白松巖，賈家銀，何世永，周世均，龐 博

(1.重慶交通大學 省部共建山區(qū)橋梁及隧道工程國家重點實驗室，重慶 400074；2.重慶中環(huán)建設有限公司，重慶 401120)

引言

我國城市隧道的入口處每逢高峰時段總會產生擁堵現象，為提高城市隧道的交通容納量，新建、擴建的四車道及以上特大斷面城市隧道也就應運而生[1]。根據國際隧道協會界定的隧道橫斷面積尺寸標準，橫斷面面積超過100 m2的隧道即為特大斷面城市隧道。特大斷面城市隧道顯著的結構特征是斷面大、跨度大、扁平度小[2]。

駕駛員駛入隧道的瞬間往往會因隧道洞內外的亮度差異產生視覺感知降低的現象[3]。因此，為了減少隧道洞口內外的亮度差異，國內學者通過研究隧道入口段受自然光影響的規(guī)律進而對隧道入口段的照明進行優(yōu)化設計。吳桂林等[4]結合云南保騰高速公路鹿山隧道，得到隧道入口段各區(qū)段自然光及LED燈復合照明下隧道照度的分布規(guī)律，為今后進一步合理利用自然光、人工光源進行隧道復合照明節(jié)能研究提供參考。游峰等[5]通過現場實驗的形式對隧道入口段的自然光變化規(guī)律進行了研究，結果顯示，引入自然光對提高駕駛員在隧道中的行駛安全性上具有較大的幫助。劉琦等[6]建立隧道自然光照明環(huán)境模型，分析了自然光影響下不同長度隧道內的照明環(huán)境，為隧道入口段照明規(guī)范編制和照明系統設計提供借鑒。李靖等[7]在研究隧道照明段落劃分理論的基礎上，運用自然光作為該部分照明段光源的方法，提出了隧道延伸照明段落，對提高隧道節(jié)能具有十分重要的意義。周燁等[8]以能耗最低為目標，得出洞外亮度取值與入口段加強照明的布燈間距存在高次多項關系，從而為隧道照明節(jié)能設計提供工程指導。通過對隧道入口段照明的研究現狀進行分析，特大斷面城市隧道在隧道照明技術研究領域屬于較新的概念，學者們的研究對象往往是以中等斷面隧道、大斷面隧道為主，較少涉及對于特大斷面城市隧道的照明設計研究。

本文依托重慶海天堡隧道這一特大斷面(橫斷面面積達145.91 m2)城市隧道照明系統新建項目，以現場測量的方式研究自然光影響下該隧道入口段路面照度(亮度)隨隧道深度變化的規(guī)律，得出該隧道入口段照明燈具在不同天空類型下的最佳初始安裝位置，為進一步完善特大斷面城市隧道入口段照明設計規(guī)范提供理論參考。

1 照明實驗方法

1.1 現場實驗概況

國內外針對洞外亮度的取值建議是以累計出現頻率75 h以上較大值的亮度值作為最不利條件進行考慮。實際中，這種情況通常出現在夏季晴天[9]。因此，本次試驗時間為2021年7月10日～7月22日，試驗地點為重慶海天堡隧道右幅隧洞區(qū)域(圖1)。該隧道全長377 m，路面寬14.5 m，高6.44 m，設計時速為80 km/h。

圖1 隧道右幅Fig.1 The right tunnel

依據ISO 15469:2004/CIE 011:2003[10]指導文件中 15種標準天空模型(表1)，并結合現場天氣狀況總結得出：現場天空類型共計7種，分別是云天天空的種類2、4、5；陰天天空的種類7、9；晴天天空的種類11、12。

表1 天空類型[10]Table 1 Sky types

1.2 入口段的長度計算

在我國現行的《公路隧道照明設計細則》(JTG/TD70/2-01—2014)[11]中認為，入口段長度D根據照明停車視距、最小襯托長度等進行計算。為保障駕駛員對道路路面上相關目標物的辨識能力，在障礙物背后應有最小長度為b的明亮路面(Ds為一倍停車視距)，如圖2所示。

圖2 入口段長度計算Fig.2 Length calculation of threshold zone

車輛駛至洞外適應點A時，駕駛員的20°視場中，洞外景物基本消失[11]。

依據JTG/T D70/2-01—2014[11]，隧道入口段可劃分為兩段，分別定為TH1段和TH2段。入口段TH1和TH2的長度可根據式(1)進行計算：

(1)

其中，Dth1、Dth2分別為入口段TH1、TH2的長度(m)；Ds為照明停車視距(m)；h為隧道凈空高度(m)。

海天堡隧道設計車速為80 km/h，對應的照明停車視距Ds為100 m，隧道凈空高度h為5 m。通過計算，可以確定重慶海天堡特大斷面城市隧道入口段TH1和TH2的長度為78 m。

1.3 現場實驗步驟

1.3.1 隧道洞外亮度L20(S)測量

通過成像式亮度計對典型特大斷面城市隧道工程實例——重慶海天堡隧道進行現場測量，利用環(huán)境簡圖法對隧道洞外亮度L20(S)進行計算，得到在不同天空類型、不同時間的隧道洞外亮度L20(S)。

(1)測量參數。

測量在不同時間、不同天氣的隧道洞外亮度L20(S)。

(2)儀器布置位置。

在距離洞口一倍停車視距處的道路中線位置布設儀器。

(3)測定方案。

①在距離隧道洞口一倍停車視距，使用PR-655光譜輻射亮度進行亮度標定。

②安裝且調試好PM1423成像式亮度計，保證鏡頭高度為1.5 m，中心對準隧道洞口中心，然后對洞口景觀進行拍照，按時間順序依次測量各個測區(qū)的亮度。

1.3.2 隧道入口段光環(huán)境指標測量

(1)測量參數。

測量隧道入口段在不同天氣、不同位置的照度(亮度)分布。

(2)測點布置。

參照《公路隧道照明設計細則》(JTGTD 702-01—2014)[11]和《照明測量方法》(GB/T 5700—2008)[12]中的規(guī)定，路面測點應滿足以下要求：

①照度亮度同時測量時可按亮度布點法布置測點；

②計算區(qū)域內縱向測點間距不宜大于1.0 m，橫向計算點應不少于5個，必須保證車道中線上有測點；

③若按橫向5點布置，兩側最外面的兩個點應分別位于距每條車道兩側邊界線的1/10車道寬處；

④實驗直接采取亮度布點法布置測點，為了保證測量精確度，本次試驗路面橫向按每車道5點布置，縱向布點間距可根據布燈間距的變化做一定的調整，但不超過2 m。

由于隧道較短，測量區(qū)域為整個入口段，具體測點布設如圖3所示。

圖3 地面測點布設示意圖Fig.3 Layout of ground measuring points

(3)測定方案。

①將已經調試完成的TES-1339R數位式照度計的測量球置于測點位置，記錄照度；

②測試過程中將PR-655光譜亮度計安裝于設定位置，通過PR-655光譜亮度計對測點進行拍攝讀取亮度；

③TES-1339R數位式照度計測量數據與PR-655光譜亮度計測量數據進行對比，確保數據的準確性。

2 實驗數據整理

2.1 隧道洞外亮度L20(S)實驗數據整理

根據現場實測數據，采用環(huán)境簡圖法計算了在不同天空類型、不同時間的洞外亮度L20(S)[13，14]，公式為：

L20(S)=cLc+rLr+eLe+τLτ

(2)

其中，Lc為天空亮度；c為天空所占百分比；Lr為路面亮度(cd/m2)；r為道路所占百分比；Le為環(huán)境亮度(cd/m2)；e為環(huán)境所占百分比；Lτ為入口段亮度(cd/m2)；τ為隧道入口所占百分比；且c+r+e+τ=1。

現場測量時段定為清晨無日光時5：00至夜晚無日光時20：00，每隔20 min進行一次測量，取1h內3次測量的亮度平均值作為該時段的亮度值。經過計算，在不同時間、不同天空類型下的洞外亮度L20(S)見表2。

表2 不同時間、不同天空類型下的洞外亮度L20(S)(單位：cd/m2)Table 2 Luminance L20 (S) outside the cave at different times and different sky types (unit:cd/m2)

入口段亮度隨時間、天空類型變化而變化的規(guī)律如圖4所示。

圖4 洞外亮度L20(S)的變化Fig.4 Change of luminance L20 (S) outside the tunnel

由表2及圖4可知，在7種天氣條件下，亮度最高的時間段集中在12:00～13:00，云天天空5在3種云天天空下洞外亮度L20(S)達到最高；陰天天空9在2種陰天天空下洞外亮度L20(S)達到最高；晴天天空12在2種晴天天空下洞外亮度L20(S)達到最高。

在云天天空情況下，云天天空5下的隧道入口段屬于最不利照明條件[15]；在陰天天空情況下，陰天天空9下的隧道入口段屬于最不利照明條件；在晴天天空情況下，晴天天空12下的隧道入口段屬于最不利照明條件。

2.2 隧道入口段光環(huán)境指標數據整理

根據現場測量情況，以不同天空類型下，亮度最高的時刻來測量各測點的照度，經過換算后以亮度來分析路面亮度的變化趨勢；以前后測點亮度相差超過30%且數值≥10 cd/m2作為衡量隧道入口段受洞外自然光影響較大的長度區(qū)段[16]。

(1)云天天空。

由圖5可知，在天空類型為云天天空2時,隧道入口段23 m與24 m的測點亮度平均值相差31.7%，24 m之后的區(qū)段相鄰測點亮度平均值相差低于30%；在天空類型為云天天空4時，隧道入口段26 m與27 m的測點亮度相差32.4%，27 m之后的區(qū)段相鄰測點亮度相差低于30%；在天空類型為云天天空5時，隧道入口段27 m與28 m的測點亮度平均值相差30.8%，28 m之后的區(qū)段相鄰測點亮度平均值相差低于30%。由此可知，當分別處于云天天空2、4、5時，隧道入口段前24 m、27 m、28 m屬于受自然光影響較大的長度區(qū)段。

圖5 云天天空下的隧道入口段亮度變化Fig.5 Luminance change of tunnel threshold zone under cloudy sky

(2)陰天天空。

由圖6可知，在天空類型為陰天天空7時，隧道入口段16 m與17 m的測點亮度平均值相差11.7 cd/m2，17 m之后的區(qū)段相鄰測點亮度平均值相差低于10 cd/m2；在天空類型為陰天天空9時，隧道入口段19 m與20 m的測點亮度平均值相差10.8 cd/m2，20 m之后的區(qū)段相鄰測點亮度平均值相差低于10 cd/m2。由此可知，當分別處于陰天天空7、9時，隧道入口段前17 m、20 m屬于受自然光影響較大的長度區(qū)段。

圖6 陰天天空下的隧道入口段亮度變化Fig.6 Luminance change of tunnel threshold zone under cloudy sky

(3)晴天天空。

由圖7可知，在天空類型為晴天天空11時，隧道入口段32 m與33 m的測點亮度平均值相差32.9%，33 m之后的區(qū)段相鄰測點亮度平均值相差低于30%；在天空類型為晴天天空12時，隧道入口段35 m與36 m的測點亮度平均值相差31.4%，36 m之后的區(qū)段相鄰測點亮度平均值相差低于30%。由此可知，當分別處于晴天天空11、12時，隧道入口段前33 m、36 m屬于受自然光影響較大的長度區(qū)段。

圖7 晴天天空下的隧道入口段亮度變化Fig.7 Luminance change of tunnel threshold zone under sunny sky

(4)天空對比。

由圖8中可知，綜合不同天空類型下，隧道入口段受自然光影響較大區(qū)段的情況，隧道洞外亮度L20(S)越高，對隧道入口段的影響區(qū)段越長。

圖8 最不利照明條件下隧道入口段亮度變化對比Fig.8 Luminance contrast of tunnel threshold zone under the most unfavorable lighting conditions

3 實驗數據分析

3.1 隧道入口段的亮度規(guī)范曲線

根據JTG/T D70/2-01—2014[11]，隧道入口段TH1、TH2的亮度計算式為：

Lth1=k×L20(S)

(3)

Lth2=0.5×k×L20(S)

(4)

式中，Lth1、Lth2為入口段TH1、TH2的亮度(cd/m2)；L20(S)為洞外亮度(cd/m2)；k為入口段亮度折減系數，可按表3取值。

根據表3，可得到不同時間入口段的亮度值，如表4所示。

表3 入口段亮度折減系數取值表Table 3 Values of luminance reduction coefficient at threshold zone

表4 不同時間、不同天氣下的隧道入口段亮度 (單位：cd/m2)Table 4 Luminance of tunnel threshold zone under different time and weather (unit:cd/m2)

隧道在云天天空下，12:00～13:00時為此種天氣下最不利照明條件，此時隧道入口段亮度為96 cd/m2；隧道在陰天天空下，12:00～13:00時為此種天氣下最不利照明條件，此時隧道入口段亮度為43 cd/m2；隧道在晴天天空下，12:00～13:00時為此種天氣下最不利照明條件，此時隧道入口段亮度為150 cd/m2，結合JTG/T D70/2-01—2014中的關于亮度規(guī)范階梯曲線可得出在不同天空類型下重慶海天堡隧道入口段的亮度規(guī)范值，如圖9所示。

圖9 不同天空類型下隧道入口段的亮度適應曲線Fig.9 Luminance adaptation curve of tunnel threshold zone under different sky types

3.2 隧道入口段的照明區(qū)段劃分

根據最不利照明條件的亮度規(guī)范限值，通過對海天堡隧道入口段自然光的亮度的對比分析，可將入口段分為自然光照明區(qū)段、自然光輔助人工照明區(qū)段和人工照明區(qū)段三種區(qū)段[17]，具體如圖10～圖12所示。

圖10 云天天空下的路面亮度變化Fig.10 Road luminance change under cloudy sky

圖11 陰天天空下的路面亮度變化Fig.11 Change of pavement luminance under cloudy sky

圖12 晴天天空下的路面亮度變化Fig.12 Variation of pavement luminance under sunny sky

由圖10可知，在云天天空下，自然光強度隨著隧道縱深的增加而逐漸減弱，對隧道路面亮度增效作用隨之減弱，隧道進洞口至隧道縱深25 m區(qū)段在白天無需LED燈照明；當25 m≤隧道縱深<32 m時，單純依靠自然光照明已無法滿足路面亮度需求，應將自然光與LED燈相結合進行復合照明以滿足路面亮度需求；當隧道縱深≥32 m時，隧道路面亮度已低于入口段亮度規(guī)范限值的10%，自然光和LED燈光的復合照明意義不大，應將人工照明作為照明設計的主要依據。

由圖11可知，在陰天天空下，自然光強度隨著隧道縱深的增加而逐漸減弱，對隧道路面亮度增效作用隨之減弱，隧道進洞口至隧道縱深30 m區(qū)段在白天無需LED燈照明；當30 m≤隧道縱深<35 m時，單純依靠自然光照明已無法滿足路面亮度需求，應將自然光與LED燈相結合進行復合照明以滿足路面亮度需求；當隧道縱深≥35 m時，隧道路面亮度已低于入口段亮度規(guī)范限值的10%，自然光和LED燈光的復合照明意義不大，應將人工照明作為照明設計的主要依據。

由圖12可知，在晴天天空下，自然光強度隨著隧道縱深的增加而逐漸減弱，對隧道路面亮度增效作用隨之減弱，隧道進洞口至隧道縱深27 m區(qū)段在白天無需LED燈照明；當27 m≤隧道縱深<41 m時，單純依靠自然光照明已無法滿足路面亮度需求，應將自然光與LED燈相結合進行復合照明以滿足路面亮度需求；當隧道縱深≥41 m時，隧道路面亮度已低于入口段亮度規(guī)范限值的10%，自然光和LED燈光的復合照明意義不大，應將人工照明作為照明設計的主要依據。

4 研究結論

(1)重慶海天堡特大斷面城市隧道的洞外亮度L20(S)在不同天空類型下最高的時段集中在12:00～13:00，當處于云天天空時，云天天空5下的隧道入口段屬于最不利照明條件；處于陰天天空時，陰天天空9下的隧道入口段屬于最不利照明條件；處于晴天天空時，晴天天空12下的隧道入口段屬于最不利照明條件。因此，當處于此種天空類型下的最不利照明條件時，為便于分析，可將云天天空5、陰天天空9、晴天天空12視為各自天空類型的代表性天空種類，據此類天空種類進行隧道入口段的照明設計。

(2)根據重慶海天堡特大斷面城市隧道入口段的實際亮度需求曲線，將入口段分為自然光照明區(qū)段、自然光輔助人工照明區(qū)段和人工照明區(qū)段三種區(qū)段，當云天、陰天、晴天天空處于最不利照明時段，進洞口至隧道縱深依次為25 m、30 m、27 m的區(qū)域，無需人工光照條件即可實現隧道安全采光需求；進洞口至隧道縱深依次為25～32 m、30～35 m、27～41 m區(qū)段時，可利用自然光輔助人工照明；進洞口至隧道縱深依次為≥32 m、≥35 m、≥41 m區(qū)段時，在自然光照明條件下隧道路面亮度已低于入口段亮度規(guī)范限值的10%，使用自然光輔助人工照明意義不大，應以人工照明作為第三區(qū)段照明設計的依據。

通過確定重慶海天堡特大斷面城市隧道的燈具安裝初始位置，可減少燈具的使用數量，有效降低隧道入口段的照明能耗；進一步，通過研究隧道洞外自然光對隧道入口段的影響規(guī)律，可將照明燈具進行針對性的分配，以便于與自然光相結合，避免在自然光輔助人工照明區(qū)段因過度照明而產生的功率浪費的現象，最大程度上減少入口段的照明能耗。