隧道侧壁涂装材料对隧道空间光环境的影响

2021-10-31陈雪峰胡涛刘政黎阳陈军

科技创新导报 2021年18期

陈雪峰　胡涛　刘政　黎阳　陈军

摘要：采用白色涂料、长余辉发光涂料和水泥抹灰砂浆为隧道侧壁涂装材料对兴义环城高速的3条隧道的中间基本段进行了涂装，测定了3种涂装方式下隧道中间基本段的地面亮度和墙面亮度，探讨了侧壁涂装方式对隧道光环境的影响。结果表明，白色涂料和长余辉发光涂料能提升隧道内部墙面亮度和地面亮度，降低隧道内部空间的炫光值，并提升墙面与地面的对比度;水泥抹灰砂浆涂装的墙面隧道空间亮度值和地面亮度值均最低，墙面与地面的亮度对比值较低。

关键词：隧道中间段侧壁涂装材料亮度对比值

中图分类号：U45 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2021）06（c）-0004-05

Abstract： The middle basic sections of three tunnels of Xingyi ring expressway were coated with white paint， long afterglow luminescent paint and cement mortar. The ground brightness and wall brightness of the middle basic section of the tunnel under three coating methods were measured， and the influence of side wall coating methods on the light environment of the tunnel was discussed. The results show that white paint and long afterglow luminescent paint can improve the brightness of the wall and ground inside the tunnel， reduce the glare value of the space inside the tunnel， and improve the contrast between the wall and the ground; the wall surface coated with cement plastering mortar has the lowest brightness value of tunnel space and ground， and the brightness contrast value between wall surface and ground is low.

Key Words： Tunnel; Middle section; Sidewall coating; Brightness; Contrast ratio

公路隧道具有缩短里程、节约时间、节约用地、提高交通运输效率、生态环保等优点，在山区高速公路建设中应用广泛。然而，隧道洞内通常表现为低照度、小空间和单调的封闭环境，且受到“黑洞白洞”效應问题的困扰[1-3]。通过增加电光照明灯具可有效缓解“黑洞白洞”效应问题，但过多照明灯具的设置造成了隧道运营的高能耗与高成本，同时也衍生出了“眩光”问题。隧道侧壁作为视野感知域的重要组成部分，对驾乘人员清楚辨识洞内障碍物具有重要影响，提高墙面和地面的对比度有利于提高公路隧道的安全系数[4-8]。

借助现代先进技术手段，提升驾驶员的生理、心理应急能力，打造节能型和安全型隧道光环境是当今公路交通运输行业科研工作亟需解决的问题。贵州兴义属于典型南方喀斯特山区峰林地形地貌，公路修筑具有极高的桥隧比，隧道内部光环境对后期运营安全与节能效益具有重要影响[9]。兴义市环城高速公路全长62.5km，设计速度为80km/h，全线共设隧道26座，是一理想的隧道光环境研究实验地点。根据《公路隧道照明设计细则》（JTG/T D70/2-01-2014）[4]规范可知，隧道外部条件对隧道入口段和过渡段的亮度有较大影响，为探究隧道侧壁涂装材料对隧道内部光环境的影响，以隧道中间基本段为涂装对象，选取兴义环城高速3座长度、内外环境和原始设计相近的隧道，分别采用白色涂料、长余辉发光涂料和水泥抹灰砂浆方式进行涂装，利用亮度仪和眩光仪测定了3种涂装方式下隧道中间基本段的地面亮度、墙面亮度和空间炫光值，探讨了侧壁涂装方式对隧道光环境的影响，以期为后续隧道侧壁涂装材料的选取提供参考。

1 隧道的选取与侧壁涂装

贵州兴义喀斯特地貌表现为峰林和峰丛特征，公路修筑具有较高的桥隧比，隧道建设多呈现为中短隧道，而长隧道较少。本文分别选取丰都隧道左幅、丰都隧道右幅和东坝一号隧道左幅为研究对象，开展隧道侧壁涂装材料对光环境的影响研究，3条隧道详情与涂装方式如表1所示。从表1中可知，3条隧道长度均小于500m，属于短公路隧道类型，且均有较大功率的电光照明设计。

依据《公路隧道照明设计细则》（JTG/T D70/2-01-2014）[4]规范可知，3条隧道内部行车区间可划分为入口段Ⅰ（≥40m）、入口段Ⅱ（≥40m）、过渡段（≥72m）、基本段（≥271m）和出口段Ⅱ（=30m），其每个行车区间的照明功率设计如表2所示。从表2中可知，3条隧道入口段、过渡段和出口段单位长度的电光照明功率较高，而中间基本段单位长度的能耗较低。入口段功率最高，主要是为了缓解驾乘人员进入隧道由于眼睛与光线强弱变化不适应而产生的“黑洞白洞”效应，以期提升隧道行车安全指标。中间基本段能耗较低，主要是在驾乘人员在适应隧道黑暗空间光线后，低的照明功率可提升隧道节能效率，以期提升隧道后期运营效益。为研究隧道侧壁涂装材料对隧道光环境的影响，电光照明单位长度能耗很有必要保持一致。为此，本研究选取3条隧道的中间基本段进行地面亮度、墙面亮度和空间眩光值测试。

2 隧道侧壁涂装方式对光环境的影响

2.1 隧道侧壁的涂装方式

3条隧道中间基本段涂装完毕后其实际运行现场图如图1所示。从图1中可知，3种涂装方式在电光照明配合下，隧道内光环境尚可，达到一定的空间物体辨识度。从直观来看，长余辉发光涂料和白色涂料空间亮度较高，墙面和地面的对比度明显，有清楚的轮廓分界线，层次感较强，画面清楚，而水泥抹灰砂浆墙面的颜色与地面接近，边界轮廓对比划分区别不明显。为明确隧道内的光环境，采用亮度仪和眩光仪对隧道内地面亮度、墙面亮度及空间眩光值进行测定，测试3个点取平均值，并将3条隧道中间段的亮度值和炫光值进行对比分析。

2.2 涂装方式对隧道地面亮度的影响

运用3种涂装方式下的隧道中间基本段地面亮度如图2所示。结合表1可知，在长余辉发光涂料涂装下，隧道地面亮度值为1.76cd/m2;在白色涂料涂装下，隧道地面亮度值为1.92cd/m2;在水泥抹灰砂浆涂装下，隧道基本段地面亮度值最低，仅为1.25cd/m2。由于兴义环城高速所有隧道照明设计均按照《公路隧道照明设计细则》（JTG/T D70/2-01-2014）[4]规范进行，说明长余辉发光涂料和白色涂料涂装隧道侧壁有利于提高地面亮度值，这主要是由于发光涂料在具有反射反光功能的同时，还兼具发光功能;白色涂料均属于浅色涂料，有一定的反射反光效果，光在涂料上的漫反射进而提升了地面的亮度值，而水泥抹灰砂浆属于深色体系，反射能力较弱，大幅吸收了电光照明光线，从而造成隧道内部地面亮度值较低，墙体和地面的对比不明显。

2.3 涂装方式对墙面亮度的影响

运用3种涂装方式的隧道中间基本段墙面亮度如图3所示。结合表1可知，在长余辉发光涂料涂装下，隧道基本段墙面亮度值最高，为31.88cd/m2;在白色涂料涂装下，隧道基本段墙面亮度值为13.37cd/m2;在水泥抹灰砂浆涂装下，隧道基本段墙面亮度值仅为4.96cd/m2。涂装发光涂料时，隧道侧壁墙面亮度最高，而水泥抹灰砂浆涂装隧道侧壁亮度值最低，说明水泥暗色涂料体系，吸收了电光照明光线，降低了侧壁墙面的亮度。在常规隧道中间基本段单位长度照明功率较低的情况下，提高墙面和地面的对比度对于图像的清晰度、细节表现、灰度层次表现都有很大帮助。为此，将墙面亮度值和地面亮度的比值定义为亮度对比值，并将对比值数据作图，结果如图4所示。从图4中可知，长余辉发光涂料涂装侧壁方式隧道内墙面和地面亮度对比值最高，达18.11，说明该空间区域内对比度较高，亮度区别明显;而水泥抹灰砂浆涂装侧壁隧道内墙面和地面亮度对比率最低，仅为3.96。一般来讲，适当提高黑暗空间内部的对比度，有利于提升视场区域的清晰度，使得人眼更容易辨别出视场区域内的障碍物。结合图1可知，不同的侧壁材料涂装对隧道空间亮度的对比率有重大影响，水泥抹灰砂浆涂装方式使得隧道空间的对比率较低，视场区域内的图像层次感模糊，墙面与地面的边界轮廓较为模糊，而发光涂料和白色涂料使得墙面具有较高的亮度，进而提升了隧道空间的亮度对比值，使得视场整体层次感较强。

隧道侧壁涂装材料对隧道内部行车方向的炫光值的影响如表3所示。从表中可知，长余辉发光涂料涂装时，行车方向炫光值最低，仅为0.19;白色涂料涂装时，炫光值为0.57;而普通水泥抹灰砂浆涂装时，炫光值为2.03，炫光值高主要是由电光照明光源与水泥墙面的亮度和地面的亮度有较大的变化所导致，而白色涂料和长余辉发光涂料在本质上会反射或发出光线，抵弱了亮度的剧烈变化，使得炫光值较低。炫光值低可提升隧道内的驾乘人员的舒适感，有利于提升隧道的行车安全指标。结合3条隧道中间基本段的电光照明功率可知，在相同的电光照明功率下，隧道内部表现出不同的光环境，说明隧道侧壁涂装材料尤为重要，浅色涂装或是发光材料涂装，可提升隧道的安全指标，对公路运行的节能和安全都有重要影响。

3 结语

（1）在正常电光照明下，隧道侧壁涂装方式对隧道空间内部光环境有重要影响。

（2）浅色涂料能提升隧道墙面亮度和地面亮度，发光涂料涂装时墙面亮度和地面亮度分别为31.88cd/m2和1.76cd/m2，白色涂料涂装时墙面亮度和地面亮度分别为13.37cd/m2和1.92cd/m2，而水泥抹灰砂浆涂装时墙面亮度和地面亮度仅为4.96cd/m2和1.25cd/m2。

（3）发光涂料和白色涂料使得墙面具有较高的亮度，进而提升了隧道空间的亮度对比值，使得视场整体层次感较强，有利于提升隧道安全指标。

参考文献

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