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1、公路隧道 2 0 1 1 年第 2 期 总第 7 4期 高速公路隧道照明浅析 乔 石 同济大学道路安全与环境教育部工程研究中心上海2 0 0 0 9 2 摘 要高速公路隧道照明对于保障车辆行车安全有极其重要的影响 本文介绍了隧道照明的主要特点以及各 区段划分方法和亮度指标要求等内容 并就某隧道照明实例作了简要分析 关键词 高速公路隧道照明亮度照度视觉分析 伴随我国经济水平的不断提高和高速公路建设 的蓬勃发展 我国高速公路隧道的总里程也在与 日 俱增 在这些可喜成就的背后我们却不得不关注一 个问题 那就是隧道 的安全问题 由于高速公路隧道 具有道路情况复杂 封闭的特点 一旦发生事故 极 易造成人
2、员伤亡 车辆损毁 交通堵塞等严重后果 隧道安全有很多影 响因素 隧道线 型 隧道通 风照 明 隧道车速控制 隧道标志标线等 本文仅针对高 速公路隧道照明作简要分析 1 进 出隧道视觉分析 由于 白天高速公路隧道内外亮度反差比夜间要 大得多 对驾驶员的视觉造成的冲击也相应严重得 多 本文仅针对驾驶员 白天进出隧道的视觉反应进 行分析 1 1 隧道入 口 当驶近较长隧道洞 口时车辆是 由亮环境进入暗 环境 在感应现象 的作用 下 驾驶 员会感到洞 口很 黑 以致无法辨认洞 口附近的情况 需要一段较长时 间才能逐渐适应 这就是进入隧道 口时所谓的 黑洞 效应 具体原理参见视网膜的生理功能 视网膜上
3、有圆锥细胞和柱状细胞 前者主要分布在黄斑区 而 后者主要分布在黄斑 区以外的视网膜上 人眼在暗 环境下对物体的视认主要依靠柱状细胞 这是 因为 它含有感应弱光的物质视紫红质 由维生素 A和视 蛋 白组成 在强光下视紫红质会分解 当驾驶员由亮 环境进人暗环境时柱状细胞需要将 已分解的维生素 A和视蛋 白重新合成 这个过程耗时较长 因此暗适 应往往需要数分钟 1 2 隧道内部 高度公路隧道是个半封闭的空间 光靠 车流通 过时的 自由风很难将 隧道 内各种废气排 出 因此高 速隧道需要配备通风设施 但是高速公路管理部 门 5 4 为 了节省电费往往不按规定运转风机 这就使得 隧 道 内的各种废气无法
4、被及 时排 出 这些滞 留的废气 会形成较大的烟雾 烟雾除了吸收车辆前灯发出的 光线 还会使车灯光线漫反射散射从而形成透明度 不高的光幕 进而降低驾驶员对前方 障碍物的视认 能力 从而导致事故发生 1 3 隧道出口 隧道出 口跟隧道人 口情形相反 驾驶员是从 暗 环境进入亮环境 在感应现象作用下隧道 出口就像 一 个 白洞 强光会带来强烈的眩光效应 使得驾驶员 在短时间内不能分辨前方物体 这就是 出隧道 口时 所谓 的 白洞效应 人眼在明环境下对物体的视认 主要依靠 圆锥细胞 中的感光色素对光线的感应 在 洞 口强光刺激下 同弱光下柱状 细胞视紫红质合成 速度较缓慢不同 圆锥细胞 中感光色素的
5、数 目增长 很迅速 因此明适应的整个过程较短 仅需数十秒 2 隧道照 明 根据上面隧道视觉分析 从亮环境到暗环境人 眼需要一段较长时间适应 其过程呈曲线下降 从暗 环境到亮环境人眼能在短时间内快速适应 因此人 眼的明暗适应 曲线决定 了隧道照明的光学设计 规 范将隧道整体分为接近段 人 口段 过渡段 中间段 和出 口段 具体做法是 基于节能考虑 在隧道接近 段采取减光处理使得隧道人 口段亮度与洞外相 比降 到一个比较小的值 接下来根据人眼明暗适应曲线 采用 3 个过渡段将 隧道亮度逐步平缓过渡到隧道内 部的中间段基本照明水平 最后在离开隧道 时再通 过加强照明跟基本 照明组合 将 隧道亮度提升
6、接近 隧道外部环境亮度 基本照 明贯穿整个 隧道长度 也就是隧道 中间段的照明水平 加强照明应 用于除 了中间段的其他各段 2 1 接近段减光处理 在隧道人 口段采用减光手段把洞外亮度线性过 乔石 高速公路 隧道照 明浅析 渡到人 口段亮度 并使得人 口段亮度尽量小 由于其 他各段亮度值 的设置基本 上是基 于人 口段亮度 通 过减光措施使得人口 段亮度尽量小的好处就是尽可 能节约能源消耗 减光 的方法有多种 采用削竹式 洞门形式 从接近段起点起 在路基两侧种植树冠较 大的常青树 采用百叶天棚 大 幅坡面绿化 洞 口采 用端墙形式时 墙面采用反射率小于 0 1 7的冷色调 材料 2 2 入口段
7、照明 人 口段照明的内容主要有确定人 口段亮度 L t h 及入 口段长度 D t h 在确定入 口段亮度时 公路隧 道通风照明设计规范 所采用的是 k值法 即人 口段 亮度等于洞外亮度乘上一个亮度折减 系数 对于不 同的车道形式 设计车速 的组合可以查表获取相应 的亮度折减系数 规范还规定对于设计 阶段的隧道 由于没有实测的洞外亮 度值 对于不同的天空 面积 百分 比 洞 口朝向或洞外环境 设计车速 的组合可以 查表获取相应 的洞外亮度值 这里值得注意 的是 我国现行规范 中确定人 口段 亮度 的 K值法是参照 国际照明协会 C I E在 1 9 9 0年发表的第 8 8号出版物 公 路隧道
8、 和地 下通道 照 明指南 而在 2 0 0 4年 C I E推荐 了另外一种计算 I t h的方法 察觉对 比度 法 这种方法可以使视野 范围 内的亮度确定 比用 k 值法计算出来的更准确 建议大家采用 同时希望现 行规范对这块内容早 日修订 2 3 过渡段照明 3段 针对不同设计车速及车道形式的组合 规范给 出了每一段的亮度要求和长度要求 2 4 中间段及出口段照明 中间段照 明等 同于隧道的基本照 明 根据不同 的设计车速及车道形式 的组合 规范给 出了最低亮 度要求 隧道出 口段由于 白天亮度很高会给驾驶员 带来强烈的眩光 因此在 隧道 出 口段 同人 口段一样 设有加强照明灯具 出口
9、段长度一般取 6 0 m 亮度 一 般取基本亮度的 5倍 如果隧道是双 向交通 当 前的出 口对于逆向交通流而言也就是入 口 因此可 以不必单独考虑出口段的亮度 3 照明光源选择及灯 具布设 3 1 光源选择 能否适当选择一种或几种光源组合 对于保证 隧道各分段亮度指标以及均匀度指标满足要求相当 重要 针对不 同环境的隧道应 当做到因地制宜 例 如对于长隧道和隧道内部 烟雾较浓的情况 应当选 择穿透性较好 的钠灯光源 对于短 隧道和烟雾较少 些的隧道 可以使用显色性较好 的荧光灯作为照明 光源 这两种光源也是 当前高速公路隧道使用 比较 多的隧道照明光源 它们有各 自的优点 同时缺点也 很 明
10、显 因此能否找到一 种各项指标都 比较均衡 的 光源作为隧道照明光源 已成为大家讨论的焦点 应 运而生的便是新型 L E D光源 其以环保 节能 安 全 寿命长 显色性好等优点在隧道照明领域内慢慢 过渡段主要就是根据人眼的明暗适应 曲线分为 得到推广 表 1 是几种常见照明光源性能对 比 表 1 几种常见照明光源性能对 比 光源种类 额定功率 w 光效 1 m v 平均寿命 h 显色指数 色温 k 闪烁 启动时间 白炽灯 1 0 1 5 0 1 5 1 O O O 2 0 0 0 9 5 9 9 2 4 0 0 2 9 0 0 不明显 瞬时 荧光灯 8 5 1 5 0 8 0 6 0 0 0
11、8 0 3 8 0 0 不明显 瞬时 高压钠灯 3 5 1 0 0 0 1 2 O 1 8 O O O 2 8 0 0 0 2 5 8 5 1 9 0 O 2 8 0 0 明显 4 5 mi n 金属 卤化物灯 3 5 3 5 0 0 7 0 8 0 0 0 6 0 9 0 3 0 0 0 6 5 0 0 明显 4 1 0 mi n L E D灯 1 1 O 1 0 0 0 0 0 7 5 4 5 0 0 不明显 快速 3 2 灯具布设 高速公路隧道 内的照明灯具一般安装在路面以 上 5 m左右 灯具布置有以下 3种基本形式 对称布 置 交错布置 中线布置 当然根据实际情况可以将 两种基本布置
12、组合起来达到更好的照明效果 例如 可以将交错布置和 中线布置组合在一起 以中线布 置作为全线的基本照明 以交错布置作为人 口段 过 渡段和出 口段的加强照明 基本布置示意图参照 图 1 同时在隧道照明设计中不能忽视灯具在车辆行 驶过程中所带来的频闪问题f 7 3 即不连续的直射光 线会从侧面进人驾驶室给驾驶员造成不适感 规范 中建议避开在 2 5 1 5 Hz 这一范 围内的频 闪 频 闪等于车速除以灯具间距 根据频 闪的计算公 式就 可以计算出灯具间距的合理范围 b5 公路 隧道 2 0 1 1年第 2期 总第 7 4期 一 一 一一 一 对称毋 i 置 一 一 l 一 一 一 中线布置 一
13、 一一 一一 一一 交错布置 4 京承高速隧道照明数据简析 2 0 1 0年暑假 在京承高速路上选取了几个隧道 做了隧道照明实验 所用 的仪器有亮度仪和照度仪 下表的数据来 自京承高速公路何家沟隧道 北京方 向 本次测量共截取 了何 家沟隧道北京方 向的 1 0 个断面进行亮度测 量 分别是 隧道 口 距离 隧道 口 1 0 m处 距离隧道 口 2 0 m 处直到过渡段和 中间段 其 中每一个隧道断面测有 6个点 地面 左右侧壁 图1 隧道照明灯具布置基本形式 上壁 前方 5 0 m和隧道最深处 具体数据参见表 2 和图 2 表 2 何家沟隧道 北 京方向 隧道 断面 亮度 实测数据 位置 m
14、 亮 度l 隧 道 口 l O 2 0 3 0 4 0 5 0 7 0 1 0 0 过 渡 段 中 间 段 地面 1 2 9 8 0 2 4 1 8 1 0 0 8 4 5 8 4 3 3 4 2 4 4 1 4 3 3 7 7 4 6 2 左侧壁 1 9 5 O O 4 5 1 2 1 5 1 9 8 5 0 7 7 9 7 6 8 7 1 3 5 O 9 1 3 1 7 8 上壁 3 5 1 6 O 4 9 5 2 1 3 9 6 6 7 2 5 5 8 5 2 1 4 1 1 4 0 7 8 1 4 3 右侧壁 2 9 5 6 0 5 8 4 1 1 1 6 9 7 9 9 7 6 4
15、7 3 0 6 1 1 5 2 3 1 O 8 9 1 前方 5 0 m 4 2 6 1 8 6 1 2 O 3 1 7 8 7 3 6 8 5 2 3 9 1 6 隧道最深处 7 4 5 2 3 8 3 6 4 0 3 9 2 4 2 7 1 6 1 3 图 2 隧道断面亮度数据散点连线 图 通过分析图 2 可 以得到以下几条简单结论 1 在隧道 同一断面上不 同点的亮度有如下规 律 左右两壁亮度 上壁亮度 地面亮度 大致有两 个原 因 一是侧壁和上壁跟路面材料对灯 光的反射 率不同 二是灯源的照射方向的影响 由于水泥混凝 土的反射率小于洞壁涂层 这使得地面亮度小 于洞 壁亮度 其次 因为光
16、照方向的原 因造成两壁亮度大 于洞顶亮度 2 由于何家沟隧道灯具布置形式是两边对称 布置 加上隧道左右两侧壁材料反光率是一致 的 因 此从理论上讲在隧道任一断面左侧壁跟右侧壁的亮 5 6 度值是基本相等 的 从 图 2中可以看 出在 3 0 m之 后左右侧壁亮度值基本是相等的 符合理论上的分 析 而在 3 0 m 之前右侧壁亮度 明显 比左侧壁大 这 是 因为隧道入 口侧壁的亮度受外面 日光的影响不能 忽视 E t 光造成隧道左右侧壁亮度的差异 3 由于隧道内亮度从人 口段到过渡段再 到中 间段起点是逐渐减小的 最后在 中间段趋于恒定值 参照图 2 我们得 出 在 中间段之前 隧道任一断面前 方 5 0 m的亮度值始终是大于最深处亮度值的 在中 间段它们是基本相等的 4 从图 2可以看 出隧道断面 同一位置的亮度 值沿着隧道纵线方 向逐渐减小 在入 口段亮度减小 速率极快 随后在过渡段及中间段亮度减小速率趋 于平缓 直至在中间段亮度趋于某定值 5 结 语 本文从高速公路隧道照 明人手 首先通过车辆 进出隧道的视觉分析引入隧道 照明设计 这一概念 进而详细介绍隧道照明各 区段的划分原则以
