自發(fā)光涂料在喀斯特山區(qū)高速公路隧道中的節(jié)能與應(yīng)急應(yīng)用

劉政 陳雪峰 曾強(qiáng) 胡濤 黎陽(yáng) 陳軍

（1.貴州省公路集團(tuán)工程有限公司 貴州貴陽(yáng) 500008；2.貴州西能電光科技發(fā)展有限公司 貴州貴陽(yáng)500002）

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，道路、橋梁和隧道工程越來(lái)越多，工程設(shè)計(jì)在滿足交通運(yùn)輸功能的同時(shí)，科技創(chuàng)新與新技術(shù)應(yīng)用示范已成為交通運(yùn)輸工程的新亮點(diǎn)［1-2］。目前，喀斯特山區(qū)高速公路隧道照明系統(tǒng)存在規(guī)模大、線路復(fù)雜、耗能高、維修檢查困難、應(yīng)急能力弱等問(wèn)題，已成為公路運(yùn)營(yíng)中主要的開(kāi)支之一［3-7］。如何在保證行車安全的基礎(chǔ)上降低運(yùn)營(yíng)費(fèi)用、節(jié)約公路隧道能源消耗、提升應(yīng)急處置能力，是當(dāng)前喀斯特山區(qū)公路隧道建設(shè)者與運(yùn)營(yíng)方關(guān)注的重要問(wèn)題。

鋁酸鍶長(zhǎng)余輝發(fā)光材料作為長(zhǎng)余輝熒光材料的一個(gè)分支，具有發(fā)光亮度高、余輝時(shí)間長(zhǎng)、穩(wěn)定性好、無(wú)毒、無(wú)放射性等特點(diǎn)，能在黑暗空間長(zhǎng)時(shí)間無(wú)能耗自發(fā)光，是一種理想的隧道暗環(huán)境節(jié)能發(fā)光和應(yīng)急逃生指示材料［8-12］。目前，鋁酸鍶發(fā)光材料在隧道節(jié)能和光環(huán)境舒緩方面的研究與應(yīng)用仍缺乏相關(guān)理論數(shù)據(jù)與工程實(shí)踐支撐。

貴州興義地處黔、滇、桂三省交界處，喀斯特地形地貌占整個(gè)區(qū)域面積70%以上，給高速公路隧道的建設(shè)和運(yùn)營(yíng)管理帶來(lái)了極大的挑戰(zhàn)。本文以興義環(huán)城高速公路牛犁塘隧道左幅為依托工程，通過(guò)在隧道墻面噴輝鋁酸鍶發(fā)光涂料，配合可變功率LED能量激發(fā)燈，實(shí)現(xiàn)了隧道墻面的持續(xù)發(fā)光、亮度可調(diào)節(jié)和應(yīng)急逃生指示功能。依據(jù)JTG/T D70/2-01-2014［13］規(guī)范，繪制了隧道地面亮度變化曲線，以期為該方案的后續(xù)推廣應(yīng)用提供理論支撐。

1 牛犁塘隧道照明的原始設(shè)計(jì)

牛犁塘左幅隧道屬于端墻式洞門(mén)隧道，設(shè)計(jì)車速80km/h，隧道全長(zhǎng)453m，在進(jìn)洞第一停車視距下（90m），能看見(jiàn)隧道出口。施工前現(xiàn)場(chǎng)實(shí)景圖如圖1所示。從圖1可知，該隧道是一典型的非光學(xué)隧道，根據(jù)隧道照明設(shè)計(jì)規(guī)范，單向通行隧道照明區(qū)段一般分為入口段、過(guò)渡段、中間段和出口段。牛犁塘隧道原有照明設(shè)計(jì)總功率為9.7kW，其LED 燈具布置方式與數(shù)量如表1所示。從表1中可知，隧道的入口段和出口段設(shè)置了大量的LED 照明燈具，在入口段Ⅰ和入口段Ⅱ短短96m距離下，電光照明的總功率高達(dá)5.5kW，如此高功率的照明設(shè)計(jì)主要是為了緩解駕乘人員視覺(jué)的“黑洞”效應(yīng)。

圖1 施工前牛犁塘隧道實(shí)景

表1 牛犁塘隧道燈具數(shù)量及功率

2 牛犁塘隧道洞內(nèi)地面亮度值的計(jì)算

依據(jù)JTG/T D70/2-01-2014［13］規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)牛犁塘左幅隧道行車區(qū)間的地面亮度值和距離進(jìn)行計(jì)算，其入口段Ⅰ、入口段Ⅱ、過(guò)渡段、中間段、出口段Ⅰ和出口段Ⅱ的亮度和長(zhǎng)度計(jì)算過(guò)程如式（1）至式（7）所示。

式中：Lth1和Lth2為入口段Ⅰ和入口段Ⅱ的地面亮度值；0.5 為長(zhǎng)度為300m＜L≤500m 的非光學(xué)長(zhǎng)隧道亮度按50%取值；k為入口段亮度折減系數(shù)，牛犁塘隧道取值為0.025；L20（S）為洞外亮度，牛犁塘取值為3000cd/m2；Ltr1為過(guò)渡段亮度值；Lex1出口段Ⅰ的亮度值；Lex2出口段Ⅱ的亮度值；Lin中間段的亮度值，牛犁塘隧道取值為1.5cd/m2；Dth1和Dth2入口段Ⅰ和入口段Ⅱ的長(zhǎng)度；Ds為照明停車視距，牛犁塘隧道取值為90m；h為隧道內(nèi)凈空高度，牛犁塘隧道取值為9m；Dtr1為過(guò)渡段長(zhǎng)度；Vt為設(shè)計(jì)速度，牛犁塘隧道取值為80km/h。

依據(jù)式（1）至式（5），牛犁塘隧道內(nèi)地面亮度在滿足細(xì)則標(biāo)準(zhǔn)條件下，對(duì)應(yīng)其在進(jìn)洞處地面亮度37.5cd/m2、入口Ⅰ段尾部地面亮度值為18.625cd/m2、入口Ⅱ段尾部地面亮度值為5.625cd/m2、中間段地面亮度值為1.5cd/m2、出口段Ⅰ前端地面亮度值為4.5cd/m2和出口段Ⅱ前端地面亮度值為7.5cd/m2。

依據(jù)式（6）和式（7）計(jì)算得出，牛犁塘隧道入口段Ⅰ長(zhǎng)度為40m，入口段Ⅱ長(zhǎng)度為40m，過(guò)渡段長(zhǎng)度為71m，基本段長(zhǎng)度為242m，出口Ⅰ段為30m，出口Ⅱ段為30m。與表1對(duì)比可知，計(jì)算結(jié)果與原有設(shè)計(jì)的燈具布置長(zhǎng)度能很好地對(duì)應(yīng)。

依據(jù)JTG/T D70/2-01-2014標(biāo)準(zhǔn)，將上述計(jì)算結(jié)果的亮度與進(jìn)洞距離的關(guān)系作圖，其結(jié)果如圖2 所示。從圖2中可知，進(jìn)洞入口段地面亮度較高，主要是為了緩解視覺(jué)的“黑洞”效應(yīng)，在出口段地面亮度又升高，主要是為了使駕乘人員視覺(jué)適應(yīng)“白洞”效應(yīng)。隧道內(nèi)對(duì)應(yīng)區(qū)間亮度值變化趨勢(shì)能與區(qū)間照明設(shè)計(jì)功率大小能很好地對(duì)應(yīng)，進(jìn)一步說(shuō)明了電光照明已成為緩解隧道“黑白洞”效應(yīng)的有效手段。然而，興義牛犁塘隧道地處喀斯特山區(qū)，電光照明存在布線規(guī)模大、線路復(fù)雜、耗能高、維修檢查困難、應(yīng)急能力弱等缺點(diǎn)。當(dāng)前，亟需利用新材料技術(shù)開(kāi)展運(yùn)營(yíng)節(jié)能與應(yīng)急安全的研究。

圖2 隧道內(nèi)部各照明段的長(zhǎng)度與亮度的關(guān)系

3 牛犁塘隧道墻面施工方式與節(jié)能效果

采用長(zhǎng)余輝鋁酸鍶發(fā)光粉與水性乳液材料配合制成發(fā)光涂料，通過(guò)高壓噴涂機(jī)噴涂于隧道墻面，并利用半光譜LED 能量激發(fā)燈配合照射，能實(shí)現(xiàn)隧道墻面的無(wú)源長(zhǎng)延時(shí)自發(fā)光，是一種理想的節(jié)能安全應(yīng)用形態(tài)，該方案對(duì)隧道內(nèi)部地面和墻面亮度的影響仍缺乏相關(guān)理論研究，很有必要進(jìn)一步開(kāi)展詳細(xì)研究。

隧道墻面長(zhǎng)余輝鋁酸鍶發(fā)光涂料的涂裝位置與LED激發(fā)燈具的安裝方式如圖3所示。從圖3中可知，發(fā)光涂料涂裝位置為溝蓋板上方70cm開(kāi)始，直至頂部420cm 處。LED 激發(fā)燈安裝于溝蓋板上方420cm 處，與涂料涂裝上邊界重合形成無(wú)縫連接形式，隧道兩側(cè)墻面的安裝長(zhǎng)度均為453m（燈具長(zhǎng)度為1m，單套額定功率0.03kW，合計(jì)906套）。該發(fā)光涂料的涂裝高度與激發(fā)燈具的安裝方式可在整個(gè)隧道兩側(cè)墻面形成高度為350cm的發(fā)光導(dǎo)視面。

圖3 隧道墻面涂裝位置與LED 燈具的安裝位置示意圖

在LED 激發(fā)燈具配合下，僅利用30%的激發(fā)功率，隧道墻面實(shí)景圖如圖4 所示。從圖4 中可知，在未開(kāi)隧道電光照明燈具的情況下，激發(fā)燈具僅開(kāi)啟30%的功率，發(fā)光涂料的發(fā)光性能優(yōu)異，隧道內(nèi)光環(huán)境整體通透，物體的可辨識(shí)性理想，視覺(jué)感官較好，能明顯辨識(shí)清楚隧道內(nèi)部物體，說(shuō)明LED 激發(fā)燈配合照射發(fā)光涂料，能實(shí)現(xiàn)隧道的照明功能。發(fā)光涂料的余輝性能如圖5 所示。從圖5 中可知，發(fā)光涂料在最初的100s內(nèi)亮度衰減較快，在滿足應(yīng)急逃生標(biāo)準(zhǔn)亮度0.2cd/m2的情況下，其應(yīng)急逃生時(shí)間長(zhǎng)達(dá)136s，在人眼最低識(shí)別亮度0.32mcd/m2度情況下，余輝時(shí)間長(zhǎng)達(dá)數(shù)小時(shí)。發(fā)光涂料的使用不僅可使隧道實(shí)現(xiàn)照明功能，還可使隧道在全應(yīng)急（所有電光照明失效）狀態(tài)下實(shí)現(xiàn)指示逃生功能，安全指標(biāo)大幅提升。

圖4 牛犁塘隧道節(jié)能光環(huán)境實(shí)景圖

圖5 長(zhǎng)余輝發(fā)光涂料的余輝性能

由于長(zhǎng)余輝鋁酸鍶發(fā)光涂料發(fā)光波長(zhǎng)在黃綠光范圍內(nèi)，屬于二次弱光源，色溫與亮度值相對(duì)降低，為滿足圖2 所示隧道內(nèi)部地面亮度標(biāo)準(zhǔn)，很有必要在隧道入口段、過(guò)渡段和出口段適當(dāng)增加普通LED照明光源，以便實(shí)現(xiàn)隧道洞內(nèi)亮度的平緩過(guò)渡。為此，在入口段設(shè)置34 套、過(guò)渡段設(shè)置10 套、出口段設(shè)置8 套照明燈具，且僅在白天開(kāi)啟。亮燈后地面亮度結(jié)果如圖6所示。

從圖6中可知，在激發(fā)燈30%的激發(fā)功率下，配合入口段、過(guò)渡段和出口段的普通LED照明燈具，牛犁塘隧道白天地面亮度曲線符合JTG/T D70/2-01-2014 標(biāo)準(zhǔn)要求，且在進(jìn)洞和出洞時(shí)地面亮度優(yōu)于標(biāo)準(zhǔn)要求，說(shuō)明半光譜LED能量激發(fā)燈照射發(fā)光涂料配合適當(dāng)數(shù)量的LED 照明燈具能提升隧道進(jìn)洞和出洞時(shí)地面亮度，基本段僅依靠激發(fā)燈照射發(fā)光涂料即可實(shí)現(xiàn)隧道地面亮度滿足細(xì)則要求，亮度高達(dá)2.73cd/m2，且導(dǎo)視效果優(yōu)異，整體光環(huán)境較為舒緩。隧道洞內(nèi)地面亮度理論值和實(shí)際值變示意圖如圖7所示。

圖6 牛犁塘隧道地面理論亮度與實(shí)際亮度

圖7 隧道地面理論亮度和實(shí)測(cè)亮度的變化示意圖

在隧道照明細(xì)則標(biāo)準(zhǔn)下，以圖5 隧道地面亮度為標(biāo)準(zhǔn)，入口段80m 和出口段60m 所布置的激發(fā)燈具僅在夜間開(kāi)啟（280套燈，左側(cè)和右側(cè)各140套，每天只開(kāi)啟12h），過(guò)渡段和中間段313m全天開(kāi)啟（626套燈，左側(cè)和右側(cè)各313 套，全天開(kāi)啟），總功率為626×0.009+280×0.03×30%×50%=6.894kW/h；普通照明燈具僅在白天開(kāi)啟，夜間關(guān)閉，總功率為（34+10+8）×0.03×50%=0.78kW/h。隧道總功率為6.894+0.78=7.674kW/h，與原有設(shè)計(jì)9.7kW/h 相比，功率降低1.026kW/h，節(jié)能效果提升20.88%，年均節(jié)約用電為（9.7-7.674）×24×365=17 747.76kW/h，節(jié)能效果顯著。

隧道中間段涂裝發(fā)光涂料的墻面亮度值和空間眩光值結(jié)果如表2所示。從表2中可知，發(fā)光涂料的使用能顯著提高隧道墻面亮度，從水泥墻面的6.99cd/m2提升至20.13cd/m2，提升比例高達(dá)188%，且隧道空間眩光值大幅降低，從涂裝前的1.388降低至涂裝后的0.044，說(shuō)明發(fā)光涂料的使用提升了空間亮度的均勻性，可降低駕乘人員通過(guò)隧道空間時(shí)由于光線亮度變化而帶來(lái)的不適感。

表2 涂裝前后隧道墻面的亮度和眩光值

4 結(jié)論

（1）采用長(zhǎng)余輝鋁酸鍶發(fā)光粉制成發(fā)光涂料，涂刷在隧道兩側(cè)墻壁，配合可變功率LED 能量激發(fā)燈形成發(fā)光導(dǎo)視面，可實(shí)現(xiàn)隧道墻面持續(xù)發(fā)光照明和應(yīng)急指示逃生功能，滿足應(yīng)急逃生標(biāo)準(zhǔn)的空間亮度值的時(shí)間長(zhǎng)達(dá)136s。

（2）隧道發(fā)光導(dǎo)視面光線柔和視覺(jué)通透，能有效降低隧道能耗，節(jié)能效率與原有LED 方案提升20.88%，年均節(jié)約電耗17 747.76kW/h。

（3）發(fā)光涂料與激發(fā)燈的配合使用能顯著提高隧道墻面亮度，降低隧道空間眩光值，涂裝后墻面亮度從水泥墻面的6.99cd/m2提升至20.13cd/m2，亮度提升比例高達(dá)188%，眩光值從涂裝前的1.388 降低至涂裝后的0.044。