基于路表结构及状态对隧道彩色路面亮度的影响分析

2021-01-22陈伟

福建交通科技 2020年6期

陈伟

(福建省交通科研院有限公司，福州 350004)

因隧道内照明系统开支巨大，改善隧道照明系统，降低能耗势在必行[1]。根据规范中对隧道照明基本亮度需求可知，光线反射能力与路面颜色息息相关，彩色路面可以增加隧道内照明亮度，提高车辆通行时的识别效果，有效的节约照明资源[2-3]。同时，铺设有彩色路面的路段在光照对比度，交通路况警示方面优于普通路面，能够更加有效集中驾驶员注意力，缓解因在亮度不足的环境中产生的视觉疲劳，改善隧道行车安全性[4-6]。对彩色路面路表结构的隧道照明效果进行研究，有助于完善隧道照明效果，进而为彩色路面环境下隧道设施优化提供一定的理论指导。

本文选取福建省龙岩市松毛岭隧道为研究对象，该隧道地处长汀与连城两县交界处，海拔高度为782 m，是江西通往沿海开放地区及福建衔接京九铁路的主要通道。隧道为双向两车道设计，全长1364 m，宽度10.5 m，有效净高7.12 m。原路面为水泥路面，于2014 年底加铺沥青混凝土面层(结构型式为1 cm 应力吸收层+8 cmAC-20C+4 cmSMA-13)。由于地理位置为山区丘陵地貌，弯道多且纵坡大(接线6.06 km，最大纵坡7%)，隧道车流时速60 km/h，车流量≤180 辆/h。修建多年以来，随着行车污染和设施老化，发生交通事故的隐患大，进行路表结构升级改造有助于提升隧道内部整体亮度，较大程度上保障了行车安全。

1 彩色抗滑超薄铺装路面特性

彩色抗滑超薄铺装是将MMA 新型彩色沥青路用材料直接摊设于路表，不用添加其他材料，从而有效的改善路面的反光性能[7]。本文主要研究在沥青路面材料表层上添加MMA 新型彩色沥青路用材料的一种措施。

MMA 新型彩色沥青路用材料特点是与黑色沥青路面的对比度及自身的反射率来提高路面的照度值，以达到改善公路隧道内部亮度的目的。从反射的角度来说，MMA新型彩色沥青路用材料主要是利用了光线的镜面反射和漫反射现象，以漫反射为主、镜面反射为辅，如图1 所示。

图1 镜面反射和漫反射示意图

本文研究7 种颜色的彩色铺装路面，分别为黑、白、灰、红、蓝、黄和绿。当目标的视角和亮度相同时，人眼的视觉效果取决于瞳孔的大小。如果辐射光谱中有更多的蓝绿光成分，人眼的瞳孔会缩小很多，相应的视觉效果会明显提升。抗滑超薄铺装路面颜色浅，有利于增强隧道路面的亮度，改善驾驶视觉。由于受限于隧道内部对净空的要求，加铺层厚度是路面结构层设计的关键。针对以上使用环境的特定要求，最适宜方案当属彩色抗滑超薄铺装。MMA 新型彩色沥青路用材料摊铺厚度仅为1～3 mm，对隧道净空无影响，同时又能与原有沥青层路面牢固黏结，保证了路面抗滑性能，自身颜色可依据使用环境和特定需求进行灵活匹配，简洁实用、安全节能是隧道内使用彩色抗滑超薄铺装的优势所在。

MMA 新型彩色沥青路用材料具有良好的路用性能，在外部环境综合作用下，表现出较好的高温稳定性、耐磨性和抗水损坏能力，且与基层的粘结性良好，沥青膜不易出现剥落、变形等现象。

本文彩色铺装使用的材料依据《路面防滑涂料》(JT/T 712-2008)进行室内试验，检测结果如表1 所示。

表1 路面防滑涂料检测结果

2 明色性能分析

彩色抗滑超薄铺装改变了路面原有的颜色，势必影响隧道路面的照明效果。在同样的照明工况下，采用照度计对试验段铺装前后路面照度进行检测，检测结果见表2。

从现场取得的照度检测数据可知，一方面，铺装MMA 新型彩色沥青抗滑超薄层后隧道路面的亮度有所提升，并且测值提升幅度随着测点与洞口距离的增大而变化更为突出；另一方面，路面摊铺不同颜色种类的材料对亮度影响程度也随之不同，相比而言，灰色可以比红色更好地改善路面的亮度。即同等亮度需求下，灰色路面比红色路面对环境照明依赖更小，随着离洞口距离越大，相应照明能耗越小。

通过实际道路运营半年后的观察，除路表铺装材料外观颜色因行车污染稍显暗淡外，整体未产生裂纹或者颗粒缺失现象，仍保有较高的粗糙度，行车安全方面交通事故率为零。表3 为采用手工铺砂法检测摊铺前后隧道路面100 m 区间内的构造深度。

表2 试验段路面照度检测数据

表3 隧道内不同路面处构造深度

综合隧道内不同路面的构造深度值分析，得出在路面投入使用1 年后，构造深度有所上升。这是由于路面成型初期，混合料表面存在沥青薄膜的裹附作用，摩擦系数未达到最佳状态，随着通车后轮胎对路面磨耗不断增加，使得摩擦系数在短期内迅速呈现峰值，随后渐渐趋于稳定。车辆对路面的磨损也进入缓慢下降状态。

3 基于路表结构的隧道彩色路面亮度模型修正

3.1 考虑构造深度的亮度修正

为了确定构造深度对路面反射光的影响规律，采用彩色抗滑超薄铺装工程国道G319 线松毛岭隧道的铺装试样，室内测定试样的反射比和亮度系数，试验结果如表4～5 所示。

表4 试件反射比试验结果

表5 试件亮度系数试验结果

由表4～5 可见，构造深度小的试件反射系数略高，但试件的构造深度对试件反射比的影响不大。在亮度模型中，为了考虑路面的粗糙程度的影响，本文定义构造深度修正系数进行考虑，根据表5 的数据，计算公式如下：

式中： K2为构造深度修正系数，计算结果见表6；q′为同颜色的表面较光滑的试验试件对应的亮度系数，(cd.m-2/lx)；q 为同颜色的表面较粗糙的试验试件对应的亮度系数，(cd.m-2/lx)。

根据表6 可知，在满足规范的条件下，当彩色路面材料的构造深度相差不大时，可以选用构造深度较小的路面材料以提高路面亮度，在亮度模型中构造深度修正系数可取1.00～1.20。

表6 亮度模型构造深度修正系数

3.2 考虑潮湿状态的亮度修正

沿隧道纵深方向，根据湿度的变化特点可分为3 个区域：快速变化区、平缓过渡区、恒定区。快速变化区为隧道洞口内40～50 m 范围内，路面湿度明显增加。平缓过渡区范围为距洞口50～120 m 的范围内，该区域内路面湿度变化减缓，逐渐趋于稳定。恒定区为距洞口120 m 以外的区域，路面湿度保持恒定或小范围波动，外界环境变化对该区域路面湿度影响不明显。

光在隧道潮湿路面发生反射时可以分成3 个部分的线性组合：第1 部分为环境光部分，主要由物体表面的颜色决定；第2 部分是漫反射部分，它主要由入射光的强度和物体表面的材质决定。第1 部分和第2 部分的反射光强度不随反射角的变化而变化，也就是说在物体和入射角固定，无论从哪个方向观察物体，这2 个部分的反射光的强度是固定的。而第3 部分是规则反射，这个部分的反射光被认为是造成高光区的主要原因，其颜色与光源的颜色一致，而且随着入射角和反射角的变化而变化。

根据隧道中路面潮湿程度对路面反射照度的影响，本项目将路面考虑潮湿状态的亮度修正系数定义为K3相同环境下干燥路面与潮湿路面的反射照度之比,如式(2)。

式中： K3为潮湿状态的亮度修正系数；E′为潮湿路面的最大反射照度，(lx)；E 为干燥路面的最大反射照度，(lx)。

隧道路面状态越加潮湿，路面反射中规则反射所占比例增大，造成某一方向观察路面时潮湿区域亮度突然增大。当驾驶员由干燥区域驶向潮湿区域时，潮湿路面突然变亮，影响驾驶员注视点分布。路面潮湿程度越高，对路面亮度、驾驶安全的影响越大。

为了确定路面潮湿状态对路面反光特性及亮度的影响，本文将试件表面用水浇湿见图2，在实验室测定其反射规则以及反射比，试验结果如表7 所示。

图2 浇湿的试件

表7 不同颜色试件干湿状态下反射规则、反射比及定向度

由表7 可见，当路面材料处于潮湿状态下，0°～15°小角度范围内的反射照度都普遍比较大。由定向度数据可见，除黑色与黄色两个试件外，其他颜色路面在潮湿状态下，定向度均有不同程度的提高，可见，当路面为潮湿状态，地面的反射规则发生变化。同时，从亮度考虑，驾驶员的注视角度在1°左右，所有在实际亮度计算时，考虑潮湿条件对亮度的影响是有必要的。

根据式(2)，采用考虑潮湿状态的亮度修正系数K3来表示。因为干燥与潮湿状态的反色规则是分2 次进行完成，2 次试验灯具寿命不太一致，为排除非实验因素的影响，根据式(3)将实验数据归一化处理，计算时选当次实验的最大照度与入射照度比值，再进行计算。计算公式和各颜色路面材料考虑潮湿状态的亮度修正系数计算结果如式(3)：