史玲娜， 涂 耘， 李茂華， 王衛(wèi)平， 彭 偉

(1.招商局重慶交通科研設(shè)計院有限公司， 重慶 400067； 2.重慶高速公路路網(wǎng)管理有限公司， 重慶 401121； 3.重慶高速公路集團(tuán)有限公司博士后科研工作站， 重慶 401121)

隨著我國公路交通基礎(chǔ)設(shè)施的進(jìn)一步建設(shè)和完善，已建交通基礎(chǔ)設(shè)施運(yùn)行多年后逐漸出現(xiàn)性能下降問題，在公路隧道照明上出現(xiàn)較為明顯的燈具光衰及“出功不出力”等現(xiàn)象。為加快推進(jìn)公路隧道提質(zhì)升級，更好地為公眾安全便捷出行服務(wù)，交通運(yùn)輸部于2019年1月印發(fā)《促進(jìn)公路隧道提質(zhì)升級行動方案的通知》[1]，要求完善公路隧道照明設(shè)施，排查公路隧道照明設(shè)施運(yùn)行狀態(tài)，對于故障、失效和性能嚴(yán)重衰減的設(shè)施及時維護(hù)或更換，以確保隧道照明設(shè)施功能完備、運(yùn)行可靠。

為提升公路隧道照明品質(zhì)，近些年已有不少學(xué)者開展相關(guān)研究并指導(dǎo)實(shí)際工程，劉杰君等[2]提出在隧道內(nèi)采用環(huán)境亮化及加強(qiáng)線性引導(dǎo)等多種輔助照明技術(shù)，既能提高隧道行車環(huán)境和視覺效果，又能降低照明能耗；劉松榮等[3]根據(jù)隧道行車視覺適應(yīng)性特點(diǎn)，提出結(jié)合亮化涂裝的照明節(jié)能化設(shè)計方法，并提高隧道照明質(zhì)量和降低能耗；周武召等[4]采用調(diào)控季節(jié)、運(yùn)營時間與車流量等變量，對隧道照明管控方式進(jìn)行了優(yōu)化；尹力等[5]針對低交通量下“無車照明” 的能耗浪費(fèi)現(xiàn)象，提出一種“車來燈亮、車走燈暗” 的智能控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)隧道照明的進(jìn)一步節(jié)能。

重慶于2018年初就以提升重慶城市形象，提升隧道照明和通行環(huán)境為目的，以“智能、綠色、安全、品質(zhì)”為總體方向，在繞城高速范圍內(nèi)率先開展了高速公路隧道照明提升工程。基于大量工程技術(shù)與運(yùn)營管理現(xiàn)狀調(diào)研，結(jié)合重慶發(fā)展需求，編制了《重慶市高速公路隧道照明提升總體設(shè)計方案》以指導(dǎo)重慶市公路隧道照明品質(zhì)提升工作的開展，落實(shí)交通部公路隧道提質(zhì)升級行動[6]。相較全國其他省市，重慶公路隧道照明品質(zhì)提升工程結(jié)合了大量科研和工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)成果，在滿足《公路隧道照明設(shè)計細(xì)則》(JTG/T D70/1—2014)(簡稱“細(xì)則”)的基礎(chǔ)上，積極采用四新技術(shù)，通過對改造后的效果進(jìn)行測試，檢驗(yàn)品質(zhì)提升效果，并提出了針對性的效果評價方法，對指導(dǎo)重慶乃至全國后續(xù)隧道照明品質(zhì)提升工程改造及建設(shè)都具有較強(qiáng)的借鑒作用[7-11]。

1 重慶隧道照明品質(zhì)提升總體方案

1.1 調(diào)研存在問題

通過調(diào)研，重慶高速公路隧道在運(yùn)營近10年后主要存在以下幾方面的問題：

1) 交通量不滿足遠(yuǎn)期設(shè)計要求，需對遠(yuǎn)期交通量進(jìn)行改造

在設(shè)計之初，重慶繞城高速公路的交通量按照小于350 veh/(h·ln)進(jìn)行設(shè)計，運(yùn)營近10年后，交通量已大于1 200 veh/(h·ln)，根據(jù)《細(xì)則》及照明安全運(yùn)營需要，隧道加強(qiáng)照明和基本照明均應(yīng)按遠(yuǎn)期交通量進(jìn)行改造，即入口段加強(qiáng)照明設(shè)計依據(jù)Lth=k·L20(s)，k值的取值應(yīng)由0.025替代成0.035，即加強(qiáng)照明應(yīng)在原基礎(chǔ)上增加40%，基本照明需提高67%才能滿足現(xiàn)有交通量下的隧道照明需求。

2) 部分隧道無引道照明，需增設(shè)引道照明

根據(jù)《細(xì)則》第8.2.1條規(guī)定，對于隧道外引道曲線半徑小于一般值的路段、隧道設(shè)夜間照明且處于無照明路段的洞外引道、隧道與橋梁處和連續(xù)隧道間的路段應(yīng)設(shè)置洞外引道照明。通過調(diào)研發(fā)現(xiàn)，重慶繞城高速公路部分隧道處于橋隧相連處未設(shè)置引道照明，需對這些隧道加設(shè)引道照明以提高安全性。

3) 部分短隧道未設(shè)置照明，需增設(shè)照明系統(tǒng)

通過調(diào)研發(fā)現(xiàn)，部分長度大于200 m的隧道未設(shè)置照明系統(tǒng)，根據(jù)《細(xì)則》第3.0.2條規(guī)定，長度大于200 m的高速公路隧道、一級公路隧道應(yīng)設(shè)置照明，因此，需對這些隧道增設(shè)照明系統(tǒng)。

4) 隧道入口“黑洞效應(yīng)”明顯，加強(qiáng)照明能耗高

由于重慶繞城高速公路之前的照明燈具以高壓鈉燈為主，在運(yùn)營近10年后，光衰嚴(yán)重，即使按滿功率運(yùn)行，亦因燈具的“出功不出力”問題使入口段加強(qiáng)照明不能滿足視覺適應(yīng)性需求，導(dǎo)致“黑洞效應(yīng)”明顯，存在較大的安全隱患[12]，另外，燈具的高光衰與低光效使得加強(qiáng)照明段長期處于高能耗狀態(tài)，運(yùn)營成本極高。

5) 洞內(nèi)環(huán)境整潔度較差，隧道內(nèi)部視覺誘導(dǎo)性不強(qiáng)

由于重慶繞城高速公路隧道內(nèi)部大部分無涂裝，或早期涂裝因耐污性差使得內(nèi)壁表面整潔度較差，壁面色澤暗淡反射率低，無法滿足《細(xì)則》第3.0.8條規(guī)定“隧道兩側(cè)墻面2 m高范圍內(nèi)的平均亮度，不宜低于路面平均亮度的60%”的要求。內(nèi)部環(huán)境的整體較差也導(dǎo)致了隧道內(nèi)部視覺誘導(dǎo)性不強(qiáng)，特別是長隧道的線性誘導(dǎo)性較差，不僅影響通行能力，還存在一定的交通安全隱患。

6) 智能化控制程度不高

之前的高壓鈉燈主要采用傳統(tǒng)回路控制，在控制模式上以結(jié)合天氣和時段進(jìn)行調(diào)光的時序控制為主[13]。重慶地處山區(qū)，不同地域天氣差異較大，在照明控制上可根據(jù)不同地域和隧道朝向采用“因隧制宜”的控制策略，可進(jìn)一步提升控制節(jié)能效率，且部分路段仍存在交通量偏低的現(xiàn)象，通過智能控制策略的進(jìn)一步提升，可切實(shí)體現(xiàn)低交通量照明控制的安全性和節(jié)能性。

1.2 隧道照明品質(zhì)提升總體方案

根據(jù)上述問題，招商局重慶交通科研設(shè)計院有限公司制定了《重慶市高速公路隧道照明提升總體設(shè)計方案》，從隧道電光照明改造、隧道洞壁涂裝、隧道內(nèi)電光標(biāo)志以及隧道內(nèi)交通安全設(shè)施和警示性景觀等方面提出品質(zhì)提升方案，其中電光照明、涂裝改造和控制改造方案具體如下：

1) 電光照明改造方案

在遵循亮化、節(jié)能、安全的基本原則下，重慶繞城高速公路隧道照明均由原先的高壓鈉燈改成綠色節(jié)能LED燈具，設(shè)計參數(shù)中亮度折減系數(shù)按交通量增加后的0.035取值、洞外亮度按3 000 cd/m2進(jìn)行設(shè)計取值，并規(guī)定基本照明亮度標(biāo)準(zhǔn)為4.5 cd/m2，對原先未設(shè)照明的短隧道增設(shè)照明系統(tǒng)，從而得到不同類型隧道的電光照明改造設(shè)計方案，如表1所示。

表1 電光照明改造設(shè)計參數(shù)

所有隧道照明均按雙側(cè)對稱方式進(jìn)行布燈。入口段1的LED燈具色溫范圍為3 000 k～3 750 k，光效不低于100 lm/W；其余照明段LED燈具色溫范圍為3 000 k～4 500 k，光效不低于110 lm/W。

對原先未設(shè)引道照明的路段增設(shè)引道照明，包括其他區(qū)域照明標(biāo)準(zhǔn)及布燈方式，如表2所示。

表2 其他照明類型改造設(shè)計要求

2) 隧道洞壁涂裝改造方案

為提高隧道整體視覺環(huán)境，提升通行效率，在遵循增亮、整潔和易維護(hù)的原則下，提出隧道洞壁涂裝改造方案。要求所用涂裝材料應(yīng)屬于耐污易清洗材料，材料本身為環(huán)保不燃材料(≥A2級)。針對不同隧道本身洞壁和基底的不同，要求隧道存在滲水、漏水、開裂等病害時，應(yīng)先進(jìn)行病害整治后再進(jìn)行涂裝；隧道壁存在不平或裂縫時，需在涂裝前對隧道壁進(jìn)行修復(fù)和平整度處置，保證基底平整、堅(jiān)實(shí)、牢固，無浮灰、粉化、起皮和裂縫等現(xiàn)象；整體涂裝后的隧道內(nèi)壁應(yīng)粘結(jié)牢固，無露底，無流掛，無起皮，無掉粉，無咬色，無疙瘩；用儀器檢測表面反射亮度應(yīng)均勻等。

根據(jù)隧道行車的視覺適應(yīng)性和環(huán)境亮化提升需求，并兼顧安全提升功能，整體涂裝改造方案包括以下3方面：

(1) 隧道入口40 m和出口30 m范圍內(nèi)實(shí)施全斷面涂裝，以降低隧道進(jìn)出口的“黑/白洞效應(yīng)”，保證進(jìn)出口的行車安全，并提高通行效率。

(2) 除進(jìn)出口的全斷面涂裝外，其余區(qū)段在隧道壁沿檢修道上2.7 m范圍內(nèi)進(jìn)行珍珠白色涂裝，既保證反射率，又與燈具色溫相匹配滿足舒適性；在2.7 m～3 m的區(qū)域?qū)嵤┚G色腰線，提高隧道整體引導(dǎo)性。

(3) 在長隧道的緊急停車帶及人行橫通道等重點(diǎn)避險逃生位置，采用綠色、橙色和蓄能發(fā)光白色材料實(shí)施避險和逃生引導(dǎo)方向涂裝，實(shí)現(xiàn)一種經(jīng)濟(jì)性的安全提升壁面標(biāo)志設(shè)施。

3) “因隧制宜”控制系統(tǒng)改造方案

在照明控制上采用更精細(xì)化的“因隧制宜”的智能控制方案。采用時序控制和智能控制相結(jié)合的方式，根據(jù)不同交通量制定不同的控制模式。采用時序控制時，結(jié)合重慶地區(qū)不同區(qū)域的天氣情況與隧道洞口朝向制定針對性時序控制策略，包括不同照明時段的控制亮度；采用智能控制時在傳統(tǒng)洞外亮度、交通量和設(shè)計車速的基礎(chǔ)上，結(jié)合隧道涂裝的亮度增益效果設(shè)置亮度折減系數(shù)，可達(dá)到品質(zhì)提升改造后與未涂裝相比再增加15%左右的照明節(jié)能效果，以克服之前隧道照明控制智能化程度不高的問題。

2 重慶隧道照明品質(zhì)提升改造

根據(jù)重慶市交通局開展都市區(qū)高速公路隧道照明品質(zhì)提升專項(xiàng)工作要求以及上述整體提升方案，重慶市自2018年起對重慶繞城及射線高速公路隧道通過亮度提升、內(nèi)壁涂裝、完善洞內(nèi)設(shè)施以及洞口美化等方面進(jìn)行整體性照明品質(zhì)提升，重點(diǎn)對照明系統(tǒng)和內(nèi)壁涂裝進(jìn)行大規(guī)模的提升改造。以重慶石渝、渝黔高速公路隧道為例進(jìn)行提升改造過程及效果分析。

2.1 工程概況

G5021石渝高速公路(主城至涪陵段)屬于重慶三環(huán)十射的渝東北射線，是重慶主城區(qū)向東北進(jìn)入湖北必經(jīng)之路的首段，是溝通渝陜鄂的一條重要通道，本次改造線路路段長度為84.3 km，其中主線長67.676 km，連接線長16.624 km，全線共有13座隧道。渝黔高速(重慶)段是蘭州—?？诟咚俟?簡稱“蘭海高速”)的組成部分，路段長度為90.75 km，全線共7座隧道。石渝高速公路(主城至涪陵段)、渝黔高速(重慶)段具有以下特點(diǎn)：

1) 該路段是重慶、貴州、四川通往長三角地區(qū)最快捷的公路運(yùn)輸通道，交通量逐年增加且重載交通多。

2) 隧道內(nèi)原照明系統(tǒng)主要采用高壓鈉燈，光衰嚴(yán)重，整體照明效果不好，且運(yùn)營能耗高。

3) 隧道內(nèi)壁無涂裝，通車運(yùn)營多年，整體視覺環(huán)境有待提升。

4) 這2條高速作為重慶市重要的交通運(yùn)輸經(jīng)濟(jì)大動脈，社會關(guān)注度高，對道路的質(zhì)量、形象、安全要求高。

2.2 照明系統(tǒng)提升改造

重慶石渝、渝黔高速公路隧道原燈具為高壓鈉燈，按照品質(zhì)提升要求在本次改造中均采用LED燈具，并根據(jù)《細(xì)則》對隧道照明區(qū)段進(jìn)行節(jié)能設(shè)計優(yōu)化，按總體方案進(jìn)行基本亮度提升設(shè)計等，具體如下：

1) 白院子隧道和平政隧道為300 m以下直線短隧道，原設(shè)計未設(shè)置照明，現(xiàn)對這2座隧道增設(shè)照明系統(tǒng)。加強(qiáng)照明段設(shè)置為入口段1、入口段2，亮度設(shè)計值按長隧道標(biāo)準(zhǔn)的20%進(jìn)行取值，其他段均為中間段，不設(shè)置出口照明。

2) 梨香隧道、龍橋隧道長度小于500 m，但屬光學(xué)長隧道，均按長隧道進(jìn)行亮度設(shè)計。由于原設(shè)計進(jìn)口加強(qiáng)照明長度只有現(xiàn)行規(guī)范的1/2，提升改造的加強(qiáng)段重新進(jìn)行布設(shè)。受LED燈具最大功率限制，為達(dá)到設(shè)計亮度，入口段1采用2排燈具布置的方式；出口段的加強(qiáng)照明采用燈具原位更換的方式，長度與原設(shè)計一致分為出口段1和出口段2。

3) 中、長、特長隧道的照明系統(tǒng)改造均按總體方案的要求設(shè)計。加強(qiáng)照明燈具均采用原位更換的方式，原入口段分為入口段1和入口段2，原出口段分為出口段1和出口段2；雙車道原隧道入口段1增加一排燈具以提高設(shè)計亮度需求。對于基本照明原位換燈不滿足要求的，在原位兩者中間再增加一盞燈具以滿足總體方案亮度要求。

照明系統(tǒng)提升改造前后效果對比如圖1所示。

(a) 照明系統(tǒng)改造前

2.3 內(nèi)壁亮化涂裝改造

本次隧道內(nèi)壁亮化涂裝以全面落實(shí)“綠色、安全、品質(zhì)”的總體目標(biāo)，并利于后期運(yùn)營的降本增效。在綜合比選不同材料性能和應(yīng)用效果的基礎(chǔ)上，采用納米硅負(fù)離子材料與蓄能發(fā)光多功能材料相結(jié)合的方式，實(shí)現(xiàn)整體性涂裝對隧道通行環(huán)境的亮化提升效果，對重點(diǎn)安全區(qū)域進(jìn)行避險逃生加強(qiáng)引導(dǎo)涂裝。所采用的材料主要性能指標(biāo)應(yīng)滿足耐污性、耐久性、環(huán)保性及不燃性要求，具體如表3所示。

表3 材料主要技術(shù)指標(biāo)

材料的環(huán)保性指標(biāo)必須滿足放射性、揮發(fā)性有機(jī)化學(xué)物、苯系物含量、可溶性重金屬含量等不超過標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定限制，同時所采用的納米硅負(fù)離子材料還具有釋放負(fù)離子和提升隧道空氣質(zhì)量的效果。

為保證內(nèi)壁涂裝品質(zhì)的提升功能，本次改造對涂層施工工藝提出嚴(yán)格要求:1) 清洗隧道內(nèi)壁，保證表面無浮灰和渣子、基底無松動或掉殼；2) 采用砂漿修補(bǔ)和打磨基底，保證基底表面平整度一致；3) 噴涂和刮敷2層膩?zhàn)訉拥幕A(chǔ)上進(jìn)行底層涂料和面層涂料的施工，保證整體性色度和光潔度一致，厚度均勻，具備良好的抗污和易清洗效果。涂裝實(shí)施前后的效果如圖2、圖3所示。

(a) 涂裝前

從圖2和圖3可見，在進(jìn)行內(nèi)壁涂裝后，隧道內(nèi)的整體照明環(huán)境顯著提升。隧道進(jìn)出口的“黑/白洞效應(yīng)”明顯減弱，隧道內(nèi)部的“墻效應(yīng)”亦得到減弱，特別是應(yīng)急逃生通道遠(yuǎn)距離即可辨識且信息明確，這對提高隧道行車安全性和通行能力起到明顯的促進(jìn)作用。

(a) 涂裝前

3 改造效果測試與評價

3.1 亮化效果測試

為驗(yàn)證品質(zhì)提升改造對隧道照明亮化提升效果，現(xiàn)場分別測試了照明系統(tǒng)改造以及內(nèi)壁涂裝改造后的基本照明路面亮度，如圖4所示。由于LED燈具的高光效，改造后路面亮度水平比原系統(tǒng)提升30%以上，所采用的納米硅負(fù)離子涂層具備70%以上的反射率，在內(nèi)壁高反射率的涂層作用下，隧道路面亮度又較涂裝前提升了20%左右。

圖4 隧道品質(zhì)提升改造的路面亮度提升效果測試

為驗(yàn)證品質(zhì)涂裝的耐污和易清洗效果，對改造運(yùn)營一段時間后的石渝高速隧道內(nèi)壁進(jìn)行清洗前后的路面亮度測試，如圖5所示。檢測結(jié)果表明，清洗前隧道路面亮度較新涂裝時有所降低，亮度降低比例低于5%，但在清洗后又可提升到初裝水平，這說明本次實(shí)施的內(nèi)壁亮化涂裝滿足品質(zhì)涂裝的耐污易清洗效果。

(a) 石渝路進(jìn)城方向基本段平均照度(未清洗)

3.2 節(jié)能性評價

在滿足相同設(shè)計要求前提下，以渝黔高速隧道電量統(tǒng)計數(shù)據(jù)為例，對照明系統(tǒng)改造前后隧道基本照明和加強(qiáng)照明年用電量進(jìn)行統(tǒng)計分析，結(jié)果如圖6所示。從圖6可知，照明系統(tǒng)改造后，基本照明總體降低20%～70%不等，其中短隧道基本照明降幅最為明顯，這與之前短隧道高壓鈉燈光衰過大導(dǎo)致運(yùn)營功率過高有關(guān)；加強(qiáng)照明段電量普遍降至原來的50%左右。這一統(tǒng)計表明照明系統(tǒng)改造后，盡管燈具數(shù)量和設(shè)計亮度有所增加，但年用電量普遍降低，實(shí)現(xiàn)了品質(zhì)提升和節(jié)能降耗的雙重效果。

(a) 改造前基本照明年用電量

綜上分析可知，品質(zhì)涂裝改造對環(huán)境亮化的提升效果顯著，涂裝后對路面亮度的提升效果良好，且采用智能控制系統(tǒng)可在原基礎(chǔ)上再次降低照明功率約15%，表明本次照明品質(zhì)提升改造既可實(shí)現(xiàn)加強(qiáng)照明又能降低60%以上能耗，同時基本照明依據(jù)隧道長短，其節(jié)能效率也達(dá)35%～85%。

3.3 安全性評價

為驗(yàn)證本次照明品質(zhì)提升改造對隧道運(yùn)營安全的提升作用，項(xiàng)目組對改造后的隧道交通事故進(jìn)行跟蹤，得到改造前后同期交通事故對比情況，如表4所示。

表4 改造前后隧道交通事故比較

從表4可見，在實(shí)施了照明系統(tǒng)改造后，由于照明亮度的提升，年事故率降幅達(dá)33.33%，在實(shí)施亮化涂裝后，同期交通事故又有明顯降低，無死亡和傷人事故發(fā)生，輕微事故下降52.27%，總體事故降幅為54.35%，有效保障了人身安全，降低了財產(chǎn)損失，隧道運(yùn)營安全提升，社會效益顯著。

4 結(jié)論

本文結(jié)合重慶市照明品質(zhì)提升要求開展工作，編制總體設(shè)計方案，基于重慶高速公路隧道照明調(diào)研，對照明系統(tǒng)提升和內(nèi)壁亮化涂裝進(jìn)行針對性改造，并對改造前后的效果進(jìn)行了測試，對后期運(yùn)營節(jié)能性和安全性進(jìn)行了跟蹤，主要結(jié)論如下：

1) 提出針對不同隧道類型的照明設(shè)計方法，并確定對應(yīng)的照明設(shè)計指標(biāo)，充分利用LED燈具高光效的優(yōu)勢，切實(shí)起到照明品質(zhì)提升和降本增效的雙重效果。

2) 根據(jù)涂裝效果與所用材料性能強(qiáng)相關(guān)特性，采用納米硅負(fù)離子材料有效提升隧道環(huán)境亮度，從而提高隧道通行能力和通行效率，并創(chuàng)新性提出基于安全提升的隧道緊急避險與逃生墻面標(biāo)設(shè)計方法，有效提升長隧道行車安全性，改造后總體事故率下降達(dá)54.35%，運(yùn)營安全提升，社會效益顯著。

3) 多技術(shù)應(yīng)用的品質(zhì)提升方案與智能控制技術(shù)有效結(jié)合，可實(shí)現(xiàn)亮度提升前提下的運(yùn)營節(jié)能，至少可實(shí)現(xiàn)35%以上的節(jié)能。