亮度难以随洞外亮度的变化而变化，使得隧道内加强照明的电能浪费巨大。本项目灯具采用LED灯，本着节约电能的设计理念，隧道照明采用无级调光系统进行控制调光。加强照明根据洞外亮度、运行车速、交通量等信息自动无级调光。基本照明根据时间、交通量等信息自动无级调光。通过无极调光方式可以实现隧道的精细调光和按需照明，实现在满足规范的前提下节能。

表1 隧道内各区段照明设计亮度

2)隧道棚洞调光控制的优化：棚洞在洞顶积雪情况下会出现黑洞效应，因此应对棚洞实现独立回路供电调光，并分为白天和晚上两种模式。白天：当遮阳棚洞顶部无积雪时，关闭遮阳棚洞段内照明灯具,其他照明区段按照正常调光模式开启照明灯具；当隧道处于冬季，遮阳棚洞顶部有积雪时，开启遮阳棚洞内加强照明灯具。遮阳棚洞和其他照明区段均按照正常调光模式开启照明灯具。夜晚：遮阳棚洞关闭加强段照明，仅开启基本应急照明。

3 结语

虽然我国在隧道照明系统的设计方面已经有了长足的发展，但是还会有许多待解决的问题。随着高原地区隧道建设规模和数量的增加，隧道照明的规范方面对高海拔地区的照明设计还缺少指导性的规定。本文研究了高海拔对隧道停车视距和洞口亮度的影响，并进行了参数的优化，但是对于其他可能被影响的照明参数仍有待进一步研究。在目前的隧道照明设计过程中，应参考相关的照明规范，亦应结合高海拔地区隧道的特点对隧道照明系统方案进行整体的优化，既要能保证行车安全又能保证绿色节能。

[1] 黄 勇，方 靖，张元才.高海拔地区道路安全运营管理应用技术[J].公路交通科技,2012,29(6):98-104.

[2] 涂 耘，王小军，周 健.福建公路隧道洞外亮度L20(S)研究[J].公路交通技术,2007(11)：120-121.

[3] 艾 杰，杨宝林，李玉平.甘肃省隧道出口减光防眩设计[J].公路隧道,2010(2):56-59.

[4] JTG/T D70/2—01—2014,公路隧道照明设计细则[S].

The optimization research of tunnel lighting design in high altitude area

Li Zhuo Zhang Qingxia

(CCCC First Highway Survey and Design Institute Limited Company, Xi’an 710075, China)

This paper introduced the tunnel location characteristics of high altitude, alpine highway tunnel, taking a high altitude tunnel in Qinghai as an example, analyzed two design parameters of lighting stopping sight distance and outside brightness, gave the optimization schemes of each section lighting system in tunnel, and discussed the tunnel lighting control ways, based on ensuring traffic safety to meet the requirements of green energy saving.

high altitude, tunnel, lighting, stopping sight distance

1009-6825(2017)12-0101-02

2017-02-14

李 卓(1983- )，男，硕士，工程师； 张青侠(1982- )，女，硕士，工程师

U453.7

A