重庆海天堡特大断面城市隧道入口段照明灯具最佳初始安装位置研究

白松岩，贾家银，何世永，周世均，庞 博

(1.重庆交通大学 省部共建山区桥梁及隧道工程国家重点实验室，重庆 400074；2.重庆中环建设有限公司，重庆 401120)

引言

我国城市隧道的入口处每逢高峰时段总会产生拥堵现象，为提高城市隧道的交通容纳量，新建、扩建的四车道及以上特大断面城市隧道也就应运而生[1]。根据国际隧道协会界定的隧道横断面积尺寸标准，横断面面积超过100 m2的隧道即为特大断面城市隧道。特大断面城市隧道显著的结构特征是断面大、跨度大、扁平度小[2]。

驾驶员驶入隧道的瞬间往往会因隧道洞内外的亮度差异产生视觉感知降低的现象[3]。因此，为了减少隧道洞口内外的亮度差异，国内学者通过研究隧道入口段受自然光影响的规律进而对隧道入口段的照明进行优化设计。吴桂林等[4]结合云南保腾高速公路鹿山隧道，得到隧道入口段各区段自然光及LED灯复合照明下隧道照度的分布规律，为今后进一步合理利用自然光、人工光源进行隧道复合照明节能研究提供参考。游峰等[5]通过现场实验的形式对隧道入口段的自然光变化规律进行了研究，结果显示，引入自然光对提高驾驶员在隧道中的行驶安全性上具有较大的帮助。刘琦等[6]建立隧道自然光照明环境模型，分析了自然光影响下不同长度隧道内的照明环境，为隧道入口段照明规范编制和照明系统设计提供借鉴。李靖等[7]在研究隧道照明段落划分理论的基础上，运用自然光作为该部分照明段光源的方法，提出了隧道延伸照明段落，对提高隧道节能具有十分重要的意义。周烨等[8]以能耗最低为目标，得出洞外亮度取值与入口段加强照明的布灯间距存在高次多项关系，从而为隧道照明节能设计提供工程指导。通过对隧道入口段照明的研究现状进行分析，特大断面城市隧道在隧道照明技术研究领域属于较新的概念，学者们的研究对象往往是以中等断面隧道、大断面隧道为主，较少涉及对于特大断面城市隧道的照明设计研究。

本文依托重庆海天堡隧道这一特大断面(横断面面积达145.91 m2)城市隧道照明系统新建项目，以现场测量的方式研究自然光影响下该隧道入口段路面照度(亮度)随隧道深度变化的规律，得出该隧道入口段照明灯具在不同天空类型下的最佳初始安装位置，为进一步完善特大断面城市隧道入口段照明设计规范提供理论参考。

1 照明实验方法

1.1 现场实验概况

国内外针对洞外亮度的取值建议是以累计出现频率75 h以上较大值的亮度值作为最不利条件进行考虑。实际中，这种情况通常出现在夏季晴天[9]。因此，本次试验时间为2021年7月10日～7月22日，试验地点为重庆海天堡隧道右幅隧洞区域(图1)。该隧道全长377 m，路面宽14.5 m，高6.44 m，设计时速为80 km/h。

图1 隧道右幅Fig.1 The right tunnel

依据ISO 15469:2004/CIE 011:2003[10]指导文件中 15种标准天空模型(表1)，并结合现场天气状况总结得出：现场天空类型共计7种，分别是云天天空的种类2、4、5；阴天天空的种类7、9；晴天天空的种类11、12。

表1 天空类型[10]Table 1 Sky types

1.2 入口段的长度计算

在我国现行的《公路隧道照明设计细则》(JTG/TD70/2-01—2014)[11]中认为，入口段长度D根据照明停车视距、最小衬托长度等进行计算。为保障驾驶员对道路路面上相关目标物的辨识能力，在障碍物背后应有最小长度为b的明亮路面(Ds为一倍停车视距)，如图2所示。

图2 入口段长度计算Fig.2 Length calculation of threshold zone

车辆驶至洞外适应点A时，驾驶员的20°视场中，洞外景物基本消失[11]。

依据JTG/T D70/2-01—2014[11]，隧道入口段可划分为两段，分别定为TH1段和TH2段。入口段TH1和TH2的长度可根据式(1)进行计算：

(1)

其中，Dth1、Dth2分别为入口段TH1、TH2的长度(m)；Ds为照明停车视距(m)；h为隧道净空高度(m)。

海天堡隧道设计车速为80 km/h，对应的照明停车视距Ds为100 m，隧道净空高度h为5 m。通过计算，可以确定重庆海天堡特大断面城市隧道入口段TH1和TH2的长度为78 m。

1.3 现场实验步骤

1.3.1 隧道洞外亮度L20(S)测量

通过成像式亮度计对典型特大断面城市隧道工程实例——重庆海天堡隧道进行现场测量，利用环境简图法对隧道洞外亮度L20(S)进行计算，得到在不同天空类型、不同时间的隧道洞外亮度L20(S)。

(1)测量参数。

测量在不同时间、不同天气的隧道洞外亮度L20(S)。

(2)仪器布置位置。

在距离洞口一倍停车视距处的道路中线位置布设仪器。

(3)测定方案。

①在距离隧道洞口一倍停车视距，使用PR-655光谱辐射亮度进行亮度标定。

②安装且调试好PM1423成像式亮度计，保证镜头高度为1.5 m，中心对准隧道洞口中心，然后对洞口景观进行拍照，按时间顺序依次测量各个测区的亮度。

1.3.2 隧道入口段光环境指标测量

(1)测量参数。

测量隧道入口段在不同天气、不同位置的照度(亮度)分布。

(2)测点布置。

参照《公路隧道照明设计细则》(JTGTD 702-01—2014)[11]和《照明测量方法》(GB/T 5700—2008)[12]中的规定，路面测点应满足以下要求：

①照度亮度同时测量时可按亮度布点法布置测点；

②计算区域内纵向测点间距不宜大于1.0 m，横向计算点应不少于5个，必须保证车道中线上有测点；

③若按横向5点布置，两侧最外面的两个点应分别位于距每条车道两侧边界线的1/10车道宽处；

④实验直接采取亮度布点法布置测点，为了保证测量精确度，本次试验路面横向按每车道5点布置，纵向布点间距可根据布灯间距的变化做一定的调整，但不超过2 m。

由于隧道较短，测量区域为整个入口段，具体测点布设如图3所示。

图3 地面测点布设示意图Fig.3 Layout of ground measuring points

(3)测定方案。

①将已经调试完成的TES-1339R数位式照度计的测量球置于测点位置，记录照度；

②测试过程中将PR-655光谱亮度计安装于设定位置，通过PR-655光谱亮度计对测点进行拍摄读取亮度；

③TES-1339R数位式照度计测量数据与PR-655光谱亮度计测量数据进行对比，确保数据的准确性。

2 实验数据整理

2.1 隧道洞外亮度L20(S)实验数据整理

根据现场实测数据，采用环境简图法计算了在不同天空类型、不同时间的洞外亮度L20(S)[13，14]，公式为：

L20(S)=cLc+rLr+eLe+τLτ

(2)

其中，Lc为天空亮度；c为天空所占百分比；Lr为路面亮度(cd/m2)；r为道路所占百分比；Le为环境亮度(cd/m2)；e为环境所占百分比；Lτ为入口段亮度(cd/m2)；τ为隧道入口所占百分比；且c+r+e+τ=1。

现场测量时段定为清晨无日光时5：00至夜晚无日光时20：00，每隔20 min进行一次测量，取1h内3次测量的亮度平均值作为该时段的亮度值。经过计算，在不同时间、不同天空类型下的洞外亮度L20(S)见表2。

表2 不同时间、不同天空类型下的洞外亮度L20(S)(单位：cd/m2)Table 2 Luminance L20 (S) outside the cave at different times and different sky types (unit:cd/m2)

入口段亮度随时间、天空类型变化而变化的规律如图4所示。

图4 洞外亮度L20(S)的变化Fig.4 Change of luminance L20 (S) outside the tunnel

由表2及图4可知，在7种天气条件下，亮度最高的时间段集中在12:00～13:00，云天天空5在3种云天天空下洞外亮度L20(S)达到最高；阴天天空9在2种阴天天空下洞外亮度L20(S)达到最高；晴天天空12在2种晴天天空下洞外亮度L20(S)达到最高。

在云天天空情况下，云天天空5下的隧道入口段属于最不利照明条件[15]；在阴天天空情况下，阴天天空9下的隧道入口段属于最不利照明条件；在晴天天空情况下，晴天天空12下的隧道入口段属于最不利照明条件。

2.2 隧道入口段光环境指标数据整理

根据现场测量情况，以不同天空类型下，亮度最高的时刻来测量各测点的照度，经过换算后以亮度来分析路面亮度的变化趋势；以前后测点亮度相差超过30%且数值≥10 cd/m2作为衡量隧道入口段受洞外自然光影响较大的长度区段[16]。

(1)云天天空。

由图5可知，在天空类型为云天天空2时,隧道入口段23 m与24 m的测点亮度平均值相差31.7%，24 m之后的区段相邻测点亮度平均值相差低于30%；在天空类型为云天天空4时，隧道入口段26 m与27 m的测点亮度相差32.4%，27 m之后的区段相邻测点亮度相差低于30%；在天空类型为云天天空5时，隧道入口段27 m与28 m的测点亮度平均值相差30.8%，28 m之后的区段相邻测点亮度平均值相差低于30%。由此可知，当分别处于云天天空2、4、5时，隧道入口段前24 m、27 m、28 m属于受自然光影响较大的长度区段。

图5 云天天空下的隧道入口段亮度变化Fig.5 Luminance change of tunnel threshold zone under cloudy sky

(2)阴天天空。

由图6可知，在天空类型为阴天天空7时，隧道入口段16 m与17 m的测点亮度平均值相差11.7 cd/m2，17 m之后的区段相邻测点亮度平均值相差低于10 cd/m2；在天空类型为阴天天空9时，隧道入口段19 m与20 m的测点亮度平均值相差10.8 cd/m2，20 m之后的区段相邻测点亮度平均值相差低于10 cd/m2。由此可知，当分别处于阴天天空7、9时，隧道入口段前17 m、20 m属于受自然光影响较大的长度区段。

图6 阴天天空下的隧道入口段亮度变化Fig.6 Luminance change of tunnel threshold zone under cloudy sky

(3)晴天天空。

由图7可知，在天空类型为晴天天空11时，隧道入口段32 m与33 m的测点亮度平均值相差32.9%，33 m之后的区段相邻测点亮度平均值相差低于30%；在天空类型为晴天天空12时，隧道入口段35 m与36 m的测点亮度平均值相差31.4%，36 m之后的区段相邻测点亮度平均值相差低于30%。由此可知，当分别处于晴天天空11、12时，隧道入口段前33 m、36 m属于受自然光影响较大的长度区段。

图7 晴天天空下的隧道入口段亮度变化Fig.7 Luminance change of tunnel threshold zone under sunny sky

(4)天空对比。

由图8中可知，综合不同天空类型下，隧道入口段受自然光影响较大区段的情况，隧道洞外亮度L20(S)越高，对隧道入口段的影响区段越长。

图8 最不利照明条件下隧道入口段亮度变化对比Fig.8 Luminance contrast of tunnel threshold zone under the most unfavorable lighting conditions

3 实验数据分析

3.1 隧道入口段的亮度规范曲线

根据JTG/T D70/2-01—2014[11]，隧道入口段TH1、TH2的亮度计算式为：

Lth1=k×L20(S)

(3)

Lth2=0.5×k×L20(S)

(4)

式中，Lth1、Lth2为入口段TH1、TH2的亮度(cd/m2)；L20(S)为洞外亮度(cd/m2)；k为入口段亮度折减系数，可按表3取值。

根据表3，可得到不同时间入口段的亮度值，如表4所示。

表3 入口段亮度折减系数取值表Table 3 Values of luminance reduction coefficient at threshold zone

表4 不同时间、不同天气下的隧道入口段亮度 (单位：cd/m2)Table 4 Luminance of tunnel threshold zone under different time and weather (unit:cd/m2)

隧道在云天天空下，12:00～13:00时为此种天气下最不利照明条件，此时隧道入口段亮度为96 cd/m2；隧道在阴天天空下，12:00～13:00时为此种天气下最不利照明条件，此时隧道入口段亮度为43 cd/m2；隧道在晴天天空下，12:00～13:00时为此种天气下最不利照明条件，此时隧道入口段亮度为150 cd/m2，结合JTG/T D70/2-01—2014中的关于亮度规范阶梯曲线可得出在不同天空类型下重庆海天堡隧道入口段的亮度规范值，如图9所示。

图9 不同天空类型下隧道入口段的亮度适应曲线Fig.9 Luminance adaptation curve of tunnel threshold zone under different sky types

3.2 隧道入口段的照明区段划分

根据最不利照明条件的亮度规范限值，通过对海天堡隧道入口段自然光的亮度的对比分析，可将入口段分为自然光照明区段、自然光辅助人工照明区段和人工照明区段三种区段[17]，具体如图10～图12所示。

图10 云天天空下的路面亮度变化Fig.10 Road luminance change under cloudy sky

图11 阴天天空下的路面亮度变化Fig.11 Change of pavement luminance under cloudy sky

图12 晴天天空下的路面亮度变化Fig.12 Variation of pavement luminance under sunny sky

由图10可知，在云天天空下，自然光强度随着隧道纵深的增加而逐渐减弱，对隧道路面亮度增效作用随之减弱，隧道进洞口至隧道纵深25 m区段在白天无需LED灯照明；当25 m≤隧道纵深<32 m时，单纯依靠自然光照明已无法满足路面亮度需求，应将自然光与LED灯相结合进行复合照明以满足路面亮度需求；当隧道纵深≥32 m时，隧道路面亮度已低于入口段亮度规范限值的10%，自然光和LED灯光的复合照明意义不大，应将人工照明作为照明设计的主要依据。

由图11可知，在阴天天空下，自然光强度随着隧道纵深的增加而逐渐减弱，对隧道路面亮度增效作用随之减弱，隧道进洞口至隧道纵深30 m区段在白天无需LED灯照明；当30 m≤隧道纵深<35 m时，单纯依靠自然光照明已无法满足路面亮度需求，应将自然光与LED灯相结合进行复合照明以满足路面亮度需求；当隧道纵深≥35 m时，隧道路面亮度已低于入口段亮度规范限值的10%，自然光和LED灯光的复合照明意义不大，应将人工照明作为照明设计的主要依据。

由图12可知，在晴天天空下，自然光强度随着隧道纵深的增加而逐渐减弱，对隧道路面亮度增效作用随之减弱，隧道进洞口至隧道纵深27 m区段在白天无需LED灯照明；当27 m≤隧道纵深<41 m时，单纯依靠自然光照明已无法满足路面亮度需求，应将自然光与LED灯相结合进行复合照明以满足路面亮度需求；当隧道纵深≥41 m时，隧道路面亮度已低于入口段亮度规范限值的10%，自然光和LED灯光的复合照明意义不大，应将人工照明作为照明设计的主要依据。

4 研究结论

(1)重庆海天堡特大断面城市隧道的洞外亮度L20(S)在不同天空类型下最高的时段集中在12:00～13:00，当处于云天天空时，云天天空5下的隧道入口段属于最不利照明条件；处于阴天天空时，阴天天空9下的隧道入口段属于最不利照明条件；处于晴天天空时，晴天天空12下的隧道入口段属于最不利照明条件。因此，当处于此种天空类型下的最不利照明条件时，为便于分析，可将云天天空5、阴天天空9、晴天天空12视为各自天空类型的代表性天空种类，据此类天空种类进行隧道入口段的照明设计。

(2)根据重庆海天堡特大断面城市隧道入口段的实际亮度需求曲线，将入口段分为自然光照明区段、自然光辅助人工照明区段和人工照明区段三种区段，当云天、阴天、晴天天空处于最不利照明时段，进洞口至隧道纵深依次为25 m、30 m、27 m的区域，无需人工光照条件即可实现隧道安全采光需求；进洞口至隧道纵深依次为25～32 m、30～35 m、27～41 m区段时，可利用自然光辅助人工照明；进洞口至隧道纵深依次为≥32 m、≥35 m、≥41 m区段时，在自然光照明条件下隧道路面亮度已低于入口段亮度规范限值的10%，使用自然光辅助人工照明意义不大，应以人工照明作为第三区段照明设计的依据。

通过确定重庆海天堡特大断面城市隧道的灯具安装初始位置，可减少灯具的使用数量，有效降低隧道入口段的照明能耗；进一步，通过研究隧道洞外自然光对隧道入口段的影响规律，可将照明灯具进行针对性的分配，以便于与自然光相结合，避免在自然光辅助人工照明区段因过度照明而产生的功率浪费的现象，最大程度上减少入口段的照明能耗。