隧道墙面涂料反射率及涂设高度与路面光环境质量模拟试验研究

谭宗林，梁 策

（广西南天高速公路有限公司，广西 南宁）

根据中华人民共和国交通运输部《2021 年交通运输行业发展统计公报》显示，截止2021 年底，中国公路隧道23268 处、2469.89 万延米，里程数每年以超过10%速度增长，公路隧道照明能耗年均60 万元/公里，占运营隧道总能耗大于50%[1]。根据《公路隧道照明设计细则》（JTG/T D70/2-01-2014）9.3.6 路面两侧2 m 高范围内墙面宜铺设反射率较高的材料，当墙面反射率达到0.7 时，路面亮度可提高10%[2]。史玲娜、李文渊等的研究表明，在相同照明条件下墙面反射率较高的涂料对路面亮度的提升较大[3]。

为了分析隧道墙面涂设高度对隧道路面照度的贡献量，本研究利用DIALux 软件模拟隧道两侧墙面不同高度和不同反射率涂料对隧道路面照度的影响[4]，分析墙面涂料对驾驶员视认的影响并提出合理的墙面涂料设置方案[5]。

DIALux 软件是目前世界上最具实用性的照明计算软件，它几乎能模拟任何环境下的照明设计。首先构建三维立体隧道模型，然后将照明灯具参数导入系统软件即可实现隧道照明亮度计算并进行设计，计算成果包括隧道各工作面的照度、亮度、均匀度、3D 效果图等相关数据[6]。

1 模拟实验

利用DIALux 灯光照明设计软件模拟隧道中间段墙面涂设不同高度、不同反射率涂料对路面照明的贡献大小，得出最佳的涂料涂设高度与反射率。

2 模拟内容

模拟隧道未涂墙面材料和涂设高度分别为2 m、2.5 m、3 m、3.5 m、4 m，墙面材料反射率分别为0.4、0.5、0.6、0.7、0.8 的隧道路面中间段照度值。

模拟对象为隧道中间段，模拟隧道长度100 m，路面宽度9 m，R3 沥青路面（轻微定向反射光路面），灯具安装高度5.5 m，灯具水平角度20°，采用两侧交错布灯间距12 m 的布灯方式。

根据CIE 国际照明委员会中的规定：隧道交错布灯时测量区域应选择两灯之间的路面区域作为测量区域，本研究选择图1 中所示长12 m 和宽9 m 的长方形路面阴影区域作为测量计算区域。

图1 实验测量区域

3 模拟计算步骤

（1）在隧道未涂墙面涂料情况下，计算输出测量区域的路面平均照度值、3D 效果图及3D 伪色图[7]。

（2）隧道涂2 m 高墙面涂料，反射率分别设置为0.4、0.5、0.6、0.7、0.8 时，计算输出测量区域不同的路面平均照度值、3D 效果图及3D 伪色图。

（3）根据（2）中方法，将隧道分别涂2.5 m、3 m、3.5 m、4 m 高的墙面涂料，依次计算输出测量区域不同的平均照度值、3D 效果图及3D 伪色图。

（4）模拟计算结果统计如表1 和图2 所示。

表1 不同反射率和高度墙面涂料下路面平均照度值（lx）

图2 不同反射率下路面平均照度变化曲线

4 模拟结果分析

从表1 中可以看出相同反射率情况下，路面照度随墙面涂料涂设高度的增加有上升趋势；相同墙面涂料高度情况下，路面照度随隧道墙面涂料反射率的增加有上升趋势。

（1）隧道未涂墙面涂料时路面照度为49 lx。

（2）墙面涂料涂设高度2 m，反射率分别为0.4、0.5 时，路面照度为50 lx 提高了1 lx；反射率0.6、0.7、0.8 时，路面照度为51 lx，提高了2 lx。说明高反射率墙面涂料对路面照度贡献较高。

（3）墙面涂料涂设高度2.5 m，反射率分别为0.5、0.7、0.8 时路面照度增加了1 lx，反射率为0.4、0.6时路面照度未改变。说明墙面涂料涂设高度增加0.5m对路面照度有一定影响，高反射率墙面增加明显。

（4）墙面涂料涂设高度3 m，反射率分别为0.4、0.5、0.6、0.7、0.8 时，路面照度均维持在2.5 m 高度时的路面照度水平。说明墙面涂料涂设高度从2.5 m 增加至3 m 时路面照度提高不明显。

（5）墙面涂料涂设高度3.5 m 时，反射率分别为0.4、0.6、0.7、0.8 时路面照度增加1 lx；反射率为0.5时，路面照度未改变。由于涂料高度从2 m 提高至3 m路面照度几乎没有变化，涂料高度3.5 m 提高路面照度1 lx 是墙面涂料加涂1 m 后积累的结果，所以墙面涂料高度从3 m 增加至3.5 m 时路面照度提高不明显。

（6）墙面涂料涂设高度4 m 时，反射率分别为0.4、0.6、0.7、0.8 时路面照度均维持在3.5 m 高度时的路面照度水平，反射率0.5 时路面照度增加1 lx。说明墙面涂料高度在3.5 m 至4 m 对路面照度贡献不明显。

（7）当墙面涂料涂设反射率0.7 以上，2～3 m高时对墙面贡献变化明显，如表2 所示。

表2 反射率0.7 时不同墙面涂料高度下路面平均照度值（lx）

由表2 可知反射率0.7 墙面涂料高度2.5 m 时路面平均照度升高至52 lx。

综上，墙面涂料高度越高，路面照度越高。墙面涂料高度为2.5 m，反射率大于0.5 的路面照度比未涂设墙面涂料时路面照度提高2～3 lx。而墙面涂料高度从2.5 m 提高到4 m 时路面照度仅提高1 lx，这时墙面涂料产生的经济效益较低。因此，从安全、经济角度考虑墙面涂料高度设置为2.5 m 最佳；墙面涂料反射率≥0.7 时路面照度变化率较高，所以建议墙面涂料反射率不应小于0.7。

通过模型3D 效果图能直观感受到墙面涂有涂料的隧道比未涂墙面涂料的隧道墙面的结构感和立体感更强（如图3 所示为模拟效果），能够缓解驾驶员在隧道中行驶时的紧张情绪。墙面涂料亮度与路面亮度形成一定亮度差，能够诱导驾驶员在隧道中行驶，提高驾驶员在隧道中行车的空间感。墙面涂料作为行车背景还能够增加驾驶员对隧道内障碍物的视认，降低行车安全隐患。

图3 3D 效果图对比

3D 伪色图是利用色彩的深浅表征模型中亮度高低的一种影像图[8]。通过图4 可以看出涂有墙面涂料的路面颜色明显深于未涂墙面涂料的路面颜色，进一步验证了墙面涂料的涂设对提高路面亮度的作用。

图4 3D 伪色图对比

5 结论

通过模拟计算分析，得到隧道墙面涂料涂设高度在2.5 m 时对路面照明光环境的贡献率最高，经济效益大；采用反射率不小于0.7 的漫反射墙面涂料，涂料颜色较浅，与整体隧道壁形成一条带状线，能起到行车诱导的作用，但是这条浅色的带状线会使高速行驶的驾驶员视觉余光感觉单调，因此在其上绘制两条颜色较深、高1.2 m、宽15～20 cm、间距30～40 cm 的腰带线，这对改善驾驶员视觉余光的单调性具有重要意义，特别是要照顾坐高较高的大货车驾驶员。从全寿命角度考虑，涂料还应具有抗静电、抗油污、耐冲刷等功能，在使用过程中当反射率低于0.5 时应采取相关措施及时进行清洁。