基于工程案例隧道照明计算

中国电建集团贵阳勘测设计研究院有限公司 卢焕丽

隧道是人类利用地下空间的一种建筑形式，为保障隧道内通行安全，隧道内照明灯具需要24h工作。而隧道内环境恶劣，灰尘堆积，灯具自身的损耗和清洁工作使隧道内灯具的维护难度又进一步提高，既不利用节能减排，也不利于道路的行驶安全[1]。

隧道内灯具如果设置不合理，会影响驾驶员对道路轮廓及周围障碍物的判断，从而影响行驶安全。另外，车辆驶入或驶出隧道时，隧道内外的亮度差，容易让驾驶员在视觉上产生“黑洞效应”与“白洞效应”，进而增加了交通事故发生的概率。本文基于工程实际案例，提供了一种灯具布置方案，用Dialux evo软件对隧道照明的亮度、均匀度等进行仿真模拟，希望能对隧道照明的设计提供一些参考价值。

1 隧道照明工程案例

1.1 工程概况

本工程场内双向交通隧道长1008m，设计时速20km/h，隧道等级为三级B；本工程隧道为水泥混凝土路面，其平均亮度与平均照度换算系数取10lx/（cd/m2）；隧道限界净高：8.41m，限界净宽：11.7m=0.75m（检修道）+0.25m（左侧侧向宽）+4.75x2+0.25（右侧侧向宽）+0.75m（检修道），隧道剖面如图1所示，图中所标单位为cm。

图1 70W高压钠灯配光曲线

该隧道根据交通量情况，其路面亮度总均匀度不低于0.3、其路面中线亮度纵向均匀度不低于0.5。灯具采用中线侧偏形式布置，灯具安装高度距隧道道面约7.8m。对于双向交通隧道，其照明可根据实际情况划分为入口段照明、过渡段照明、中间段照明、洞外引道照明、洞口接近段的减光设施等。本工程洞外亮度取2000cd/m2，停车视距Ds取20m。表1为隧道各段基础数据，图1为隧道照明的横断面图。

表1 隧道各段基础数据

1.2 灯具的选型

隧道照明灯具目前主要有荧光灯、高压钠灯、LED灯等。其中，高压钠灯灯光效高，寿命长，显色性差，穿透性强，常用于多雾天气的山区、大型车比例高、对光色要求不高及车流量不大的隧道照明中，较经济。荧光灯显色性好，光色柔和，寿命较短，属于非环保产品且后期维护工作量大。LED灯能耗低，显色性好，寿命长，光效高、可控性好，但透雾性不强。LED灯在光源的发光效率、灯具的效率上较高压钠灯、荧光灯等存在不少优势，因此综合上述各灯具类型的特点，本工程隧道照明选用LED灯。高压钠灯、荧光灯、LED灯的配光曲线分别如图1、图2、图3所示。

图2 84W荧光灯配光曲线

图3 40W LED灯配光曲线

1.3 入口段Dialux evo软件仿真数据

本工程按20～40km/h速度设计，隧道的入口段总长度取1倍停车视距，入口段长度：Dth1=Dth2=10m，入口段亮度应满足：Lth1=0.01L20（S）=0.01×2000=20cd/m2。入口段1取LED 40W的基本照明+LED 120W的加强照明交替布置，间距约1.66m。Dialux evo软件仿真结果如图4所示，入口段1的平均照度、均匀度等参数如下：路面平均亮度26.6cd/m2、路面平均照度266lx、总均匀度0.71、中线纵向均匀度0.83，其总均匀度及中线纵向均匀度均满足要求。

图4 隧道入口段1仿真图

入口段2长度：Dth1=Dth2=10m，Lth2=0.5Lth1=10cd/m2，入口段2取LED40W的基本照明等间距布置，间距约3.33m。Dialux evo软件仿真结果如图5所示，入口段2的平均照度、均匀度等参数如下：路面平均亮度18.6cd/m2、路面平均照度186lx、总均匀度0.61、中线纵向均匀度0.6，其总均匀度及中线纵向均匀度均满足要求。

图5 隧道入口段2仿真图

1.4 过渡段Dialux evo软件仿真数据

图6 隧道过渡段仿真图

1.5 中间段Dialux evo软件仿真数据

本工程为双向隧道，隧道总长度为1008m，除两侧入口段、过渡段外，其余为中间段，中间段长度约912m。中间段取LED 40W的基本照明等间距布置，间距约18m。Dialux evo软件仿真结果如图7所示，中间段的平均照度、均匀度等参数如下：路面平均亮度2.31cd/m2、路面平均照度23.1lx、总均匀度0.76、中线纵向均匀度0.8，其总均匀度及中线纵向均匀度均满足要求。

图7 隧道中间段仿真图

1.6 仿真结果分析

由于本工程隧道等级较低、时速低，入口段1、入口段2、过渡段等距离较短，隧道照明的亮度或照度转换需要一个过程。因此，入口段2、过渡段等存在着亮度或照度较规范要求值较高的现象。当仿真用于等级高、时速高的长隧道中时，此现象可通过合理设置灯具等措施消除。

本工程隧道交通量较小，着重考虑照明设计的经济性，以中线侧偏的形式布置灯具为主；如果在交流量大的隧道中，照明灯具可采用两排交错布置，提高亮度均匀度及行车的舒适性与安全性。

本工程设计时洞外亮度取2000cd/m2，洞外亮度是隧道照明系统设计的重要参数，洞外亮度的设置是否合理得当，对本工程投资、运营电费等均有较大的影响。有记载日本东京的湾海底隧道照明曾做过比较详细的对比，车速等其他条件相同的情况下，洞外亮度L20（S）分别取4000cd/m2、6000cd/m2时，隧道的设备费相差大约34%，隧道的年耗电量相差大约30%[3]。且隧道洞外亮度L20（S）的值需要待隧道洞口工程完工后才能通过现场实测获得，因此在设计之初，需要对洞外亮度值进行预估。当预估值与后期现场实测相差较大时，应及时调整灯具参数，以满足路面亮度、总均匀度、中线纵向均匀度等参数要求。

本工程根据工程实际设置应急照明，应急照明灯具采用部分基本照明灯具，应急照明供电电源维持时间不少于30min，采用EPS满足使用要求。应急照明亮度不应小于中间段亮度的10%，且不低于0.2cd/m2[2]。

1.7 隧道照明的配电

隧道洞口处设置两台室外箱式变电站，两台箱式变电站前端电源引自不同的变电所，不会同时断电。隧道内照明及应急照明分别由不同的箱式变电站供电，在末端配电箱双切，满足隧道内一、二级负荷的供电需求。另外，在隧道配套的变电所内设置EPS作为电源转换期间，隧道内因停电而发生交通事故时应急照明的备用电源。照明干线电缆从箱式变电站引出后，沿隧道顶部电缆桥架经预埋的可挠金属导管引至相应的照明配电箱，由照明配电箱引出的照明干线经预埋的可挠金属导管引至隧道顶部电缆桥架，灯具的分支线采用穿刺线夹由干线引出。

2 隧道照明的优化措施

2.1 减少洞外亮度

日本东京湾海底隧道做洞外亮度设计对比时，可通过隧洞口的山坡植被绿化、结构物的减光措施、在隧洞口搭设遮光棚等减少洞外亮度[3]。隧道洞口处的减光措施能显著降低洞口区域道面的亮度，缓和隧洞口部内外的亮度差异，延长驾驶员的视觉调整时间，在一定程度上能减少“黑洞效应”，也能减少入口段的加强照明，从而能在一定程度上达到节能的效果。

2.2 智能调控技术

利用LED无级调光的优势，隧道照明实现无级调光控制[3]，并配合电力监控系统，根据天气情况（阴天、晴天、雨天等）、车流量、白天或夜晚等及时开关灯具或调整灯具光通量等满足安全行驶的要求，达到节能减碳的目的。另外，根据目前大数据、无线物联网技术的发展，逐步构建智能照明调光系统，通过监测隧道洞口、入口段、过渡段等位置亮度的变化，独立调节每一盏灯的输出功率，使隧道内亮度能平滑过渡到中间段，消除“黑洞效应”、消除对驾驶的视觉造成的障碍。

2.3 隧道照明检测手段的完善

照明检测是衡量隧道照明质量的重要方法，应定期进行照明检测，包括出口段、洞外亮度的检测也应该纳入检测中来，才能完整的评价一个隧道照明系统及照明质量的好坏。目前，隧道照明检测方法较模糊，各检测单位的检测方法存在较大的差异性，较难客观准确地评价一个隧道照明系统的运营情况，而检测中以抽检为主，覆盖面较小，照明检测指标主要以隧道路面的照度、亮度、总均匀度、中线纵向均匀度等为主，检测标准也各不相同，检测设备耗时较长等问题突出，从长远发展来看，有必要对隧道照明检测系统进行研究分析与完善，更加智能快速的车载隧道照明检测系统值得期待。

2.4 新能源的应用

探讨太阳能光伏发电、自然光光纤照明运用于某些隧道照明的可行性，另外，在风资源特别丰富的地区，可以采用风能发电来解决隧道照明，或者风能与太阳能充分结合，以达到绿色、低碳的目的。

2.5 选用新型的隧道侧壁材料

具有良好逆反射的隧道侧壁材料可以有效改善隧道内的照明环境，从而实现节能目的。探索新型的隧道侧壁材料，是目前值得研究的一个方向。

3 结语

隧道照明是隧道配套机电设施的重要组成部分，尤其对于车流量大、时速高的隧道内，隧道照明设置合理可有效地改善隧道内驾驶员的视觉感受，减少隧道内事故发生的概率。隧道入口段、过渡段、出口段的长度及亮度影响着隧道交通的安全，但同时也是能耗大户，今后如何在保证运营系统安全，并为隧道提供一个良好驾驶视觉环境的条件下，节省能耗，是目前隧道照明值得关注的问题。另外，完善照明检测系统、实现节能减排等是提高照明质量、响应“双碳”目标的重要举措。