长余辉材料在隧道交通标志中的应用

■周东坚

（福建省宁德高速公路有限公司，宁德 352100）

根据统计，截至2022 年底，福建省高速公路共建成隧道1610 处、217.0476 万延米，其中特长隧道174 处、75.1968 万延米，长隧道527 处、94.3281 万延米，公路隧道在缩短里程，提高通行效率的同时，也因其特殊的位置环境，当发生火灾、地震等紧急情况时，极易造成重大人员伤亡。 福建省高速公路隧道洞内现行交通标志根据《福建省高速公路隧道标志标线设置指南》规范要求设置，其中紧急电话指示标志、消防设备指示标志、紧急停车带指示标志、人行横通道指示标志、车行横通道指示标志、疏散指示标志等基本都为电光标志，现有电光标志内部无电池，完全依赖隧道供电系统，电力正常时才能起到指示作用。 而根据笔者多年隧道运营管理工作经验， 各类重大事故极易引发隧道供电系统故障，导致隧道内漆黑一片，此时电光标志亦无法发光指示，滞留隧道内人员无法通过现有电光标志快速疏散，易造成次生、衍生事故。 如何让隧道内交通标志在隧道供电系统故障时发挥应有的指示作用，通过标志引导隧道内滞留人员快速撤离成为亟需解决的问题。

1 福建省高速公路隧道电光标志现状及存在问题

1.1 隧道内电光标志现行规范

福建省高速公路隧道洞内交通标志主要按照《公路隧道设计规范第二册交通工程与附属设施》（JTG D70/2-2014）（以下简称“设计规范”）和《关于印发<福建省高速公路隧道标志标线设置指南>的通知》2 份规范要求执行，电光标志主要包括紧急停车带指示标志、车行横通道指示标志、人行横通道指示标志、疏散标志、消防设备指示标志、紧急电话指示标志等6 类[1]。

1.2 隧道内电光标志设置标准

隧道内电光标志设置标准如图1 所示。

图1 隧道内电光标志示例图

1.2.1 紧急停车带指示标志

（1）设有紧急停车带的公路隧道应设置紧急停车带指示标志；（2）标志应设置于紧急停车带入口前5 m 左右，底部与路面边缘高差为2.9 m；（3）标志版面尺寸为50×80 cm；（4）紧急停车带指示标志为电光标志，照面方式为内部照明，双面显示。

1.2.2 车行横通道指示标志

（1）设有车行横通道的公路隧道应设置车行横通道指示标志；（2）标志应设置于车行横通道洞口右侧处，底部与检修道顶部高差为2.5 m；（3）标志版面尺寸为50×80 cm；（4）车行横通道指示标志为电光标志，照面方式为内部照明，双面显示。

1.2.3 人行横通道指示标志

（1）设有人行横通道的公路隧道应设置人行横通道指示标志；（2）标志应设置于人行横通道顶部，底部与检修道顶部高差为2.5 m；（3）标志版面尺寸为50×80 cm；（4）人行横通道指示标志为电光标志，照面方式为内部照明，双面显示。

1.2.4 疏散指示标志

（1）长度大于500 m 的隧道应设置疏散指示标志；（2）标志应设置于隧道两侧墙上，底部与检修道顶部高差为1.3 m，间距为50 m；（3）标志版面尺寸为75×25 cm；（4）疏散指示标志为电光标志，照面方式为内部照明，单面显示。

1.2.5 消防设备指示标志

（1）公路隧道应设置消防设备指示标志；（2）标志应设置于消防设备箱上方，底部与检修道顶部高差为2.5 m；（3）标志版面尺寸为25×40 cm；（4）消防指示标志为电光标志，照面方式为内部照明，双面显示。

1.2.6 紧急电话指示标志

（1）设有紧急电话设施的公路隧道应设置紧急电话指示标志；（2）标志应设置于紧急电话上方，底部与路面边缘高差为2.5 m；（3）标志版面尺寸为25×40 cm；（4）紧急电话指示标志为电光标志，照面方式为内部照明，双面显示。

1.3 隧道内现行电光标志存在的问题

1.3.1 紧急情况下指示效果不佳

隧道电光标志设置的主要目的是保障隧道行车安全，尤其是在隧道发生火灾等紧急事件时能提供疏散指示作用。 现行的隧道电光标志虽然供电负荷等级为一级，但内部无备用电池，只有供电系统正常时才能正常发亮起到指示作用。 而当隧道发生火灾、地震等紧急事件时，通常会造成隧道供电电缆短路或中断，导致供电系统（含隧道应急供电系统）处于瘫痪状态，电光标志的使用完全依赖供电系统的运行， 紧急情况下无法发挥其疏散指示作用，易造成次生、衍生事故，存在较大的安全隐患。

1.3.2 建设及维护成本较高

紧急电话指示标志约200 m/个、消防设备指示标志和疏散标志50 m/个，人行横通道指示标志约250 m/个，紧急停车带指示标志和车行横通道指示标志约750 m/个，如此密集的设置造成隧道内存在数量庞大的电光标志及其配套线缆，不仅增加了隧道建设初期的投资造价，还提高了隧道建成投入运营后的运维成本。

2 长余辉材料在隧道交通标志的应用及其优势

2.1 长余辉材料概述

长余辉材料是一种特殊的光致发光材料，是新型的环保材料，能够吸收存储可见光或LED 光的外界光照辐射能量，在外界光源消失后，将存储的能量以可见光的形式缓慢释放[2]。 早期的余辉材料含放射性元素，存在发光强度低、余辉时间短、耐久性差、寿命短、危害性较大等缺点，不适合商业化应用，但经过近十几年的飞速发展，基于铝酸盐基质和硅酸盐基质的新型长余辉材料已不含放射性元素，具有发光亮度高、余辉时间长、化学稳定性好等特点。 按基质种类，长余辉材料主要分为硫化物、铝酸盐和硅酸盐3 大类，其基本特性见表1[3]。

硫化物长余辉材料是最早研究和应用的长余辉材料， 但此类长余辉材料存在着余辉强度低、容易老化、化学稳定性差、分解后的物质对人体和环境都存在危害，故适用性不强。 铝酸盐和硅酸盐长余辉材料都是混合了稀土元素的新型长余辉材料，两者均具有发光性能高、余辉时间长、化学稳定性高的特点，但铝酸盐长余辉材料遇水易潮解、耐酸碱性不强，硅酸盐长余辉材料耐水性较好，但发光性能和余辉时间不如铝酸盐长余辉材料。

2.2 新型长余辉隧道交通标志的制作

2.2.1 各类长余辉荧光粉的特点及应用场景

综合考虑各类长余辉材料的特点，新型隧道交通标志选用铝酸盐长余辉材料制作，但单纯的长余辉材料最终形态为粉末状，且铝酸盐长余辉材料防水防潮性能差，不适合在隧道环境直接应用，需结合不同的材料封装后才能满足各种场景下的应用需求，表2 列明了几种常见的荧光粉封装形式的特点及其应用场景[4]。根据隧道实际应用环境，本次选用长余辉荧光粉—包覆材料制作新型长余辉隧道交通标志，其外形尺寸、显示图案与现行电光标志一致。

表2 几种长余辉荧光粉的应用形式及场景

2.2.2 新型长余辉隧道交通标志的制备

新型长余辉隧道交通标志选用长余辉荧光粉包覆材料制作，目前长余辉荧光粉的表面包覆改性方法主要有溶胶－凝胶法、 液相沉淀法和高温固相反应法。 从投入成本、制作工艺方面考虑采用高温固相反应法对铝酸盐发光粉进行包覆改性。 制备方法是先将一定质量的SrAl2O4： Eu2+，Dy3+与NH4HF2（AR）按一定化学计量配制，充分混合均匀，放入加盖的α-氧化铝坩埚中， 在700℃还原气氛下煅烧30 min，冷却后得到包膜的粉体（图2）[5]；包膜的粉体与PVC 树脂混合后，制成发光原料，通过喷绘的形式制成。 通过包覆可提升长余辉隧道交通标志的耐水（湿）性能，更适合在隧道环境下应用。

图2 发光粉体制备图

2.2.3 发光效果实测

以疏散标志为例，在其经过LED 灯光照射3 h后置于黑暗环境， 分别在1 h、2 h、4 h、6 h 及8 h时，对其发光效果进行实拍测试，如图3 所示。

图3 不同时段下疏散标志的发光效果

经测试，试制的长余辉疏散标志亮度值≥0.32 mcd/m2（肉眼可识别最低值）的余辉发光时间可达8 h 以上，且可反复循环使用。

3 新型长余辉隧道交通标志的应用优势

3.1 安全方面

高速公路隧道是封闭的行车环境，当供电系统正常时24 h 均处于明亮状态， 当供电系统异常时则处于黑暗状态，其特有的条件极为适合长余辉材料的使用。 在供电系统正常时，长余辉隧道交通标志吸收隧道LED 光照辐射能量并存储起来，当隧道发生紧急事件导致供电系统异常时，长余辉隧道交通标志将存储的能量以可见光的形式缓慢释放，此时隧道处于黑暗状态，长余辉标志的发光效果在这种环境下尤为明显，传统的电光标志在隧道供电系统异常时已无法正常工作，而长余辉隧道交通标志仍能为隧道内滞留的司乘人员起指示作用，引导司乘人员快速疏散撤离，有效避免了次生、衍生事故，充分发挥了应急指示标志应有的作用，提升了隧道运营的安全性。

3.2 其他方面

与传统电光标志相比，新型长余辉隧道交通标志无需布设电缆，且单个标志造价较低，按照每km综合造价测算，新型长余辉隧道交通标志的综合造价比现有隧道电光标志低（见表3）；同时，长余辉标志内部没有LED 灯和电源，使得其故障率远低于传统电光标志， 耐久性也大大优于传统电光标志，具有明显优势。

表3 每km 隧道电光标志和新型长余辉标志的造价对比

4 结语

长余辉材料作为一种有光时储能、黑暗时发光的可持续型绿色环保节能材料，不仅适合用于高速公路隧道交通标志中，还可以将其应用在隧道侧壁涂装与交通标线上，既可改善隧道洞内停电时的亮度，又能在夜间显著提升交通标线的可视性，但目前由于国家及行业相关标准的缺失，限制了长余辉材料在道路交通行业的推广应用，也给材料的选型和质量评定带来不便。 因此，加快长余辉材料在道路交通行业的试点应用，推进相关标准、规范的制定，是业内人士下一阶段努力的方向。