隧道工程结课论文设计-隧道照明设计浅谈.doc

硕士研究生课程«隧道工程»结课论文院(系):土木工程与建筑学院专业：建筑与土木工程任课教师:研究生:学号:成绩：日期：2014年月日 隧道照明设计浅析【摘要】隧道照明不同于一般道路照明，有其明显的特殊性和重要性，对隧道的交通安全起着至关重要的作用。隧道照明具有隧道外亮度差极大、空气污染严重、空间有限、噪音大、震动大等特点。隧道的照明要根据这些特点来设计解决。且隧道具有缩短里程、节省时间、提高交通运输效率、节省用地和有效保护生态环境等优点，但伴随着隧道照明设施的规模及数量与隧道的运营电费和维护费用必将越来越大、越来越高。因此，在当前我国能源紧、用电缺口巨大的形势下，做好隧道照明的节能也有很重要的意义。来本文重点介绍隧道照明的主要特点及照明设计方法、影响隧道照明因素、隧道照明应注意的问题及隧道照明节能措施。【关键词】隧道照明；照明设计；照明节能一、隧道照明的特点隧道照明具有以下特点：隧道外亮度差极大、空气污染严重、空间有限、噪音大、震动大等。隧道照明的设计不同于道路照明，尤其在白天晴天的时候隧道外的亮度差别极大（通常相差几百到几千倍），驾驶员进入隧道时，从外部向隧道看是一个黑洞（对长隧道而言）或一个黑框（对短隧道而言）；白天驾驶员通过较长的隧道接近出口时，看到的是一个刺眼的炫亮白洞。为了消除黑洞和白洞现象，必须在隧道的入口和出口使路面的亮度达到一定水平，即加强照明；隧道由于车辆排除的烟气，受到汽车前照明灯的照射，光线被烟雾吸收形成光散射现象，造成光幕，从而是前方的障碍物与路面、侧壁亮度对比减弱，使驾驶员识别障碍物的能力下降，所以隧道基本段的亮度也要比普通路面高，而且隧道灯具的布置还应该尽量减少频闪现象。二、隧道照明设计人眼对光的适应特性：从眼睛构造可知，视细胞有锥体细胞和杆体细胞两种，这两种细胞对光的感受性是不同的，杆体细胞对光的感受性很高，而锥体细胞对光的感受性很低。在明亮的环境下（亮度达到10cd/m2），主要由锥体细胞参与视觉工作，这种视觉状态称为明视觉；在昏暗的环境下（亮度在10-2~10-6cd/m2），主要由杆体细胞参与视觉工作，这种视觉状态称为暗视觉；亮度在10~10-2cd/m2时，杆细胞和锥体细胞同时工作。锥体细胞和杆体细胞对光的敏感性不同，锥体细胞对555nm的光敏感性最大，杆体细胞对507nm的光敏感性最大。眼睛不但在下能看清物体，在月光下也能看见物体，这主要是由于锥体细胞和杆体细胞相互交换工作、瞳孔的大小变化以及视网膜上的化学变化等因素有关。当视觉环境亮度有较大幅度变化时，视觉对视觉环境亮度变化顺应时的感受性称为适应。适应有明适应、暗适应两种。人从黑暗处进入明亮环境时，最初会感到刺眼，而且无法看清周围的景物，但过一会儿就可恢复正常的视力，这种适应叫明适应。人从明亮的环境进入暗处时，在最初阶段将什么都看不见，逐渐适应了黑暗后才能区分周围物体的轮廓，这种从亮处到暗处人们视觉阀限下降的过程就称为暗适应。明适应和暗适应所需的适应时间视具体情况有长有短，一般说来明适应所需时间短，暗适应所需时间长。在设计隧道照明时，要考虑到人的明适应和暗适应因素，重视过渡空间和过渡照明的设计。为了满足眼睛适应性要求，在隧道入口需作一段明暗过渡照明，以保证一定的视力要求。隧道出口处因适应时间很短，一般在1s以，故可不作其它处理，况且隧道照明不同于其它道路照明，存在以下几种特殊的视觉问题：（1）进入隧道前（白天）：由于隧道外的亮度差别极大，因此从隧道外部去看，照明很不充分的隧道入口会看到“黑洞”现象。 （2）进入隧道后（白天）：汽车由明亮的外部进入即使不太暗的隧道以后，要经过一定时间才能看清隧道部的情况，这称为“适应滞后”现象。（3）隧道出口处：在白天，汽车穿过较长的隧道接近出口时，由于通过出口看到的外部亮度极高，出口看上去是个“亮洞”，会出现极强的眩光，驾驶员感到极不适应；夜间与白天正好相反，隧道出口看到的不是亮洞而是黑洞，这样驾驶员就看不清外部道路的线型及路上的障碍物。以上这几种特殊的视觉问题给隧道照明提出了较高的要求。有效解决这些视觉问题，可从以下几方面着手。1、隧道照明的设置隧道照明可划分为引入段、适应段、过渡段、基本段和出口段等五个区段照明，其每个区段照明的作用：引入段：消除“黑洞”现象，使驾驶员在洞口处能辨认障碍物；适应段：进入隧道后，驾驶员能很快适应并消除“黑洞”现象；过渡段：驾驶员逐渐适应隧道部照明；基本段：隧道部基本照明；出口段：在白天，使驾驶员能逐渐适应出口处的强光，消除“亮洞”现象；在夜间，使驾驶员能在洞看清外部道路的线型及路上的障碍物，消除出口处的“黑洞”现象。隧道照明的设计亮度以白天和夜间两种不同情况来确定，白天照明的隧道，其照明区段的划分和路面最低亮度可按照下列照明渐变图和表1如下：照明渐变梯度图（白天）表1区段照明长度及路面最低亮度注：（1）上表是以隧道口部环境亮度为4000cd/m2为基本亮度拟定的，如果洞外亮度大于或小于4000cd/m2表值应乘以系数k0。K0=洞外环境亮度/4000（2）当洞口没有减光措施时，要考虑缩短或取代引入段。（3）当设计速度超过80km/h时应作专门研究。 隧道照明的设计是以亮度作为衡量指标的。但在设计方案的计算当中，我们还必须引入照度的指标进行参考。照明要求的亮度是分白天和夜间两种不同情况。隧道出口和入口的照明设计应达到一定的照度标准。在白天，隧道出口段的亮度和入口段的亮度，应比隧道基本照明亮度值高；在夜间，则相反，应低于隧道基本照明亮度值；当隧道外有路灯照明时，隧道路面亮度值不得低于露天亮度值得2倍。2、照明光源及灯具照明光源及灯具的选择是否适当是隧道照明质量有无保证的关键。隧道照明的光源，除应满足在隧道特定环境下的光效、光通量、寿命及工作特性、光色、显色性和控制配光的难易程度等要求外，还应选择在汽车排烟形成的烟雾中仍能保证有良好能见度的光源。因此，通常情况下，应使用在烟雾中有较好透视性的低压钠灯或高压钠灯，如果是短隧道或柴油车比率较小的隧道，烟雾会少些，亦可使用显色性相对较好的荧光灯。隧道出入口的照明，可选用光通量高的高压钠灯。选择照明器时应注意选择尺寸合理、耐腐蚀性强、不易老化、防潮和防喷流的灯具。照明器应有较好的配光性能，避免眩光，可采用专用的隧道灯。隧道基本照明及夜间照明标准列入下表：注：（1）平均照度换算系数：13（混凝土路面）；22（沥青路面）（2）当设计车速超过80km/h时应作专门研究。3、照明灯具的布置隧道照明灯具的布置，除考虑亮度分布外，还要考虑闪光、诱导性、灯具维修方便，其布置形式主要有三种，即相对排列、交错排列和中央排列。为了避免灯具不连续直射光由侧面进入驾驶室造成“闪光”的不快感，应尽量不将灯具装在侧面，而装在隧道顶部两侧或中央，且安装高度应在路面以上4m为宜。照明灯具呈线形分布，在一般情况下路面亮度均匀度不应小于0.35。 在照明灯具的选用上，一般分为一般照明、应急照明、特殊灯光照明这三种情况，根据不同的情况要选用不同的照明灯具。（1）一般照明一般照明包括保证隧道正常行车所必需的基本照明和消除出入口“白洞”和“黑洞”效应的加强照明。隧道基本照明布灯方案为：两侧交错布灯，间距为10m，灯具安装于距路面中心5.3m处的隧道侧壁上。为了美观，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。按规要求一般照明为一级负荷。根据《民用建筑电气设计规》（JGJ/T16－92）第11.8.6条要求：“特别重要的照明负荷，宜在负荷末级配电盘采用自动切换电源的方式，也可采用由两个专用回路各带约50％的照明灯具的配电方式。”显然，“在负荷末级配电盘采用自动切换电源的方式”不适于隧道照明，本隧道采用“由两个专用回路各带约50％的照明灯具的配电方式”。这样即使在有一路电源或一台变压器检修或故障的情况下，也能保证隧道最少有一半灯具正常点亮，不会引起整个隧道一般照明灯具全部熄灭而对高速行驶的车辆造成危险。隧道的照明根据各区段在不同环境下的亮度要求及交通量进行控制。通过隧道、外设置的亮度监测仪和环形线圈来检测隧道口附近的光强，并通过隧道的交通量来控制各区段的照明亮度，使驾驶员尽快适应隧道、外的光强变化，消除因光强变化所引起的视角障碍，从而达到既满足隧道的亮度要求，保证行车安全，又能延长灯具使用寿命和节约能源的目的。根据《公路隧道通风照明设计规》（JTJ026.1－1999）要求“入口段加强照明白天分晴天、云天、阴天、重阴4级控制，基本照明分夜晚交通量大、交通量小2级控制，出口段加强照明分白天、夜晚2级控制”。（2）应急照明大部分驾驶者在进入隧道时一般会开启车灯，但是还有部分驾驶者在进入一般照明全开启的隧道后会关闭车灯，这样做存在着很大的危险。虽然我们前面所说的一般照明是按照一级负荷来供电的，但是也不排除两路电源同时故障的可能。如果一般照明断电的话，没有开启车灯的车辆在隧道这样一个狭小的空间高速行驶其危险性就不言而喻，会发生由于司机的恐慌而引起追尾、碰壁等一系列交通事故。而设置了应急照明的隧道就完全可以降低此类事故的发生，当一般照明断电时，还有一部分应急照明灯具继续工作，虽然亮度较一般照明低，但是足以使司机采取一系列的安全驾驶措施，如：开启车灯、减速等。应急照明的设置有以下几种方案：（a）从布灯方式上分为利用基本照明灯作为应急的方案和单独设置应急灯的方案。这两种方案都可以满足要求，由于大部分隧道采用高压钠灯照明，而高压钠灯（包括其它气体放电灯）断电后再起动时间较长（5～8min），很难作为应急照明灯。现在国外在采用高压钠灯作为照明光源在隧道中的常规做法是单独设置应急灯，这样会造成重复投资，并且影响美观。因此采用的是利用基本照明灯作为应急照明的方案。平时应急照明作为基本照明的一部分，当基本照明出现故障后应急照明灯继续工作，以保证隧道行车安全。（b）从应急电源选用上有集中设置应急电源和分散应急电源方案。分散应急电源一般应用于规模较小的建筑中，而在大型建筑中由于应急灯具数量较多，考虑到维护和投资方面的因素，一般采用集中应急电源装置。集中应急电源装置一般有EPS（应急电源）、UPS（不间断电源）和发电机几种。因启动发电机启动时间较长，不满足《公路隧道通风照明设计规》（JTJ026.1－1999）第4.9.1条“长度大于1000m的隧道应设置应急照明系统，并保证照明中断时间不超过0.3s。”的规定，因此设计中发电机作为应急电源的方案不予考虑；而由于隧道的特殊环境要求，并且从节能、寿命的方面考虑，最终应急电源选用了EPS装置。采用高压钠灯等气体放电光源作为隧道应急照明尚无先例，通过试验证明高压钠灯在中断供电时间大于5ms的情况下，部分产品有熄灭现象，一旦熄灭再启动时间 更长。基于常规的EPS装置切换时间（市电转应急）为0.1s，为了满足隧道应急照明能正常可靠的工作，设计要求EPS装置的切换时间小于5ms。（c）疏散及诱导照明。当隧道发生火灾时，产生的大量烟雾将笼罩在隧道顶部，并且随着气流方向向前推进。大量烟雾将会使隧道亮度急剧下降，因此对人员、车辆的疏散极为不利，可能使疏散的人员及车辆发生二次灾害。基于上述原因，隧道应设置疏散及诱导照明。采用LED光源，间距为10m，其中每40m设一盏疏散指示灯，以便火灾状态下指示人员安全快速地离开现场。每120m设一盏蓝色疏散指示灯，提醒司机保持与前车之间的安全距离。疏散灯为长明灯，不受控制；诱导灯正常情况下常亮，当发生事故时，通过隧道监控中心下发指令，将诱导灯调为闪烁状态以提醒司机谨慎驾驶。疏散及诱导照明电源由EPS提供。（3）特殊灯光照明在一般照明灯的安装高度，于隧道每侧安装一排蓝色的投光灯向洞顶投射，将洞顶整体照亮，形成“蓝天”的基本色调。再用图案灯将预先制作的“白云”等图像投射到隧道顶部，来形成“蓝天”“白云”的效果。道路两侧，合理设置了一些仿真植物等景观，并给以适当的泛光照明，目的是更能逼真地再现室外自然环境。这样，一幅美仑美奂的“蓝天白云”效果就形成了，驾车穿过，有穿越时空的感觉，同时，这些仿真植物等景观的设置，还可以起到行车诱导作用。4、照明供电隧道照明由于突然停电或其它原因而熄灭时，在全黑的情况下容易造成危险事故。因此，隧道照明的供电电源要求较高，一般应有两个独立电源供电，并设应急照明，应急照明亮度值不得低于基本亮度值的1/10，且应急照明必须有独立的供电系统。三、隧道照明节能措施探讨1、隧道照明系统设计中存在的问题为确保高速公路隧道行车安全，国家已明确规定了高速公路隧道各段照明的平均照度值，但是高速公路隧道照明由于受灯具设备的选型与安装、道路几何与隧道走向、路面状况、隧道壁反射特性等多方面因素的影响，隧道照明平均照度值计算变得非常复杂，从而影响到隧道各段照明的平均照度值。高速公路隧道照明系统设计方案中普遍存在以下问题：①高速公路隧道照明系统建设投资成本费用高。②高速公路隧道照明系统投入使用后，运营能耗大。③高速公路隧道照明系统投入运营后，维护、维修工作量大费用高。2、隧道照明现有控制方式及存在的问题国目前对隧道照明设备的控制方式主要有三种：手动控制模式、分时段进行的时序控制模式和分级控制模式。在实际使用中最常用的方案是采用分级控制模式，即根据气候条件、隧道外的照度及交通流量进行控制分级。其工作原理是：通过隧道外设置的照度检测仪，检测隧道入口处外的光强度，并辅以车流量等其他信息，分级控制整个隧道各段的灯光照明强度使驾驶员能尽快适应隧道外的光强变化，消除因光强所引起的视觉障碍，减少事故的发生。现有照明控制模式在实际运行中存在着相当大的电能浪费。为了保证车辆的通行安全，隧道照明系统的设计采用保守的预估方法。对洞外照度的设计是以全年洞外最大亮度和最高行车时速来确定隧道各段的灯具功率和灯具分布密度。而在实际运行过程中，照明强度一般远远小于设计参数，因此照明系统的节能设计还有很大的改进空间。此外，在照明控制过程中因线路布线回路的限制，只能做到2～3级人工或自动控制对于如天气、车速、车流量等参数只是在设计阶段给予以最大值考虑，最终各段的照明照度也始终处于最大值状态，无法对整个隧道的照明进行自适应控制。因此这种传统设计与使用的隧道照明系统存在着大量电能浪费问题。3、隧道照明节能方法 隧道照明节能包含照明设计节能和管理节能等方面，其中照明设计节能是最重要的节能措施，它包括采用新颖的、可靠的设计理念和合理的标准值，以及采用高效光源、高效灯具、增大光反射系数和照明控制节能等。（1）采用先进的隧道照明控制和管理系统现在高速公路隧道照明系统控制，都采用时间控制器方法进行控制，即设定某时开白天灯，某时开夜晚灯。一年365d，白天与夜晚时间是变化的(即夏季日照长、冬季日照短)，而时间设定控制为固定的，不能根据隧道外实际照度对比值进行控制，造成隧道照明系统电能浪费。若要隧道管理人员经常到现场修改设定控制器开关时间，它将增加隧道管理人员工作量和维护费用。在隧道实际运营过程中，隧道照明取值与车速、车流量、洞外光照有密切的关系。隧道照明控制参数研究的一个目标，是在确保安全的前提下，实现隧道照明的高效节能。隧道照明节能综合控制系统，以检测得到的洞外亮度、车速、车流量等交通参数为输入，以照明节能控制器为执行设备，开发照明节能控制系统。该系统能够根据交通参数和环境参数，自适应调节控制灯具亮度，在保证安全行驶条件的前提下，实现灯具照明的最优控制。（2）确定合理的隧道照明设计标准值在机动车交通量和设计行车速度一定的条件下，现行的隧道照明系统的设计基准一洞外亮度的取值大小将直接关系到入口段和过渡段亮度取值大小，也即与隧道照明节能、营运电费、工程投资和行车安全有关。因为洞外亮度随当地的气候、季节、时刻、隧道朝向、隧道入口的视野环境，如绿化、植被等有关。据研究表明，当其他条件不变时，洞外亮度值的改变对电费和设备费用影响很大。所以应通过调查分析、实测比较、理论分析和在光气候理论基础上，考虑洞外植被情况、当地光气候特点等合理地确定洞外亮度值。另外基本照度也应该根据现场环境和各种交通参数进行确定，从而达到节能的目的。（3）使用新型的照明灯具和光源　　目前，国隧道灯具多采用白炽灯、荧光灯、高压钠灯、低压钠灯等，大多存在光带窄、配光质量不够、能耗高、质量稳定性差、寿命短等问题。普遍使用的高压钠灯发黄光，也导致隧道照明的视觉效果不佳，影响行车安全。因此，采用新型照明灯具和合理的控制系统对保证隧道经济安全运行有着十分重要的意义。无极灯、LED灯等新产品引起了人们的日益关注。这些产品应用于隧道照明，除满足隧道对灯具光效、光通量、寿命及工作特性、光色、显色性和配光控制难易程度等主要要求外，还能节约运行和维护成本，实现稳定经济运行。因此可从隧道照明光源：高压钠灯、金属卤化物灯、无极荧光灯(电磁感应灯)、节能灯、LED灯中，利用反应时间实验等确定隧道照明光源。（4）增大光反射比　　如果选择合适的灯具及其安装角度，并且增大顶棚和墙壁的反光比，山]隧道顶棚、墙和路面之间的多次反射，估计可使隧道照明反射光增量系数将比表面未作处理的隧道约增人20％，即节电20％左右。（5）管理节能　　管理节能丰要是指对隧道光源、灯具等按规定进行维护，即对灯具进行定期清洁工作，对光源和附件进行检修，尤其是检查气体放电光源的无功补偿电容有无击穿，此外还需要对照明控制装置进行调整等。总之，对隧道照明系统进行维护的目的是提高照明灯具的维护系数，使照明系统处于良好的工作状态下，使隧道照明系统不但满足照明要求，而且达到节能要求。隧道照明节能的方法和措施，在国隧道已有进一步的应用和研究。随着高速公路的建设越来越深入山岭地区，隧道建设的日益增多，隧道照明节能将越来越受到社会公众及相关管理部门的重视，更需要及时、认真地研究和解决相关技术和管理问题，使节能效果真正在实际运营中得以显现。 四、结语综上所述，隧道照明所涉及到的主要因素有：路面的平均亮度，路面平均亮度分布的均匀度，眩光程度和闪光作用。灯具布置的诱导性、灯具及光源的选型、照明的连续性等，这些在设计中均应加以考虑。由于隧道照明有其特殊性和重要性，考虑不周、设置不当都容易诱发交通事故，危及人身安全，因此对隧道照明应引起足够的重视。且在当下环境污染严重，资源紧的情况下，采用有效的照明节能设计，更能优化设计，节约成本，推行可持续发展的宗旨。【参考文献】：[1]王学堂，展旗，隧道照明控制工程研究，《大学交通大学学报，1998，（1）[2]文成，大华，林燕丹，隧道照明的探讨及其实践。《海峡两岸第十一届照明科技与营销研讨会专题报告文集》[3]交通部部颁标准，公路隧道通风照明设计规（GJJ45-2006）[S]，人民交通，2006.[4]交通部部颁标准，公路隧道通风照明设计规（JTJ026.1-1999）[S]，人民交通，2000.[5]肖振鹏，黄桂树，高度公路隧道照明节能技术研究[C]//第九届中国高速公路信息化管理及技术研讨会论文集，；中国交流信息产业，2007：300-303.[6]仲林，高速公路隧道照明节能研究[J].灯与照明，2008,32（3）：6-16,30.