抓地龙隧道入口遮阳棚设计

2020-04-20范新荣彭余华高家贵邹礼灿

筑路机械与施工机械化 2020年12期

范新荣，彭余华，高家贵，邹礼灿

(1. 云南武倘寻高速公路有限责任公司，云南昆明 650214；2. 长安大学公路学院，陕西西安 710064；3. 云南省交通投资建设集团有限公司昆明东管理处，云南昆明 650000)

0 引言

晴朗正午公路隧道内外的照度水平存在量级差异，行车进入隧道过程中极易引起驾驶人短暂性视觉功能降低，形成视觉“黑洞”效应，严重影响行车安全[1]。遮阳棚作为一种经济有效的隧道洞外减光设施，近年来在工程上的探索应用取得了良好的社会效益。

目前国内针对遮阳棚的长度选取、透光率等关键问题展开了部分研究。李英涛等[2]考虑洞内外照度、驾驶人视力恢复时间等因素，给出了不同设计速度下的隧道入口减光格栅长度建议值。李荣等[3]以车辆3 s行程长度作为遮光棚长度，选取蓝色透光率为40%的材料进行减光设计。张天根等[4]建立隧道入口亮度过渡最优曲线来调整减光构造物的长度、透光率等设计。赵锡森等[5]依据驾驶人可接受的视觉明暗变化阈值，结合行车速度、停车视距研究阿鲁伯隧道入口遮阳棚的长度范围，并借助光环境仿真技术设计确定了遮阳棚透光率组合方案。彭余华等[6]为解决毗邻隧道洞口光环境突变带来的明暗视觉冲击，构建底部两侧镂空、上部通风开口的遮阳棚模型，并模拟分析了毗邻隧道洞口的亮度变化规律及遮阳棚减光效果。但现有针对遮阳棚的研究仍存在：长度确定主观成分较多、结合减光过渡效果的合理长度分析较少，光环境设计采用单一透光率的较多、多种透光率组合形式的研究较少以及缺乏遮阳材料合理选型与结构设计等不足，限制了遮阳棚科学合理的应用。

本文以隧道入口驾驶人明暗视觉感受的量化分级为基础，选取抓地龙隧道入口遮阳棚为研究对象，从遮阳棚长度、材料组合与内部光环境营造、材料选型与结构设计等方面对其设置展开分析，可为公路隧道入口遮阳棚设计提供理论参考与方法支撑。

1 抓地龙隧道概况

抓地龙隧道是云南省武定至倘甸至寻甸高速公路(简称“武倘寻高速公路”)的一座分离式双向6车道隧道。隧道地处寻甸县中高山陡坡地貌区，年平均日照2 079 h，夏季正午时段自然光照强度可达1.2×105lux，隧道前的车内驾驶人视觉位置与方向上的照度(视点照度)最高可达4.3×103lux(加强照明下的照度一般为102～3×102lux)，隧道洞口内外环境的照度差异巨大；区域50年重现期的基本雪压为0.3 kN·m-2，基本风压为0.3 kN·m2。

抓地龙隧道右幅全长675 m(K54+115～790)，设计速度100 km·h-1，洞门形式为端墙式洞门，见图1。隧道净宽14.5 m，隧道外路基宽16.75 m，入口前路线呈东西走向，驾驶人行车受逆光影响的安全风险较高。

图1 抓地龙隧道右幅洞门

2 “黑洞”效应的量化分级

车内驾驶人视点照度变化与视觉“黑洞”效应感受密切相关[5]。选取抓地龙隧道临近区域的云南省晋红高速公路、昆楚高速公路、待功高速公路、昭会高速公路与大山包一级公路及陕西省西汉高速公路等251座公路隧道的入口开展“黑洞”效应实车实验。实验车辆选用标准小型汽车(丰田PRADO)，照度测试仪器选用TES1339照度计(精度0.01 lux，测试频率为5次·s-1，符合心理学中的最小视觉刺激时间0.2 s[7])。选择晴朗白天正午时段(11:00～14:00)驾驶车辆匀速驶入隧道，将照度计光测量部位置于驾驶人眼睛位置，方向与视线方向相同，实时测量并录制测试过程的视点照度读数，同时记录驾驶人“黑洞”效应的视觉感受。根据实验结果建立视点照度特征参数与驾驶人“黑洞”效应明暗感受的量化表征，得到“黑洞”效应感受的数值分级，见表1。

表1 “黑洞”效应感受的数值分级

公路隧道入口遮阳棚光环境设计需满足驾驶人视觉舒适性要求，故应保证遮阳棚全长范围内的K≤7.3。洞内视点照度水平EN一般为50～300 lux，经数学恒等变换得出以下结论：

1EW=5 000 lux条件下，E1/E2≤1.61；

2EW=4 000 lux条件下，E1/E2≤1.70；

3EW=3 000 lux条件下，E1/E2≤1.84。

3 遮阳棚内光环境分析

3.1 遮阳棚与隧道模型构建

遮阳棚断面设计尺寸应综合考虑隧道内轮廓尺寸、隧道外路面宽度及护栏位置，应不侵占原有道路设施范围的同时注意追求美观。

遮阳棚断面采用与抓地龙隧道内轮廓相似的三段圆弧组合形式，支撑拱架利用HW200型钢(见图2)预弯成三段弧形梁连接组成，其施工方便、自重小且易于维护。为避免遮阳棚施工误差可能产生的影响，将遮阳棚内轮廓线与隧道内轮廓线之间富余10～15 cm，由此确定的遮阳棚横断面宽度为17.9 m。遮阳棚横断面与隧道断面匹配度较高且整体美观性佳，见图3。

图2 HW200型钢

图3 遮阳棚断面与隧道内轮廓衔接图

遮阳棚的光环境设计营造需要精确计算内部照度的数值分布。Ecotect Analysis作为照明、建筑领域广泛应用的光环境模拟软件，可针对各种自然光对建筑物进行精确模拟[8]，可为遮阳棚内渐低光环境营造设计提供简单、快捷的实现途径。利用Ecotect Analysis软件构建的遮阳棚及隧道仿真基础模型见图4。

图4 遮阳棚及隧道仿真基础模型

3.2 遮阳棚内光环境设计参数

(1)隧道外界视点照度水平

对抓地龙隧道右线入口前方50 m处进行视点照度实测。晴天时段上午9:00前与下午18:30后视点照度较弱，上午9:00后外界视点照度大幅增强，到达中午11:30～14:00达到顶峰值，一般在3 400～4 100 lux范围波动，选取3 800 lux作为隧道外界视点照度设计参数。

(2)隧道内视点照度水平

根据隧道右线的照明设计水平，结合前期测试隧道内照度水平，选取240 lux作为隧道内视点照度设计参数。

(3)控制速度

隧道限速不宜超过设计速度，根据设计文件，以100 km·h-1作为车辆进入隧道的控制速度。

(4)驾驶人视觉舒适判别标准

根据“黑洞”效应数值分级特性，抓地龙隧道“黑洞”效应舒适要求的指标阈值E1/E2≈1.7。考虑到实际情形下的遮阳棚很难实现理想舒适阈值的照度过渡，故应使遮阳棚视点照度渐低率保持在理想舒适阈值附近并略低于理想舒适阈值最佳(过低将导致设计长度过长、透光参数组合不合理等)，选取1.6～1.7作为驾驶人舒适判别标准。

3.3 遮阳棚初始长度确定

遮阳棚内渐低光环境的实现要求驾驶人视点照度自遮阳棚始端至末端均匀连续地降低，且降低幅度不大于驾驶人能适应的舒适阈值。考虑洞内外视点照度水平、车辆控制速度等参数，遮阳棚的理论最小长度l见公式(1)[9]：

(1)

其中Ein指遮阳棚末端理论照度值，依据EN按“舒适”的阈值推导，过程须满足式(2)：

Ein=EN×1.7t/0.2

(2)

其中t指Ein过渡至EN的行车时间。经计算，抓地龙隧道入口遮阳棚可实现照度理想过渡的最小长度为18 m。根据经验，初步选择2倍理论最小长度作为遮阳棚初始长度进行光环境仿真试算。

3.4 遮阳材料透光率组合及合理长度确定

以“均匀渐低、追求美观”为原则，构建“分段单一，整体组合”、“侧向相同，顶部渐变”两种遮阳材料组合形式的仿真模型进行多透光率方案和遮阳棚长度确定。依据公共建筑疏散与安全出口净宽不应小于0.90 m、消防人员进入窗口的净宽度与净高度不应小于1.0 m[10]，将遮阳棚两侧下部镂空1.2 m(即不设置遮阳板)。两种组合形式的遮阳棚仿真模型见图5。

图5 “分段单一，整体组合”式 /“侧向相同，顶部渐变”式模型

首先在初始长度下设计初始透光率组合进行全长范围的光环境仿真，基于驾驶人视觉舒适判断标准评价初始遮阳棚分段组合和长度的设计方案是否满足视觉舒适需求，若不满足则以每分段1 m的步长动态调整遮阳棚长度，后再次进行光环境仿真判别直至满足视觉舒适需求，最终确定遮阳材料多透光率组合和遮阳棚长度。

(1)“分段单一，整体组合”式遮阳棚组合设计

根据“分段单一，整体组合”式遮阳棚模型的光环境仿真，分段长度宜在9～12 m，遮阳棚始端材料的透光率τS宜为0.4～0.6，外界视点照度较高的情况下取高值，遮阳棚末端材料的透光率τE宜≤0.2，相邻遮阳材料的透光率宜≤0.3，对首尾差值≥0.3的透光参数组合可考虑增设中间段过渡段，否则照度难以平稳过渡。

遮阳棚的初始长度为36 m，考虑经济及分段的合理，将其分为4段：9 m+9 m+9 m+9 m。设计以下4种透光率组合方案：

方案1： 0.5-0.4-0.2-0.1方案2：0.5-0.4-0.3-0.2

方案3： 0.6-0.4-0.2-0.1方案4：0.6-0.4-0.3-0.1

计算各方案相邻0.2 s视点照度数据的比值最大值wmax，见表2。

表2 不同参数方案的wmax(36 m)

由表2知，36 m长度遮阳棚各透光参数组合方案均不能满足驾驶人视觉舒适需求，需要对遮阳棚的长度进行动态调整。调整遮阳棚长度为40 m，将其分为4段：10 m+10 m+10 m+10 m。设计以下4种透光率组合方案：

方案1：0.6-0.5-0.3-0.2方案2：0.6-0.4-0.3-0.2

方案3：0.5-0.4-0.3-0.1方案4：0.6-0.4-0.2-0.1

计算各方案相邻0.2 s视点照度数据的比值最大值wmax，见表3。

表3 不同参数方案的wmax(40 m)

由表3知，40 m长度遮阳棚的透光率组合方案1、2、3均不能满足驾驶人视觉舒适需求，而方案4的透光率组合满足驾驶人视觉舒适阈值，可较好的实现光环境渐低过渡。方案4的遮阳棚仿真模型及驾驶人视点照度变化曲线见图6、7。

图6 “分段单一，整体组合”式仿真模型(40 m)

图7 方案4遮阳棚内视点照度变化曲线

(2)“侧向相同，顶部渐变” 式遮阳棚组合设计

基于顶部60°的范围进行透光率渐变设计，根据“侧向相同，顶部渐变”式遮阳棚模型的光环境仿真，顶部初始段的透光率τDS宜采用0.5～0.6，顶部末尾段的透光率τDE宜采用0～0.2，顶部相邻材料透光参数差值宜≤0.3，侧向透光率τC的选取考虑与初始段、末尾段顶部材料透光率的匹配度，宜选取0.2～0.3。

针对36 m的遮阳棚进行光环境仿真分析，发现难以满足均匀渐低光环境的过渡要求。将遮阳棚长度调整为40 m进行光环境设计，顶部分段长度：10 m+10 m+10 m+10 m，设计以下2种方案：

方案1：侧向0.2+顶部0.5-0.3-0.2-0.1

方案2：侧向0.2+顶部0.5-0.3-0.1-0

计算各方案相邻0.2 s视点照度数据的比值最大值wmax，见表4。

表4 不同参数方案的wmax(40 m)

由表4可知，方案1的透光率组合方案不能满足驾驶人视觉舒适需求，方案2的透光率组合满足驾驶人视觉舒适阈值。但考虑抓地龙隧道路线呈东西走向，夏季白天可能出现环境照度极值较高的情况，为进一步保障棚内光环境渐低过渡的营造效果(接近1.6)，适当延长遮阳棚整体长度至44 m继续进行光环境仿真设计，设计顶部分段长度：11 m+11 m+11 m+11 m，设计透光率组合方案：侧向0.2+顶部0.5-0.3-0.2-0.1。构建遮阳棚模型进行视点照度仿真分析，计算得相邻0.2 s视点照度数据的比值最大值wmax=1.61。遮阳棚仿真模型及设计方案的驾驶人视点照度变化曲线见图8、9。

图8 “侧向相同，顶部渐变”式仿真模型(44 m)

图9 44 m遮阳棚内视点照度变化曲线

由此可知，长度44 m的遮阳棚的该透光率参数组合方案满足驾驶人视觉舒适阈值，且照度变化较40 m可更好的符合驾驶人视觉舒适过渡需求，较利于应对明亮视觉环境下的减光环境渐低过渡。

综合上述分析，“分段单一，整体组合”、“侧向相同，顶部渐变”两种遮阳材料组合形式在一定设计条件下均能较经济地营造出满足驾驶人明暗视觉顺适过渡的行车光环境。本文选取“侧向相同，顶部渐变”遮阳材料组合形式下的44 m透光率设计组合(侧向0.2+顶部0.5-0.3-0.2-0.1)作为抓地龙隧道入口遮阳棚光环境的设计方案。

4 遮阳棚材料选型与结构设计

4.1 遮阳板材料选型

遮阳板材料的选型应综合考虑透光性、耐久性、易用性、经济性等4个方面要求，工程中常见的几种减光材料见表5。

表5 减光材料性能参数对比

对比发现，PC板具有强度高、易加工、透光率种类多等优点，较适合作为遮阳板材料。PC板主要分平板和浪板两种形式，浪板较平板具有更好的施工性能，综合考虑选用2 mm厚的PC浪板作为遮阳棚遮阳板材料。

4.2 遮阳棚结构设计

基于选取的“侧向相同，顶部渐变”式遮阳棚光环境设计方案，遮阳棚横向跨度为17.9 m，长度取44 m，钢拱架3 m布置一道，钢拱架纵向利用系杆连接，每两道钢拱架设两组系杆，距离钢拱架顶部4.5 m(弧长)位置布设。在钢拱架表面弧线方向每隔1 m布设檩条，沿遮阳棚布设至隧道端墙，所有钢材均采用Q235B牌号，最终形成一个整体的拱棚结构。遮阳棚俯视图见图10，遮阳棚立面系杆、檩条布置见图11。

图10 遮阳棚俯视图

图11 遮阳棚立面系杆、檩条布置图

遮阳棚主要承重构件为钢拱架骨架，结构安全计算时先简化为最不利单根拱肋进行计算，后取5根拱进行整体安全性验算。结构设计过程中主要考虑结构自重、顶面均布荷载、风荷载、雪荷载、施工和检修荷载、温度荷载等受力[11]。遮阳棚拱架主要以压弯为主，利用Midas软件对支撑拱强度进行仿真计算，取结构各荷载组合包络值，结果见图12。