基于视觉适应的隧道入口外段遮光构件设计研究

玮 宝，翁 季，黄新月，王梦颖

(重庆大学建筑城规学院，重庆 400045)

0 引言

隧道入口接近段遮光构件的设置，对改善行车环境、确保行车安全以及节能减排都具有重要意义。本研究根据人眼暗适应曲线的原理，在解决白昼隧道入口光差大造成的交通安全问题的同时，也弥补了现有隧道入口段采用大量人工照明增光措施解决光差问题的不足。相对于隧道入口段需要全天候高强度的人工照明措施导致的高成本高能耗的弊端，通过利用隧道入口段遮光构件的自然减光措施来达到节能和降低现有成本的目的，使其在实际应用中更易于推广。此外，通过后期设计成果的模拟对比试验进行光学数据分析，其可操作性和安全性亦可以得到论证。

1 隧道入口“黑洞效应”与解决方法

2012年v温州调整三都岭隧道一年事故735 起，平均每天两起，究其原因是入口采光不足引起隧道内外光差大导致驾驶员“暂时失明”难以应对突发事件。由于暗适应比明适应所需的反应时间更长、反应过程更复杂，因此，暗适应的“黑洞效应”比明适应的“白洞效应”所产生的危害更大。由此看来，在隧道入口处进行一定的减光设计显得更为重要。

解决隧道入口光差大的普遍做法是通过在入口段内加以大师的人工照明来减弱亮度对比带来的交通安全问题，此方法不仅缺乏高效性，更带来严重的能耗问题。据统计，小于3 000 m 的中长隧道中出入口处加强照明所需的用电量约占整个隧道照明的50%。采用入口段的减光措施不仅可以形成一个光过渡带，有效解决入口段的光差问题，改善进入隧道的光环境，消除“黑洞”效应，保证行车安全，同时也达到了节能的目的。

在隧道入口接近段进行一定的遮光构件设计，不管是从行车的安全性与舒适性的角度，还是从节能减排的角度出发，都是非常必要的。

2 隧道入口遮光构件类型的选择

在隧道入口利用减弱自然光达到减光效果的觉构件类型有:遮阳棚、遮光板、遮光棚。

遮阳棚(图1)利用透明或半透明材料的透光作用以达到减光效果，不允许阳光直接投射到路面上。遮光板(图2)是利用透明或半透明材料的透光作用以达到减光效果，也不允许阳光直接投射到路面上，光过渡的效应一般。遮光棚(图3)是一种顶部为敞开式结构的棚状构筑物，与遮阳棚、遮光板相比，其区别在于允许日光直射到路面上，且结构相对简单、轻巧。

从节能、经济以及施工等方面进行对比，遮光棚这一尖减光措施减光效果好，不受自然环境因素影响，不增加隧道通风长度，工程投资少，运营期间维护工作量小。

因此采用遮光棚塔式更为合理。

图1 遮阳棚

图2 遮光板

图3 遮光棚

3 隧道实地调研

3.1 无遮光构件隧道调研——北碚隧道

北碚隧道是国道212 线渝合(重庆—合川)高速公路上的特长隧道。双洞单向行车，单洞两车道，左右洞分离布置，限制速度60 km/h。隧道采用削竹式入口。隧道整体朝向为南偏东60°左右，入口朝向为南偏东15°。

3.1.1 照度数据统计

使用照度计对隧道路面照度进行测量，并对隧道入口接近段照度数据进行分析，如图4 所示，横坐标单位为m，0 点取在隧道入口正下方的路面中心处;纵坐标单位为lx。

图4 北碚隧道接近段光照折线图

由图4 可见，无遮光构件的隧道入口接近段在较短距离内照度值变化差异大，这样的现象在夏季晴天的时候尤其明显。

3.1.2 北碚隧道调研结论

通过调研发现，北碚隧道入口处光差较大，驾驶员偶尔会出现“黑洞效应”，存在严重安全隐患。北碚隧道实地调研结果不仅再次论证了在隧道入口接近段实施减光措施的必要性，同时也为后期构件的研究设计提供了模型实验数据。

3.2 有遮光构件隧道调研——向阳隧道

向阳隧道是国道212 线渝合(重庆—合川)高速公路上的特长隧道。双洞单向行车，单洞两车道，左右洞分离布置，限制速度60 km/h。隧道整体朝向为南偏东60°左右，入口朝向为南偏东15°。

向阳隧道减光构件类型为遮光棚减光(图5)，构件长12 m 宽8.5 m，材料采用白色混凝土。遮光构件之间以两段式方式排列，两段式距离分别为40 cm 和20 cm。遮光构件的结构为侧面实墙，中间由三根柱子支撑，顶部为宽为10 cm 的混凝土条(图6)。

图5 向阳隧道入口段遮光构件实物图

图6 向阳隧道遮光构件剖面图

3.2.1 照度数据统计

使用照度计对隧道路面照度进行测量，并对隧道入口接近段照度数据进行分析，如图7 所示，横坐标单位为m，0 点取在隧道入口正下方的路面中心处;纵坐标单位为lx。

3.2.2 向阳隧道调研结论

对比北碚隧道和向阳隧道接近段可以发现向阳隧道通过加建入口遮光构件达到了良好的入口光过渡效果，并降低了隧道入口段加强照明的能耗，通过对向阳隧道入口减光措施的调研发现，向阳隧道遮光棚的优点是经济适用，缺点是不符合人眼的暗适应曲线，驾驶员无法很好地适应光差的变化。因此，本研究试图以北碚隧道为研究对象，通过增加遮光棚来达到减光目的，并通过遮光构件的排布设计使减光过程尽量符合人眼暗适应曲线，从而达到既节约能源，又能保证驾驶员安全性和舒适性的效果。

图7 向阳隧道接近段光照折线图

4 北碚隧道遮光棚设计

4.1 设计思路

本设计以北碚隧道为原型制作1∶10 隧道接近段减光构件模型，测试筛选出与实际沥青路面和实际混凝土构件反射率相近的实验材料，并制作可调节构件间距的实验模型，利用照度计测试遮光构件下的模拟水平路面照度并绘制变化趋势图。由于CIE 隧道沿线亮度曲线由人眼暗适应曲线(图8)原理得出，因此将绘制的变化趋势图与CIE 曲线进行比对，反复调节构件距离至两条曲线基本吻合，得出最合理(即最契合人眼暗适应曲线)构件排布间距。此外，为避免产生频闪现象，对得出的构件排布方式进行修正，得出最终模型成果，并进行节能的量化计算。

图8 人眼暗适应曲线图

4.2 入口减光段设计长度

李英涛等指出，隧道出入口处遮光棚长度主要由隧道洞外及洞内照度、洞外及洞内亮度、驾驶员视力恢复时间及隧道设计速度等因素决定。同时也提出隧道出入口减光段长度计算模型［式(1)、式(2)］，并针对不同的隧道设计速度得出减光段的设计长度取值(如表1)。根据北碚隧道实际情况，入口减光段合理设计长度取74 m。

式中Sin——隧道入口处减光段合理设计长度(m);

Sout——隧道出口处减光段合理设计长度(m);

Dtr——隧道过渡照明段长度(m);

Vd——隧道设计速度(km/h)。

表1 隧道出入口减光段合理设计长度取值

4.3 遮光棚遮光构件排布设计原理

当人从光亮处进入黑暗中，人眼对光的敏感度会瞬间大幅度降低，之后逐渐增加，约30 分钟达到最大限度，此过程称为人眼暗适应，人眼的暗适应曲线为不规则曲线。而在本设计中，隧道接近段光环境经遮光构件的改善后，照度分布情况随着车辆的行驶满足人眼暗适应的需求，即遮光构件呈不规则渐变排列满足人眼的暗适应曲线，获得更佳的舒适性。

4.4 模型设计实验

4.4.1 材料反射率模拟

通过筛选与沥青路面和混凝土构件材料反射率相近的色纸来模拟现实隧道入口段的光环境。通过在光学实验室的实验我们筛选出编号为423c 的色纸模拟混凝土遮光构件(ρ=0.308 6)与编号为424c 的色纸模拟沥青路面(ρ=0.196 0)。

同时，隧道内部亮度由可调亮灯泡提供，满足CIE曲线中三段式减光中第一段的亮度，即L内=35%×L外。

4.4.2 入口段遮光构件尺寸

模型设计比例为1 ∶10，北碚隧道设计速度为60 km/h，依据隧道出入口减光段合理设计长度取值(表1)，入口减光格栅段长度为7.1 m，测试过程中默认太阳光为平行光线。图9 为以北碚隧道实际尺寸设计的实际单元构件尺寸。

图9 实际单元构件尺寸(mm)

4.4.3 设计实验调试

以路面中心线为准，测量出每一个单元构件投射到路面上的明点与暗点的照度，以米为单位，一个单位里均匀取3 点，随机取样列入统计表格。测量范围从隧道入口洞口正下方开始到遮光构件结束处的正下方为止。每一组数据中格栅的间隔依据上一组数据路面照度变化进行相应的调整，并根据暗部与亮部的面积比例采用加权平均的方式来统计照度数据。表2 为从实验数据组中筛选出的最接近人眼暗适应曲线变化趋势的数据组。

根据暗部与亮部的面积比例采用加权平均的方式来统计照度数据。通过改变设计模型的格栅间距(图10)，每一组数据中格栅的间隔依据上一组数据路面照度与CIE 曲线的对比差进行相应的调整。

图10 实验模型测量过程示意

表2 最适合人眼暗适应曲线变化趋势数据组

续表

4.4.4 效果对比

通过实验和数据组的比较调整确定了最佳格栅间距下的路面水平照度，并将其与人眼暗适应曲线的入口段水平照度进行比较。如图11。

图11 实验测量结果与人眼暗适应曲线入口段水平照明对照图

4.5 避免频闪效应

当阳光直射入光格栅时，地面会出现阴暗交替的斑马线。当斑马线引起的明暗变化频率处于2.5～15 Hz 范围内时，将会使驾驶员产生闪烁效应，引起视觉不适与心理干扰，从而影响行车安全。

故光格栅的间距设计应避开在此范围内的闪烁频率。明暗交替的闪烁频率与行车速度及遮光棚遮光构件间距关系式为

式中F——频闪频率，Hz;

V——隧道设计速度，m/s;

d——遮光棚光格栅中心间距，m。

北碚隧道按设计速度Vd=60 km/h，避免频闪频率为f≤2.5 Hz 或f≥15 Hz，计算得，遮光棚光格栅中心间距:d≤1.48 m 或≥8.9 m。

在格栅间距难以满足防频闪要求时，在透光格栅间设置横向细小格栅片，或在遮光构件外部加设减光膜，这样可以消除车道正上方驾驶员20% 的仰角内自然光进入视线的可能，避免产生斑马线的闪烁效应。

在后期实验中发现最佳格栅间距数据组里出现了3 m 的格栅间距，落在了产生频闪的距离区间内，为了避免频闪于是我们在顶部的采光缝中每间隔0.5 m 设置横向格栅片来防眩。图12 为实验修缮防眩现象后的减光构件防眩部分的细节大样。

4.6 最终成果

经过实验测试与修正，最终获得与人眼暗适应曲线变化趋势相近的减光构件排布设计方式，如图13。

图12 减光构件防眩段细部大样示意图(mm)

图13 减光构件段最终调试效果面示意图(mm)

5 节能效果量化(电能、经济)

在入口接近段增加遮光构件后可以把原先加强照明部分的电能W1转化为普通照明的电能W2，节约的电能占整个隧道照明电能的百分比

按照我国《公路隧道照明设计规范》规定，长度大于100 m 的公路隧道应设置照明设施，且每延公里隧道照明负荷不应小于60 kW。据不完全统计，目前我国已建成通车的公路隧道已超过2 600 延公里。

(1)每小时全国隧道消耗能量

(2)以重庆电费0.52 元/度(即0.52 元/千瓦时)为例，每小时全国隧道产生电费

(3)每小时全国隧道消耗的电能所产生的CO2:

一般发1 度电大概需要300 g 煤粉左右，300 g 煤中就大约有165 g 的碳，也就会生成约为500 g 的CO2。即:

而采用接近段遮光构件节约的电能百分比约为50%，则每小时全国隧道消耗能量可节约7.8 ×104kW·h，每小时可节约电费4.056 ×104元，每小时可减少CO2排放量为3.9 ×107g。

6 小结

通过对模拟的北碚隧道自然光过渡段构件设计及测试结果的分析，得出减光防眩最不利时间段(夏季/正午)的格栅间距以及接近人眼暗适应曲线的减光效果。隧道入口遮光构件的设计首要前提是保证减光的合理，以及符合人眼暗适应曲线变化的舒适度，然后应考虑修建成本与节约照明电量的关系，计算出回收成本的年限，确保安装构件经济合理。同时也应根据工程地点朝向、隧道设计车速、结构设计等对自然光过渡设置方式进行具体的分析与设计，然后再考虑遮光建筑实用性与美观性的协调问题。

［1］李英涛，程国柱.公路隧道出入口减光格栅段合理长度研究［J］.公路工程，2009(5):13～15，20

［2］中华人民共和国行业标准公路隧道通风照明设计规范［S］.1999(1)

［3］彭子晖.隧道自然光过渡设计浅议［J］.地下工程与隧道，2013(2):13～15，20