隧道洞口照明新形式及新技术

隧道洞口照明新形式及新技术研究课题验收评审会课题负责单位：上海市隧道工程轨道交通设计研究院课题参加单位：复旦大学

2014年03月隧道洞口照明新形式及新技术研究内容提纲项目背景一隧道洞口天然减光设置的条件和具体形式二隧道洞口新型减光形式的研究三考核指标完成情况及应用效益五光导照明技术在隧道工程中的应用试验研究四为解决隧道的黑（白）洞效应，隧道除设置24小时点亮的基本照明外，通常还需在洞口引入段、适应段、过渡段设置渐变式的光过渡措施。国内外目前普遍采用两种光过渡方式：一种为单独的人工加强照明过渡，另一种过渡为天然减光和人工加强照明的混合过渡。一、项目背景1、隧道洞口光过渡设置现状隧道作为公路的特殊路段，当车辆在驶入、通过和驶出隧道时，亮度的突变会使视觉产生“黑洞效应”或“白洞效应”。隧道洞口照明必须采取相应的措施，使司机的视觉逐步适应，从而确保隧道内行车安全。单独的人工加强照明是指仅仅依靠在隧道洞内设置加强照明灯具的方法来完成光过渡，此种方式耗电量较大！一、项目背景2、隧道洞口光过渡设置新形式人工加强照明：对于一条暗埋段长1km、行车速度为60km/h的隧道，该部分人工加强照明用电量约占该条隧道照明总用电量的50%！本课题拟引入无任何人工能耗的光导照明系统取代人工加强照明，从而创造了一种全新的隧道洞口光过渡方式：天然减光和天然加强照明的全天然光过渡！隧道洞口照明新形式及新技术研究研究目的以上海长江西路隧道为依托工程，对隧道洞口照明新形式及新技术开展系列研究工作，包括隧道洞口天然减光设置的条件和具体形式、隧道洞口新型减光形式和光导照明技术等，从而确定上海长江西路隧道洞口吸音棚的减光方案以及光导照明的布置方案。在对工程实际起到积极指导作用的同时，其成果将对同类工程的洞口照明光过渡有着较高的推广应用价值。并为光导照明系统在隧道乃至地下空间内大规模应用提供技术保障，为我国地下空间节能减排设计提供有利的理论指导和完备的技术支撑。一、项目背景3、研究课题与目的研究课题内容提纲项目背景一隧道洞口天然减光设置的条件和具体形式二隧道洞口新型减光形式的研究三考核指标完成情况及应用效益五光导照明技术在隧道工程中的应用试验研究四二、隧道洞口天然减光设置的条件和具体形式1、隧道洞口设置天然减光的必要性研究表明，隧道出入口处驾驶员视力恢复时间与隧道洞口外照度和洞口内照度之差存在密切联系。以隧道入口为例：隧道入口驾驶员视力恢复时间与照度差之间的关系二、隧道洞口天然减光设置的条件和具体形式1、隧道洞口设置天然减光的必要性由上图可以看出，隧道口内外的照度差越大，驾驶员需要越多的视力恢复时间。一般情况下，隧道洞口内外照度差很大，故驾驶员需要较长的视力恢复时间。当穿过隧道洞口的车辆速度很快时，驾驶员没有足够的时间来调整视觉，故容易发生交通事故。对于上述情况，既可以通过限制驾驶员的速度来减少交通事故，也可以通过在隧道洞口设置光过渡带，即减光装置来提高行车安全。由于不能完全依靠减速行驶来提高隧道洞口的行车安全，故隧道洞口设置减光装置是非常有必要的。二、隧道洞口天然减光设置的条件和具体形式2、天然减光的形式天然减光形式可大致分为植被减光和建筑减光。植被减光：利用常绿植被反光柔和且对人类的视觉有舒适度的特点来达到降低洞口附近区域的亮度的效果。建筑减光：常见的方案有遮阳棚、遮光棚和遮光板等。遮阳棚的构造特点主要是在钢筋混凝土梁上嵌装透明或者半透明材料，以降低隧道洞口处的视野亮度；遮光棚的构造主要是在隧道U型槽两侧挡墙上架设钢筋混凝土梁以降低洞口视野亮度；遮光板是一种防眩功能为主的构造物，作用是遮挡太阳耀眼的眩光。123二、隧道洞洞口天然减减光设置的的条件和具具体形式3、天然减光光各方案的的优缺点植被减光：：减光效果有有限，减光光植被若非非四季常绿绿，则其减减光效果在在冬季将大大为削弱。。遮阳棚减光光：能降低雨雪雪对路面带带来的安全全隐患，减减少雨雪对对路基的侵侵蚀，延长长其使用寿寿命等。但但遮阳棚会会增加建设设成本，需需要定期维维护；雨雪雪和环境污污染会造成成遮阳棚减减光效果不不稳定；遮遮阳棚封闭闭式环境造造成风机台台数增加；；其表面反反光材料会会造成城市市光污染。。遮光棚减光光：可以弥补遮遮阳棚受环环境因素影影响较大的的缺点，运运营期间维维护工作量量小又有利利于隧道通通风，可减减少风机台台数。但其其减光和防防眩的效果果并没有遮遮阳棚理想想。遮光棚是目前隧道洞口运用最为广泛的天然减光措施。其设计主要任务也是保证较好的减光和防眩效果。二、隧道洞洞口天然减减光设置的的条件和具具体形式4、天然减光光措施——遮光棚成功功案例上海长江隧隧道遮光棚棚实景效果果上海长江隧隧道遮光棚棚段照度过过渡曲线（（11:30~13:30）由以上遮光棚段照度过渡曲线易得，上海长江隧道工程洞口遮光棚段内相邻测试区的平均照度之比（由高到底）均小于3倍，且有效降低了隧道洞口的光亮度值，在达到减光和防眩效果的同时，实现了良好的光过渡效果！内容提纲项目背景一隧道洞口天天然减光设设置的条件件和具体形形式二隧道洞口新新型减光形形式的研究究三考核指标完完成情况及及应用效益益五光导照明技技术在隧道道工程中的的应用试验验研究四三、隧道洞洞口新型减减光形式的的研究1、透光材料料贴膜技术术近年来，透透光材料贴贴膜技术被被大量运用用于城市建建筑中，玻玻璃贴膜通通过在玻璃璃表面用粘粘胶、压敏敏胶贴上一一层薄膜或或层压薄膜膜等方式，，使贴膜玻玻璃具有安安全、遮阳阳、绝热、、装饰等多多种功能。。建筑玻璃贴贴膜一般为为聚酯薄膜膜，主要分分为建筑节节能膜和安安全膜两大大系列。玻玻璃贴膜一一般不燃烧，或者燃烧烧速率不大大于100mm/min，且玻璃贴贴膜可提高高玻璃的抗冲击性能能，防止玻璃璃破碎后飞飞溅对人造造成伤害。。根据以上玻玻璃贴膜性性能，结合合隧道洞口口的减光需需求通过选择不不同透光率率的玻璃和和不同透光率率的建筑贴膜膜进行组合合，得到不不同的透光光玻璃幕墙墙，将该玻玻璃幕墙装装设于隧道道出入口处处，以实现现隧道洞口口的天然减减光及光亮亮度的初步步过渡。三、隧道洞洞口新型减减光形式的的研究2、设置不同同亚克力板板透光率的的技术亚克力属于于丙烯醇类类，是一种种极佳透明明度无色透透明有机玻玻璃板材，，透光率达达92%以上；它对对自然环境境适应性很很强，即使使长时间在在日光照射射、风吹雨雨淋也不会会使其性能能发生改变变，抗老化化性能好，，在室外也也能安心使使用。通过改变隧道洞洞口吸音棚棚顶棚亚克克力板的透透光率，从而实现现隧道洞口口的天然减减光及光亮亮度的初步步过渡。亚克力板一一个非常重重要的运用用是高速公公路上的隔隔音墙。此此外，亚克克力板还大大量运用于于吸音棚顶顶棚，如上上海新建路路隧道洞口口吸音棚。。三、隧道洞洞口新型减减光形式的的研究3、玻璃贴膜膜减光技术术与亚克力力板减光技技术的对比比优点：隔热节能、、抗紫外线线、美观舒舒适、安全全防爆等。。缺点：①玻璃与贴膜膜均对可见见光的通过过率有损失失，当贴膜膜和玻璃组组合的时候候，其透光光性可能会会受到较大大的限制。。②贴膜的使用寿命命对后期养护和和维护的要求比比较苛刻：玻璃璃在贴膜之后，，坚硬的东西对对于玻璃的耐磨磨层是个挑战，，会磨损或割破破玻璃膜。优点：①对自然环境适应应性很强，即使使长时间在日光光照射、风吹雨雨淋也不会使其其性能发生改变变，抗老化性性能好。②其透光性能决定定于亚克力板，，透光率控制比比玻璃幕墙贴膜膜好。③其耐火性也优化化于玻璃幕墙贴贴膜技术缺点：安全防爆性能和和美观性能比玻玻璃幕墙贴膜差差VS玻璃贴膜减光技技术亚克力板减光技技术显然，在应用于隧道洞口的减光场合，亚克力板减光技术要优于玻璃贴膜减光技术。三、隧道洞口新新型减光形式的的研究4、最终长江西路路隧道吸音棚减减光方案通过对上述各种种隧道洞口减光光形式的分析研研究与比较，本本课题组拟对上上海长江西路隧隧道浦西匝道洞洞口外的吸音棚棚减光方案采用用建筑专业推荐荐的对吸音棚上上采光亚克力板板设置不同透光光率的方案，从从而实现对浦西西匝道洞口的天天然减光及光亮亮度初步过渡。。具体方案为：在在浦西进出口匝匝道吸音棚顶棚棚设置3米宽的采光亚克力板板，并根据不同同透光率设置如如下区段：以浦浦西匝道洞口为为起始里程，依依次设置采光亚亚克力板透光率为40%的区段49m，透光率为65%的区段35m，透光率为90%的区段30m。通过软件的模模拟分析，吸音音棚入口段（透透光率为90%段）与洞外照度度的照度比满足足规范≥0.012的要求，且之后后不同透光率区区段间路面平均均照度过渡良好好（相邻区段照照度比（从高到到低）均小于3倍），故浦西进出出口匝道的吸音音棚整体光过渡渡满足规范要求求。三、隧道洞口新新型减光形式的的研究4、最终长江西路路隧道吸音棚减减光方案吸音棚减光方案软件模拟光过渡曲线上海长江西路隧隧道浦西匝道洞洞口吸音棚减光光方案内容提纲项目背景一隧道洞口天然减减光设置的条件件和具体形式二隧道洞口新型减减光形式的研究究三考核指标完成情情况及应用效益益五光导照明技术在在隧道工程中的的应用试验研究究四四、光导照明技技术在隧道工程程中的应用试验验研究1、理论分析——光学仿真计算①随着采光器折射率的增加，采光器器的透过率减少少，光导管效率率降低。我国自2005年才从国外逐渐渐引进光导照明明技术，对于光光导管系统的研研究较少，模型型试验及相关测测试数据也有限限，为了对这一一新型的照明装装置有进一步的的认识与研究，，本课题小组对对光导照明系统统进行了光学仿真计算研究。通过光光学仿真分析各各种结构工艺参参数对导光管光光学效率的影响响，为光导产品品的选择与应用用提供参考：②随着采光器厚度的增加，采光器器的透过率下降降，光导管效率率降低。③随着漫射器折射率的增加，漫射器器的透过率减少少，光导管效率率降低。④随着光导管内表面反射率的增加，光导管管效率几乎呈线线性增加。⑤随着光导管长度的增加，光导管管效率微微降低低。⑥随着光导管直径的增加，光导管管效率明显增加加。四、光导照明技技术在隧道工程程中的应用试验验研究2、现场光导测试棚本课题以国内首次次应用光导照明明系统的上海长江西路隧道为依托工程程，在长江西路隧道浦东洞口以以1:1的比例模拟该隧隧道浦西进出匝匝道搭建了一个个光导测试棚，，研究光导照明明系统在隧道工程中应用用的可行性、光导照明区照度度与洞外照度的的关系以及光导管布置间距距对光导照明区区照度的影响等一系列新论题题。四、光导照明技技术在隧道工程程中的应用试验验研究3、可行性研究由于光导照明独独特的即时性，，本课题组每天天从早8点至晚5点，每间隔1个小时依次对室室外路面、光导导入口段路面和和光导出口段路路面的照度进行行一次系统测试试，并实时记录录每次测试时的的天气情况以及及测试时间。结合该隧道浦西匝道洞口的吸音棚对其采光亚克克力板设置不同同透光率进行了了天然减光的工程实际，可得如下光过渡曲曲线。浦西进口匝道洞洞口整体光过渡渡曲线（冬天））浦西进口匝道洞洞口整体光过渡渡曲线（夏天））四、光导照明技技术在隧道工程程中的应用试验验研究3、可行性研究由以上光过渡曲曲线可以看出，在夏季的光过过渡曲线中，吸吸音棚透光率为40%段过渡到光导棚棚入口段的路面面照度递减率较较大，前者照度度值约为后者的6.6倍。结论：仅在3月份，上海市新新建路隧道以及及上海长江隧道道两条隧道洞口口的照度最大递递减率已达到5.3倍，因此可推算，，本工程在夏天天6.6倍的照度递减率是是可以满足洞口口光过渡的实际际需求，故光导导照明系统应用用于长江西路隧隧道浦西进出匝匝道的方案是可行的。对于6.6倍的路面照度递递减率，本课题题组实地调研测测试了洞口光过过渡较理想的已已建隧道——上海市新建路隧道以及上海长江隧道。以下为两条隧隧道洞口各自的的光过渡曲线及及实际效果。四、光导照明技技术在隧道工程程中的应用试验验研究3、可行性研究新建路隧道（2011.3）长江隧道（2011.3）5.3倍4.1倍四、光导照明技技术在隧道工程程中的应用试验验研究4、光导照明区区照度与洞外外照度的关系系由于光导照明明系统自身不不提供光源，，而是将大自自然的太阳光光线最大限度度地导入系统统内部并进行行重新分配、、传输和强化化后，再最大大限度地漫射射到任何需要要光线的地方方。故光导照照明区照度与与外界自然光光照度息息相相关。测试起始时间天气情况室外平均照度（lx）地面平均照度(lx)地面平均照度/室外平均照度天气情况室外平均照度（lx）地面平均照度（lx）地面平均照度/室外平均照度8点晴9568140.900.0147阴8973150.910.01689点晴33866395.910.0118阴12393205.070.016510点晴54253726.420.0135阴11597182.320.015711点晴777651077.020.0139阴13867270.300.019512点晴769461114.910.0144阴43143613.330.014213点晴66554764.580.0116阴42767663.640.015514点晴57130526.870.0091阴30523384.740.012615点晴29030286.150.0101阴10570203.900.019316点晴20530179.160.0104阴5627104.130.0185平均值0.01220.0165不同天气情况况、不同时刻刻光导照明区区照度与洞外外照度对照表表（春季）四、光导照明明技术在隧道道工程中的应应用试验研究究4、光导照明区区照度与洞外外照度的关系系①在同一种天气气情况下的不不同时刻，光光导照明区照照度与洞外接接近点照度的的比值基本保持持一致，这说明了在在光导照明系系统下，隧道道内路面照度度值将随着洞洞外光照度值值的变化基本本呈线性变化化，从而保证证了行车司机机从隧道洞外外驶入洞内光光亮度过渡的的平缓稳定以以及舒适性。。②对比晴天，在在洞外接近点点照度较低的阴天，光导导照明区照度度与洞外接近近点照度的比值更高，这说明若在在晴天时，光光导照明区内内外照度比满满足了相应的的规范要求，，则可判断在在其他天气情情况下，该照照度比也必定定能满足相应应要求。③在同一种天气气情况下的不不同时刻，洞洞外接近点照照度值呈由低低到高、再由由高到低的变变化趋势，结结合光导厂家家提供的技术术资料，由此此引入太阳高度角的概念，继而而可知，洞外外接近点平均均照度值与太太阳高度角呈呈正比例关系。由上表可得：：四、光导照明明技术在隧道道工程中的应应用试验研究究5、光导照明区区照度与光导导管布置间距距的关系布置间距测试时间1.75m×2m2m×2m1.5m×3m2m×3m布置间距面积比0.87511.1251.57点260.10225.41202.33151.141.15410.8980.6718点532.11458.71416.81311.461.16010.9090.6799点669.58582.62523.95376.681.14910.8990.64710点973.56845.22759.97552.311.15210.8990.65311点1008.92876.07792.69593.261.15210.9050.67712点1157.611009.18903.71676.901.14710.8950.67113点1089.58948.81854.50640.001.14810.9010.67514点943.83820.25746.79557.291.15110.9100.67915点591.01514.67464.71347.731.14810.9030.67616点391.20340.65308.24230.561.14810.9050.67717点298.35260.04235.03175.981.14710.9040.677照度比平均值1.15110.9030.671四、光导照明明技术在隧道道工程中的应应用试验研究究5、光导照明区区照度与光导导管布置间距距的关系上表中，光导导管布置间距距为管中心到到管中心的距距离。比较表表中布置间距距面积比与照照度比平均值值，结合标准准反比例曲线线，如下图表表所示：易知，布置间距面积比与照度比平均值基本呈反比例关系。由此可推断，在同一季节，相同天气情况下，利用同一光导管管径在不同的布置方案下，光导照明区照度与光导管布置间距面积呈反比例关系，即布置间距面积越小，所得到的光导照明区照度值越大。四、光导照明明技术在隧道道工程中的应应用试验研究究6、节能分析——与传统高压钠钠灯照明方案案对比上海长江西路隧道浦西进出出口匝道加强强照明，原计计划同主线加加强照明一样样选用高压钠钠灯方案。以以下对光导照照明方案和原原有的高压钠钠灯照明方案案进行了对比比和评估，得得出了节能指指标的对比结结果。方案光导照明方案高压钠灯方案一次性投资费用比较灯具规格Ф570mm250W、150W、100W数量（个）8180单价（万元）10.15总价（万元）8112线缆总价（万元）/77镀锌钢管总价（万元）/3照明配电箱总价（万元）/0.8一次性投资（万元）8192.8四、光导照明明技术在隧道道工程中的应应用试验研究究6、节能分析——与传统高压钠钠灯照明方案案对比方案光导照明方案高压钠灯方案电费支出比较用电负荷/13.6每年所耗用电量（度）/28275每年电费支出（万元）/2.6325年电费支出（万元）/65.75设备维护费支出比较设备/光源价格（元）/80电器（镇流器+电容等）价格/9025年更换光源费支出（万元）/5.025年更换电器费支出（万元）/2.2525年人工更换费支出（万元）/2.17525年更换光源费支出（万元）/9.425四、光导照明明技术在隧道道工程中的应应用试验研究究6、节能分析——与传统高压钠钠灯照明方案案对比方案光导照明方案高压钠灯方案25年总支出费用比较一次性费用+电费+维护费（万元）81168注：①上海年日照总量年平均为2079.1小时；②电价按0.93元/度计；③高压钠灯光源使用寿命按28000小时计算；④高压钠灯电感镇流器使用寿命按8年计算；⑤人工费按材料费的30%计算；⑥光导管在使用寿命期内为免维护产品，故不考虑其设备维护费支出。以光导管使用寿命25年计，光导照明系统应用于长江西路隧道浦西匝道的总支出费用仅为使用高压钠灯人工加强过渡方案的48.2%，而且还大大减少了维护人员进出隧道更换灯具的次数，降低了维护人员的危险系数。综上，在长江西路浦西匝道洞口引入光导照明系统作为隧道自然光过渡的方案是具有优势的。四、光导照明明技术在隧道道工程中的应应用试验研究究7、光导产品各各组件性能指指标采光罩采用亚克力材材料的注塑成成型产品，要要求厚度均匀匀（≧3.5mm）、抗紫外线线、抗老化、、表面平滑、、硬度高、抗抗冲击性好、、耐摩擦、透透光率高。采采光器的顶罩罩具备自清洁功能。采光罩透光光率≥86%，UV隔绝能力（100%UVA，100%UVB,98.5%UVC），含抗冲击击亚克力成分分。。光导管光导管采用进进口高反射镜镜面材料一次成型加工工而成，厚度不不低于0.4mm，管道接缝密密闭性好，连连接牢靠，要要求耐腐蚀、、材料全反射射率≥98%，光线传输稳稳定性好。显显色指数应在在95%以上。对可见见光光谱（波波长范围400纳米~760纳米）反射率率超过99%，室内透射光为为无色。四、光导照明明技术在隧道道工程中的应应用试验研究究7、光导产品各组件性性能指标漫射器采用PC材料注塑成型型，透光性和和扩散性高，，且不易破碎碎。透光率≥≥86%。漫射器边缘缘需防止飞虫虫、灰尘等侵侵入的风险。。防水装置采用一体式结结构的无缝防防漏防水帽，，兼有支撑采采光罩和上部部管道的安装装基座功能。。材料采用不不锈钢板，牌牌号304，厚度不小于于0.7毫米，且易与与建筑预留孔孔结合，防水水节点科学合合理，无安全全隐患。玻璃罩光导照明系统统与隧道车道道层接触面应应配备一个耐耐温骤变、废废气、烟雾和和隧道内大气气中含有的其其他化学物质质制成的玻璃璃罩，玻璃罩罩应由钢化玻璃组成，耐高温温，透射比应应达到86%以上，厚度≥≥2.5mm。玻璃罩应满满足IP65的密封要求，，应可靠安装装，考虑隧道道防振要求。四、光导照明明技术在隧道道工程中的应应用试验研究究8、光导产品系统性能能指标尺寸要求：管内径在满满足隧道顶面面预埋孔洞尺尺寸的条件下下应选择最大大尺寸防结露要求：有较好的防防结露措施，，确保系统无无结露，满足足相应国家标标准光导照明系统统零部件应便于维护与更更换密封要求：光导照明系系统应满足IP65的密封要求耐腐蚀性能：：WF2光导照明系统统应可靠安装装，考虑隧道道抗振要求，适应隧道特特殊的行车环环境光导照明系统统的使用寿命≥25年四、光导照明明技术在隧道道工程中的应应用试验研究究9、最终长江西西路隧道光导导管布置方案案通过对光导管管系统光学仿仿真计算的理理论分析，以以及对光导测测试棚分方案案、分阶