自发光涂料在喀斯特山区高速公路隧道中的节能与应急应用

2022-09-01刘政陈雪峰曾强胡涛黎阳陈军

科技创新导报 2022年14期

刘政陈雪峰曾强胡涛黎阳陈军

（1.贵州省公路集团工程有限公司贵州贵阳 500008；2.贵州西能电光科技发展有限公司贵州贵阳500002）

随着我国经济的快速发展，道路、桥梁和隧道工程越来越多，工程设计在满足交通运输功能的同时，科技创新与新技术应用示范已成为交通运输工程的新亮点［1-2］。目前，喀斯特山区高速公路隧道照明系统存在规模大、线路复杂、耗能高、维修检查困难、应急能力弱等问题，已成为公路运营中主要的开支之一［3-7］。如何在保证行车安全的基础上降低运营费用、节约公路隧道能源消耗、提升应急处置能力，是当前喀斯特山区公路隧道建设者与运营方关注的重要问题。

铝酸锶长余辉发光材料作为长余辉荧光材料的一个分支，具有发光亮度高、余辉时间长、稳定性好、无毒、无放射性等特点，能在黑暗空间长时间无能耗自发光，是一种理想的隧道暗环境节能发光和应急逃生指示材料［8-12］。目前，铝酸锶发光材料在隧道节能和光环境舒缓方面的研究与应用仍缺乏相关理论数据与工程实践支撑。

贵州兴义地处黔、滇、桂三省交界处，喀斯特地形地貌占整个区域面积70%以上，给高速公路隧道的建设和运营管理带来了极大的挑战。本文以兴义环城高速公路牛犁塘隧道左幅为依托工程，通过在隧道墙面喷辉铝酸锶发光涂料，配合可变功率LED能量激发灯，实现了隧道墙面的持续发光、亮度可调节和应急逃生指示功能。依据JTG/T D70/2-01-2014［13］规范，绘制了隧道地面亮度变化曲线，以期为该方案的后续推广应用提供理论支撑。

1 牛犁塘隧道照明的原始设计

牛犁塘左幅隧道属于端墙式洞门隧道，设计车速80km/h，隧道全长453m，在进洞第一停车视距下（90m），能看见隧道出口。施工前现场实景图如图1所示。从图1可知，该隧道是一典型的非光学隧道，根据隧道照明设计规范，单向通行隧道照明区段一般分为入口段、过渡段、中间段和出口段。牛犁塘隧道原有照明设计总功率为9.7kW，其LED 灯具布置方式与数量如表1所示。从表1中可知，隧道的入口段和出口段设置了大量的LED 照明灯具，在入口段Ⅰ和入口段Ⅱ短短96m距离下，电光照明的总功率高达5.5kW，如此高功率的照明设计主要是为了缓解驾乘人员视觉的“黑洞”效应。

图1 施工前牛犁塘隧道实景

表1 牛犁塘隧道灯具数量及功率

2 牛犁塘隧道洞内地面亮度值的计算

依据JTG/T D70/2-01-2014［13］规范标准，对牛犁塘左幅隧道行车区间的地面亮度值和距离进行计算，其入口段Ⅰ、入口段Ⅱ、过渡段、中间段、出口段Ⅰ和出口段Ⅱ的亮度和长度计算过程如式（1）至式（7）所示。

式中：Lth1和Lth2为入口段Ⅰ和入口段Ⅱ的地面亮度值；0.5 为长度为300m＜L≤500m 的非光学长隧道亮度按50%取值；k为入口段亮度折减系数，牛犁塘隧道取值为0.025；L20（S）为洞外亮度，牛犁塘取值为3000cd/m2；Ltr1为过渡段亮度值；Lex1出口段Ⅰ的亮度值；Lex2出口段Ⅱ的亮度值；Lin中间段的亮度值，牛犁塘隧道取值为1.5cd/m2；Dth1和Dth2入口段Ⅰ和入口段Ⅱ的长度；Ds为照明停车视距，牛犁塘隧道取值为90m；h为隧道内净空高度，牛犁塘隧道取值为9m；Dtr1为过渡段长度；Vt为设计速度，牛犁塘隧道取值为80km/h。

依据式（1）至式（5），牛犁塘隧道内地面亮度在满足细则标准条件下，对应其在进洞处地面亮度37.5cd/m2、入口Ⅰ段尾部地面亮度值为18.625cd/m2、入口Ⅱ段尾部地面亮度值为5.625cd/m2、中间段地面亮度值为1.5cd/m2、出口段Ⅰ前端地面亮度值为4.5cd/m2和出口段Ⅱ前端地面亮度值为7.5cd/m2。

依据式（6）和式（7）计算得出，牛犁塘隧道入口段Ⅰ长度为40m，入口段Ⅱ长度为40m，过渡段长度为71m，基本段长度为242m，出口Ⅰ段为30m，出口Ⅱ段为30m。与表1对比可知，计算结果与原有设计的灯具布置长度能很好地对应。

依据JTG/T D70/2-01-2014标准，将上述计算结果的亮度与进洞距离的关系作图，其结果如图2 所示。从图2中可知，进洞入口段地面亮度较高，主要是为了缓解视觉的“黑洞”效应，在出口段地面亮度又升高，主要是为了使驾乘人员视觉适应“白洞”效应。隧道内对应区间亮度值变化趋势能与区间照明设计功率大小能很好地对应，进一步说明了电光照明已成为缓解隧道“黑白洞”效应的有效手段。然而，兴义牛犁塘隧道地处喀斯特山区，电光照明存在布线规模大、线路复杂、耗能高、维修检查困难、应急能力弱等缺点。当前，亟需利用新材料技术开展运营节能与应急安全的研究。

图2 隧道内部各照明段的长度与亮度的关系

3 牛犁塘隧道墙面施工方式与节能效果

采用长余辉铝酸锶发光粉与水性乳液材料配合制成发光涂料，通过高压喷涂机喷涂于隧道墙面，并利用半光谱LED 能量激发灯配合照射，能实现隧道墙面的无源长延时自发光，是一种理想的节能安全应用形态，该方案对隧道内部地面和墙面亮度的影响仍缺乏相关理论研究，很有必要进一步开展详细研究。

隧道墙面长余辉铝酸锶发光涂料的涂装位置与LED激发灯具的安装方式如图3所示。从图3中可知，发光涂料涂装位置为沟盖板上方70cm开始，直至顶部420cm 处。LED 激发灯安装于沟盖板上方420cm 处，与涂料涂装上边界重合形成无缝连接形式，隧道两侧墙面的安装长度均为453m（灯具长度为1m，单套额定功率0.03kW，合计906套）。该发光涂料的涂装高度与激发灯具的安装方式可在整个隧道两侧墙面形成高度为350cm的发光导视面。

图3 隧道墙面涂装位置与LED 灯具的安装位置示意图

在LED 激发灯具配合下，仅利用30%的激发功率，隧道墙面实景图如图4 所示。从图4 中可知，在未开隧道电光照明灯具的情况下，激发灯具仅开启30%的功率，发光涂料的发光性能优异，隧道内光环境整体通透，物体的可辨识性理想，视觉感官较好，能明显辨识清楚隧道内部物体，说明LED 激发灯配合照射发光涂料，能实现隧道的照明功能。发光涂料的余辉性能如图5 所示。从图5 中可知，发光涂料在最初的100s内亮度衰减较快，在满足应急逃生标准亮度0.2cd/m2的情况下，其应急逃生时间长达136s，在人眼最低识别亮度0.32mcd/m2度情况下，余辉时间长达数小时。发光涂料的使用不仅可使隧道实现照明功能，还可使隧道在全应急（所有电光照明失效）状态下实现指示逃生功能，安全指标大幅提升。

图4 牛犁塘隧道节能光环境实景图

图5 长余辉发光涂料的余辉性能

由于长余辉铝酸锶发光涂料发光波长在黄绿光范围内，属于二次弱光源，色温与亮度值相对降低，为满足图2 所示隧道内部地面亮度标准，很有必要在隧道入口段、过渡段和出口段适当增加普通LED照明光源，以便实现隧道洞内亮度的平缓过渡。为此，在入口段设置34 套、过渡段设置10 套、出口段设置8 套照明灯具，且仅在白天开启。亮灯后地面亮度结果如图6所示。

从图6中可知，在激发灯30%的激发功率下，配合入口段、过渡段和出口段的普通LED照明灯具，牛犁塘隧道白天地面亮度曲线符合JTG/T D70/2-01-2014 标准要求，且在进洞和出洞时地面亮度优于标准要求，说明半光谱LED能量激发灯照射发光涂料配合适当数量的LED 照明灯具能提升隧道进洞和出洞时地面亮度，基本段仅依靠激发灯照射发光涂料即可实现隧道地面亮度满足细则要求，亮度高达2.73cd/m2，且导视效果优异，整体光环境较为舒缓。隧道洞内地面亮度理论值和实际值变示意图如图7所示。

图6 牛犁塘隧道地面理论亮度与实际亮度

图7 隧道地面理论亮度和实测亮度的变化示意图

在隧道照明细则标准下，以图5 隧道地面亮度为标准，入口段80m 和出口段60m 所布置的激发灯具仅在夜间开启（280套灯，左侧和右侧各140套，每天只开启12h），过渡段和中间段313m全天开启（626套灯，左侧和右侧各313 套，全天开启），总功率为626×0.009+280×0.03×30%×50%=6.894kW/h；普通照明灯具仅在白天开启，夜间关闭，总功率为（34+10+8）×0.03×50%=0.78kW/h。隧道总功率为6.894+0.78=7.674kW/h，与原有设计9.7kW/h 相比，功率降低1.026kW/h，节能效果提升20.88%，年均节约用电为（9.7-7.674）×24×365=17 747.76kW/h，节能效果显著。

隧道中间段涂装发光涂料的墙面亮度值和空间眩光值结果如表2所示。从表2中可知，发光涂料的使用能显著提高隧道墙面亮度，从水泥墙面的6.99cd/m2提升至20.13cd/m2，提升比例高达188%，且隧道空间眩光值大幅降低，从涂装前的1.388降低至涂装后的0.044，说明发光涂料的使用提升了空间亮度的均匀性，可降低驾乘人员通过隧道空间时由于光线亮度变化而带来的不适感。