光導(dǎo)照明系統(tǒng)在淺層汽車隧道中的設(shè)計(jì)探討

周 露

(深圳市市政設(shè)計(jì)研究院有限公司，廣東深圳518029)

0 汽車隧道照明特點(diǎn)簡(jiǎn)析

汽車隧道是一種特殊的管狀構(gòu)筑物，其頂部和兩側(cè)是封閉構(gòu)造。 隧道內(nèi)外光環(huán)境差別較大，對(duì)駕駛員的行車心理及視覺(jué)感官影響較大，對(duì)于在隧道內(nèi)快速通行的車輛內(nèi)人員，會(huì)產(chǎn)生“黑洞效應(yīng)”、“白洞效應(yīng)”和適用滯后的現(xiàn)象，駕駛員容易無(wú)法及時(shí)規(guī)避某些不易發(fā)現(xiàn)的障礙物而產(chǎn)生安全隱患。 因此在設(shè)計(jì)隧道照明時(shí)，需要充分考慮各方面因素，為駕駛員提供一個(gè)安全舒適的行駛環(huán)境。

由于隧道的半封閉空間特性，為隧道內(nèi)行車安全，需要設(shè)置照明裝置。 根據(jù)隧道外光強(qiáng)度、長(zhǎng)度等將隧道劃分為入口段、過(guò)渡段、中間段和出口段。為了適應(yīng)隧道進(jìn)出口區(qū)段亮度急劇變化，適時(shí)提供照明，需要在入口段、過(guò)渡段和出口段中設(shè)置加強(qiáng)照明。

隧道內(nèi)加強(qiáng)照明有2 個(gè)特點(diǎn):一是離隧道洞口越近，需提供亮度值也越大；二是天氣越晴朗，洞外日光亮度則大為增加，對(duì)隧道內(nèi)加強(qiáng)照明需求也越大。 根據(jù)部分隧道運(yùn)行數(shù)據(jù)，500m 以下隧道照明負(fù)荷一半以上為加強(qiáng)照明負(fù)荷，長(zhǎng)度越短隧道，加強(qiáng)照明負(fù)荷所占比例也越大。

淺層汽車隧道頂部覆土一般小于4m，光導(dǎo)照明系統(tǒng)較為簡(jiǎn)潔，可以在此類隧道內(nèi)實(shí)施使用。

1 光導(dǎo)照明系統(tǒng)及其應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

光導(dǎo)照明系統(tǒng)是一種節(jié)能型照明系統(tǒng)，由采光裝置、光導(dǎo)管和漫射器三部分構(gòu)成，圖1 為其原理圖，它是通過(guò)采光裝置將自然光線收集到系統(tǒng)內(nèi)部，然后通過(guò)光導(dǎo)管傳輸，最后將自然光線通過(guò)系統(tǒng)底部的漫射器均勻地分散開(kāi)來(lái)，從而實(shí)現(xiàn)自然光線在隧道內(nèi)有效地照明。

圖1 光導(dǎo)照明系統(tǒng)原理圖

光導(dǎo)照明系統(tǒng)獨(dú)特的天然優(yōu)勢(shì)是導(dǎo)入隧道內(nèi)亮度變化與隧道外一致，即隧道外亮度越大，導(dǎo)入隧道內(nèi)亮度也相應(yīng)變大。 這一特性可自然抵消黑洞和白洞等現(xiàn)象，進(jìn)而減少照明裝置、線纜和電能消耗。 同時(shí)通過(guò)使用自然光進(jìn)行照明，可以有效地避免頻閃和眩光，大大提高行車舒適性、安全性。

光導(dǎo)照明系統(tǒng)為一次投資，投入使用后僅需每半年擦洗維護(hù)，使用年限長(zhǎng)達(dá)25 年，幾乎沒(méi)有運(yùn)行成本。 雖然前期建設(shè)投資較電力照明系統(tǒng)大，但綜合性價(jià)比優(yōu)于純電力照明系統(tǒng)。

但光導(dǎo)照明系統(tǒng)自身也存在一定局限，受隧道上部構(gòu)筑物限界、光導(dǎo)管路由長(zhǎng)度和彎頭數(shù)量限制，導(dǎo)入隧道內(nèi)照明效率受限。 然而對(duì)于部分淺層汽車隧道，可以避開(kāi)這些限制條件，充分發(fā)揮光導(dǎo)照明系統(tǒng)的天然優(yōu)勢(shì)。 目前上海長(zhǎng)江路隧道浦西匝道使用光導(dǎo)照明系統(tǒng)，并已建成投入使用多年，現(xiàn)場(chǎng)效果圖如圖2～3 所示。

圖2 洞外效果圖

圖3 洞內(nèi)效果圖

2 基于光導(dǎo)照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

根據(jù)光導(dǎo)照明系統(tǒng)特點(diǎn)，以東莞市某工程中一處淺層汽車隧道為例，從設(shè)計(jì)方案、對(duì)比優(yōu)化仿真分析和經(jīng)濟(jì)節(jié)能等方面進(jìn)行探討。

2.1 項(xiàng)目概況

道路等級(jí)為城市快速路，設(shè)計(jì)行車速度80km/h，隧道為雙艙結(jié)構(gòu)，單向?qū)挾?1.75m，道路縱坡0.35%。 隧道全長(zhǎng)480m，隧道內(nèi)凈空5m，隧道上部覆土0.7～2.0m。 除隧道上部?jī)蓷l平交道路行車道范圍外，其余區(qū)域基本為綠化帶。

2.2 設(shè)計(jì)主要制約因素

隧道內(nèi)照明設(shè)計(jì)時(shí)根據(jù)JTGD 70-2014 《公路隧道照明設(shè)計(jì)細(xì)則》，將隧道劃分為入口段、過(guò)渡段、出口段三個(gè)區(qū)段。 同時(shí)根據(jù)隧道照明運(yùn)行模式，將本隧道照明分為白天模式和夜間模式設(shè)計(jì)。白天模式采用光導(dǎo)照明系統(tǒng)為主，輔助電力照明系統(tǒng)，夜間模式采用純電力照明系統(tǒng)。

根據(jù)GB 50033-2013 《建筑采光設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》，東莞地區(qū)屬于光氣候分區(qū)第IV 區(qū)，地區(qū)全年平均照度30klx≤Eq＜35klx。 根據(jù)設(shè)計(jì)細(xì)則要求，計(jì)算得出各段所需最低照度值:入口段1 照度為1 050lx，入口段2 照度為525lx，過(guò)渡段1 照度為157lx，過(guò)渡段2照度為52lx，出口段照度為260lx。

設(shè)計(jì)時(shí)還需考慮隧道內(nèi)路幅寬度、凈高、隧道頂覆土深度等實(shí)際情況，以及隧道頂板開(kāi)孔尺寸、數(shù)量和布置形式對(duì)結(jié)構(gòu)受力，隧道上部道路行人和行車的影響和隧道上部露出地面采光裝置對(duì)城市景觀的影響。

綜合分析上述三方面因素，同時(shí)為了降低建設(shè)成本，光導(dǎo)照明系統(tǒng)從直徑250～2 000mm 范圍內(nèi)最終選用直徑750mm 光導(dǎo)管。 根據(jù)選用的光導(dǎo)管尺寸確定光導(dǎo)照明布置如下表1 所示。

光導(dǎo)照明布置 表1

隧道內(nèi)光導(dǎo)布置示意圖如圖4～5 所示。

2.3 仿真結(jié)果分析

目前有多款照明計(jì)算軟件都具有日光分析功能，如AgI321.90、Dialux、Relux 等，這些軟件都是基于CIE110-1994 提出的天空類型和太陽(yáng)方位角模型進(jìn)行仿真模擬，本工程選用Dialux4.3 版本。

圖4 光導(dǎo)布置斷面圖

圖5 光導(dǎo)布置平面示意圖

在仿真計(jì)算前，根據(jù)隧道開(kāi)孔、隧道光線遮擋、道路方位走向及隧道尺寸結(jié)構(gòu)等，采用AutoCAD 先建好隧道模型。 然后利用Dialux 按照光導(dǎo)系統(tǒng)折射后總效率85%，依據(jù)日光分析功能，設(shè)定隧道所處的經(jīng)緯度和各類天氣工況，對(duì)隧道照度模擬仿真，并按照各個(gè)區(qū)段確定計(jì)算區(qū)域，仿真結(jié)果如表2 所示。

仿真模擬結(jié)果 表2

通過(guò)仿真結(jié)果可以看出:(1)應(yīng)用光導(dǎo)照明系統(tǒng)在隧道相鄰區(qū)段路面照度比值控制在3 倍以內(nèi)，為人眼的視覺(jué)適應(yīng)提供良好光環(huán)境過(guò)度；(2)除陰天工況下9 時(shí)照度不滿足要求，需額外開(kāi)啟電力照明外，其余工況均很好滿足規(guī)范要求；(3)電力照明模式(對(duì)比)布置也滿足規(guī)范要求。

2.4 經(jīng)濟(jì)節(jié)能分析

與電力照明模式進(jìn)行對(duì)比，本隧道共投入光導(dǎo)照明裝置122 套，節(jié)省設(shè)置照明燈具264 套、安裝功率26.4kW，預(yù)計(jì)年節(jié)省電能9.6 萬(wàn)kWh，靜態(tài)投資性價(jià)比明顯。 通過(guò)使用光導(dǎo)照明系統(tǒng)，不僅可以提供良好照明環(huán)境，還能節(jié)省能源，帶來(lái)可觀的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和環(huán)保效益。

3 結(jié)束語(yǔ)

光導(dǎo)照明具有良好的照度調(diào)節(jié)效果及更便捷的光環(huán)境過(guò)渡，且基本無(wú)需后期維護(hù)管理。 通過(guò)利用自然光照明，可以做到全頻譜、無(wú)閃爍、無(wú)眩光、無(wú)能耗，節(jié)能效果顯著，可實(shí)現(xiàn)隧道內(nèi)綠色低碳照明，筆者認(rèn)為，值得在具備光導(dǎo)照明系統(tǒng)實(shí)施條件的淺層汽車隧道內(nèi)推廣應(yīng)用。