在建地鐵工程隧道施工照明情況的調(diào)查與研究

高 墅

(1.北京安捷工程咨詢有限公司, 北京 100037;2.大連理工大學(xué) 管理與經(jīng)濟(jì)學(xué)部, 遼寧 大連 116024)

0 引 言

我國現(xiàn)階段在建隧道數(shù)量多,規(guī)模大,但隧道長度越長,斷面越大,隧道施工照明存在的問題越突出。因此,有效地提高隧道照明和降低照明功耗,是目前亟待解決的問題,也是響應(yīng)國家號召,開展節(jié)能減排工作的體現(xiàn)。

1 隧道施工照明的必要性

1.1 隧道施工環(huán)境

(1) 工序。傳統(tǒng)礦山法隧道主要分為2類,鉆爆法和新奧法,施工循環(huán)為:測量放線—鉆眼—爆破—出渣—清理輪廓—二次出渣—施工拱架及小導(dǎo)管錨桿—及噴射混凝土。

(2) 工藝。其中涉及:渣土外運、初支材料內(nèi)運水平運輸,垂直運輸(可能涉及),爆破,測量、人工鉆孔、焊接、噴射混凝土的工藝。

(3) 作業(yè)位置。主要作業(yè)位置可分為:上臺階掌子面、下臺階仰拱、洞內(nèi)水平運輸通道、人行通道、臨時聯(lián)絡(luò)通道、洞門、豎井或斜井(可能涉及)。

(4) 施工分為作業(yè)段、成洞段(此處有成文定義)。

(5) 環(huán)境風(fēng)險因素分類:普通、特殊地質(zhì)段(瓦斯、沼氣等)。

1.2 規(guī)范要求

(1) GB 50299—1999(2003版)《地下鐵道工程施工及驗收規(guī)范》[1]規(guī)定:施工區(qū)域內(nèi)不得大于36 V,成洞和非施工區(qū)以外地段可用220 V;照明和動力電線(纜)安裝在隧道同一側(cè)時,應(yīng)分層架設(shè),電纜懸掛高度距地面不應(yīng)小于2 m[1]。

(2) TB 10304—2009《鐵路隧道工程施工安全技術(shù)規(guī)程》[2]規(guī)定:施工機械作業(yè)場所應(yīng)有必要的照明,光照度不得小于50 lx;作業(yè)段照明電壓不得大于36 V,成洞地段照明電壓可采用220 V;采用普通光源照明時,光照度應(yīng)滿足表1的要求,不安全因素較大的地段應(yīng)加大光照度[2]。隧道施工照明要求如表1所示。

表1 隧道施工照明要求

(3) GB 50417—2017《煤礦井下供配電設(shè)計規(guī)范》[3]對煤礦井下照明做如下要求。

① 井下固定照明照度。井下固定照明照度參考標(biāo)準(zhǔn)如表2所示。

表2 井下固定照明照度參考標(biāo)準(zhǔn)

② 照度最小均勻系數(shù)。照度最小均勻系數(shù)(照度最低均勻度)是最小照度與最大照度之比。井下固定照明的最小均勻系數(shù)如表3所示。

(4) 應(yīng)急照明。以上規(guī)范中均未對應(yīng)急照明提出要求,僅TB 10304—2009要求“隧道施工用電應(yīng)按設(shè)計要求設(shè)置雙電源或自備電源。自備發(fā)電機組與外電源線路必須電源聯(lián)鎖,嚴(yán)禁并列運行”。GB 50034—2013《建筑照明設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》[4]規(guī)定,疏散照明地面平均水平照度值在水平疏散通道不應(yīng)低于1 lx,垂直疏散區(qū)域不應(yīng)低于5 lx。

表3 井下固定照明的最小均勻系數(shù)

1.3 安全隱患

(1) 隧道施工照明光照度較低的環(huán)境,嚴(yán)重影響駕駛員觀察隧道內(nèi)的路況,或影響人員通行效率及安全。

(2) 隧道內(nèi)外光線差別太大,會引起短暫的眩光,引起不舒適感覺或降低觀察目標(biāo)的能力。

(3) 光照度較低的工作環(huán)境下,作業(yè)人員不易集中注意力,易造成困乏。

2 隧道作業(yè)照明的選取依據(jù)

2.1 規(guī)范關(guān)于光照的幾項定義

光照強度(簡稱照度)是指單位面積上所接受可見光的光通量,即E=dΦ/dS,夏天明朗的室內(nèi),光照強度為100～550 lx,夜間滿月下,光照強度為0.2 lx。在不考慮介質(zhì)的影響下,輻射功率一定的普通點光源(除激光)在不同距離上單位面積的照度與距離的平方成正比。

GB/T 5700—2008《照明測量方法》[5]中定義照度均勻度為“表面上的最小照度與最大照度之比,符號U1;也用最小照度與平均照度之比,符號U2”。

GB/T 5700—2008中定義人行道的照明測量地面水平照度和1.5m高度上的垂直照度。

2.2 隧道光照度測量點選取

依據(jù)GB/T 5700—2008中的中心布點法,選取施工作業(yè)面為地面上1.0 m位置的水平照度(a點)和垂直照度(b點);人員通道照明,分別選擇地面水平照度(c點)、1.5 m高度上的垂直照度(d點);車輛運輸通道取地面水平照度(e點);豎井位置取地面水平照度(f點)。

礦山法隧道測量示意如圖1所示。

圖1 礦山法隧道測量示意

盾構(gòu)法隧道測量示意如圖2所示。

圖2 盾構(gòu)法隧道測量示意

本文分別選取隧道縱斷面、橫斷面特征點進(jìn)行測量,測出典型值,選點位置見圖1。

3 隧道作業(yè)照明的統(tǒng)計結(jié)果及問題

對在建礦山法施工的隧道工程進(jìn)行調(diào)查、試驗,發(fā)現(xiàn)主要存在以下問題。

3.1 對規(guī)范的理解、重視不足

在施工過程中對規(guī)范的掌握不夠,同時對于36 V、220 V兩種照明電壓布置繁瑣,多數(shù)施工項目按整條隧道全部采用36 V低壓照明。

3.2 隧道照明現(xiàn)狀

現(xiàn)階段,隧道施工照明主要采用3種方式:熒光燈管、LED燈泡、LED燈帶及組合形式,因LED發(fā)光效率高,逐漸以LED燈泡居多,而應(yīng)急照明燈具也以LED為光源居多。

2種形式的LED燈泡及應(yīng)急燈如圖3所示。

圖3 2種形式的LED燈泡及應(yīng)急燈

采用LED燈帶及LED燈泡組合照明如圖4所示。

圖4 采用LED燈帶及LED燈泡組合照明

3.3 隧道工程現(xiàn)場存在的問題

對在建隧道施工階段的統(tǒng)計,選取開挖面、其他工作面、運輸通道、人員通道、成洞地段等典型位置的規(guī)定工作面,測量原始照度值,計算出最小照度、最大照度、平均照度、照度均勻度(U1、U2)等指標(biāo),并對比分析。

某礦山法地鐵隧道36 V LED燈泡統(tǒng)計數(shù)據(jù)如表4所示。

對調(diào)查的隧道照明情況進(jìn)行匯總,并統(tǒng)計幾組典型的隧道照明案例,隧道施工照明主要存在以下問題。

(1) 單位功率不足。隧道內(nèi)各環(huán)境位置單位面積照明安裝功率值較低,使用36 V低壓照明的隧道在運輸通道、人員通道位置單位功率不足0.5 W/m2。

(2) 平均照度嚴(yán)重不足。隧道內(nèi)各環(huán)境位置平均照度嚴(yán)重不足,甚至達(dá)不到TB 10304—2009規(guī)范要求的1/3,具體表現(xiàn)在:照明線路、燈具普遍設(shè)置在靠人行通道一側(cè);單個光源間隔布置的中間位置、人行通道,在照明燈泡下方地面照度不足10 lx,兩個照明燈泡中間位置的照度不足1 lx,嚴(yán)重低于規(guī)范要求;車輛運輸通道光照度較人行通道的更低。

表4 某礦山法地鐵隧道36 V LED燈泡統(tǒng)計數(shù)據(jù)

注:單位功率為單位面積照明安裝功率。

(3) 隧道內(nèi)照度均勻度較差。參照國家標(biāo)準(zhǔn)GB 50417—2007,隧道內(nèi)照明均勻度不足標(biāo)準(zhǔn)要求的1/4。

① 單個光源間隔布置,沿隧道縱向照明均勻性相差較大,亮部、暗部光照強度比值可達(dá)幾十倍。

② 沿隧道橫斷面,照明亮部與照明暗部相差情況主要受發(fā)光源及照射角度影響,普通單洞鐵路、地鐵隧道遠(yuǎn)離照明一側(cè)光照度較低,僅0.4～3.0 lx。

(4) 運輸通道及人員通道照度值過低。運輸通道及人員通道照度值過低,相比于掌子面等施工要求高的位置,非作業(yè)面位置往往被忽視。

(5) 其他問題。個別隧道照明采用單個光源照明,當(dāng)光源采購不當(dāng)時存在眩光問題;隧道爆破施工易造成掌子面照明跟進(jìn)不及時。

照明均勻度差情況如圖5所示。

圖5 照明均勻度差情況

眩光現(xiàn)象如圖6所示。

圖6 眩光現(xiàn)象

人員通道照明不足情況如圖7所示。

圖7 人員通道照明不足情況

3.4 隧道施工應(yīng)急照明問題

(1) 部分隧道未安裝應(yīng)急照明系統(tǒng)。

(2) 應(yīng)急工作時間不達(dá)標(biāo),有些應(yīng)急燈具的應(yīng)急工作時間僅能供電5 min,小于標(biāo)準(zhǔn)(不得低于30 min)的要求。

(3) 應(yīng)急照明光照度不足,市場上銷售的應(yīng)急照明燈光照強度普遍較低,無法達(dá)到正常使用效果。

(4) 應(yīng)急照明安裝間距過大,2盞應(yīng)急照明燈中間位置無法達(dá)到應(yīng)急照明照度要求。

4 隧道施工照明建議及注意事項

4.1 照明簡化計算

以常規(guī)LED燈泡為例,假設(shè)僅考慮光源在照射范圍內(nèi)各角度發(fā)光相同,不考慮墻壁的反射以及灰塵的折射與反射;將光線簡化為直線與入射角θ?？芍?同一束光線光照度E=E0/l2,其中E0為單位長度距離位置的光照度,l為距離。

簡化模型:2盞燈安裝在距地面2 m高處,燈間距為6 m,當(dāng)考慮2個光源和入射角時,建立坐標(biāo)系(x,y,z),其中x沿隧道橫向,y沿隧道縱向,xz平面為燈所安裝的立面,其中a燈坐標(biāo)為(0,0,2),b燈坐標(biāo)為(0,6,2),取a燈下垂直1 m處為1單位光照度,計算出地面上坐標(biāo)(x,y,0)點光照度E=2(x2+y2+22)-3/2,可見地面上光照度約與x、y的3次冪成反比,可見光照度衰減之巨大。通過計算可知,(0,0,0)處光照度為0.251,(1,1,0)處光照度為0.148,(5,3,0)僅為0.017,即遠(yuǎn)離照明燈一側(cè)5 m位置的光照度僅為燈具正下方光照度的6.78%。光照度與距離的關(guān)系如圖8所示。由此可見,斷面較大的隧道單側(cè)照明衰減較為嚴(yán)重。

圖8 光照度與距離的關(guān)系

4.2 照明形式選擇

通過以上計算,可以得出如下結(jié)論:

(1) 從光照度和光照均勻度兩方面考慮,LED燈帶是最好的選擇,可較好地改善均勻度,這是其他單個燈泡所不能滿足的。

(2) 隧道斷面較小的情況下,可考慮照明安裝在一側(cè),大跨度斷面隧道可考慮在兩側(cè)或隧道頂部。

(3) 如選用單個燈泡,應(yīng)根據(jù)需要合理選擇間距。

(4) 從節(jié)能角度出發(fā),隧道應(yīng)分區(qū)進(jìn)行施工照明設(shè)計,按照規(guī)范要求,重點部位要加強照明,普通部位要滿足生產(chǎn)需要。

4.3 燈具選用

成洞段選用220 V照明電壓和LED燈帶,前方施工段采用24/36 V的LED燈帶或LED燈泡。220 V電源接著掌子面后100 m連接變壓器,降至24 V或36 V,連接36 V的LED恒流驅(qū)動電源(輸出功率可達(dá)100 W)帶動36 V的LED燈帶(一般6～8 W,部分產(chǎn)品可達(dá)12 W/m),按隧道寬度計算,可滿足1 W/m2。

采用低壓LED燈帶照明的隧道如圖9所示。

圖9 采用低壓LED燈帶照明的隧道

4.4 應(yīng)急照明及其他注意事項

(1) 富含甲烷、沼氣等易燃易爆等其他特殊環(huán)境,應(yīng)注意所用燈具的密封性及散熱性,燈具表面溫度低于其最小點燃溫度或引燃溫度。

(2) 施工照明盡量采用節(jié)能新光源,雖然采購成本高,但隧道需要全天照明,后期使用成本較低。

(3) 燈具安裝時應(yīng)調(diào)整好照射角度,確保光源發(fā)揮效用。

(4) 依據(jù)燈具功率負(fù)荷,合理選用變壓器及穩(wěn)壓器,可有效延長燈具使用壽命。

(5) 成洞地段施工照明應(yīng)盡量采用節(jié)能新光源,可提高電源的轉(zhuǎn)換效率。

5 結(jié) 語

調(diào)查了現(xiàn)階段隧道施工期間洞內(nèi)照明情況,并結(jié)合簡易計算,給出隧道施工照明設(shè)計的建議及注意事項,以便有效地提高隧道照明效果,降低照明成本。

[1]地下鐵道工程施工及驗收規(guī)范:GB50299—1999(2003版)[S].

[2]鐵路隧道工程施工安全技術(shù)規(guī)程:TB10304—2009[S].

[3]煤礦井下供配電設(shè)計規(guī)范:GB50417—2017[S].

[4]建筑照明設(shè)計標(biāo)準(zhǔn):GB50034—2013[S].

[5]照明測量方法:GB/T5700—2008[S].