隧道洞口照明新形式及新技術(shù)研究

隧道洞口照明新形式及新技術(shù)研究課題驗收評審會課題負責單位：上海市隧道工程軌道交通設(shè)計研究院課題參加單位：復旦大學

隧道洞口照明新形式及新技術(shù)研究內(nèi)容提綱項目背景一隧道洞口天然減光設(shè)置的條件和具體形式二隧道洞口新型減光形式的研究三考核指標完成情況及應用效益五光導照明技術(shù)在隧道工程中的應用試驗研究四為解決隧道的黑（白）洞效應，隧道除設(shè)置24小時點亮的基本照明外，通常還需在洞口引入段、適應段、過渡段設(shè)置漸變式的光過渡措施。國內(nèi)外目前普遍采用兩種光過渡方式：一種為單獨的人工加強照明過渡，另一種過渡為天然減光和人工加強照明的混合過渡。一、項目背景1、隧道洞口光過渡設(shè)置現(xiàn)狀隧道作為公路的特殊路段，當車輛在駛?cè)搿⑼ㄟ^和駛出隧道時，亮度的突變會使視覺產(chǎn)生“黑洞效應”或“白洞效應”。隧道洞口照明必須采取相應的措施，使司機的視覺逐步適應，從而確保隧道內(nèi)行車安全。單獨的人工加強照明是指僅僅依靠在隧道洞內(nèi)設(shè)置加強照明燈具的方法來完成光過渡，此種方式耗電量較大！一、項目背景2、隧道洞口光過渡設(shè)置新形式人工加強照明：對于一條暗埋段長1km、行車速度為60km/h的隧道，該部分人工加強照明用電量約占該條隧道照明總用電量的50%！本課題擬引入無任何人工能耗的光導照明系統(tǒng)取代人工加強照明，從而創(chuàng)造了一種全新的隧道洞口光過渡方式：天然減光和天然加強照明的全天然光過渡！隧道洞口照明新形式及新技術(shù)研究研究目的以上海長江西路隧道為依托工程，對隧道洞口照明新形式及新技術(shù)開展系列研究工作，包括隧道洞口天然減光設(shè)置的條件和具體形式、隧道洞口新型減光形式和光導照明技術(shù)等，從而確定上海長江西路隧道洞口吸音棚的減光方案以及光導照明的布置方案。在對工程實際起到積極指導作用的同時，其成果將對同類工程的洞口照明光過渡有著較高的推廣應用價值。并為光導照明系統(tǒng)在隧道乃至地下空間內(nèi)大規(guī)模應用提供技術(shù)保障，為我國地下空間節(jié)能減排設(shè)計提供有利的理論指導和完備的技術(shù)支撐。一、項目背景3、研究課題與目的研究課題內(nèi)容提綱項目背景一隧道洞口天然減光設(shè)置的條件和具體形式二隧道洞口新型減光形式的研究三考核指標完成情況及應用效益五光導照明技術(shù)在隧道工程中的應用試驗研究四二、隧道洞口天然減光設(shè)置的條件和具體形式1、隧道洞口設(shè)置天然減光的必要性研究表明，隧道出入口處駕駛員視力恢復時間與隧道洞口外照度和洞口內(nèi)照度之差存在密切聯(lián)系。以隧道入口為例：隧道入口駕駛員視力恢復時間與照度差之間的關(guān)系二、隧道洞口天然減光設(shè)置的條件和具體形式1、隧道洞口設(shè)置天然減光的必要性由上圖可以看出，隧道口內(nèi)外的照度差越大，駕駛員需要越多的視力恢復時間。一般情況下，隧道洞口內(nèi)外照度差很大，故駕駛員需要較長的視力恢復時間。當穿過隧道洞口的車輛速度很快時，駕駛員沒有足夠的時間來調(diào)整視覺，故容易發(fā)生交通事故。對于上述情況，既可以通過限制駕駛員的速度來減少交通事故，也可以通過在隧道洞口設(shè)置光過渡帶，即減光裝置來提高行車安全。由于不能完全依靠減速行駛來提高隧道洞口的行車安全，故隧道洞口設(shè)置減光裝置是非常有必要的。二、隧道洞口天然減光設(shè)置的條件和具體形式2、天然減光的形式天然減光形式可大致分為植被減光和建筑減光。植被減光：利用常綠植被反光柔和且對人類的視覺有舒適度的特點來達到降低洞口附近區(qū)域的亮度的效果。建筑減光：常見的方案有遮陽棚、遮光棚和遮光板等。遮陽棚的構(gòu)造特點主要是在鋼筋混凝土梁上嵌裝透明或者半透明材料，以降低隧道洞口處的視野亮度；遮光棚的構(gòu)造主要是在隧道U型槽兩側(cè)擋墻上架設(shè)鋼筋混凝土梁以降低洞口視野亮度；遮光板是一種防眩功能為主的構(gòu)造物，作用是遮擋太陽耀眼的眩光。123二、隧道洞口天然減光設(shè)置的條件和具體形式3、天然減光各方案的優(yōu)缺點植被減光：減光效果有限，減光植被若非四季常綠，則其減光效果在冬季將大為削弱。遮陽棚減光：能降低雨雪對路面帶來的安全隱患，減少雨雪對路基的侵蝕，延長其使用壽命等。但遮陽棚會增加建設(shè)成本，需要定期維護；雨雪和環(huán)境污染會造成遮陽棚減光效果不穩(wěn)定；遮陽棚封閉式環(huán)境造成風機臺數(shù)增加；其表面反光材料會造成城市光污染。遮光棚減光：可以彌補遮陽棚受環(huán)境因素影響較大的缺點，運營期間維護工作量小又有利于隧道通風，可減少風機臺數(shù)。但其減光和防眩的效果并沒有遮陽棚理想。遮光棚是目前隧道洞口運用最為廣泛的天然減光措施。其設(shè)計主要任務也是保證較好的減光和防眩效果。二、隧道洞口天然減光設(shè)置的條件和具體形式4、天然減光措施——遮光棚成功案例上海長江隧道遮光棚實景效果上海長江隧道遮光棚段照度過渡曲線（11:30~13:30）由以上遮光棚段照度過渡曲線易得，上海長江隧道工程洞口遮光棚段內(nèi)相鄰測試區(qū)的平均照度之比（由高到底）均小于3倍，且有效降低了隧道洞口的光亮度值，在達到減光和防眩效果的同時，實現(xiàn)了良好的光過渡效果！內(nèi)容提綱項目背景一隧道洞口天然減光設(shè)置的條件和具體形式二隧道洞口新型減光形式的研究三考核指標完成情況及應用效益五光導照明技術(shù)在隧道工程中的應用試驗研究四三、隧道洞口新型減光形式的研究1、透光材料貼膜技術(shù)近年來，透光材料貼膜技術(shù)被大量運用于城市建筑中，玻璃貼膜通過在玻璃表面用粘膠、壓敏膠貼上一層薄膜或?qū)訅罕∧さ确绞剑官N膜玻璃具有安全、遮陽、絕熱、裝飾等多種功能。建筑玻璃貼膜一般為聚酯薄膜，主要分為建筑節(jié)能膜和安全膜兩大系列。玻璃貼膜一般不燃燒，或者燃燒速率不大于100mm/min，且玻璃貼膜可提高玻璃的抗沖擊性能，防止玻璃破碎后飛濺對人造成傷害。根據(jù)以上玻璃貼膜性能，結(jié)合隧道洞口的減光需求通過選擇不同透光率的玻璃和不同透光率的建筑貼膜進行組合，得到不同的透光玻璃幕墻，將該玻璃幕墻裝設(shè)于隧道出入口處，以實現(xiàn)隧道洞口的天然減光及光亮度的初步過渡。三、隧道洞口新型減光形式的研究2、設(shè)置不同亞克力板透光率的技術(shù)亞克力屬于丙烯醇類，是一種極佳透明度無色透明有機玻璃板材，透光率達92%以上；它對自然環(huán)境適應性很強，即使長時間在日光照射、風吹雨淋也不會使其性能發(fā)生改變，抗老化性能好，在室外也能安心使用。通過改變隧道洞口吸音棚頂棚亞克力板的透光率，從而實現(xiàn)隧道洞口的天然減光及光亮度的初步過渡。亞克力板一個非常重要的運用是高速公路上的隔音墻。此外，亞克力板還大量運用于吸音棚頂棚，如上海新建路隧道洞口吸音棚。三、隧道洞口新型減光形式的研究3、玻璃貼膜減光技術(shù)與亞克力板減光技術(shù)的對比優(yōu)點：隔熱節(jié)能、抗紫外線、美觀舒適、安全防爆等。缺點：①玻璃與貼膜均對可見光的通過率有損失，當貼膜和玻璃組合的時候，其透光性可能會受到較大的限制。②貼膜的使用壽命對后期養(yǎng)護和維護的要求比較苛刻：玻璃在貼膜之后，堅硬的東西對于玻璃的耐磨層是個挑戰(zhàn)，會磨損或割破玻璃膜。優(yōu)點：①對自然環(huán)境適應性很強，即使長時間在日光照射、風吹雨淋也不會使其性能發(fā)生改變，抗老化性能好。②其透光性能決定于亞克力板，透光率控制比玻璃幕墻貼膜好。③其耐火性也優(yōu)化于玻璃幕墻貼膜技術(shù)缺點：安全防爆性能和美觀性能比玻璃幕墻貼膜差VS玻璃貼膜減光技術(shù)亞克力板減光技術(shù)顯然，在應用于隧道洞口的減光場合，亞克力板減光技術(shù)要優(yōu)于玻璃貼膜減光技術(shù)。三、隧道洞口新型減光形式的研究4、最終長江西路隧道吸音棚減光方案通過對上述各種隧道洞口減光形式的分析研究與比較，本課題組擬對上海長江西路隧道浦西匝道洞口外的吸音棚減光方案采用建筑專業(yè)推薦的對吸音棚上采光亞克力板設(shè)置不同透光率的方案，從而實現(xiàn)對浦西匝道洞口的天然減光及光亮度初步過渡。具體方案為：在浦西進出口匝道吸音棚頂棚設(shè)置3米寬的采光亞克力板，并根據(jù)不同透光率設(shè)置如下區(qū)段：以浦西匝道洞口為起始里程，依次設(shè)置采光亞克力板透光率為40%的區(qū)段49m，透光率為65%的區(qū)段35m，透光率為90%的區(qū)段30m。通過軟件的模擬分析，吸音棚入口段（透光率為90%段）與洞外照度的照度比滿足規(guī)范≥0.012的要求，且之后不同透光率區(qū)段間路面平均照度過渡良好（相鄰區(qū)段照度比（從高到低）均小于3倍），故浦西進出口匝道的吸音棚整體光過渡滿足規(guī)范要求。三、隧道洞口新型減光形式的研究4、最終長江西路隧道吸音棚減光方案吸音棚減光方案軟件模擬光過渡曲線上海長江西路隧道浦西匝道洞口吸音棚減光方案內(nèi)容提綱項目背景一隧道洞口天然減光設(shè)置的條件和具體形式二隧道洞口新型減光形式的研究三考核指標完成情況及應用效益五光導照明技術(shù)在隧道工程中的應用試驗研究四四、光導照明技術(shù)在隧道工程中的應用試驗研究1、理論分析——光學仿真計算①隨著采光器折射率的增加，采光器的透過率減少，光導管效率降低。我國自2005年才從國外逐漸引進光導照明技術(shù)，對于光導管系統(tǒng)的研究較少，模型試驗及相關(guān)測試數(shù)據(jù)也有限，為了對這一新型的照明裝置有進一步的認識與研究，本課題小組對光導照明系統(tǒng)進行了光學仿真計算研究。通過光學仿真分析各種結(jié)構(gòu)工藝參數(shù)對導光管光學效率的影響，為光導產(chǎn)品的選擇與應用提供參考：②隨著采光器厚度的增加，采光器的透過率下降，光導管效率降低。③隨著漫射器折射率的增加，漫射器的透過率減少，光導管效率降低。④隨著光導管內(nèi)表面反射率的增加，光導管效率幾乎呈線性增加。⑤隨著光導管長度的增加，光導管效率微微降低。⑥隨著光導管直徑的增加，光導管效率明顯增加。四、光導照明技術(shù)在隧道工程中的應用試驗研究2、現(xiàn)場光導測試棚本課題以國內(nèi)首次應用光導照明系統(tǒng)的上海長江西路隧道為依托工程，在長江西路隧道浦東洞口以1:1的比例模擬該隧道浦西進出匝道搭建了一個光導測試棚，研究光導照明系統(tǒng)在隧道工程中應用的可行性、光導照明區(qū)照度與洞外照度的關(guān)系以及光導管布置間距對光導照明區(qū)照度的影響等一系列新論題。四、光導照明技術(shù)在隧道工程中的應用試驗研究3、可行性研究由于光導照明獨特的即時性，本課題組每天從早8點至晚5點，每間隔1個小時依次對室外路面、光導入口段路面和光導出口段路面的照度進行一次系統(tǒng)測試，并實時記錄每次測試時的天氣情況以及測試時間。結(jié)合該隧道浦西匝道洞口的吸音棚對其采光亞克力板設(shè)置不同透光率進行了天然減光的工程實際，可得如下光過渡曲線。浦西進口匝道洞口整體光過渡曲線（冬天）浦西進口匝道洞口整體光過渡曲線（夏天）四、光導照明技術(shù)在隧道工程中的應用試驗研究3、可行性研究由以上光過渡曲線可以看出，在夏季的光過渡曲線中，吸音棚透光率為40%段過渡到光導棚入口段的路面照度遞減率較大，前者照度值約為后者的6.6倍。結(jié)論：僅在3月份，上海市新建路隧道以及上海長江隧道兩條隧道洞口的照度最大遞減率已達到5.3倍，因此可推算，本工程在夏天6.6倍的照度遞減率是可以滿足洞口光過渡的實際需求，故光導照明系統(tǒng)應用于長江西路隧道浦西進出匝道的方案是可行的。對于6.6倍的路面照度遞減率，本課題組實地調(diào)研測試了洞口光過渡較理想的已建隧道——上海市新建路隧道以及上海長江隧道。以下為兩條隧道洞口各自的光過渡曲線及實際效果。四、光導照明技術(shù)在隧道工程中的應用試驗研究3、可行性研究新建路隧道（2011.3）長江隧道（2011.3）5.3倍4.1倍四、光導照明技術(shù)在隧道工程中的應用試驗研究4、光導照明區(qū)照度與洞外照度的關(guān)系由于光導照明系統(tǒng)自身不提供光源，而是將大自然的太陽光線最大限度地導入系統(tǒng)內(nèi)部并進行重新分配、傳輸和強化后，再最大限度地漫射到任何需要光線的地方。故光導照明區(qū)照度與外界自然光照度息息相關(guān)。測試起始時間天氣情況室外平均照度（lx）地面平均照度(lx)地面平均照度/室外平均照度天氣情況室外平均照度（lx）地面平均照度（lx）地面平均照度/室外平均照度8點晴9568140.900.0147陰8973150.910.01689點晴33866395.910.0118陰12393205.070.016510點晴54253726.420.0135陰11597182.320.015711點晴777651077.020.0139陰13867270.300.019512點晴769461114.910.0144陰43143613.330.014213點晴66554764.580.0116陰42767663.640.015514點晴57130526.870.0091陰30523384.740.012615點晴29030286.150.0101陰10570203.900.019316點晴20530179.160.0104陰5627104.130.0185平均值0.01220.0165不同天氣情況、不同時刻光導照明區(qū)照度與洞外照度對照表（春季）四、光導照明技術(shù)在隧道工程中的應用試驗研究4、光導照明區(qū)照度與洞外照度的關(guān)系①在同一種天氣情況下的不同時刻，光導照明區(qū)照度與洞外接近點照度的比值基本保持一致，這說明了在光導照明系統(tǒng)下，隧道內(nèi)路面照度值將隨著洞外光照度值的變化基本呈線性變化，從而保證了行車司機從隧道洞外駛?cè)攵磧?nèi)光亮度過渡的平緩穩(wěn)定以及舒適性。②

對比晴天，在洞外接近點照度較低的陰天，光導照明區(qū)照度與洞外接近點照度的比值更高，這說明若在晴天時，光導照明區(qū)內(nèi)外照度比滿足了相應的規(guī)范要求，則可判斷在其他天氣情況下，該照度比也必定能滿足相應要求。③在同一種天氣情況下的不同時刻，洞外接近點照度值呈由低到高、再由高到低的變化趨勢，結(jié)合光導廠家提供的技術(shù)資料，由此引入太陽高度角的概念，繼而可知，洞外接近點平均照度值與太陽高度角呈正比例關(guān)系。由上表可得：四、光導照明技術(shù)在隧道工程中的應用試驗研究5、光導照明區(qū)照度與光導管布置間距的關(guān)系布置間距測試時間1.75m×2m2m×2m1.5m×3m2m×3m布置間距面積比0.87511.1251.57點260.10225.41202.33151.141.15410.8980.6718點532.11458.71416.81311.461.16010.9090.6799點669.58582.62523.95376.681.14910.8990.64710點973.56845.22759.97552.311.15210.8990.65311點1008.92876.07792.69593.261.15210.9050.67712點1157.611009.18903.71676.901.14710.8950.67113點1089.58948.81854.50640.001.14810.9010.67514點943.83820.25746.79557.291.15110.9100.67915點591.01514.67464.71347.731.14810.9030.67616點391.20340.65308.24230.561.14810.9050.67717點298.35260.04235.03175.981.14710.9040.677照度比平均值1.15110.9030.671四、光導照明技術(shù)在隧道工程中的應用試驗研究5、光導照明區(qū)照度與光導管布置間距的關(guān)系上表中，光導管布置間距為管中心到管中心的距離。比較表中布置間距面積比與照度比平均值，結(jié)合標準反比例曲線，如下圖表所示：易知，布置間距面積比與照度比平均值基本呈反比例關(guān)系。由此可推斷，在同一季節(jié)，相同天氣情況下，利用同一光導管管徑在不同的布置方案下，光導照明區(qū)照度與光導管布置間距面積呈反比例關(guān)系，即布置間距面積越小，所得到的光導照明區(qū)照度值越大。四、光導照明技術(shù)在隧道工程中的應用試驗研究6、節(jié)能分析——與傳統(tǒng)高壓鈉燈照明方案對比上海長江西路隧道浦西進出口匝道加強照明，原計劃同主線加強照明一樣選用高壓鈉燈方案。以下對光導照明方案和原有的高壓鈉燈照明方案進行了對比和評估，得出了節(jié)能指標的對比結(jié)果。方案光導照明方案高壓鈉燈方案一次性投資費用比較燈具規(guī)格Ф570mm250W、150W、100W數(shù)量（個）8180單價（萬元）10.15總價（萬元）8112線纜總價（萬元）/77鍍鋅鋼管總價（萬元）/3照明配電箱總價（萬元）/0.8一次性投資（萬元）8192.8四、光導照明技術(shù)在隧道工程中的應用試驗研究6、節(jié)能分析——與傳統(tǒng)高壓鈉燈照明方案對比方案光導照明方案高壓鈉燈方案電費支出比較用電負荷/13.6每年所耗用電量（度）/28275每年電費支出（萬元）/2.6325年電費支出（萬元）/65.75設(shè)備維護費支出比較設(shè)備/光源價格（元）/80電器（鎮(zhèn)流器+電容等）價格/9025年更換光源費支出（萬元）/5.025年更換電器費支出（萬元）/2.2525年人工更換費支出（萬元）/2.17525年更換光源費支出（萬元）/9.425四、光導照明技術(shù)在隧道工程中的應用試驗研究6、節(jié)能分析——與傳統(tǒng)高壓鈉燈照明方案對比方案光導照明方案高壓鈉燈方案25年總支出費用比較一次性費用+電費+維護費（萬元）81168注：①上海年日照總量年平均為2079.1小時；②電價按0.93元/度計；③高壓鈉燈光源使用壽命按28000小時計算；④高壓鈉燈電感鎮(zhèn)流器使用壽命按8年計算；⑤人工費按材料費的30%計算；⑥光導管在使用壽命期內(nèi)為免維護產(chǎn)品，故不考慮其設(shè)備維護費支出。以光導管使用壽命25年計，光導照明系統(tǒng)應用于長江西路隧道浦西匝道的總支出費用僅為使用高壓鈉燈人工加強過渡方案的48.2%，而且還大大減少了維護人員進出隧道更換燈具的次數(shù)，降低了維護人員的危險系數(shù)。綜上，在長江西路浦西匝道洞口引入光導照明系統(tǒng)作為隧道自然光過渡的方案是具有優(yōu)勢的。四、光導照明技術(shù)在隧道工程中的應用試驗研究7、光導產(chǎn)品各組件性能指標采光罩采用亞克力材料的注塑成型產(chǎn)品，要求厚度均勻（≧3.5mm）、抗紫外線、抗老化、表面平滑、硬度高、抗沖擊性好、耐摩擦、透光率高。采光器的頂罩具備自清潔功能。采光罩透光率≥86%，UV隔絕能力（100%UVA，100%UVB,98.5%UVC），含抗沖擊亞克力成分。。光導管光導管采用進口高反射鏡面材料一次成型加工而成，厚度不低于0.4mm，管道接縫密閉性好，連接牢靠，要求耐腐蝕、材料全反射率≥98%，光線傳輸穩(wěn)定性好。顯色指數(shù)應在95%以上。對可見光光譜（波長范圍400納米~760納米）反射率超過99%，室內(nèi)透射光為無色。四、光導照明技術(shù)在隧道工程中的應用試驗研究7、光導產(chǎn)品各組件性能指標漫射器采用PC材料注塑成型，透光性和擴散性高，且不易破碎。透光率≥86%。漫射器邊緣需防止飛蟲、灰塵等侵入的風險。防水裝置采用一體式結(jié)構(gòu)的無縫防漏防水帽，兼有支撐采光罩和上部管道的安裝基座功能。材料采用不銹鋼板，牌號304，厚度不小于0.7毫米，且易與建筑預留孔結(jié)合，防水節(jié)點科學合理，無安全隱患。玻璃罩光導照明系統(tǒng)與隧道車道層接觸面應配備一個耐溫驟變、廢氣、煙霧和隧道內(nèi)大氣中含有的其他化學物質(zhì)制成的玻璃罩，玻璃罩應由鋼化玻璃組成，耐高溫，透射比應達到86%以上，厚度≥2.5mm。玻璃罩應滿足IP65的密封要求，應可靠安裝，考慮隧道防振要求。四、光導照明技術(shù)在隧道工程中的應用試驗研究8、光導產(chǎn)品系統(tǒng)性能指標尺寸要求：管內(nèi)徑在滿足隧道頂面預埋孔洞尺寸的條件下應選擇最大尺寸防結(jié)露要求：有較好的防結(jié)露措施，確保系統(tǒng)無結(jié)露，滿足相應國家標準光導照明系統(tǒng)零部件應便于維護與更換密封要求：光導照明系統(tǒng)應滿足IP65的密封要求耐腐蝕性能：WF2光導照明系統(tǒng)應可靠安裝，考慮隧道抗振要求，適應隧道特殊的行車環(huán)境光導照明系統(tǒng)的使用壽命≥25年四、光導照明技術(shù)在隧道工程中的應用試驗研究9、最終長江西路隧