连续公路隧道照明系统设计

姜丹丹1，张可可2

（长安大学电子与控制工程学院，陕西西安 710064）

作者简介：姜丹丹（1991－），女，长安大学电子与控制工程学院硕士研究生，交通运输工程专业。

张可可（1989－），男，长安大学汽车学院硕士研究生，车辆工程专业。

摘 要：公路隧道照明系统的设计一般按照《公路隧道通风照明设计规范》并结合隧道建设的实际情况进行。对于连续公路隧道，驾驶员在短时间内要连续的通过多个隧道出入口，为了使驾驶员在短时间内适应视觉的快速变化，隧道照明方案一定要科学合理。本文以陕西省境内的西安至柞水段高速公路上的三座连续隧道（青岔隧道、石砭峪隧道、终南山隧道）为例，主要对各隧道出入口段的照明进行设计，探讨灯具的合理选择及照明灯具的布置方案等。

关键词：公路隧道；连续隧道；照明设计

Abstract：The design of the Highway tunnel lighting system in general was accordanced with the＂road tunnel ventilation lighting design specifications＂and the actual construction of the tunnel．For continuous highway tunnel，the driver was con－tinuous through multiple tunnel entrances，in order to adapt to the rapid changes in the driver＇s vision，the tunnel lighting program must be scientific and reasonable．This paper took a three continuous tunnel for example，composed by Qingcha tunnel，Shibian valley tunnel and Zhongnan Mountain tunnel which located in the highway of Xi＇an to Zhashui in Shaanxi Province．Mainly gave the lighting design for entrances and exits section of each tunnel，discussed the reasonable types and position of lamps．

Key words：Highway tunnel；Continuous tunnel；Lighting design

1 前言

连续隧道中，对于隧道间距离相对较远的，各个隧道的照明可认为相互间不受影响，照明设计可以独立进行。对于隧道间距离相对较近的，上游隧道的出口照明与下游隧道的入口照明间有明显的相关关系。驾驶员在驶出上游隧道时经历了“明适应”过程，若在短暂的时间内又要经历“暗适应”过程，将会给心理和生理带来极大的影响。

《公路隧道通风照明设计规范》（JTJ026．1－1999）中提出对于连续隧道入口段的照明，当两座隧道间的行驶时间按计算行车速度考虑小于30s，且通过前一座隧道内的行驶时间大于30s时，后续隧道入口段亮度折减率可按表1．1取值。

表1．1 后续隧道入口段亮度折减率

2 工程概况

该设计选取包（头）——茂（名）高速公路陕西境内的西安——柞水段，为双洞两车道高速公路。道路限制速度为100km／h，隧道内限制速度为80km／h。连续隧道选择为包括终南山隧道在内的相邻3座隧道，其基本情况见表2．1。

表2．1 连续隧道基本情况

各隧道的相对位置如图2．1所示。

图2．1 连续隧道位置示意图

3 连续隧道照明设计亮度

上述连续的三个隧道，均为双车道单向交通，设计交通量取700辆／h＜N＜2400辆／h，取其洞外亮度L20（s）为3000cd／m2。位于中间的T2隧道比较短，且可通视，则可针对隧道T2有无照明两种方案进行设计。

A 方案一T2隧道设照明

（1）上行线隧道照明设计亮度

根据《公路隧道通风照明设计规范》，上行线中T1按单个隧道的照明设计，按内插取入口段亮度折减系数为0．03，则其入口段亮度为0．03× 3000cd／m2＝90cd／m2，中间段亮度取4．5cd／m2，出口段亮度一般取中间段的5倍，即22．5 cd／m2。

T2与T1满足两隧道间的行驶时间按计算行车速度小于30s，且通过T1的时间大于30s的计算，则T2取折减率20％得其入口段亮度为80％×90cd／m2＝72cd／m2。由于T2很短，且入口段和出口段均在距离洞外10m处开始布设灯具，因此可不设过渡段和中间段照明，而将过渡段1的亮度作为出口段亮度，取折减系数为0．3，得出口段亮度为72cd／m2×0．3＝21．6cd／m2。

对于T3，之前已连续通过两个隧道，通过T2只用9s，而驾驶员的暗适应时间一般为10s，即刚适应暗环境，又突然进入亮环境，而从T2到T3也只用了近4s，也刚适应亮环境，又立刻进入暗环境，短时间内明暗交替会给驾驶员带来视觉上的疲劳，因此T3的入口段的照明不宜设置过暗。若通过T2的时间大于30s，T3入口段的亮度应在T2的基础上折减30％，现按9s接近于30s的三分之一，则可取折减率为10％，所以T3入口段的亮度为90％×72cd／m2＝64．8cd／m2，则过渡段1的亮度为64．8cd／m2×0．3＝19．4cd／m2，过渡段2的亮度为64．8cd／m2×0．1＝6．48cd／m2，过渡段3的亮度为64．8cd／m2×0．035＝2．27cd／m2。通过T3隧道的行车时间超过135s，则中间段亮度值取为4．5cd／m2×80％＝3．6cd／m2。过渡段3的计算亮度小于中间段亮度，故可将过渡段3取消，出口段亮度取中间段亮度的5倍，即3．6cd／m2×5＝18cd／m2。

（2）下行线隧道照明设计亮度

T3按单个隧道的照明设计，入口段的亮度0．03×3000cd／m2＝90cd／m2，中间段的亮度为4．5cd／m2×80％＝3．6cd／m2，出口段亮度为3．6 cd／m2×5＝18cd／m2。

T3与T2满足两隧道间的行驶时间按计算行车速度小于30s，且通过T3的时间大于30s，则T2取折减率为30％得其入口段亮度为70％×90 cd／m2＝63cd／m2，同样可不设过渡段和中间段的照明，而将过渡段1的亮度作为出口段亮度，为63cd／m2×0．3＝18．9cd／m2。

对于T1，之前已连续通过两个隧道，从T2到T1用14s，即已完全适应亮环境，T2入口段亮度为63cd／m2，若T1入口段的亮度在此基础上折减，会导致亮度过低，给驾驶员带来视觉上的不适。由于之前在长隧道T3中行驶16min，又经过极短不到4s的时间进入T2，则可认为驾驶员基本上一直处于暗环境中，可将T3与T2看作一个整体T，则T与T1满足两隧道间的行驶时间按计算行车速度小于30s，且通过T的时间大于30s，则T1可在T3入口段亮度的基础上折减20％，得其入口段亮度为80％×90cd／m2＝72cd／m2，过渡段1的亮度为72cd／m2×0．3＝21．6cd／m2，过渡段2的亮度为72cd／m2×0．1＝7．2cd／m2，过渡段3的亮度为72cd／m2×0．035＝2．52cd／m2，中间段亮度可取4．5cd／m2。由于过渡段3的计算亮度小于中间段亮度，可将过渡段3取消，出口段亮度取中间段亮度的5倍，为4．5cd／m2×5＝22．5cd／m2。

B 方案二隧道未设照明

（1）上行线隧道照明设计亮度

T1出口段的亮度仍按单独隧道的照明设计取为22．5cd／m2。

当T2隧道未设照明时，意味着驾驶员要在较暗的环境中行驶9s通过隧道T2，再经不到4s的时间进入T3，方案一中当T2设有照明时，T3入口段的亮度为64．8cd／m2，不设照明时亮度应降低，同时考虑到入口段亮度太低会给驾驶员带来不适，则只需在此基础上折减10％，即入口段的亮度为64．8cd／m2×90％＝58．3cd／m2。则过渡段1的亮度为58．3cd／m2×0．3＝17．5cd／m2，过渡段2的亮度为58．3cd／m2×0．1＝5．83cd／m2，过渡段3的亮度58．3cd／m2×0．035＝2．04 cd／m2，中间段亮仍取3．6cd／m2，过渡段3的计算亮度小于中间段亮度，可将过渡段3取消，出口段亮度取中间段亮度的5倍，为3．6cd／m2×5＝18cd／m2。

（2）下行线隧道照明设计亮度

驾驶员在长隧道T3中行驶16min后，经过极短的时间进入较暗的T2，为了减轻明暗的快速变化给驾驶员带来的视觉疲劳，可提前让驾驶员适应较暗的环境，出口段的亮度应降低至可接受的最低程度，可在原来的18cd／m2基础上折减20％，即18cd／m2×0．8＝14．4cd／m2。

对于T1，方案一中当T2设有照明时，入口段的亮度折减20％为72cd／m2，不设照明可低于此亮度，可取折减率为30％，即90cd／m2×0．7＝63 cd／m2，过渡段1的亮度为63cd／m2×0．3＝18．9 cd／m2，过渡段2的亮度为63cd／m2×0．1＝6．3 cd／m2，过渡段3的亮度为63cd／m2×0．035＝2．2cd／m2，中间段亮度取4．5cd／m2，过渡段3的计算亮度小于中间段亮度，可将过渡段3取消，出口段亮度取中间段亮度的5倍，即4．5cd／m2×5＝22．5cd／m2。

4 照明光源及灯具选择

隧道内空气污染严重、烟雾大、透明度低、空气湿度大，因此隧道照明灯具宜使用可靠性高的封闭型和密闭型灯具。目前隧道照明中一般选用的光源是白炽灯、荧光灯、高压汞灯、低压钠灯和高压钠灯。

由于高压钠灯具有光效高、透雾性能好、使用寿命长、技术成熟可靠、价格相对便宜等优点，所以本设计照明灯具采用飞利浦牌的高压钠灯。其主要技术指标如表4－1所示。

表4－1 高压钠灯主要技术指标

5 照明灯具布置方案设计

对于单向交通隧道，为使入口段和出口段的亮度接近洞外自然光亮度，出入口段的照明由基本照明和加强照明两部分组成，前者的灯具布置应按中间段布设，后者通常会选择功率较大的灯具。又因洞外自然光对加强段亮度起到一定辅助作用，可从洞口以内10m处开始布设。

照明灯具的布置一般是先确定隧道内各分段的亮度，再根据路面所选用的材料，选定一换算系数，再换算成照度。

平均照度公式为Eav＝NΦUKη／（BS） （1）式中 N为灯具排列方式，当对称排列时取2；

Φ为灯具中光源的光通量（lm）；

U为路面直射光利用系数；

K为因相互反射作用使照度上升的系数；

η为减光系数；

B为路面宽度，本设计取9m；

S为灯具间隔（m）。

U、K、η通常可分别取0．38、0．48、1．23。

则布灯间距S＝NΦUKη／（BEav） 　（2）

本设计选取水泥混凝土路面，平均照度与亮度的换算系数取13。

5．1 连续隧道各出入口段灯具布设

（1）T2隧道设有照明

T1：基本段亮度为4．5cd／m2，平均照度Eav＝4．5×13＝58．5Lx

则基本段的布灯间距S＝NΦUKη／（BEav）

同理可求出如下的布灯间距：

①上行线出口段亮度为22．5cd／m2，则Eav＝22．5×13＝292．5Lx

（或3m）

（取2m）

过渡段1亮度为21．6cd／m2，则Eav＝21．6 ×13＝280．8Lx

（取3m）

过渡段2亮度为7．2cd／m2，则Eav＝7．2× 13＝93．6Lx

（取4m）

T2：①上行线入口段亮度为72cd／m2，则Eav＝72×13＝936Lx

（取2m）

出口段亮度为21．6cd／m2，则Eav＝21．6× 13＝280．8Lx

（取3m）

②下行线入口段亮度为63cd／m2，则Eav＝63×13＝819Lx

（取3m）

出口段亮度为18．9cd／m2，则Eav＝18．9×13＝245．7Lx

（取3m）

T3：基本段亮度为3．6cd／m2，则Eav＝3．6× 13＝46．8Lx 2×9000×0．38×0．48×1．23

S＝

9×46．8 ＝9．59m（取10m）

①上行线入口段亮度为64．8cd／m2，则Eav＝64．8×13＝842．4Lx

（取2．5m）

过渡段1亮度为19．4cd／m2，则Eav＝19．4 ×13＝252．2Lx

（取3m）

过渡段2亮度为6．48cd／m2，则Eav＝6．48 ×13＝84．24Lx

（取5m）

②下行线出口段亮度为18cd／m2，则Eav＝18×13＝234Lx（取3m）

（2）T2隧道不设照明

T1：基本段亮度为4．5cd／m2，则Eav＝4．5× 13＝58．5Lx

（取8m）

①上行线出口段亮度为20．3cd／m2，则Eav＝22．5×13＝292．5Lx

（取2．5m）

②下行线入口段亮度为63cd／m2，则Eav＝63×13＝819Lx

（取3m）

过渡段1亮度为18．9cd／m2，则Eav＝18．9 ×13＝245．7Lx

（取3m）

过渡段2亮度为6．3cd／m2，则Eav＝6．3× 13＝81．9Lx

（取4m）

T3：基本段亮度为3．6cd／m2，则Eav＝3．6× 13＝46．8Lx

（取10m）

①上行线入口段亮度为58．3cd／m2，则Eav＝58．3×13＝757．9Lx

（取3m）

过渡段1亮度为17．5cd／m2，则Eav＝17．5 ×13＝227．5Lx

（取3．5m）

过渡段2亮度为5．83cd／m2，则Eav＝5．83 ×13＝75．8Lx

（取5m）

②下行线出口段亮度为14．4cd／m2，则Eav＝14．4×13＝187．2Lx

（取2．5m）

5．2 灯具布置

三座连续隧道中灯具的安装均采用对称布置的形式，T1与T2隧道基本照明布灯间距为8m，T3隧道基本照明布灯间距为10m，均在隧道壁两侧距地面高5m处布设。加强照明灯具的安装高度同基本照明保持一致，并均匀布设于基本照明灯具间。则具 体的布灯长度与间距如表5－1～表5－4所示。

表5－1 方案一上行线各出入口段布灯

表5－2 方案一下行线各出入口段布灯

表5．3 方案二上行线各出入口段布灯

表5．4 方案二下行线各出入口段布灯

6 应急照明

应急照明的设置可采取利用基本照明作为应急照明和单独设置应急灯两种方案，但相对来说单独设置应急灯，会造成重复投资，成本加大，并且影响美观。因此本设计选用将基本照明灯作为应急照明的方案，基本照明正常时，应急照明作为基本照明的一部分，若基本照明出现问题时应急照明灯仍可继续工作，以保证隧道行车安全。应急照明灯均布置在行车方向左侧隧道壁上，且应急照明灯电源由不间断电源供给。

7 洞外引道照明

根据《公路隧道通风照明设计规范》，当设计行车速度为100km／h时，洞外引道布灯长度宜设为180m，路面亮度应不小于2cd／m2。路灯采用100W的高压钠灯。

则平均照度Eav＝2×13＝26Lx，S＝NΦUKη／（BEav）＝17．3m，T1与T2之间380m，可在离洞口10 m处开始布设，每18m设一盏，共设21×2＝42盏， T2与T3之间100m，可在离洞口5m处开始布设，每18m设一盏，共设6×2＝12盏。

8 方案对比与总结

本文提出了对T2隧道设有照明和不设照明两种方案，当T2不设照明时，由于隧道内很暗，为使驾驶员适应较暗的环境，减少明暗的快速变化带来视觉上的不适，T1和T3隧道的出入口段的亮度设置的较小，相应的平均照度也较小，理论上计算得到的布灯间距较大，但考虑到实际中布灯的均匀性和美观性，最终在T2隧道设有照明和不设照明两种情况下T1和T3隧道出入口的布灯间距和总数相差甚小，即所需成本和能耗基本一样，又考虑到设计规范中指出长度大于100m的隧道要设置照明，故从驾驶员的安全行车考虑，本设计选用方案一，即隧道设有照明。

参考文献

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