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1、甘 肃 省 隧 道 出 口 减 光 防 眩 设 计 艾 杰 杨宝林 李玉平 甘肃省交通规划勘察设计院有限责任公司 兰州 730030 摘 要 本文通过介绍甘肃某高速公路隧道洞口设计 分析洞口减光防眩的设计构想 思路和设计过程 并通过 遮光棚达到了减光与防眩的目的 将亮度变化降低到人视觉可接受的程度 关键词 隧道出口 遮光棚 设计 减光 防眩 1 概 述 隧道工程对项目运营安全和舒适程度的影响极 大 历来是各个项目建设的重点与难点之一 隧道 洞口段由于位置特殊 受内外明暗交界 洞内外环境 突变 季节与时间变化的影响 是交通事故的多发 区 人性化地处理好洞内外光线的衔接 把洞口亮 度剧变通过工程措
2、施降低到人视觉能适应的较缓和 程度 对于降低交通事故发生率有重要意义 2 项目概况 本项目位于甘肃省中部地区 其实施充分贯彻 公路设计新理念 在满足道路 安全 适用 经济 美 观 使用功能的同时 注重公路建设与自然 人文环 境协调发展 达到生态 美观 本隧道系天水至定西高速公路上的重要工程之 一 隧道设计行车速度为80km h 按上下行分离设 置 隧道轴线段相距50m左右 隧道左线长2403m 右线长2495m 隧道内轮廓按建筑界限宽10 5m 高5 0m拟定 采用 公路隧道设计规范 J TG D70 2004 设计速度v 80Km h的标准断面 主洞 拱部采用R 543cm单心半圆 侧墙采用
3、R 793cm 大半径圆弧 仰拱半径为1500cm 仰拱与侧墙间采 用R 130cm小半径圆弧连接 隧道出口地形较为平坦 视野开阔 拟采用削竹 式洞门 但由于其洞口方向为正西方向 且隧址地区 日照强度大 晴天达到180d 年以上 冬天会有较长 时间积雪 考虑其行车安全 须对隧道洞口进行专 门的减光和防眩设计 3 方案选择 隧道洞口可通过植被减光和修建减光建筑物的 方式来达到光线的缓和过渡 植被减光主要利用常 绿植被反光柔和且对人类的视觉有舒适度的特点来 达到降低洞口附近区域的亮度 采用高大的乔木和 具有水平成层枝叶乔木较为理想 但是隧址位于黄 土高原的边缘地带 植被覆盖率较低 靠人工种植来 达
4、到减光的目的 周期较长且事倍功半 植被防护在 此条件下可作为中远期的辅助措施 该隧道只有通 过修建减光建筑物才能快速有效地发挥出洞口减光 的作用 洞口减光建筑的型式多种多样 有遮光棚 遮阳 棚和遮光板等 遮阳棚其顶棚一般为透光构造 不 允许阳光直射道路面上 是为了减弱自然光亮度而 修建的棚状构造物 遮光棚虽然也是一种减光措施 但它允许太阳光直射道路面上 这是遮光棚和遮阳 棚的本质区别 而遮光板则是一种防眩功能为主的 构造物 作用是遮挡太阳耀眼的眩光 1 隧道出口若采用遮阳棚 其封闭式透光构造 遮阳减光效果很好 既可以降低雨雪引起的车辆滑 移 也能减少雨雪对路面基层侵蚀 延长使用寿命 但遮阳棚雨
5、雪与环境污染会造成减光效果不稳定 增加工程投资 同时运营期间维护工作量大 也不利 于隧道内通风 增加风机台数 隧道处于植被不佳 的黄土高原边缘 较大的风沙将造成隧道运营一段 时间后遮阳棚会淤积大量沙尘 对本隧道来说遮阳 棚实用性不大 2 隧道出口为正西方向 采用遮阳板能有效地 减轻太阳光直射入驾驶员视线范围或者减小太阳直 射角度 但遮光板的面积较大 受力很不利 在风载 较大的情况下 存在安全隐患 若要通过加强结构强 度的方法来保证结构安全 又将造成结构造价增大 且臃肿缺乏美感 3 采用遮阳棚和遮光板来处理隧道出口减光 各有利弊 而遮光棚作为一种透光构造物可以弥补 遮阳棚受环境因素影响较大的缺点
6、 运营期间维护 65 公路隧道2010年第2期 总第70期 工作量小又有利于隧道通风 可减少风机台数 但隧 道的洞口设计不但需要解决减光过渡的问题 还需要 吸取遮阳板的优点较完美地达到减光和防眩的效果 4 遮光棚设计 遮光棚的设计主要任务是保证较好的减光和防 眩效果 为了取材方便 遮光棚的主要设计思路为 将原削竹式洞门明洞加长至洞口顶端 外露部分洞 顶间隔掏空 洞口外遮光与采用拱肋式骨架沿隧道 纵向间隔设置 环向设置铝合金管 简洁且取材方便 在保证遮光棚结构安全的同时 设置好拱肋间距和铝 合金管环向间距是减光和防眩效果的关键所在 1 拱肋间距 拱肋长度L和厚度h1拟定分别为50cm和 55cm
7、 其间距的设置主要考虑的是遮光棚的防眩功 能 增长在明亮环境中的无太阳直射的行驶距离和 减小太阳直射光进入驾驶员视野的角度 通常 导 致驾驶员产生失能眩光的仰角为20 只要保证拱 肋的设置在驾驶员视野20 范围内能遮挡太阳光即 可 拱肋的计算间距为L1 h1 ctg20 1 511m 拱肋的间距不得大于1 511m 为了增强遮光棚的整 体美观性 将第一环拱肋厚度h设置为95cm L2 h2 ctg20 2 61m 由此 将正常段间距取为 1 5m 第1环间距取为2 5m 为增强明暗过渡的渐 变性 将前4环间距设置为100cm 图1 拱肋间距计算原理图 由图1可以看出 驾驶员在距洞口16 06m
8、处 以20 的视线能看到太阳光直射 在距洞口41 4m 处能看到太阳光的角度为7 57 遮光棚的设置防眩 距离为25 3m 在此段范围内 太阳入射驾驶员视线 范围内为7 57 20 所需时间约为1 2s 在这段范 围内 由于亮度的适应 驾驶员对太阳眩光的抵抗能 力增强 能起到有效的防眩作用 2 铝合金管环向间距设置 铝合金管采用20cm直径分段预埋进拱肋并与 拱肋形成整体效应 拱肋间距取决于设置铝合金管 后的洞口亮度情况 拟定间距为100cm 在拱肋的 共同作用下 正午光线投影到路面上的面积为97 72m 2 约为该段路面面积的41 2 3 洞口段亮度计算 洞口因有遮光棚的遮阳作用 在洞口段太
9、阳光 直射不会直接在隧道口段范围内 因此其亮度组 成为太阳照射到路面的漫反射效应产生的亮度和天 空产生的亮度之和 选取中午时刻太阳照射下的情 况进行亮度计算 此时太阳照在水泥混凝土路面上 的照度为Es 80000lx 反射光的出射度为 M E 为被照面的反射系数 反射比 沥青混凝土 路面的反射系数为0 1 混凝土反射系数为0 32 E 为二次发光面上被照射的照度 M L l lt lf At Lt A Li l为亮度 lt为由天空引起的亮度 蓝天亮度为 8000cd m 2 lf为由路面漫反射光源引起的亮度 At 为20 视场范围内天空面积 Ad A11 A12分别为太 阳光照射到遮光棚顶 洞
10、外路面 洞内透过遮光棚路 面形成漫反射体投影于基准面的面积 A为20 视 场范围面积 lt为天空的单位亮度 li为路面漫反射 的单位亮度 亮度计算选取5个具有代表意义的位置 分别 5 艾 杰等 甘肃省隧道出口减光防眩设计 A 7 为 位置1 以20 视场线与削竹式洞门顶缘相交反 推的视点位置 距遮光棚尾端42 24m 位置2 削竹 式洞门顶缘处的视点位置 距遮光棚尾端27 03m 位置3 削竹式洞门尾端的视点位置 距遮光棚尾端 19 5m 位置4 以20 视场线出洞的临界点为视点 位置 距遮光棚尾端17 19m 位置5 遮光棚尾端 即刚好出洞的位置 将各光源投影于该位置的基准 面上 根据强度与
11、照度关系求出照射和反射进入驾 驶员视线的亮度 隧道洞顶轮廓顶与20 视场线交 点处的隧道横断面所在平面为基准面 图2 图3 图2 洞内亮度计算投影图 图3 洞内亮度计算纵向布置图投影图 表1 洞内纵向亮度分布计算表 位置 距洞口 距离 m 蓝天效应漫反射效应 A m2 At m2 亮度Lt cd m2 Ad m2 Al1 m2 Al2 m2 亮度Lt cd m2 距基准面 距离 m 1 42 23699 1196 720 91 31 4407 715 2 2 27 036918 6404 161 42 15 11365 415 2 3 19 536937 6814 37 937 62412 0
12、15 2 4 16 0636947 41028 16 954 33149 315 2 50369205 34450 765 65174 715 2 图 洞内纵向亮度分布曲线 通过是否设置遮光棚的亮度变化对比发现 表 1 图4 从洞内65m到42 24m处 不设遮光棚的 隧道亮度增加5 6倍 设置遮光棚后增加1 9倍 两 者亮度差为640 7 cd m 2 从洞内42 24m到 27 03m 暗洞口 处 不设遮光棚的隧道亮度增加 2 7倍 设置遮光棚后增加2 3倍 亮度差为2462 2 cd m 2 洞内27 03m 暗洞口 到19 5m 无遮光 棚洞口 处 不设遮光棚的隧道亮度增加0 35倍
13、设 置遮光棚后增加0 77倍 亮度差为2765 75 cd m2 暗洞范围内 遮光棚设置后亮度变化相对均 匀 平均增加0 375倍 m 而不设遮光棚时为0 806 倍 m 遮光棚范围内 平均增加0 11倍 m 在出 洞口65m范围内驾驶员视线范围内亮度变化因遮 光棚的设计较为均匀缓慢 驾驶员有3左右的时间 适应出洞的光线变化 可以达到遮光效果 5 公路隧道2010年第2期 总第70期 4s 8 5 总 结 1 通过对遮光棚 遮阳棚和遮光板的比较研 究 根据隧道的实际情况 确定在隧道遮光棚设计中 考虑防眩的遮阳功能同时 通过光学渐变过程达到 了减光效果 2 采用简单的结构 首先进行遮阳计算 拟定
14、 结构尺寸及间距 然后进行减光过程的效果检验 达 到了遮光 减光效果二合为一的效果 参考文献 1 王毅才 隧道工程 M 北京 人民交通出版社 2006 2 敖敏霞 新城隧道遮光棚段光过渡效应与经济性的结 合 J 隧道建设 2004 24 4 3 3 3 3 3 3 山区高速公路隧道节能型照明及供配电系统研究与应用 项目通过验收 近日 重庆市交通委员会主持召开了 山区高速公路隧道节能型照明及供配电系统研究与应用 项目成 果验收会 该项目由重庆高速公路集团有限公司和招商局重庆交通科研设计院有限公司共同完成 验收委 员会听取了项目组的汇报 审阅了相关技术文件 委员会认为项目组提供的技术资料齐全 完整
15、 完成了合 同所规定的研究内容 符合项目验收要求 同时 肯定了项目组取得的一系列创新成果 首次通过实验室测 试和实体试验隧道对比验证 研究了隧道节能光源以成熟的高压钠灯为基准的亮度对比换算系数 首次对短 隧道照明设计参数和设计方法 照明及供配电系统 一次设计 分期实施 方案进行了研究 首次建立了公路 隧道供配电系统可靠性评价体系 实现了隧道供配电系统评价从定性到定量的跨越等 专家一致认为项目 成果总体上达到国际先进水平 同意通过验收 目前 该项目成果已应用于实际工程 社会效益与经济效益 显著 对节能型照明和供配电系统在公路隧道中的推广应用具有重要的指导意义和引领作用 隧道分会供稿 5 艾 杰等 甘肃省隧道出口减光防眩设计 9
