高速公路隧道照明研究

2017-11-09马东强

山西交通科技 2017年2期

马东强

（阳黎高速公路建设管理处，山西太原030006）

山西境内多山，山西高速多隧。山西东有太行、西有吕梁、南有中条、北有恒山、中有太岳，山地、丘陵占总面积的80%以上，“出行难”、“运输难”曾一度制约着经济社会发展。近年来，山西省大力发展交通基础设施，已建成运营高速公路达5 000多公里，其中隧道长度400多公里，隧道长度占高速公路总长度的8%左右，个别路段甚至达到50%以上。隧道是一个相对封闭的空间，光线较暗，一旦发生交通事故，容易引发连锁反应，不利于逃生、不利于救援。尤其是2014年山西晋济高速公路岩后隧道“3·1”特别重大道路交通危化品燃爆事故后，高速公路隧道的运营安全显得愈为重要。

隧道照明直接关系到高速公路的运营安全，加之隧道照明电费在高速公路运营管理经费中占到一定比例，且绝对值较大。因此研究高速公路隧道照明方案，根据不同工况提供科学合理的高速公路隧道照明至关重要。

为保障驶入高速公路隧道车辆驾驶员的视觉需求，确保行车安全，高速公路隧道需要适宜的照明亮度。高速公路上行驶的车辆速度都比较快，驾驶员接近及通过隧道时，白天由于洞内外亮度差别极大，容易引起“黑洞效应”和“视觉适应迟滞”现象，需要在隧道入口段、过渡段、出口段进行加强照明；夜间若仍开启这些照明，不但耗能严重，而且驾驶员在进入隧道时会引起强烈眩光，驶离时也会产生“黑洞效应”，存在较大安全隐患。也就是说，隧道照明并非在任何情况下都是越亮越好。

曾几何时，部分高速公路运营单位为了降低能耗、减少支出，尽可能减少隧道照明设施的开启，给通行隧道的驾驶人员带来了很大不便，增加了安全隐患；随着人们安全意识、责任意识和驾驶员维权意识的提高，有的高速公路运营单位又不分情况全部开启隧道照明设施，这样做的结果必然会造成能耗增加，还会引起安全隐患。

隧道照明方案的科学与否直接影响着隧道的运营安全和节能降耗。本文根据山西省阳泉至左权高速公路隧道照明设计和新修订的《公路隧道照明设计细则》，结合高速公路隧道运营照明控制实践，研究和提出了高速公路隧道运营照明控制方案，以期对高速公路隧道运营管理有借鉴之用。

1 阳泉至左权高速公路隧道照明设计要点说明

阳泉至左权高速公路是山西省高速公路网规划东纵的重要组成部分，路线全长91 km，纵贯太行山脉，隧道12.33 km/7座，其中蒙山特长隧道长5.655 km。隧道照明按照原《公路隧道通风照明设计规范》（JTJ 026.1—1999），采用隧道洞外亮度L20（S）4 000 cd/m2（蒙山隧道削竹式洞门L20（S）3 500 cd/m2）、设计速度 Vt=80 km/h、双车道单向标准小客车交通量N≥2 000辆/h进行设计。

1.1 隧道照明段落长度和路面亮度设计值（见表1）

隧道照明段落分为隧道内照明段落和洞外引道照明段落。隧道内照明段落又分为基本段和加强段，基本段指中间段，加强段包括入口段、过渡段、出口段，加强段照明是在基本段照明的基础上增设了阴、晴天加强照明。

表1 隧道照明段落长度和路面亮度设计值cd/m2

1.2 隧道照明系统设置

隧道内照明段落采用高压钠灯照明，灯具在隧道洞顶两侧交错布置。

a）入口段的灯具间距为1.2 m，灯具功率为150 W+400 W，两盏150 W灯具中间设置9盏400 W灯具，5盏晴天加强与4盏阴天加强间隔设置。

b）过渡段1的灯具间距为3 m，灯具功率为150 W+400 W，两盏150 W灯中间设置3盏400 W灯具，2盏晴天加强与1盏阴天加强间隔设置。

c）过渡段 2灯具间距为 6 m，灯具功率为150 W+250 W，两盏150 W灯具中间设置1盏250 W阴天加强灯具。

d）中间段灯具间距为12 m，灯具功率为150 W。

e）出口段灯具间距为3 m，灯具功率为150 W，两盏150 W灯具中间设置3盏150 W阴天加强灯具。

其中，基本照明设置了可以分别控制的4组灯具，每侧2组；在行车方向洞顶右方的1组基本照明兼做应急照明。应急照明设计为远程不可操控，并为电源故障情况下提供不间断应急照明。

另外，隧道内车行横通道和人行横通道照明采用防爆荧光灯，灯具功率分别为2×58 W和2×36 W；设置在洞顶中线位置，灯间距分别为6 m和5 m。洞内紧急停车带照明采用荧光灯，灯具功率为2×40 W，灯具间距为6 m，一处紧急停车带设置6组照明灯具。

洞外引道照明采用10 m高杆高压钠灯照明，在行车方向右侧布置，灯具功率为250 W，灯间距自洞口往外分为 5 m、10 m、15 m、25 m、35 m、45 m，一个隧道洞口一般设置有6根高杆照明灯。

1.3 隧道照明功率和用电费用

阳泉至左权高速公路全线隧道照明共设置有各种灯具7 645盏，总功率数1 786 kW。如果在日常运营中隧道照明灯具全部开启，按现行电价0.67元/度计，则阳左高速隧道照明用电费约2.9万元 /日、1 059万元 /年、86万元 /年·km，若按此测算，全省高速公路隧道照明用电费约3.4亿元/年。

2 隧道照明技术依据

一般来说，长度大于200 m的高速公路隧道都设有照明系统。隧道照明系统通常按照隧道洞外亮度较大预估值、远景预测设计年限（20年）高峰小时交通量、设计速度、隧道的长度和所处曲线以及不利工况等进行设计，设计的依据标准是设计规范或细则规定。现行《公路隧道照明设计细则》（JTG/TD70/2-01—2014）规定：公路隧道照明设计应统筹规划，一次设计；隧道照明系统可根据预测交通量变化分期实施，以此减少初期投资，提高投资效益。

隧道照明运营工作的依据标准应是养护技术规范要求。但现行《公路养护技术规范》JTG H10—2009和《公路隧道养护技术规范》JTG H12—2015中仅做出了“隧道内照明（路面）亮度应满足设计要求”的规定，没有再做具体要求。也就是说，隧道照明运营工作的依据标准也是“设计要求”。

但毕竟高速公路隧道照明运营和设计不同，设计要考虑周全，运营要结合实际。隧道照明系统“设计”通常是统一设计，一次实施，设计中又没有针对不同的交通量、车辆速度等提出明确的亮度要求，更没有操作指南，给隧道照明管理带来一定难度。由于公路桥隧工程专业人员较多，机电工程专业人员缺少，加之隧道照明养护技术规范规定不明确，实际与设计需要进一步匹配等，致使部分管理人员长期对隧道照明设计和运营概念模糊，客观上容易造成隧道照明运营与设计脱节，要么少开启灯具、节约经费，要么多开启灯具、造成浪费，引起安全隐患，从而使得隧道照明成为高速公路运营的短板。所以根据隧道洞外亮度、车流量、车辆行驶速度和不同工况，按照现行《公路隧道照明设计细则》规定的技术标准，遵循结合实际、经济安全、便于操作的原则，制订科学合理的隧道照明控制方案非常重要。

3 阳泉至左权高速公路隧道运营照明亮度把控标准

隧道照明运营要求路面亮度满足“设计”，此“设计”应是根据洞外亮度变化、交通量变化、不同工况和现行设计细则规定，对隧道照明进行符合实际的“后期设计”，即适宜的调光控制指标。

3.1 隧道洞外亮度确定

洞外亮度L20（S）是指在接近隧道1个停车视距处，距地面1.5 m高正对洞口方向20°视场实测得到的平均亮度，它随洞外光线（不同纬度、季度、气象和每天不同时间段等）而变化，并与隧道洞口边仰坡高度、洞口坡面绿化、洞门形式、装饰和洞外路面等有关，是一个不断变化的数值。其测试方法通常有环境简图法、黑度法和数码相机法。

洞外亮度大小，直接决定着隧道加强段照明规模。由于洞外亮度值只有在隧道工程完工后才能实测获得，且每天不同时段都在变化，所以在设计阶段，洞外亮度取值需要根据经验数据进行预估。设计细则指出，山岭公路隧道洞外亮度实测值普遍在2 300～3 300 cd/m2之间，削竹式洞门隧道洞外亮度通常在2 500 cd/m2左右，端墙式洞门隧道洞外亮度通常在3 000 cd/m2左右。阳泉至左权高速公路隧道洞外亮度设计值采用4 000 cd/m2（3 500 cd/m2），大于设计细则中山岭公路隧道洞外亮度实测值1 000 cd/m2。设计细则也指出，隧道白天加强段照明调光方案设计可根据夏季晴天、夏季云天、夏季阴天和其他季节晴天、云天、阴天以及重阴天，考虑交通量变化，按照4档12级组合进行，4档洞外亮度L20（S）取值分别为：L20（S）、0.5L20（S）、0.25L20（S）、0.13L20（S）。

隧道洞口尤其是入口加强段照明是整个隧道照明系统中最重要的部分。一般情况下，白天由于隧道洞口内外亮度差别大，途经车辆驾驶人员容易引起视觉不适应，进而使得该段落成为车辆追尾交通事故多发路段，隧道洞口加强段照明就是要消除此类安全隐患。理想的隧道洞口照明应该是一个随着洞外亮度变化而变化的动态控制过程，但实际并没有具体的调光方案设计和操作要求，加之灯具在一天之内频繁开启、关闭也不现实，为保守起见，在实际操作中可以采用隧道洞外亮度L20（S）设计值4 000 cd/m2作为控制指标来确定洞口加强段照明路面亮度。

3.2 交通量和速度的确定

3.2.1 交通量

交通量是隧道照明设计中的重要影响因素。阳泉至左权高速公路隧道照明设计采用的远期交通量标准为N≥2 000辆/h（现行设计细则中为远景混合车型高峰小时交通量N≥1 200 veh/h），实际交通量如何，我们进行了测定（见图1）。

图1 阳泉至左权高速公路交通量日均数据曲线图

从实测数据计算出，某月通过隧道的日均混合车型交通量为1 278辆/日。

图2 最大交通量日小时交通量数据曲线图

曲线图（见图2）显示，每日交通量大致情况是：半夜凌晨最低，后逐步升上，至中午11点左右达到高峰，随后小幅下降，午后又再次回升，至3点左右达到第二轮小高峰，其后开始下降。实测高峰小时交通量为120辆/h，大幅低于设计标准。

隧道运营照明控制的交通量依据应为实时混合车型高峰小时交通量。在实践中我们采用350 veh/h设计混合车型高峰小时交通量最低档控制标准。

3.2.2 速度

根据现行《公路工程技术标准》，“速度”分为设计速度、运行速度和限制速度。设计速度是确定公路设计指标并使其相互协调的设计基准速度，对一段路而言是固定值，阳泉至左权高速公路的设计速度Vt为80 km/h；运行速度是指在自由流状态下，中等技术水平驾驶人员能够保持的车辆安全行驶速度，通常采用测定速度分布曲线上对应于85%分位值的速度，是一个相对实际值；限制速度是对车辆允许行驶速度的限值，应结合设计速度、运行速度等并区别车型等综合论证确定，阳左高速公路在交通限速标志设置时采用设计速度80 km/h作为限制速度，《标准》中明确指出目前我国的这种做法不合理，影响了公路的运行效率，在社会上造成了一定的负面影响。

隧道照明设计依据的车辆行驶速度可以按照设计速度，但是隧道运营照明控制依据运行速度似乎更为科学。

图3 车辆行驶日均速度数据曲线图

图4 最大交通量日车辆行驶时均速度数据曲线图

图3和图4中数据显示，通过隧道车辆行驶速度最大值为107.5 km/h，最小值为92.64 km/h，测算出平均值为100.9 km/h，运行速度为103 km/h。可以看出，在目前通过隧道车辆行驶处于自由流状态下，其行驶平均速度凌晨、上午低，其他时段高，但都高于设计值80 km/h。

现阶段隧道运营照明控制，交通量采用小于等于350 veh/h、车辆行驶速度采用100 km/h较为科学。据此，按照设计细则规定，隧道照明入口段亮度折减系数k相应为0.035。

3.3 亮度照度换算

隧道照明控制指标为路面亮度及其均匀度（均匀度仅在中间照明段要求），它主要是考虑了驾驶员的主观感受。但在设计时，路面亮度计算比较复杂，照度计算和照度设计比较方便。利用平均照度换算系数，将所需亮度转化为所需照度，从照度出发，可以方便推导出所需光通量，进而计算出所需的灯具数量和灯具间距。

照度是指物体被照亮的程度，采用单位面积所接受的光通量来表示，单位是lx；亮度是指（被照物体）单位面积上的发光强度，它是人对光的强度的主观感受，单位是cd/m2，即每平方公尺分之烛光。换句话说，光源照在物体上强弱用照度表示，物体反射光到人眼里强弱用亮度表示；同光源同距离照在不同物体上，照度相同，亮度不同。

隧道运营照明的照度值通常容易检测，再根据平均照度换算系数即反射率，可计算出路面亮度：照度×反射率=亮度。

阳泉至左权高速公路路面铺装除蒙山隧道中间段路面和隧道横向通道路面为水泥混凝土路面外，其余路面皆为沥青混凝土黑色路面。平均亮度与平均照度换算系数采用设计细则中规定的数值：黑色沥青路面15 lx/（cd/m2），水泥混凝土路面10 lx/（cd/m2）。

3.4 隧道照明控制指标

按照设计细则，根据阳泉至左权高速公路现阶段交通量、实际车辆运行速度和加强段路面为沥青混凝土路面的特性，隧道洞外亮度值采用4 000 cd/m2,隧道入口段亮度为洞外亮度的0.035，过渡段1的亮度为入口段亮度的0.15，过渡段2的亮度为入口段亮度的0.05。

3.4.1 隧道白天入口段加强照明控制指标（见表2）

表2 隧道白天入口段加强照明控制指标cd/m2

3.4.2 隧道其他照明段落路面平均亮度控制指标（见表3）

表3 隧道其他照明段落路面平均亮度控制指标

4 隧道照明控制方案

4.1 隧道白天照明控制方案

我们在阳泉至左权高速公路运营中，用照度计对蒙山特长隧道内外照明各段落、各组合灯具开启下的照度进行了实地检测（图5～图9画出了部分数据曲线）。检测点布置：相邻两个灯具间纵向间距1 m，横向沿隧道路面横断面平均布设5个点。照度计水平放置在路面检测点上，尽量避免遮挡测量镜面，读取稳定的数据作为实测照度值。实测照度平均值即为该区域内照度评价值，再换算为亮度评价值。

4.1.1 隧道入口加强段照度检测数据曲线图

图5 入口段应急照明+阴天加强检测数据曲线图

a）图5数据显示，入口段应急照明+阴天加强实测照度平均值 4 417.48 lx，大于照度控制值2 100 lx，满足“设计要求”。

图6 过渡段1应急照明+阴天加强照明检测数据曲线图

b）过渡段1应急照明+阴天加强实测照度平均值402.35 lx，大于照度控制值315 lx，满足“设计要求”。

图7 过渡段2应急照明+阴天加强照明检测数据曲线图

c）过渡段2应急照明+阴天加强实测照度平均值126.10 lx，大于照度控制值105 lx，满足“设计要求”。

4.1.2 隧道基本段照度检测数据曲线图

图8 中间段应急照明+同侧基本照明检测数据曲线图

图9 中间段应急照明+对侧1组基本照明检测数据曲线图

数据显示，中间段应急照明+1组基本照明实测照度平均值35.73 lx，大于照度控制值30 lx，满足“设计要求”。

另外，出口段应急照明+阴天加强实测照度平均值284 lx，大于照度控制值225 lx，满足“设计要求”。

隧道洞口加强段照明设计了基本照明+阴天加强或晴天加强，只开启基本照明显然不行，开启基本照明+阴天加强已然满足设计细则中洞外亮度采用设计值情况下计算出的路面亮度要求，没有必要再开启晴天加强。隧道中间段照明设计了1组应急照明+3组基本照明，应急照明只在特殊工况下可单独使用，开启应急照明+1组基本照明，其效果即达到了现阶段亮度控制指标要求，无需再开启其他几组基本照明。故现阶段照明控制的不二方案就是：加强段为基本照明+阴天加强，中间段为应急照明+1组基本照明。

问卷调查抽样方法采用多阶段随机抽样的方法，在举行过“校园行”活动的38所高校中，整群随机抽取8所高校，在抽中的每所高校中，按照大一、大二、大三、大四(包括大五)的年级划分，每年级整群抽取1个班级，每所学校共4个班级的学生作为研究对象。

4.2 其他工况下隧道照明控制方案

a）按照设计细则规定，为避免照明过度，隧道夜间照明应关闭隧道入口段、过渡段和出口段的加强照明灯具，只开启应急照明灯具。

b）隧道洞外引道照明只在黄昏、黎明和夜间开启灯具。

c）隧道横通一般处于关闭状态，只在特殊情况下开启，相应照明灯具自动感应或用开关开启。

d）特殊节假日、交通高峰期，隧道内照明可适当提高等级。

e）隧道进行养护维修作业地点前后的照明灯具应开启到最大程度。

f）隧道内发生交通事故、火灾或进行交通管制时，隧道内所有照明灯具宜开启到最大程度。

5 关于隧道照明的其他问题

5.1 闪烁频率和亮度均匀度

人的视觉从一种亮度区域移到另一种亮度区域，需要一定的适应时间，且在适应过程中视力会降低，如果经常交替适应明暗变化带来的闪烁效应，就会使人的视力发生困难而导致视觉疲劳。所以设计细则提出了隧道照明闪烁频率的概念和路面亮度均匀度要求。

闪烁频率为设计速度与灯间距之比Vt/s，当闪烁频率在4～11 Hz之间时，驾驶员就会感到极度不舒适。当隧道内按照设计速度行车时间超过20 s时，照明灯具布置间距应满足闪烁频率低于2.5 Hz或高于15 Hz。

阳泉至左权高速公路隧道中间段照明应急灯间距24 m，如果仅开启应急照明，则闪烁频率为：100/24=4.17 Hz；如果开启应急照明+同侧1组基本照明，则闪烁频率为：100/12=8.33 Hz。两种情况下闪烁频率都不满足要求。

实测数据显示，中间段照明在只开启应急照明+1组基本照明情况下，路面亮度总均匀度为0.36、路面中线亮度纵向均匀度为0.26，略显不足。但实际情况是，车辆通过隧道时一般都按照要求开启大灯，由于隧道本身断面不大，如果按照设计细则要求在隧道两侧2 m高范围内铺设了反射率高的材料，路面亮度总均匀度实测值变为0.72、路面中线亮度纵向均匀度实测值变为0.52，均匀度明显提高，达到了规定要求。

5.2 灯具布置形式

隧道照明灯具的布置形式影响照明系统的效率，一般来说中线布置、中线侧偏布置比两侧布置照明效率高，两侧交错布置比两侧对称布置照明效率高。阳泉至左权高速公路基本照明就采用了两侧交错设置可分别控制的4组灯具，在行车方向洞顶右方为1组、3组，左方为2组、4组。如果4组照明灯具全部开启，则灯间距为6 m，相应闪烁频率为：100/6=16.7 Hz，满足要求，路面亮度均匀度也好；如果只开启同侧两组灯具，则灯间距为12 m，相对路面亮度均匀度也较好；如果两侧各开启1组灯具的情况下，则灯间距变为6 m、18 m交替，相应路面亮度均匀度就有所下降。所以设计灯具布置形式除要考虑全部开启的理论照明高效率外，也应适当兼顾部分灯具开启情况下的高效率。

5.3 视觉反应

长度小于等于300 m的直线隧道可不设出口段加强照明，长度300 m＜L≤500 m的直线隧道可只设30 m出口段加强照明，其照明亮度指标要求为相应中间段亮度的3～5倍。主要是考虑到视觉从低亮度向高亮度适应的反应时间通常较短，并非出口照明不受洞外亮度变化影响。特长隧道中间第二照明段（30 s行车距离后的中间照明段）的照明亮度取值可以适当降低，主要是考虑到驾驶员视觉的适应性。

设计细则中指出的“隧道间距如果小于15 s的行驶距离，且车辆通过前一座隧道的行驶时间大于30 s，则后续隧道入口段的亮度应进行适度折减”中“15 s的行驶距离”值得商榷。若车辆行驶速度为80～100 km/h，则15 s的行驶距离为333～416 m，时间和距离偏长，光线“从暗到亮再到暗”，人的视觉反而不易适应。

5.4 隧道洞口减光

隧道洞外亮度对隧道加强照明规模影响极大，所以对隧道接近段采用洞外减光措施，最大限度降低隧道洞外亮度，就可以有效降低隧道照明能耗。隧道洞外减光措施有：隧道洞门形式简化，洞门装饰材料反射率小；隧道洞口边仰坡进行绿化或暗化处理；洞外两侧种植常青树；洞外路面采用黑色路面等。若对隧道洞门采用明亮装饰或在隧道入口处采用彩色路面等意在引起驾驶员重视的做法，都会使得隧道洞外亮度值增大，加剧“黑洞效应”，实不可取。

5.5 隧道洞口照明与车辆行驶方向关系

阳泉至左权高速公路呈南北走向，尤其在晴天中午时分，太阳光从南向北斜射，对南行车辆驾驶员视觉有一定影响，致使驶入隧道北洞口时“黑洞效应”和驶出南洞口时“眩光现象”加剧，不利于行车安全。因此建议隧道照明设计时应充分考虑隧道洞口加强照明与行车方向、阳光来向之间关系，适当提高南北走向高速公路南边隧道出口和北边隧道入口照明亮度。