公路隧道施工成洞段LED照明优化设计研究

2019-05-13王国欣李书渝李金会苏井高

隧道建设(中英文) 2019年4期

王勇, 王国欣, 李书渝, 李金会, 苏井高, 向明

(1. 中国建筑第八工程局有限公司工程研究院, 上海 200135; 2. 中国建筑土木建设有限公司, 北京 100070)

0 引言

在公路隧道建设中,由于空间环境的封闭,须在洞内各工作面提供足够照明以满足施工需要。近年来,随着环保意识增强,LED作为一种高效节能的新一代照明技术逐步取代传统白炽灯、节能灯成为隧道施工照明的主流,也是打造优质隧道工程的重要手段[1-4]。调查发现,目前隧道施工中常见的LED照明灯具主要有泛光灯、球泡灯与灯带3种,三者技术特点的差异使得照明效果与照明成本也各不相同。故根据隧道施工不同工作面照明需要,进行LED灯具的优化选取与布置,是当前进一步深化隧道施工绿色照明面临的重要问题。在隧道各施工照明区段中,已施作二次衬砌结构的成洞段长度最长,作为运输通道需不间断照明,且随着二次衬砌推进布灯将持续增多。对成洞段LED灯具的选取与布置进行优化设计,将对整个隧道施工的照明节能起到至关重要的作用。JTG/T F60—2009《公路隧道施工技术细则》[5]规定,隧道施工成洞段平均照度应不小于4 lx。

目前关于隧道LED照明的研究主要集中于运营阶段,如: 龚志远等[6]采用DIALux软件对运营期隧道不同照明区段的LED布灯照明效果进行了模拟分析,为智能调光提供了布灯参考;李然等[7]对灯具的不同安装高度和角度进行数值模拟试验,通过平均照度与均匀度的对比分析,确定了LED隧道灯的最佳安装位置;黄传茂[8]与范士娟等[9]均研究了对称、交错、中央、侧偏等不同布灯方式对LED灯具照明效果的影响,对运营期隧道灯具优化布置起到一定的参考作用。但是,由于隧道施工阶段与运营阶段在照明标准、灯具类型、布灯形式、洞内环境等方面存在较大差异,使得当前较为成熟的运营阶段LED照明研究成果难以直接应用于施工阶段[10]。

本文基于公路隧道施工成洞段照明特点,采用德国DIALux照明模拟软件[11-12]开展LED灯具优化设计研究,并在重庆红岩村桥隧项目进行相关应用验证,以期为更加高效、节能、经济地实现公路隧道施工照明绿色化提供一定的技术支撑。

1 隧道施工LED照明灯具与照明设计方法

隧道施工中常见的LED照明灯具主要有泛光灯、球泡灯与灯带3种,其典型实物与相应配光曲线分别如图1和图2所示。

图1 隧道施工常见LED照明灯具Fig. 1 Common LED lighting fixtures in tunnel construction

其中,泛光灯应用最为广泛,其防护等级普遍高于IP65,拆装便捷,在振动与浓尘条件下均可正常工作,适用于各工作面照明。球泡灯防护等级相对较低,须与灯口配合使用,故多用于照明条件相对较好的成洞段。灯带应用率最低,虽然其照明连续性最佳,但带状构造使其易脏污,影响照明效果,更换时需剪断拼插连接,操作复杂,增加了维护成本;且随灯带增长,其与电源接头处发热的问题也十分严重,增大了安全风险,同样限制了其推广使用。

图2 隧道施工常见LED照明灯具配光曲线Fig. 2 Light distribution curves of common LED lighting fixtures in tunnel construction

在隧道施工照明设计方面,目前现场多依经验布灯,缺乏系统指导,难免造成照明过度或照明不足的问题。为便于工程人员进行灯具选取布置,可借鉴运营期隧道照明设计方法,采用利用系数法进行隧道施工期成洞段照明设计。所谓利用系数是指灯具投射到工作面上的总光通量与灯具内所有光源发出的总光通量的比值,其大小主要受灯具效率、灯具光强分布、空间几何特征和空间结构表面反射系数等因素影响。JTG/T D70/2-01—2014《公路隧道照明设计细则》[13]规定,隧道路面平均照度可采用利用系数法按式(1)进行计算。

式中:Eav为隧道路面平均照度,lx;η为利用系数;ϕ为灯具额定光通量,lm;M为维护系数;ω为灯具布置系数,对称布置时取为2,交错、中线及中央侧偏布置时取为1,施工照明为单侧布灯,故取为1;W为路面宽度,m;S为灯具间距,m。

故灯具与利用系数确定后,便可根据路面平均照度要求反推灯具布置间距,从而确定布灯方案。

进一步地,设成洞段长度为L(单位为m),灯具光效为λ(单位为lm/W),则成洞段全长所需灯具数量n=ωL/S,单盏灯具功率P=ϕ/λ(单位为W)。若灯具价格为C0(单位为元/盏),施工周期内清洁维护费用为C1(单位为元/盏),电费为k(单位为元/kWh),则成洞段灯具初期投入费用为nC0,维护费用为nC1,而平均每月照明所需电费

成洞段获得单位平均照度每月所需电费

在隧道几何尺寸与维护系数确定的情况下,f仅与利用系数η和光效λ成反比,两者越高则获得单位照度成本越低。因此,在隧道施工照明中,应尽量选择高光效与高利用系数的灯具,这是降低综合照明成本的重要手段。

除平均照度要求外,运营隧道还对路面照度总均匀度U0和路面中线照度纵向均匀度U1进行了规定。其中,U0定义为路面最小照度与平均照度之比,U1定义为路面中线最小照度与最大照度之比。通过对2个参数进行控制,可保证隧道照明具有较好的均匀性,避免炫光与视觉疲劳。在隧道施工成洞段照明中,本文将上述2个参数作为参考指标进行了研究。

2 DIALux成洞段照明模拟方案

由上述平均照度计算公式可知,通过调整灯具种类与布灯方式获得较高的利用系数是施工照明节能的关键。因此,为了获得灯具种类与安装高度、间距、仰角对利用系数的影响,采用DIALux照明模拟软件计算获得了不同参数取值下的路面平均照度及均匀度,并反算出了相应的利用系数。计算所用隧道内轮廓线如图3所示,路面宽度为17.23 m,净空高度为8.87 m。

图3 隧道断面几何尺寸(单位: m)Fig. 3 Geometric dimension of tunnel cross-section (unit: m)

此外,在典型取值下,进一步研究了照明效果与隧道断面大小及路面、侧壁反射系数的关系。计算采用的具体参数取值如表1所示(表中标∗数据为典型值)。其中,球泡灯安装仰角考虑一般竖直或水平布置的习惯,取为0°和90°。且为便于比较3种灯具照明差异,泛光灯、球泡灯光源光通量均取为8 000 lm/盏,而灯带单位长度光通量取为8 000 lm与泛光灯、球泡灯典型布置间距12 m的比值。断面大小影响计算中,以图3断面为基准,命名为DM-3,并分别乘以0.6、0.8、1.2、1.4的长度缩放系数,依次得到断面DM-1、DM-2、DM-4、DM-5。对于维护系数,考虑隧道施工环境恶劣,本文取为0.5。

表1 计算参数取值Table 1 Values of calculation parameters

3 模拟结果分析

3.1 典型参数下计算结果对比

典型参数下3种LED灯具隧道照明效果与2灯间路面照度分布如图4所示。可知: 在光源光通量相同的情况下,由于配光曲线不同,三者照明效果也会产生较大差异。其中,泛光灯照明集光性较强,可将灯光投向需要照明的地方,其正前方路面明亮,所对隧道内壁也有一定的亮度,而布灯一侧内壁相对较暗;球泡灯光线较分散,隧道布灯侧顶拱、边墙部位较亮,而路面与所对隧道内壁照明效果相对较差;灯带由于是连续性布置,因此纵向照明均匀性最好,避免了照明集中与显著的明暗对比情况。

图4 3种LED灯照明效果对比Fig. 4 Comparison of lighting effects of three LED fixtures

3.2 布灯参数影响

3.2.1 球泡灯

不同布灯方案下球泡灯利用系数、路面平均照度、路面照度总均匀度U0与路面中线照度纵向均匀度U1的计算结果分别如表2—5所示。可知: 球泡灯利用系数始终在0.409～0.429,最大仅变化4.9%,考虑施工照明标准较低,该变化对整体照明效果影响十分有限,故可认为球泡灯利用系数受布灯仰角、间距、高度影响均较小。且进一步结合Eav计算公式可知,此时平均照度与布灯间距近似呈反比关系。路面照度总均匀度U0主要与布灯仰角和高度相关,受间距影响相对较小。高度越大,仰角越大,U0越大。而路面中线照度纵向均匀度U1主要随布灯间距增大而减小,受仰角及高度影响相对较小。

基于球泡灯利用系数随布灯间距增大而变化不大这一特点,当成洞段采用球泡灯照明时,在不改变平均照度的前提下,可在照明设计中采取提高灯具功率(光通量),同时增大布灯间距的做法减少灯具数量,降低初期投入。此外,应尽量采用水平布灯(仰角90°)与较高处布灯的方法来增大最小照度值,从而提高路面照度总体均匀度U0。

表2 球泡灯利用系数计算结果Table 2 Calculation results of utilization coefficient of LED bulbs

表3 球泡灯路面平均照度计算结果Table 3 Calculation results of average illuminance of LED bulbs

表4 球泡灯路面照度总均匀度计算结果Table 4 Calculation results of overall uniformity of road surface luminance of LED bulbs

表5 球泡灯路面中线照度纵向均匀度计算结果Table 5 Calculation results of longitudinal uniformity of road surface luminance of LED bulbs

3.2.2 泛光灯

受配光影响,泛光灯布灯仰角与高度越大,路面受较强光照面积将越小,由此造成平均照度减小,进而导致计算利用系数随之降低。如表6所示,50°、70°、90°时平均利用系数分别为0.815、0.699和0.508,仰角越大利用系数越低;高度越大,利用系数总体越低,但由1.5 m增至3.0 m时,利用系数最大仅变化0.058;而随间距增大,利用系数变化更小,最大仅0.016;故对于泛光灯利用系数取值,布灯仰角的影响显著大于高度与间距。且与球泡灯相比,泛光灯利用系数要大得多,故当灯具光通量与布灯间距相同时,采用泛光灯将有更好的照明效果。

表6 泛光灯利用系数计算结果Table 6 Calculation results of utilization coefficient of LED floodlights

泛光灯路面平均照度计算结果如表7所示。可知: 由于泛光灯利用系数随间距变化很小,故平均照度与间距同样近似呈反比关系。

表7 泛光灯路面平均照度计算结果Table 7 Calculation results of average illuminance of LED floodlights

泛光灯U0和U1计算结果分别如表8和表9所示。可知: 对于泛光灯U0,其随布灯仰角、高度增大及间距减小而增大;对于U1,其随布灯间距增大而显著下降,受高度与仰角影响较小;且泛光灯U0、U1显著小于球泡灯U0、U1。

表8 泛光灯路面照度总均匀度计算结果Table 8 Calculation results of overall uniformity of road surface luminance of LED floodlights

表9 泛光灯路面中线照度纵向均匀度计算结果Table 9 Calculation results of longitudinal uniformity of road surface luminance of LED floodlights

综上,当采用泛光灯时,同样可基于其利用系数随布灯间距增加变化不大的特点,通过提高灯具功率,同时增大间距的做法减少灯具数量。且在实际安装时,可采用较小仰角以进一步增大平均照度,但需综合考虑其对照明均匀性的影响。

3.2.3 灯带

由于灯带呈条状连续布置,故利用系数与布灯间距无关。灯带利用系数和路面平均照度计算结果分别如表10和表11所示。可知: 布灯仰角对灯带利用系数的影响显著大于高度,且利用系数随其非单调变化,在50°时总体最高。而与球泡灯、泛光灯相比,灯带的利用系数介于两者之间,略小于泛光灯,大于球泡灯。由Eav计算公式可知,当路面宽度与维护系数确定后,平均照度仅与灯带利用系数及ϕ/S(即灯带单位长度光通量)成正比。

表10 灯带利用系数计算结果Table 10 Calculation results of utilization coefficient of LED strips

表11 灯带路面平均照度计算结果Table 11 Calculation results of verage illuminance of LED strips

灯带U0和U1计算结果分别如表12和表13所示。可知: 对于灯带U0,其整体上随布灯仰角与高度增加而增大;对于U1,其普遍在0.95以上,表明灯带沿隧道纵向照明均匀性很好,受高度与仰角影响很小,且灯带U0、U1计算结果大于球泡灯与泛光灯的U0、U1计算结果。

表12 灯带路面照度总均匀度计算结果Table 12 Calculation results of overall uniformity of road surface luminance of LED strips

表13 灯带路面中线照度纵向均匀度计算结果Table 13 Calculation results of longitudinal uniformity of road surface luminance of LED strips

综上,当采用灯带时,虽然理论上可通过调整布灯角度增大照明效果,但实际中由于灯带材质较软,照明方向难以精确把控。若增加调节固定装置势必增加照明成本,得不偿失。故建议在灯带照明设计中采用较小利用系数取值,从而考虑灯带安装角度难以控制对照明质量的影响。

3.3 断面大小影响

不同断面下球泡灯、泛光灯、灯带照明计算结果分别如表14—16所示。由表14可知: 球泡灯利用系数与断面大小关系不大,取值在0.410～0.428变化。平均照度随断面增大下降明显,而U0、U1随之分别减小与增大。由表15可知: 泛光灯利用系数随断面增大略有增加,但最大变化量为0.083,相对较小; 平均照度随断面增大下降明显,U0基本无变化,而U1显著增加。由表16可知: 灯带利用系数随断面增大总体略有增加,但最大变化量为0.04,同样相对较小;平均照度与U0随断面增大下降明显,而U1基本不变。

表14 不同断面下球泡灯照明计算结果Table 14 Calculation results of LED bulbs under different tunnel cross-sections

表15 不同断面下泛光灯照明计算结果Table 15 Calculation results of LED floodlights under different tunnel cross-sections

表16 不同断面下灯带照明计算结果Table 16 Calculation results of LED strips under different tunnel cross-sections

3.4 反射系数影响

不同反射系数下球泡灯、泛光灯、灯带照明计算结果分别如表17—19所示。可知: 隧道路面与侧壁反射系数越高,3种灯具的利用系数、平均照度、U0、U1越大,且侧壁反射系数的影响显著大于路面反射系数。以泛光灯为例,路面反射系数为60%情况下的利用系数、平均照度、U0、U1分别是反射系数为10%时的1.07、1.07、2.26、1.03倍;而对于侧壁反射系数相应可达1.35、1.35、6.25、1.14倍。实际施工中,隧道侧壁为裸露的原始混凝土结构,而路面脏污严重,反射系数普遍较低,进一步结合文献[14],建议将路面与侧壁反射系数近似取为20%,对一般成洞段施工照明设计具有一定的参考性。

表17 不同反射系数下球泡灯照明计算结果Table 17 Calculation results of LED bulbs under different reflection coefficients

表18 不同反射系数下泛光灯照明计算结果Table 18 Calculation results of LED floodlights under different reflection coefficients

表19 不同反射系数下灯带照明计算结果Table 19 Calculation results of LED strips under different reflection coefficients

4 LED照明现场应用

重庆红岩村桥隧项目是重庆快速路3纵线的重要组成部分,隧道全长11.262 km,主要含红岩村左右主线隧道、歇台子连接线X-A与X-B隧道以及轨道交通5号线红岩村暗挖车站及区间隧道。其中,红岩村隧道左、右线分别长3 723.54 m和3 715 m,2洞轴线间距28～45 m,为小净距隧道。隧道内标准段道路为3车道,设计路幅宽度为12.0 m,毛洞宽度为16.2 m,断面大小约158 m2,内轮廓采用三心圆形式。

该项目在隧道施工照明中普遍采用了泛光灯与球泡灯2种LED灯具,并在成洞段布置了50 m长的LED灯带照明试验段,如图5所示。其中,球泡灯主要用于成洞段照明,布灯仰角为90°,呈水平状,安装于统一固定在隧道侧壁电缆槽的灯口之上,效果美观。而泛光灯在成洞段及其他各工作面均有广泛使用。照明所用LED灯具型号及典型布置参数如表20所示。

以全长约7 439 m的红岩村左、右线隧道为例,若全长均按单一灯具布置,则所需泛光灯、球泡灯与灯带的初期投入分别为6.69、3.15、10.04万元,总功率分别为41.79、31.52 、59.51 kW,每月照明费用分别为3.05、2.30、4.34万元(按1元/kWh计算)。而根据现场使用反馈,在电压稳定的情况下,泛光灯与球泡灯使用寿命接近,在半年左右,而灯带寿命最短。故在当前照明方案下,球泡灯综合照明成本最低、灯带最高。

进一步采用TA8120型数字照度计对当前方案下3种灯具照明效果进行了现场实测,并与DIALux相应理论计算值进行对比。测点按GB/T 5700—2008《照明测量方法》[15]所述道路照明测试方法布置。隧道纵向2灯间均匀布置11个测点,横向每车道布置3个测点(共计10个测点),故2灯之间测点总数为11×10=110个。测试过程如图6所示,结果如表21所示。在理论计算中,各灯光效均取为80 lm/W,维护系数取为0.5。

图5 红岩村桥隧项目隧道LED照明Fig. 5 LED lighting in the tunnels of Hongyancun project

表20 红岩村桥隧项目隧道LED照明参数Table 20 LED lighting parameters of Hongyancun bridge and tunnel project

图6 照明效果现场实测Fig. 6 Site measurement of lighting effect

由现场实测结果可知,实测值排序与理论值排序大致相同,路面平均照度由高到低依次为灯带、泛光灯、球泡灯,但数值有较大差异,主要原因是: 1)灯具质量参差不齐,实际光效偏离计算设定值; 2)实际中灯具(特别是灯带)布置角度不易控制; 3)计算中反射系数取值的影响; 4)3种灯具新旧不一,维护系数取值有所偏差; 5)仪器精度与测试误差,且实测结果表明各灯平均照度均高于4 lx成洞段最低照明标准,而U0、U1与运营期隧道最低标准0.3与0.5[13]相比相对较小,这是由施工照明单侧布灯较低导致路面最小照度值较低的特点决定的。

此外,由实测结果也可知目前灯带试验段平均照度较高,存在一定的过度照明,若通过降低功率的方法获得与球泡灯相同的平均照度,则仅需4.06 W/m,照明费用每月为2.20 万元,与球泡灯照明费用接近。但考虑到其初期投入远高于球泡灯,以及后期维护的便捷性,建议优选球泡灯。且球泡灯实测平均照度与泛光灯相近,但初期投入与照明费用均较低。故在目前灯具型号及布灯方案下,球泡灯是红岩村隧道成洞段照明的最优选择。