粤东南地区毗邻隧道区段光环境特征研究

邱自萍，王子豪，华开成，陈伯俊

(1.广东交通职业技术学院，广东 广州 510650；2.重庆交通大学土木工程学院，重庆 400074；3.广东省路桥建设发展有限公司，广东 广州 510625)

引言

据统计，截至2019年末，全国在役公路隧道19067处，总里程达1 896.66万米，比2018年分别增加了1329处、173.05万米[1]。因此，公路隧道群所占比例也越来越大，所谓公路隧道群，是指在某一路段上的隧道数量至少为2处或更多，包括连续隧道和毗邻隧道[2]。针对连续隧道和毗邻隧道间距划分上的概念模糊问题，王少飞[3]提出应从通风、照明、交通安全及消防安全等方面统筹考虑，并将相邻隧道间距L≤250 m定义为毗邻隧道，相邻隧道间距250 m

相比于连续隧道，毗邻隧道间距更加接近，昼天由于外界自然光的影响使得隧道间亮度较高，而洞内亮度较低，驾驶员在昼天行驶于这种特殊路段的过程中，短时间内将经历多次剧烈的明暗交替，视野内产生连续的“白洞效应”与“黑洞效应”，这是毗邻隧道与单体隧道光环境差异显著的重要原因[4-8]。由于人的眼睛对于光环境的明暗适应是有差别的，一般人进入隧道内的暗适应时间约为10 s，而驶出隧道的明适应时间约为1～3 s[9]，正是这种明暗适应过程，将给驾驶员的生理和心理带来极大的影响[10]，而根据彭余华等[11]对云南省16条高速公路隧道群交通事故的统计情况分析，驾驶员明暗适应的频繁变化，影响了其对前方道路车辆和障碍物的辨识，成为毗邻隧道事故高发的重要诱因。

目前只是针对单一隧道或固定间距下毗邻隧道的洞口光环境及减光措施进行了分析研究，而由于毗邻隧道间距的不同，山体也会阻挡一部分自然光，因此不同间距下毗邻段及两端隧道纵深一定距离处的光环境可能有所不同，有必要对此进行探究。本文依托实际工程， 选取夏至日一天中太阳辐照最强烈的时段，采用大型光学分析软件DIALux4.13对变间距毗邻段及两端隧道纵深一定距离处的光环境变化规律进行分析探究，力求为后续毗邻隧道光环境改善及隧道内照明系统配置提供一些参考。

1 工程概况

模型设计依据汕湛高速惠清段项目，位于广东省中部地区，高速公路惠州至清远段为山岭重丘区高速公路，根据初步设计文件，全线共有隧道16座，2座总里程8 459.5 m的特长隧道、5座总里程为7 816.5 m的长隧道、6座总里程为4 228.5 m的中隧道、3座总里程为899 m的短隧道(16座隧道总长21.403 km)。隧道线路长，沿线路段有多处连续隧道，毗邻隧道以八片山隧道与太和洞隧道为典型，光环境现状如图1和图2所示。

图1 上游洞口Fig.1 Upstream tunnel entrance

图2 下游洞口Fig.2 Downstream tunnel entrance

2 计算模型

2.1 模型建立及工况划分

根据依托工程所在地理位置，建立三维计算模型，模型为两车道隧道及毗邻路段，路面宽度11.75 m。实际工程路面类型为沥青混凝土，反射特性为R3[12](以漫反射为主，些许的镜面反射)，其中路面反射率为0.22，光泽度s1取1.1，平均亮度系数Q0为0.07，因实际工程为新建隧道，故模型路面参数标准取值与工程隧道实际参数接近一致。模型示意图如图3～图6所示。

图3 毗邻隧道三维模型平面图(间距50 m)Fig.3 3D model plan of adjacent tunnel (50 m spacing)

图4 毗邻隧道路段三维模型平面图(间距150 m)Fig.4 3D model plan of adjacent tunnel section (150 m spacing)

图5 模型地理位置设定Fig.5 Model location setting

图6 毗邻隧道三维模型光环境Fig.6 Light environment of 3D model of adjacent tunnel

研究采用DIALux 4.13光学分析软件，在建立的变间距毗邻隧道路段模型基础上模拟不同工况，目的是分析夏至日晴天一天中太阳辐照最强烈时段(11:00—14:00)下毗邻路段及两端隧道纵深50 m处的光环境变化情况，其中DIALux软件季节天气参数设定根据《日光空间分布-天空亮度分布参考》(CIE 110—1994)[13]，天气模型分晴天、阴天、混合天空，本次天气设定为只有晴天，太阳方位角αs和太阳高度角γs设定见表1，取自常用的太阳位置计算器，输入相应的地理位置和时间，可以计算得到对应的太阳高度角和太阳方位角。

表1 夏至日各时段αs和γs设定

工况依据毗邻段间距不同分为5个大工况，分别为50～150 m五种间距，间距步长为25 m，左右两端隧道段隧道1、隧道2纵深距离均为50 m。每个大工况根据时段的不同划分为11:00、12:00、13:00和14:00四个小工况，因此，对于每个毗邻段间距都有四个时段与之对应，共计20个工况。

2.2 计算指标

本次研究的几个关键照明指标分别为路面照度、路面平均照度和照度总均匀度。其中照度公式为：

(1)

照度是客观可精确测量的物理量，与人眼的视觉感受无关，因测量方便，照度被作为道路照明质量评价标准之一。平均照度计算公式为：

(2)

式中，Eav为平均照度，单位为lx/m2；Cu和S为照射区域面积，单位为m2。其中利用系数和维护系数与照明装置有关，此处利用的是自然光，故计算可简化为：

(3)

照度均匀度是表征光线分布均匀度的重要指标，均匀度越高视觉舒适性越好。路面总照度均匀度的计算公式为：

(4)

式中，Emin为计算区域内路面最小照度(lx)；Eav为计算区域内路面平均照度。结合实际工程，据规范路面亮度总均匀度不应低于0.4，由亮度与照度的比例关系，照度总均匀度也应不低于0.4[14，15]。

3 数据分析

本次模拟计算了毗邻段长度在50～150 m范围内变化时，隧道1、隧道2及毗邻段的路面平均照度、路面照度均匀度在夏至日晴天11:00—14:00之间的变化情况，由于路面照度均匀度关系到驾驶员行驶时对前方道路障碍物的视认功能和驾驶视觉舒适[16]，因此可用来作为研究分析的一个重要指标，计算结果如表2所示。

表2 平均照度、路面照度均匀度随时间变化表

3.1 路面平均照度值分析

图7～图10反映了11:00—14:00时，不同间距下的各区段的路面平均照度，结合表2的路面平均照度数据可以看出，当间距一定时，四个时段内毗邻段由于受到日光的直接照射，路面平均照度值远远高于隧道1和隧道2，而隧道2也因地理位置影响导致其洞口受到日光直射，因此路面平均照度值均略高于隧道1洞口。因此，当毗邻段间距为50～150 m的任意值时，无论隧道1(隧道2)作为入口(出口)，洞内外照度值相差巨大，所产生的“黑洞效应”和“白洞效应”都很强烈。

图7 变间距毗邻段11点路面平均照度Fig.7 The average road surface illuminance of 11:00 in adjacent sections with variable spacing

图8 变间距毗邻段12点路面平均照度Fig.8 The average road surface illuminance of 12:00 in adjacent sections with variable spacing

图9 变间距毗邻段13点路面平均照度Fig.9 The average road surface illuminance of 13:00 in adjacent sections with variable spacing

图10 变间距毗邻段14点路面平均照度Fig.10 The average road surface illuminance of 14:00 in adjacent sections with variable spacing

结合图表可看出，当时段一定时，毗邻段路面平均照度值也与间距成正相关，间距从75 m开始，12:00的毗邻段路面平均照度值最接近100 000 lx，100 m时突破100 000 lx，之后随着毗邻段间距的增加，在相同时间点毗邻段路面平均照度值均高于100 000 lx。同时在12:00，若按线性规律推算，随着毗邻段间距的增加，毗邻段路面平均照度值同比前值增幅依次为1.05%、0.49%、0.29%和0.19%，增幅逐渐减少，之后照度值的变化应趋于稳定。

3.2 照度总均匀度分析

毗邻段直接受日光直射，条件不适用于现行的相关隧道规范，因此图11和图12反映了隧道1和隧道2洞口纵深50 m区段的路面照度总均匀度情况，从图中可以看出，隧道1和隧道2的路面照度总均匀度均达不到规范所规定的下限值0.4，隧道1洞口不受日光直射，而隧道2洞口处在11:00—14:00均受到日光直射，因此隧道2洞口处照度值很高，使得隧道2区段的路面照度总均匀度很低，远低于隧道1区段的路面照度总均匀度值。

图12 隧道2路面照度总均匀度Fig.12 The overall uniformity of road surface illuminance of tunnel 2

结合图表还可看出，毗邻段间距不同时，隧道1区段的路面照度总均匀度相差不大，最大差值在14:00取得，50 m间距时的路面照度总均匀度最大，为0.27；150 m间距时的路面照度总均匀度最小，为0.22，相差0.05。在11:00—14:00，毗邻段间距在50 m时的路面照度总均匀度均高于其他所有间距时的路面照度总均匀度。从整体来看，11:00—14:00的各间距下的路面照度总均匀度随着毗邻段间距的增加大致呈现持平或减小的趋势，毗邻段间距在125 m和150 m时，11:00—14:00的各路面照度总均匀度变化曲线相重合。

4 结论

通过对变间距隧道毗邻段在夏至日晴天11:00—14:00下的各区段光环境分析，可以得出如下结论：

1)毗邻段间距越大，毗邻段路面平均照度与隧道1和隧道2的路面平均照度差异越显著，“黑洞效应”和“白洞效应”越剧烈，越容易增加驾驶员进出隧道时的心理与生理压力；在所有毗邻段间距下，12:00时毗邻段路面平均照度均为最大；当毗邻段间距在75～100 m之间时，毗邻段路面平均照度达到100 000 lx，在此之后随着间距的增加，路面平均照度增幅渐趋缓慢。因此，当毗邻段间距大于75 m时，若设置隧道外减光棚洞，棚洞的设置参数可取稳定值。

2)从数值模拟结果来看，对于该地区任意毗邻隧道，随着毗邻段间距的增加，若存在不受日光直射的隧道洞口，则此洞口及其纵深50 m处的整个区段路面照度总均匀度值并不会有明显波动；若存在日光直射的隧道洞口，则此洞口及其纵深处50 m的整个区段路面照度总均匀度会变得很低，但数值上同样不会有明显波动。而无论日光是否直射洞口，区段的路面照度总均匀度均达不到规范所满足的0.4下限值，因此有必要设置隧道洞外减光设施增加路面照度总均匀度值，提升驾驶员行驶时的视功能和视舒适感受。

3)本次仅针对所依托的实际工程进行分析与研究，由于毗邻隧道区段光环境规律受到隧道所在地理位置、地形、气候、洞门结构形式及隧道周边景物亮度等变量的影响，因此还需考虑进一步研究。