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隧道照明设施提质升级改造的设计

发表时间：2021/9/6 来源：《中国科技信息》2021年9月下作者：石静文

[导读] 对于隧道里程较长的运营单位来说，隧道照明设施改造是一个庞大的工程，需根据运营单位的计划投资逐年逐项进行改造。改造时应充分原隧道照明灯具的利旧。针对以上问题，需针对不同的隧道有不同的改造原则。

西安公路研究院有限公司石静文陕西省西安市 710065

        一、概述
        为进一步促进公路隧道设施提质升级，提升隧道安全水平和服务水平，有效防控隧道运营安全风险，保障交通安全，2019年1月18日交通运输部印发了《交通运输部办公厅关于印发促进公路隧道提质升级行动方案的通知》（交办公路【2019】9号），要求补齐隧道交通工程与附属设施短板，并要求在役隧道要严格按照《公路隧道设计规范第二册交通工程与附属设施》（JTG D70/2-2014）等相关标准规范，全面排查完善公路照明、通风和交通安全设施。据此，陕西省交通运输厅于2019年2月1日印发了《陕西省交通运输厅关于做好全省公路隧道体质升级工作的通知》（陕交函【2019】134号），随后又下发了陕西省交通规划设计研究院编制的《陕西省公路隧道提质升级行动技术指南》（以下简称《指南》）。根据以上文件要求，根据指南相关要求对省内部分高速公路隧道照明系统进行排查，部分隧道照明设施不满足《陕西省公路隧道提质升级行动技术指南》以及规范的要求，需采取提质升级措施。
        二、隧道照明设施排查及问题分析
        2.1 排查及结果
        根据《指南》要求，隧道照明设施排查要点如下：

        根据以上排查方式，隧道照明设施排查结果不满足指南要求的主要有以下几类：
        照明区段亮度不满足规范要求；
        路面亮度总均匀度及路面中线亮度纵向均匀度不满足规范要求。
        2.2结果分析
        根据排查结果，现有照明设施存在问题的原因主要包括如下几类：
        1）新旧规范变化
        新规范与旧规范部分参数取值不同，例如：
        旧规范规定，“长度大于100m”的隧道应设置照明。而新标准对设置条件进行了分类和细化，并引入了“光学长隧道”的概念。
        新旧照明设计规范在照明区段构成上不同，新规范将入口划分为Lth1和Lth2两段，将出口段划分为Lex1和Lex2两段，各区间的亮度取值有所不同；
        新规范的过渡段与旧标准一致，仍划分为三段（TR1、TR2、TR3），但是每段的参照的为入口段的Lth1，且折减系数有所减小。此外，过渡段的长度采用公式方式表达；
        与旧规范相比，新规范的中间段照明设计标准相差较大：相对于旧规范需要用插值法确定中间亮度值，新规范按照设计高峰小时交通量范围，基本上将同一设计车速下的亮度固化为3个等级；新规范还特别规定，对于行车时间较长的隧道（超过135秒），可进一步将中间段分为两段，后一段可进一步降低亮度标准；
        新规范细化了应急照明系统的设置条件，并大幅提高了应急照明供电电源维持时间（从3min提高到30min）。亮度标准与旧规范一致。新、旧规范对洞外引道设置亮度与长度要求基本一致，但是新规范细化了洞外引道标准的设置条件：隧道外引道曲线半径小于一般的路段、隧道设夜间照明且处于无照明路段的洞外引道、隧道与桥梁的连接处路段以及连续隧道间的路段；
        新规范对闪烁频率进行了明确规定，闪烁频率为设计行车速度与布灯间距之比，即 Vt/S。当闪烁频率在4-11Hz之间时，不舒适的感觉会使人无法忍受。因此，新规范规定闪烁频率应低于2.5Hz或高于15Hz。
        2）隧道主体改造
        省内部分高速公路隧道实施了路面“白改黑”工程，隧道的亮度要求虽未变化，但折算后的照度要求提高，原有灯具不调整前提下，隧道实际亮度不能满足新规范要求，通过对实际数据核查发现这些隧道的入口段亮度和出口段亮度均不能满足最新规范要求。
        3）隧道限速的提升
        省内部分隧道开通时，隧道主体设计速度为60km/h，照明设计速度为60km/h.，后期隧道限速值调整为80km/h。比如：西汉高速公路隧道于2016年7月进行全路段限速方案设计，对部分路段的行车速度进行了提升，目前全线的隧道行车速度（限速）为80km/h。考虑司乘人员的行车安全，参照交通运输部隧道提质升级调研组意见，隧道照明的设计速度应采用现有隧道的行车速度：80km/h。
        4）测量误差
        短隧道的照明区间亮度值和长隧道的入口段、过渡段亮度值受到测量时间、测量时天气及测量仪器角度影响较大，部分隧道区段亮度值差距较小的可能由测量误差导致。
        三、隧道提质升级照明设计方案
        3.1 设计方案比选
        《公路隧道提质升级技术指南》中提出，“路面亮度、路面亮度总均匀度、路面中线亮度纵向均匀度指标不能达到技术要求的可采用以下方式：①清洁灯具，清洗隧道侧壁；②调整灯具角度；③更换光源或灯具；④侧墙敷设反光材料，包括装饰板、瓷砖、高反光系数涂料等；⑤增设灯具。”
        1）改善隧道均匀度的设计方案
        大部分隧道的总均匀度和路面中线纵向均匀度满足规范要求，且新旧规范在这两项指标方面没有太大变化，所以原设计时隧道总均匀度和路面中线纵向均匀度应当满足规范要求。对于部分总均匀度和路面中线纵向均匀度不满足规范要求的隧道，建议通过以下措施实现：
        清洁灯具，清洗隧道侧壁；调整灯具角度。
        2）改善隧道亮度的设计方案
        对于照明区段亮度不满足指南要求的隧道，可通过以下措施实现：更换光源或灯具；增设灯具。
        以西汉高速公路为例进行方案对比分析，现西汉全线隧道照明灯具均为高压钠灯。一种措施是“增设灯具”：增加高压钠灯或LED灯的方案。根据原有亮度情况增加高压钠灯或LED灯具，确保照明区段的亮度满足规范要求。在原有照明区段中增加高压钠灯或LED灯，新增灯具的亮度或色温【注：新旧钠灯的色温没有变化，主要是亮度】很难与原有高压钠灯灯具保持一致，间隔增加灯具可能会造成隧道照明视觉效果较差，对司机驾驶车辆造成一定干扰，具有一定的安全隐患。同时，增加高压钠灯或LED灯都需要配套需要增加供电电缆，施工较复杂，此外根据负荷增加情况需要对隧道的供配电设施作出调整。所以不建议采用该种措施提升亮度。
        因此，通过更换光源或灯具的方式来实现亮度的提升，对比了以下两种方案：
        方案一：更换LED光源方案。将不满足指南要求的隧道照明区段的所有光源更换为色温较低的LED光源，原有的供电电缆及隧道供配电设施可不做调整。
        传统的隧道照明设计以高光效的气体放电灯作为主要光源，但随着技术发展，近两年LED灯具在公路隧道行业的应用趋于广泛。陕西省交通运输厅和陕西省发展改革委员会2015年6月12日下达了《陕西省交通运输厅、陕西省发展和改革委员会关于推广应用隧道照明智能节能技术的通知》（陕交发【2015】27号），文件提出“三、设计单位在隧道照明设计时，……，在满足隧道照明行车要求的前提下，采用高效低耗的LED灯具”。并且灯具更换新的LED灯具，负载较原有高压钠灯降低，不需要新增电缆，原有隧道供电设施也满足本次需求。
        但是，若采用方案一会出现，更换的某一个照明区段的LED灯具的色温很难与原有高压钠灯灯具保持一致，隧道照明区段的灯具色温不一致，对司机行车有一定干扰，有可能影响司乘人员的驾驶安全和行车体验的舒适性。
        方案二：更换高压钠灯灯具。将不满足指南亮度要求的隧道照明区段的原有高压钠灯更换，更换灯具类型与隧道原有灯具保持一致，不会出现一个隧道多种光源的情况。并且西汉高速地处秦岭山区，隧道洞口浓雾较多，高压钠灯相较于LED灯具，透雾性较强。
        方案对比：为保证整改后的照明视觉效果，建议改造后的同一隧道单洞仅保留一类光源，要么统一为LED灯，要么统一为高压钠灯。对于整个隧道照明区段亮度不满足指南要求的隧道，整隧道更换为LED灯具；对于部分照明区段亮度不满足指南要求的隧道，建议将不满足指南要求的照明区段进行改造，采用透雾性能好、光效高、技术成熟的高压钠灯作为光源，实现该照明段亮度的提升，又保证了隧道照明光源的统一性。
        3.2 隧道照明计算
        隧道照明设计与洞外亮度、隧道长度、隧道交通量、隧道纵坡以及设计速度等参数息息相关。照明计算主要参数的确定：隧道照明计算行车速度：考虑司乘人员的行车安全，隧道照明的设计速度采用现有隧道的行车速度：80km/h。西汉隧道限速标志如图1所示。

        图1 西汉隧道限速标志
        洞外亮度：隧道洞外亮度取3000cd/m2；
        路面型式：隧道照明计算路面型式采用沥青路面；
?      灯具养护系数根据纵坡以及货车比例取0.6或0.7。
        隧道照明设计交通量：根据《指南》，隧道照明设计交通量选取近年交调原始数据换算得出。
        路面亮度总均匀度U0＞0.3；路面中线亮度纵向均匀度U1＞0.5。
        针对不同的设计方案，隧道照明亮度计算及灯具规格、布置间距按照《公路隧道照明设计细则》计算，此处不再赘述计算过程。
        3.3 隧道照明供电
        隧道长度小于300m的隧道，原隧道入口段加强照明设置入口段、过渡段，设计速度由60km/h调整为80km/h的隧道，根据《公路隧道照明设计细则》，小于300m的隧道可不设置过渡段，仅设置入口段TH1和入口段TH2，所以本次新更换的灯具入口段TH1的高压钠灯（新增或调整）利用原隧道入口段的供电回路，入口段TH2的高压钠灯（新增或调整）利用原隧道过渡段TR1的供电回路；对于隧道长度大于300m的隧道，原隧道入口段加强照明设置入口段、过渡段，设计速度由60km/h调整为80km/h的隧道，新更换的灯具入口段TH1的高压钠灯（新增或调整）利用原隧道入口段的供电回路，入口段TH2的高压钠灯（新增或调整）利用原隧道过渡段TR1的供电回路，为过渡段TR2的高压钠灯回路增加延长少量供电电缆。对于出口段EX2不满足指南要求亮度要求的隧道，新更换或调整的灯具均利用原出口段加强照明灯具。设计速度提升后隧道照明区段对比示意图如图2所示。

        图2 设计速度提升后隧道照明区段对比示意图（纵坡、交通量等条件相同下）
        四、结论
        公路隧道照明系统是为了把必要的视觉信息传递给驾驶员，防止因视觉信息不足而出现交通事故，从而提高驾驶的安全性，此外还可以增加洞内行车的舒适感，对于隧道的交通安全运行起着至关重要的作用。
        对于隧道里程较长的运营单位来说，隧道照明设施改造是一个庞大的工程，需根据运营单位的计划投资逐年逐项进行改造。改造时应充分原隧道照明灯具的利旧。针对以上问题，需针对不同的隧道有不同的改造原则。此外，隧道照明的设计和隧道设计交通量、隧道设计速度（或行车速度）以及隧道主体路面形式息息相关，任何一个因素的改变都对隧道照明设计有很大的影响。目前，我省高速公路已进入了改造的高峰期，在主体进行改造的同时，需进行隧道机电附属设施的同步改造，避免配套设施不到位可能引起的行车安全隐患。
作者简介：石静文，1989.5.14，女，汉族，陕西府谷人，硕士研究生。主要研究方向：交通工程。