基于品质提升的重庆公路隧道照明改造与效果评价

史玲娜， 涂 耘， 李茂华， 王卫平， 彭 伟

(1.招商局重庆交通科研设计院有限公司， 重庆 400067； 2.重庆高速公路路网管理有限公司， 重庆 401121； 3.重庆高速公路集团有限公司博士后科研工作站， 重庆 401121)

随着我国公路交通基础设施的进一步建设和完善，已建交通基础设施运行多年后逐渐出现性能下降问题，在公路隧道照明上出现较为明显的灯具光衰及“出功不出力”等现象。为加快推进公路隧道提质升级，更好地为公众安全便捷出行服务，交通运输部于2019年1月印发《促进公路隧道提质升级行动方案的通知》[1]，要求完善公路隧道照明设施，排查公路隧道照明设施运行状态，对于故障、失效和性能严重衰减的设施及时维护或更换，以确保隧道照明设施功能完备、运行可靠。

为提升公路隧道照明品质，近些年已有不少学者开展相关研究并指导实际工程，刘杰君等[2]提出在隧道内采用环境亮化及加强线性引导等多种辅助照明技术，既能提高隧道行车环境和视觉效果，又能降低照明能耗；刘松荣等[3]根据隧道行车视觉适应性特点，提出结合亮化涂装的照明节能化设计方法，并提高隧道照明质量和降低能耗；周武召等[4]采用调控季节、运营时间与车流量等变量，对隧道照明管控方式进行了优化；尹力等[5]针对低交通量下“无车照明” 的能耗浪费现象，提出一种“车来灯亮、车走灯暗” 的智能控制技术，实现隧道照明的进一步节能。

重庆于2018年初就以提升重庆城市形象，提升隧道照明和通行环境为目的，以“智能、绿色、安全、品质”为总体方向，在绕城高速范围内率先开展了高速公路隧道照明提升工程。基于大量工程技术与运营管理现状调研，结合重庆发展需求，编制了《重庆市高速公路隧道照明提升总体设计方案》以指导重庆市公路隧道照明品质提升工作的开展，落实交通部公路隧道提质升级行动[6]。相较全国其他省市，重庆公路隧道照明品质提升工程结合了大量科研和工程实践经验成果，在满足《公路隧道照明设计细则》(JTG/T D70/1—2014)(简称“细则”)的基础上，积极采用四新技术，通过对改造后的效果进行测试，检验品质提升效果，并提出了针对性的效果评价方法，对指导重庆乃至全国后续隧道照明品质提升工程改造及建设都具有较强的借鉴作用[7-11]。

1 重庆隧道照明品质提升总体方案

1.1 调研存在问题

通过调研，重庆高速公路隧道在运营近10年后主要存在以下几方面的问题：

1) 交通量不满足远期设计要求，需对远期交通量进行改造

在设计之初，重庆绕城高速公路的交通量按照小于350 veh/(h·ln)进行设计，运营近10年后，交通量已大于1 200 veh/(h·ln)，根据《细则》及照明安全运营需要，隧道加强照明和基本照明均应按远期交通量进行改造，即入口段加强照明设计依据Lth=k·L20(s)，k值的取值应由0.025替代成0.035，即加强照明应在原基础上增加40%，基本照明需提高67%才能满足现有交通量下的隧道照明需求。

2) 部分隧道无引道照明，需增设引道照明

根据《细则》第8.2.1条规定，对于隧道外引道曲线半径小于一般值的路段、隧道设夜间照明且处于无照明路段的洞外引道、隧道与桥梁处和连续隧道间的路段应设置洞外引道照明。通过调研发现，重庆绕城高速公路部分隧道处于桥隧相连处未设置引道照明，需对这些隧道加设引道照明以提高安全性。

3) 部分短隧道未设置照明，需增设照明系统

通过调研发现，部分长度大于200 m的隧道未设置照明系统，根据《细则》第3.0.2条规定，长度大于200 m的高速公路隧道、一级公路隧道应设置照明，因此，需对这些隧道增设照明系统。

4) 隧道入口“黑洞效应”明显，加强照明能耗高

由于重庆绕城高速公路之前的照明灯具以高压钠灯为主，在运营近10年后，光衰严重，即使按满功率运行，亦因灯具的“出功不出力”问题使入口段加强照明不能满足视觉适应性需求，导致“黑洞效应”明显，存在较大的安全隐患[12]，另外，灯具的高光衰与低光效使得加强照明段长期处于高能耗状态，运营成本极高。

5) 洞内环境整洁度较差，隧道内部视觉诱导性不强

由于重庆绕城高速公路隧道内部大部分无涂装，或早期涂装因耐污性差使得内壁表面整洁度较差，壁面色泽暗淡反射率低，无法满足《细则》第3.0.8条规定“隧道两侧墙面2 m高范围内的平均亮度，不宜低于路面平均亮度的60%”的要求。内部环境的整体较差也导致了隧道内部视觉诱导性不强，特别是长隧道的线性诱导性较差，不仅影响通行能力，还存在一定的交通安全隐患。

6) 智能化控制程度不高

之前的高压钠灯主要采用传统回路控制，在控制模式上以结合天气和时段进行调光的时序控制为主[13]。重庆地处山区，不同地域天气差异较大，在照明控制上可根据不同地域和隧道朝向采用“因隧制宜”的控制策略，可进一步提升控制节能效率，且部分路段仍存在交通量偏低的现象，通过智能控制策略的进一步提升，可切实体现低交通量照明控制的安全性和节能性。

1.2 隧道照明品质提升总体方案

根据上述问题，招商局重庆交通科研设计院有限公司制定了《重庆市高速公路隧道照明提升总体设计方案》，从隧道电光照明改造、隧道洞壁涂装、隧道内电光标志以及隧道内交通安全设施和警示性景观等方面提出品质提升方案，其中电光照明、涂装改造和控制改造方案具体如下：

1) 电光照明改造方案

在遵循亮化、节能、安全的基本原则下，重庆绕城高速公路隧道照明均由原先的高压钠灯改成绿色节能LED灯具，设计参数中亮度折减系数按交通量增加后的0.035取值、洞外亮度按3 000 cd/m2进行设计取值，并规定基本照明亮度标准为4.5 cd/m2，对原先未设照明的短隧道增设照明系统，从而得到不同类型隧道的电光照明改造设计方案，如表1所示。

表1 电光照明改造设计参数

所有隧道照明均按双侧对称方式进行布灯。入口段1的LED灯具色温范围为3 000 k～3 750 k，光效不低于100 lm/W；其余照明段LED灯具色温范围为3 000 k～4 500 k，光效不低于110 lm/W。

对原先未设引道照明的路段增设引道照明，包括其他区域照明标准及布灯方式，如表2所示。

表2 其他照明类型改造设计要求

2) 隧道洞壁涂装改造方案

为提高隧道整体视觉环境，提升通行效率，在遵循增亮、整洁和易维护的原则下，提出隧道洞壁涂装改造方案。要求所用涂装材料应属于耐污易清洗材料，材料本身为环保不燃材料(≥A2级)。针对不同隧道本身洞壁和基底的不同，要求隧道存在渗水、漏水、开裂等病害时，应先进行病害整治后再进行涂装；隧道壁存在不平或裂缝时，需在涂装前对隧道壁进行修复和平整度处置，保证基底平整、坚实、牢固，无浮灰、粉化、起皮和裂缝等现象；整体涂装后的隧道内壁应粘结牢固，无露底，无流挂，无起皮，无掉粉，无咬色，无疙瘩；用仪器检测表面反射亮度应均匀等。

根据隧道行车的视觉适应性和环境亮化提升需求，并兼顾安全提升功能，整体涂装改造方案包括以下3方面：

(1) 隧道入口40 m和出口30 m范围内实施全断面涂装，以降低隧道进出口的“黑/白洞效应”，保证进出口的行车安全，并提高通行效率。

(2) 除进出口的全断面涂装外，其余区段在隧道壁沿检修道上2.7 m范围内进行珍珠白色涂装，既保证反射率，又与灯具色温相匹配满足舒适性；在2.7 m～3 m的区域实施绿色腰线，提高隧道整体引导性。

(3) 在长隧道的紧急停车带及人行横通道等重点避险逃生位置，采用绿色、橙色和蓄能发光白色材料实施避险和逃生引导方向涂装，实现一种经济性的安全提升壁面标志设施。

3) “因隧制宜”控制系统改造方案

在照明控制上采用更精细化的“因隧制宜”的智能控制方案。采用时序控制和智能控制相结合的方式，根据不同交通量制定不同的控制模式。采用时序控制时，结合重庆地区不同区域的天气情况与隧道洞口朝向制定针对性时序控制策略，包括不同照明时段的控制亮度；采用智能控制时在传统洞外亮度、交通量和设计车速的基础上，结合隧道涂装的亮度增益效果设置亮度折减系数，可达到品质提升改造后与未涂装相比再增加15%左右的照明节能效果，以克服之前隧道照明控制智能化程度不高的问题。

2 重庆隧道照明品质提升改造

根据重庆市交通局开展都市区高速公路隧道照明品质提升专项工作要求以及上述整体提升方案，重庆市自2018年起对重庆绕城及射线高速公路隧道通过亮度提升、内壁涂装、完善洞内设施以及洞口美化等方面进行整体性照明品质提升，重点对照明系统和内壁涂装进行大规模的提升改造。以重庆石渝、渝黔高速公路隧道为例进行提升改造过程及效果分析。

2.1 工程概况

G5021石渝高速公路(主城至涪陵段)属于重庆三环十射的渝东北射线，是重庆主城区向东北进入湖北必经之路的首段，是沟通渝陕鄂的一条重要通道，本次改造线路路段长度为84.3 km，其中主线长67.676 km，连接线长16.624 km，全线共有13座隧道。渝黔高速(重庆)段是兰州—海口高速公路(简称“兰海高速”)的组成部分，路段长度为90.75 km，全线共7座隧道。石渝高速公路(主城至涪陵段)、渝黔高速(重庆)段具有以下特点：

1) 该路段是重庆、贵州、四川通往长三角地区最快捷的公路运输通道，交通量逐年增加且重载交通多。

2) 隧道内原照明系统主要采用高压钠灯，光衰严重，整体照明效果不好，且运营能耗高。

3) 隧道内壁无涂装，通车运营多年，整体视觉环境有待提升。

4) 这2条高速作为重庆市重要的交通运输经济大动脉，社会关注度高，对道路的质量、形象、安全要求高。

2.2 照明系统提升改造

重庆石渝、渝黔高速公路隧道原灯具为高压钠灯，按照品质提升要求在本次改造中均采用LED灯具，并根据《细则》对隧道照明区段进行节能设计优化，按总体方案进行基本亮度提升设计等，具体如下：

1) 白院子隧道和平政隧道为300 m以下直线短隧道，原设计未设置照明，现对这2座隧道增设照明系统。加强照明段设置为入口段1、入口段2，亮度设计值按长隧道标准的20%进行取值，其他段均为中间段，不设置出口照明。

2) 梨香隧道、龙桥隧道长度小于500 m，但属光学长隧道，均按长隧道进行亮度设计。由于原设计进口加强照明长度只有现行规范的1/2，提升改造的加强段重新进行布设。受LED灯具最大功率限制，为达到设计亮度，入口段1采用2排灯具布置的方式；出口段的加强照明采用灯具原位更换的方式，长度与原设计一致分为出口段1和出口段2。

3) 中、长、特长隧道的照明系统改造均按总体方案的要求设计。加强照明灯具均采用原位更换的方式，原入口段分为入口段1和入口段2，原出口段分为出口段1和出口段2；双车道原隧道入口段1增加一排灯具以提高设计亮度需求。对于基本照明原位换灯不满足要求的，在原位两者中间再增加一盏灯具以满足总体方案亮度要求。

照明系统提升改造前后效果对比如图1所示。

(a) 照明系统改造前

2.3 内壁亮化涂装改造

本次隧道内壁亮化涂装以全面落实“绿色、安全、品质”的总体目标，并利于后期运营的降本增效。在综合比选不同材料性能和应用效果的基础上，采用纳米硅负离子材料与蓄能发光多功能材料相结合的方式，实现整体性涂装对隧道通行环境的亮化提升效果，对重点安全区域进行避险逃生加强引导涂装。所采用的材料主要性能指标应满足耐污性、耐久性、环保性及不燃性要求，具体如表3所示。

表3 材料主要技术指标

材料的环保性指标必须满足放射性、挥发性有机化学物、苯系物含量、可溶性重金属含量等不超过标准规定限制，同时所采用的纳米硅负离子材料还具有释放负离子和提升隧道空气质量的效果。

为保证内壁涂装品质的提升功能，本次改造对涂层施工工艺提出严格要求:1) 清洗隧道内壁，保证表面无浮灰和渣子、基底无松动或掉壳；2) 采用砂浆修补和打磨基底，保证基底表面平整度一致；3) 喷涂和刮敷2层腻子层的基础上进行底层涂料和面层涂料的施工，保证整体性色度和光洁度一致，厚度均匀，具备良好的抗污和易清洗效果。涂装实施前后的效果如图2、图3所示。

(a) 涂装前

从图2和图3可见，在进行内壁涂装后，隧道内的整体照明环境显著提升。隧道进出口的“黑/白洞效应”明显减弱，隧道内部的“墙效应”亦得到减弱，特别是应急逃生通道远距离即可辨识且信息明确，这对提高隧道行车安全性和通行能力起到明显的促进作用。

(a) 涂装前

3 改造效果测试与评价

3.1 亮化效果测试

为验证品质提升改造对隧道照明亮化提升效果，现场分别测试了照明系统改造以及内壁涂装改造后的基本照明路面亮度，如图4所示。由于LED灯具的高光效，改造后路面亮度水平比原系统提升30%以上，所采用的纳米硅负离子涂层具备70%以上的反射率，在内壁高反射率的涂层作用下，隧道路面亮度又较涂装前提升了20%左右。

图4 隧道品质提升改造的路面亮度提升效果测试

为验证品质涂装的耐污和易清洗效果，对改造运营一段时间后的石渝高速隧道内壁进行清洗前后的路面亮度测试，如图5所示。检测结果表明，清洗前隧道路面亮度较新涂装时有所降低，亮度降低比例低于5%，但在清洗后又可提升到初装水平，这说明本次实施的内壁亮化涂装满足品质涂装的耐污易清洗效果。

(a) 石渝路进城方向基本段平均照度(未清洗)

3.2 节能性评价

在满足相同设计要求前提下，以渝黔高速隧道电量统计数据为例，对照明系统改造前后隧道基本照明和加强照明年用电量进行统计分析，结果如图6所示。从图6可知，照明系统改造后，基本照明总体降低20%～70%不等，其中短隧道基本照明降幅最为明显，这与之前短隧道高压钠灯光衰过大导致运营功率过高有关；加强照明段电量普遍降至原来的50%左右。这一统计表明照明系统改造后，尽管灯具数量和设计亮度有所增加，但年用电量普遍降低，实现了品质提升和节能降耗的双重效果。

(a) 改造前基本照明年用电量

综上分析可知，品质涂装改造对环境亮化的提升效果显著，涂装后对路面亮度的提升效果良好，且采用智能控制系统可在原基础上再次降低照明功率约15%，表明本次照明品质提升改造既可实现加强照明又能降低60%以上能耗，同时基本照明依据隧道长短，其节能效率也达35%～85%。

3.3 安全性评价

为验证本次照明品质提升改造对隧道运营安全的提升作用，项目组对改造后的隧道交通事故进行跟踪，得到改造前后同期交通事故对比情况，如表4所示。

表4 改造前后隧道交通事故比较

从表4可见，在实施了照明系统改造后，由于照明亮度的提升，年事故率降幅达33.33%，在实施亮化涂装后，同期交通事故又有明显降低，无死亡和伤人事故发生，轻微事故下降52.27%，总体事故降幅为54.35%，有效保障了人身安全，降低了财产损失，隧道运营安全提升，社会效益显著。

4 结论

本文结合重庆市照明品质提升要求开展工作，编制总体设计方案，基于重庆高速公路隧道照明调研，对照明系统提升和内壁亮化涂装进行针对性改造，并对改造前后的效果进行了测试，对后期运营节能性和安全性进行了跟踪，主要结论如下：

1) 提出针对不同隧道类型的照明设计方法，并确定对应的照明设计指标，充分利用LED灯具高光效的优势，切实起到照明品质提升和降本增效的双重效果。

2) 根据涂装效果与所用材料性能强相关特性，采用纳米硅负离子材料有效提升隧道环境亮度，从而提高隧道通行能力和通行效率，并创新性提出基于安全提升的隧道紧急避险与逃生墙面标设计方法，有效提升长隧道行车安全性，改造后总体事故率下降达54.35%，运营安全提升，社会效益显著。

3) 多技术应用的品质提升方案与智能控制技术有效结合，可实现亮度提升前提下的运营节能，至少可实现35%以上的节能。