光导照明系统在浅层汽车隧道中的设计探讨

周 露

(深圳市市政设计研究院有限公司，广东深圳518029)

0 汽车隧道照明特点简析

汽车隧道是一种特殊的管状构筑物，其顶部和两侧是封闭构造。 隧道内外光环境差别较大，对驾驶员的行车心理及视觉感官影响较大，对于在隧道内快速通行的车辆内人员，会产生“黑洞效应”、“白洞效应”和适用滞后的现象，驾驶员容易无法及时规避某些不易发现的障碍物而产生安全隐患。 因此在设计隧道照明时，需要充分考虑各方面因素，为驾驶员提供一个安全舒适的行驶环境。

由于隧道的半封闭空间特性，为隧道内行车安全，需要设置照明装置。 根据隧道外光强度、长度等将隧道划分为入口段、过渡段、中间段和出口段。为了适应隧道进出口区段亮度急剧变化，适时提供照明，需要在入口段、过渡段和出口段中设置加强照明。

隧道内加强照明有2 个特点:一是离隧道洞口越近，需提供亮度值也越大；二是天气越晴朗，洞外日光亮度则大为增加，对隧道内加强照明需求也越大。 根据部分隧道运行数据，500m 以下隧道照明负荷一半以上为加强照明负荷，长度越短隧道，加强照明负荷所占比例也越大。

浅层汽车隧道顶部覆土一般小于4m，光导照明系统较为简洁，可以在此类隧道内实施使用。

1 光导照明系统及其应用优势

光导照明系统是一种节能型照明系统，由采光装置、光导管和漫射器三部分构成，图1 为其原理图，它是通过采光装置将自然光线收集到系统内部，然后通过光导管传输，最后将自然光线通过系统底部的漫射器均匀地分散开来，从而实现自然光线在隧道内有效地照明。

图1 光导照明系统原理图

光导照明系统独特的天然优势是导入隧道内亮度变化与隧道外一致，即隧道外亮度越大，导入隧道内亮度也相应变大。 这一特性可自然抵消黑洞和白洞等现象，进而减少照明装置、线缆和电能消耗。 同时通过使用自然光进行照明，可以有效地避免频闪和眩光，大大提高行车舒适性、安全性。

光导照明系统为一次投资，投入使用后仅需每半年擦洗维护，使用年限长达25 年，几乎没有运行成本。 虽然前期建设投资较电力照明系统大，但综合性价比优于纯电力照明系统。

但光导照明系统自身也存在一定局限，受隧道上部构筑物限界、光导管路由长度和弯头数量限制，导入隧道内照明效率受限。 然而对于部分浅层汽车隧道，可以避开这些限制条件，充分发挥光导照明系统的天然优势。 目前上海长江路隧道浦西匝道使用光导照明系统，并已建成投入使用多年，现场效果图如图2～3 所示。

图2 洞外效果图

图3 洞内效果图

2 基于光导照明系统设计方案

根据光导照明系统特点，以东莞市某工程中一处浅层汽车隧道为例，从设计方案、对比优化仿真分析和经济节能等方面进行探讨。

2.1 项目概况

道路等级为城市快速路，设计行车速度80km/h，隧道为双舱结构，单向宽度11.75m，道路纵坡0.35%。 隧道全长480m，隧道内净空5m，隧道上部覆土0.7～2.0m。 除隧道上部两条平交道路行车道范围外，其余区域基本为绿化带。

2.2 设计主要制约因素

隧道内照明设计时根据JTGD 70-2014 《公路隧道照明设计细则》，将隧道划分为入口段、过渡段、出口段三个区段。 同时根据隧道照明运行模式，将本隧道照明分为白天模式和夜间模式设计。白天模式采用光导照明系统为主，辅助电力照明系统，夜间模式采用纯电力照明系统。

根据GB 50033-2013 《建筑采光设计标准》，东莞地区属于光气候分区第IV 区，地区全年平均照度30klx≤Eq＜35klx。 根据设计细则要求，计算得出各段所需最低照度值:入口段1 照度为1 050lx，入口段2 照度为525lx，过渡段1 照度为157lx，过渡段2照度为52lx，出口段照度为260lx。

设计时还需考虑隧道内路幅宽度、净高、隧道顶覆土深度等实际情况，以及隧道顶板开孔尺寸、数量和布置形式对结构受力，隧道上部道路行人和行车的影响和隧道上部露出地面采光装置对城市景观的影响。

综合分析上述三方面因素，同时为了降低建设成本，光导照明系统从直径250～2 000mm 范围内最终选用直径750mm 光导管。 根据选用的光导管尺寸确定光导照明布置如下表1 所示。

光导照明布置 表1

隧道内光导布置示意图如图4～5 所示。

2.3 仿真结果分析

目前有多款照明计算软件都具有日光分析功能，如AgI321.90、Dialux、Relux 等，这些软件都是基于CIE110-1994 提出的天空类型和太阳方位角模型进行仿真模拟，本工程选用Dialux4.3 版本。

图4 光导布置断面图

图5 光导布置平面示意图

在仿真计算前，根据隧道开孔、隧道光线遮挡、道路方位走向及隧道尺寸结构等，采用AutoCAD 先建好隧道模型。 然后利用Dialux 按照光导系统折射后总效率85%，依据日光分析功能，设定隧道所处的经纬度和各类天气工况，对隧道照度模拟仿真，并按照各个区段确定计算区域，仿真结果如表2 所示。

仿真模拟结果 表2

通过仿真结果可以看出:(1)应用光导照明系统在隧道相邻区段路面照度比值控制在3 倍以内，为人眼的视觉适应提供良好光环境过度；(2)除阴天工况下9 时照度不满足要求，需额外开启电力照明外，其余工况均很好满足规范要求；(3)电力照明模式(对比)布置也满足规范要求。

2.4 经济节能分析

与电力照明模式进行对比，本隧道共投入光导照明装置122 套，节省设置照明灯具264 套、安装功率26.4kW，预计年节省电能9.6 万kWh，静态投资性价比明显。 通过使用光导照明系统，不仅可以提供良好照明环境，还能节省能源，带来可观的经济价值和环保效益。

3 结束语

光导照明具有良好的照度调节效果及更便捷的光环境过渡，且基本无需后期维护管理。 通过利用自然光照明，可以做到全频谱、无闪烁、无眩光、无能耗，节能效果显著，可实现隧道内绿色低碳照明，笔者认为，值得在具备光导照明系统实施条件的浅层汽车隧道内推广应用。