川西高原高速公路隧道入口段照明优化设计

川西高原高速公路隧道入口段照明优化设计

黄岑[1]  魏萌萌1  乔晓霞1  郭金英1  郑秀秀2

（1.四川交通职业技术学院道路与桥梁工程系；2.四川升拓检测技术有限公司；成都611100）

摘要：考虑高原低氧低压低温环境对隧道行车安全的不利影响，本文以川西高原汶马高速狮子坪隧道为例，对比《公路隧道照明设计细则》所给的照明标准，给出了狮子坪隧道入口段停车视距和加强段长度的优化值。再利用照明仿真软件对狮子坪隧道入口段照明灯具布置形式进行仿真模拟，通过对比分析其经济效益，建议狮子隧道入口段灯照明具采用中间偏移1m的布置方式。

关键词：隧道照明；布灯方式；参数优化；数值仿真

Lighting Optimization Design of Tunnel Entrance Section of Western Sichuan Plateau Expressway

Cen Huang1，，MengMeng Wei1，XiaoXia Qiao1，JingYing Guo1，Xiuxiu Zheng2

(1.Department of Road and Bridge Engineering, Sichuan vocational and technical college of communications)

Abstract:Considering the adverse effects of low oxygen, low pressure and low temperature environment on driving safety in western Sichuan Plateau, taking Shiziping Tunnel of Wenma Expressway as an example, this paper compares the lighting standard values of tunnel entrance section required by the code "Detailed Rules for Lighting Design of Highway Tunnel" with high altitude factors, and makes the optimized values of parking sight distance and strengthening section length. The Dialux is used to simulate the lighting of the entrance section of Shiziping Tunnel, and the engineering economy of different lighting arrangements is analyzed. It is suggested that the lighting arrangement of the entrance section of Shiziping Tunnel should be 1m offset in the middle.

Keywords:Tunnel lighting; Lamp distribution mode; Parameter optimization; Numerical simulation

0引言

隧道的构造比较特殊，两侧和顶部是封闭的，隧道洞内外亮度的巨大差异，使得驾驶员进入隧道将出现“黑洞效应”，影响行车安全。为了有效减弱该现象对安全的影响程度，我国规范《公路隧道照明设计细则》（JTG/TD70/2-01-2014）[1]要求在隧道入口段除了设置基本照明，还需设置加强照明，提高隧道入口段的照明亮度值，从而缩小洞外亮度的差异，有效避免了“黑洞”现象，保证了行车安全，但却带来了巨大能耗，提高了隧道运营成本[2]。另外，《公路隧道照明设计细则》中入口段的照明亮度标准值主要考虑洞外亮度与交通量两个因素，但未考虑高原低氧低压低温环境对驾驶员的不利影响。

高原高海拔地区与平原地区不同，大气压力值会随着海拔的不断上升而下降，氧气的绝对量也会逐渐下降。山地医学划分了3个海拔等级：1500～3500m为高海拔；3500～3500为超高海拔；5500m以上为极高海拔[3]。海拔不断升高，驾驶员缺氧越来越明显，心率增加，使得驾驶员隧道入口段的暗适应时间会增加，隧道内照明亮度需求也会更高[4]。因此，有必要考虑川西高原高海拔气候环境特征，在规范给出的照明亮度设计值基础上进行优化，以提高川西高原高速公路隧道驾驶员的行车安全。

因此，本文以汶马高速狮子坪隧道为研究对象，考虑高海拔环境对驾驶员暗适应时间的不利影响，优化隧道照明入口段停车视距和加强照明长度值；再采用Dialux照明仿真软件，优化隧道入口段灯具的布置形式，在保证行车安全的前提下，降低灯具的投入费用，提高隧道运营的经济效益，研究结果对川西高原高速公路隧道安全行车和节能减排有一定指导意义。

1既有公路隧道出入口段照明设计标准

（1）入口段照明设计

对于入口段各区段的亮度取值，规范给出了入口段亮度取值方法（k值法）。结合隧址区的洞外亮度，考虑隧道的设计时速和隧道车流量，给出了k的取值，如表1所示[5]。

表1入口段亮度折减系数k

入口段各区段的长度和亮度计算方法，如下式所示：

                       （1）

（S）                               （2）

（S）                           （3）

式中，为入口段TH1亮度（cd/m2），为入口段TH2亮度（cd/m2），（S）为洞外亮度，K为入口段亮度折减系数。为入口段TH1长度（m）；为入口段TH2长度（m）；为照明停车视距（m）；H为隧道内净空高（m）。

（2）过渡段照明设计

过渡段宜分为、、三个照明段。过渡段长度计算方法，如下式所示：

=                         （4）                                （5）

                                （6）

式中：——隧道设计时速，Km/h

过渡段亮度计算方法，如下式所示：

=0.15×                           （7）

=0.05×                           （8）

=0.02×                           （9）

2隧道照明参数的优化

2.1工程概况

本文以汶马高速狮子坪隧道左洞上行隧道为主要研究对象，该隧隧道为单向交通设计，海拔高度为2600米，设计行车速度为80Km/h，设计交通量为795veh/(h·ln)，净高7.15m，路面为沥青混凝土路面，宽8.75m，其中行车道宽2×3.75m，隧道照明使用LED灯，灯具全长采用两侧对称布灯形式。

2.2停车视距的优化

停车视距是进行隧道入口段长度计算的基础，规范所给的停车视距是基于平原低海拔环境计算所得，并未考虑高原高海拔环境的不利影响。川西高原隧道海拔高度在2000m以上，大气氧含量、大气温度、大气压力会随着海拔高度的升高而降低，低氧低温低压的不利环境会影响驾驶员的反应时间，导致反应距离会变长[6]。

东南大学的何苗[7]，在考虑高原环境对驾驶员反应时间及车辆性能的不利影响后，给出了适合高原公路的停车视距计算模型，模型计算公式如下。

  （10）

式中：h为驾驶员所处海拔高度，单位km；n为驾驶员年龄段，10年取整；L为时间段，代表光线强度，夜晚取3，晨昏取2，白天取1；v为车辆运行速度，单位km/h；g为重力加速度，单位m/s2；为纵向摩阻系数，依车速以及路面状况而定。

根据高原公路视距模型，分别计算2000m、3000m、4000m、5000m海拔高度下的停车视距模型并提出建议值。重力加速度随着海拔增加而减少，每上升1km，g减少0.03%。因此，上述四个海拔的重力加速度取值依次为：9.794m/s2、9.791m/s2、9.788m/s2、9.785m/s2[7]。考虑最不利情况，高原驾驶员年龄选择50岁以上，时间段为白天，按照《路线规范》以车辆运行速度计算结果如表2.2所示。建议值为增加5～10m安全距离后取整所得。

表2川西高原高速公路隧道停车视距建议值

狮子坪隧道海拔2600m，根据计算公式（10），狮子坪隧道的停车视距建议值为115m。

2.3隧道入口加强照明段长度优化

为解决隧道出入口“黑洞”效应，《公路隧道照明设计细则》在隧道入口段同时设置了基本照明和加强照明。其中加强照明的长度值与隧道入口暗适应时间有关，西南交大李珂通过隧道明暗适应试验，给出的隧道暗适应平均时间建议值为12.432s，但该试验未考虑高原高海拔低氧会造成的驾驶员反应时间增加。研究发现，驾驶员的反应时间随着海拔的升高而增加，增量关系式如下[9]：

（11）

式中：——反应时间海拔修正量，s；H——隧道海拔高度，m。

因此，根据公式（11）计算出不同海拔高度下的反应时间增量和川西高原公路隧道暗适应时间，具体计算结果如表

3。

表3 川西高原公路隧道明暗适应时间

狮子坪隧道海拔为2600m，设计速度为80km/h，根据依据公式（11）计算得到驾驶员反应时间增量值为0.117s，进一步得到隧道入口段暗适应时间为12.549s，因此应该在入口段长279m的区段，设置加强照明。依据公式2~9，得隧道入口段TH1，TH2长度要求值为50.33m，过渡段TR1、TR2、TR3长度要求值为78m、88.89m、11.45m。

3隧道入口段照明优化设计

3.1照明亮度要求

照明细则规定，高海拔公路隧道洞外亮度取值L20（S）=6000cd/m2，通过调研发现，狮子坪隧道左洞外已采用遮光棚减光措施，隧道入口处亮度降低为L20（S）=3000cd/m2。狮子坪隧道设计速度为80Km/h，交通量为795veh/(h·ln)，查表1可得入口段折减系数k为0.03；根据公式2～3，得隧道入口段TH1，TH2亮度要求值为90cd/m2，45cd/m2。过渡段按照细则分为TR1、TR2、TR3三个照明段，亮度13.5cd/m2，4.5cd/m2，2.7cd/m2。隧道路面为沥青混凝土，黑色沥青路面亮度与照度间的换算系数取13lx（cd·m2），则TH1、TH2、TR1、TR2、TR3的照度分别为：E1=1170lx，E2=585lx，E3=175.5lx，E4=58.5lx，E5=35.1lx。

3.2照明灯具布置形式及经济性分析

（1）布灯形式

公路隧道照明常见的灯具布灯形式为两侧对称布灯和拱顶偏侧布灯，这两种布置形式各有优缺点，本文将利用Dialux软件对这两种布置方式进行对比分析，从安全和经济的角度给出最优的灯具布置方案。

狮子坪隧道入口段模型，模型长279m，高7.15m，路面宽8.75m，灯具采用PAK三雄激光型LED灯，边墙反射系数取58%（瓷砖），穹顶反射系数取10%，路面反射系数取13。模型照明效果云图如图1所示。

（a）两侧对称布置                           （b）中间偏移布置

图1三维结果模拟云图

两种布灯型式下的隧道内照度对比如表4和图2所示。

表4各区段照度理论值与模拟结果对比

图2理论值与模拟结果对比图

由图3可知，对比规范理论计算值，采用中间偏移的布设方式隧道入口段各段的照度数值更接近理论值。

（2）照明经济性分析

考虑节能减排，隧道入口加强段照明应在夜间关闭，因此入口加强段照明耗电量以12小时/天计算，工业用电为0.8元/度，可计算出两种布设方式下的隧道全年照明成本，结果如表5所示。

表5经济效益对比分析

由表5可知，两侧对称布设方式一年电费为6.95万元，中间偏移布设方式一年电费为5.66万元。由此可知，对比两侧对称布设方式，中间偏移布设方式一年可以节约1.3万元，由于狮子坪隧道为单洞双线隧道，因此采用中间偏移布设照明电费一年可节约2.6万元。

3.3照明灯具布置优化方案

根据数值仿真模拟结果，建议狮子坪隧道入口段建议采用的布灯形式及布灯数量如表6所示。

表6隧道入口段灯具布置表

4结论

本文通过数值模拟对狮子坪隧道入口段照明安全和节能标准进行了优化设计，得到了如下主要结论：

（1）考虑海拔对驾驶员反应时间的不利影响，将隧道入口段的停车视距标准由规范设定的110m提高至115m。

（2）狮子坪隧道海拔为2600m，结合平均暗适应时间，得到加强段照明的设置长度为279m。

（3）利用Dialux软件对隧道入口段的灯具布置方式进行数值模拟，通过分析照明效果和经济性，建议狮子坪隧道入口段采用中间偏移1m的布设方式。

参考文献

[1]李柯.川西高原地交通量隧道照明节能技术研究[D].成都:西南交通大学.2018.

[2]杨超.公路隧道入口和过渡段照明布灯参数优化研究[J].华东交通大学学报.2018.

[3]胡江碧.基于驾驶工作负荷得高海拔地区隧道照明分析.[J].隧道建设.2019.11.18.

[5]李琦.川西高原公路隧道中间段节能照明标准研究[J].地下空间与工程学报，2021.

[6]中华人民共和国行业标准.公路隧道照明设计细则：JTG/T D70/2-01-2014[S].北京：人民交通出版社股份有限公司，2014.

[7]王亚楠.隧道照明环境对驾驶人反应时间影响分析研究[D].长安大学，2017.

[8]何苗.高原环境下公路停车视距模型研究[D].东南大学，2019.

[9]陈飞.一种基于驾驶反应时间得高原公路停车视距计算方法:202110330227.2[P].东南大学.2021.

作者简介：黄岑（1986）,女,硕士研究生，讲师，主要从事交通安全方面的研究工作，E-mail:77644956@qq.com.

基金项目:2020年四川交通职业技术学院科研项目资助，项目编号：2020-XY-KJ-04.