毗邻隧道减光棚洞配置技术

刘 鹏，马 非，夏杨于雨，崔向阳

(1.重庆交通大学土木工程学院，重庆 400047；2.招商局重庆交通科研设计院，重庆 400067)

引言

截至2017年底，全国公路隧道为16 229处，比2016年增加1 048处[1]，公路隧道群(包括毗邻隧道和连续隧道)的特殊路段也相应地增多。根据铁路隧道相关规范定义，隧道群是相邻隧道洞口间距不小于一列旅客列车长度的一组隧道[2]；而公路毗邻隧道目前还没有明确定义公路隧道群和毗邻隧道概念以及其限定长度，考虑到通风、照明、消防安全、交通安全等因素，多将两隧道间距L≤250 m 的隧道定义为毗邻隧道；L>250 m且L≤1 000 m定义为连续隧道[3，4]。而隧道群的特殊存在，使得与单体隧道光环境相比有明显的不同。受自然光影响，白天隧道内亮度较低，连续隧道区段亮度较高，这将迫使驾驶者在该地段经历连续的明暗视觉适应[5，6]。

毗邻隧道光环境对驾驶者的视觉存在一定的影响，甚至在少数太阳直射等特殊地区的毗邻隧道光环境对驾驶造成直接干扰[7]。据统计，驾驶人失误中，感知失误占42%左右，判断失误占36%[8]，这说明信息获得性感知对驾驶者来说极其重要。感官对交通信息传递占比中，视觉约占80%[9]，这表明视觉感知是驾驶者交通特性的重要依据来源，在隧道环境下，影响视觉感知的主要因素就是洞外亮度和洞内照明亮度。因此，隧道群区段亮度连续变化适应问题就是一个大的隧道风险源，对该区段亮度进行相应的调整措施是非常必要的。

1 工程概况

模型设计依据汕湛高速惠清段项目，位于广东省中部地区，高速公路惠州至清远段为山岭重丘区高速公路，根据初步设计文件，全线共有隧道16座，2座总里程8 459.5 m的特长隧道、5 座总里程为7 816.5 m的长隧道、6 座总里程为4 228.5 m的中隧道、3 座总里程为899 m的短隧道(16座隧道总长21.403 km)。隧道线路长，沿线路段有多处连续隧道，毗邻隧道以八片山隧道与太和洞隧道为典型。

图1 山区毗邻隧道光环境现状

八片山隧道左线小桩号为ZK172+567，大桩号为ZK173+568，长1 001 m，右线小桩号为YK172+565，大桩号为YK173+570,长1 005 m，为中长隧道。太和洞隧道左线小桩号为ZK173+735，大桩号为ZK177+986，长4251 m，右线小桩号为YK173+752，大桩号为YK178+050，长4298 m,为特长隧道。其中左线毗邻区间长167 m，右线毗邻区间长182 m，本次研究依托此工程建立模型分析。

2 计算模型

2.1 模型建立

建立三维计算模型，模型为两车道毗邻减光棚，路面宽度为11.75 m，加上应急车道总路宽为15 m，减光棚模型纵向长度为200 m，透光带宽度为1.5 m，减光棚外表面材料反射率为0.43(除透光带)，内表面反射率为0.3。实际工程路面类型为沥青混凝土，反射特性为R3[10](以漫反射为主，些许的镜面反射)，其中路面反射率为0.22，光泽度s1取1.1，平均亮度系数Q0为0.07，因实际工程为新建隧道，故模型路面参数标准取值与工程隧道实际参数接近一致。模型如图2所示。

图2 减光棚模型

研究采用DIAlux 4.13光学分析软件，在建立的毗邻隧道减光棚模型基础上模拟不同光环境，欲分析6月与12月天气条件下减光棚顶部两侧透光、中部两侧透光和底部两侧透光在不同透光率时路面照度的增益情况，其中DIAlux软件季节天气参数设定根据《日光空间分布-天空亮度分布参考》(CIE 110：1994)[11]，天气模型分晴天、阴天、混合天空，太阳方位角αs和太阳高度角γs设定见表1。光环境模拟如图3所示。

表1 6月与12月各时段αs和γs设定

图3 减光棚模型的光环境

2.2 模型计算指标

本次研究的几个关键照明指标分别为路面照度、路面平均照度和照度总均匀度。其中照度公式为

(1)

平均照度计算公式为

(2)

式中，Eav为平均照度，单位为lx/m2；∑Φ为照射总光通量，单位为lm；Cu和η分别为利用系数和维护系数；S为照射区域面积，单位为m2。其中利用系数和维护系数与照明装置有关，而减光棚利用的是自然光，故此处计算可简化为

(3)

照度均匀度是表征光线分布均匀度的重要指标，均匀度越高视觉舒适性越好。路面总照度均匀度的计算公式为

(4)

式(4)中，E1为路面照度总均匀度；Emin为计算区域内路面最小照度lx；Eav为计算区域内路面平均照度。结合实际工程，据规范路面亮度总均匀度不应低于0.4的要求，由亮度与照度的比例关系，照度总均匀度也应不低于0.4[12,13]。

3 最优减光棚配置分析

减光棚透光位置配置影响路面照度均匀度，合理的透光位置配置有利于在白天下依靠自然光获得最佳路面照度均匀度，提高驾驶光环境的舒适性。为此，此次模拟分析了减光棚顶部两侧透光、中部两侧透光和底部两侧透光在夏季与冬季天气下路面照度总均匀度变化情况。随机选择50%的透光率作为不变量，探讨透光位置配置优化。

3.1 六月份减光棚透光分析

模型分别模拟计算了6月天6：00、9：00、12：00、15：00、18：00等主要时段毗邻区减光棚的路面平均照度、最大和最小照度、照度均匀度，结果见表2。

表2 6月天各透光位置50%透光率计算

由表2可以看出，在六月份晴天的9：00至18：00为有效值，顶部两侧透光时整体路面照度总均匀度变化范围为0.57～0.64，中部两侧透光时整体路面照度总均匀度变化区间为0.68～0.84，底部两侧透光时整体路面照度总均匀度变化区间为0.53～0.58。很明显，中部两侧透光时，路面整体照度总均匀度值最高，对驾驶者的视觉影响性最低，但底部和顶部两侧透光时路面均匀度也满足基本均匀度大于0.4的要求。此外，在50%透光率下，顶部透光时路面平均照度最高为1 584 lx，中部透光时路面平均照度最高为981 lx，底部透光时路面平均照度最高为451 lx。昼天三种透光配置路面平均照度和照度均匀度拟合曲线见图4。

图4 6月天各透光位置50%透光率拟合曲线

3.2 十二月份减光棚透光分析

十二月份模拟计算与六月份模拟参数保持相对不变，天气时差作为主变量，同样计算昼天5个时段照度值。计算结果见表3。

表3 12月天各透光位置50%透光率计算

由表3可以看出，在12月天的9：00至15：00为有效值，顶部两侧透光时整体路面照度总均匀度在模拟时段内变化区间为0.47～0.54，中部两侧透光时整体路面照度总均匀度在模拟时段内变化区间为0.67～0.73，底部两侧透光时整体路面照度总均匀度在模拟时段内变化区间为0.49～0.55。由上得出中部两侧透光时路面照度均匀度相对于底部和顶部两侧透光依然最高。12月份中部和顶部两侧50%透光率路面平均照度在800～1 277 lx范围内波动，照度较佳，底部两侧50%透光路面平均照度为可接受值。计算结果拟合曲线见图5。

图5 12月天各透光位置50%透光率拟合曲线

4 最佳透光率分析

透光位置的透光率影响自然光投射到路面的总光通量，即决定着路面亮度、照度等指标的优良情况。因此，在最佳减光棚透光配置的研究基础上又进一步对不同透光率做了相关研究。由以上结果可知，中部两侧透光时路面均匀度最好，所以针对减光棚中部两侧透光分析了在6月与12月天气下路面平均照度变化情况。本次减光棚模型透光位置选择30%、50%、70%和90%的透光率进行最佳透光率研究。

4.1 六月份各透光率模拟分析

最佳透光率分析时同样分别模拟计算了6月天中6：00、9：00、12：00、15：00和18：00五个时段毗邻区减光棚路面平均照度、最大和最小照度、照度总均匀度。计算结果见表4。

由表4可以看出，随着透光率的递增，路面平均照度也随之增加。在6月天9：00至15：00时段为照度峰值区间，该时段30%透光率下对应路面平均照度主要波动值529～590 lx，50%透光率下对应路面平均照度主要变化值878～981 lx，70%透光率下对应路面平均照度主要波动在1 228～1 372 lx，90%透光率路面照度变化1 578～1 763 lx。虽然各透光率下路面平均照度都在接受范围内，但50%透光率下路面平均照度更接近舒适最佳值900 lx。路面均匀度方面，从计算结果知道，同一时间不同透光率下路面总均匀度变化微小，变化幅度在0.02左右。计算结果拟合曲线见图6。

图6 六月天减光棚中部两侧不同透光变化曲线

4.2 十二月份各透光率模拟分析

12月份天气情况下，减光棚中部两侧不同透光率模拟结果见表4。

从表5可知，在12月天同样9：00至15：00时段为照度峰值区间，30%透光率下对应路面平均照度主要集中在482～642 lx，50%透光率下对应路面平均照度主要值集中在799～1 065 lx，70%透光率下对应路面平均照度主要变化值1 117～1 489 lx，90%透光率路面照度在1 432～1 914 lx之间。同理可知，50%透光率下路面平均照度更接近舒适最佳值900 lx，效果最佳。模拟透光位置为中部两侧透光，所以12月份相比6月份路面平均照度峰值反而更高；路面均匀度与6月份模拟结果相似，同一时段内路面照度总均匀度受透光率影响很小。计算结果拟合曲线图如图7所示。

表5 十二月天减光棚中部两侧不同透光率计算

图7 十二月天减光棚中部两侧不同透光变化曲线

5 结论

1)毗邻隧道减光棚透光配置模拟结果对比得出，中部两侧透光路面总均匀度最好，照度总均匀度最高可达0.84。但是顶、中、底部两侧透光时路面总均匀度都大于0.4，满足规范的最低要求。

2)减光棚在6月份时路面均匀度比7月份路面均匀度要高，中部两侧透光时路面均匀度夏季与冬季在相同时间点波动0.01～0.05，顶部和底部两侧透光时路面均匀度变化幅度为0.05～0.1，即在不同季节变化时，减光棚中部两侧透光路面均匀度更稳定。

3)毗邻隧道减光棚透光率模拟结果对比得出，中部两侧透光率在50%～70%范围内时路面平均照度在800～1 200 lx之间，此时路面照度最佳，更接近最舒性适驾驶视觉；其中路面总均匀在相同时间条件下受透光率影响很小，总均匀度变化范围不超过0.02。

4)虽然减光棚相同透光率下顶部两侧透光时路面平均照度要略高于中部和底部两侧透光条件下路面平均照度，但中部两侧透光时棚洞内整体光环境较舒适，路面照度和总均匀最佳；底部两侧透光无论是针对路面均匀度还是平均照度来说效果都一般。