公路隧道洞口減光措施的研究綜述

1、 WORD 10/10公路隧道洞口減光措施的研究綜述貝貝a.b 翁季a.b（大學(xué)a.建筑城規(guī)學(xué)院b.山地城鎮(zhèn)建設(shè)與新技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室） （ 400045）摘 要：通過對國隧道洞口的減光措施相關(guān)研究的分析總結(jié)，綜述了減光措施的類型、優(yōu)缺點(diǎn)與適用圍。針對國減光措施的應(yīng)用現(xiàn)狀，簡要論述了隧道洞口的減光措施在實(shí)際工程中應(yīng)注意的應(yīng)用要點(diǎn)。關(guān)鍵詞：隧道洞口 減光措施 減光建筑 植被減光 景物亮度 引言 在公路隧道項(xiàng)目運(yùn)營中，行車安全性與視覺舒適性歷來是隧道工程建設(shè)的重點(diǎn)與難點(diǎn)之一。而隧道洞口段，由于處在明暗交替區(qū)，洞外的亮度突變極易引起短暫性的視覺功能降低，是交通事故的多發(fā)區(qū)。在隧道洞口段采取一定的減

2、光措施，一方面可以人性化地處理好洞外光過渡問題, 降低亮度劇變對駕駛員所造成的的視覺沖擊, 另一方面可以減弱隧道入口段加強(qiáng)照明的亮度水平，降低隧道工程在運(yùn)營期間的能耗。因此，隧道洞口減光措施的設(shè)置，對于改善行車環(huán)境、確保行車安全以與節(jié)能降耗都具有重要意義。 減光措施的必要性1.1 安全性需要白天特別是晴天的情況下，駕駛員在剛進(jìn)入隧道的瞬間，由于洞外亮度差異懸殊，駕駛員的眼睛要經(jīng)過一定的適應(yīng)時(shí)間才能看清隧道部的情況；同樣，駕駛員在剛出隧道的瞬間也要經(jīng)過一段時(shí)間以適應(yīng)洞外明暗變化，即所謂的“黑洞”和“白洞”效應(yīng)。在車速較快的情況下，“黑洞”與“白洞”效應(yīng)極易導(dǎo)致駕駛員視覺功能的降低與反應(yīng)時(shí)間的不足

3、，從而誘發(fā)交通事故。因此，為了保證行車安全，在隧道洞口處進(jìn)行減光設(shè)計(jì)，即采取一定的減光措施降低隧道洞口附近區(qū)域的光照亮度，緩和隧道洞口外的亮度差異，延長駕駛員的視覺調(diào)整時(shí)間，以實(shí)現(xiàn)明暗環(huán)境的順利過渡，是非常必要的。就“人眼的視覺適應(yīng)特征”講，暗適應(yīng)比明適應(yīng)所需的反應(yīng)時(shí)間更長、反應(yīng)過程更復(fù)雜，因此，暗適應(yīng)的“黑洞效應(yīng)”比明適應(yīng)的“白洞效應(yīng)”所產(chǎn)生的的危害更大。由此看來，在隧道入口處進(jìn)行一定的減光設(shè)計(jì)顯得更為重要。1.2節(jié)能性需要在現(xiàn)階段的隧道照明研究中，為了降低隧道洞口外的亮度差異，消除“黑洞”和“白洞”效應(yīng)，人們往往在洞口段采取加強(qiáng)照明的方式，以實(shí)現(xiàn)在隧道出入口處光照亮度的逐級變化，從而將洞口

4、段的亮度劇變控制在人眼可快速適應(yīng)的圍。然而，由于隧道照明工程的建設(shè)投資大，施工難度高，隧道出入口段亮度的平滑過渡往往不能得到保證。而且，隧道的加強(qiáng)照明功率占整個(gè)隧道照明功率的55%以上，在此，隧道照明的“安全”與“節(jié)能”矛盾顯得尤為突出。而隧道洞口的減光設(shè)計(jì)，能夠最大限度地降低洞口附近的適應(yīng)亮度，在一定程度上能夠減弱或取消隧道的加強(qiáng)照明，有效降低隧道運(yùn)營期間的能耗，取得良好的節(jié)能效果。 因此，不管是從行車的安全性與舒適性的角度，還是從節(jié)能降耗的角度出發(fā)，在隧道洞口段進(jìn)行一定的減光設(shè)計(jì)都是非常必要的。減光措施的類型通過對目前國的相關(guān)工程案例的分析總結(jié)，隧道洞口的減光措施可歸納為三大類：設(shè)置減光建

5、筑、利用植被減光以與控制洞外景物的表面亮度。2.1設(shè)置減光建筑減光建筑就是利用建筑物的遮光效果，以降低隧道洞口亮度，較為常見的建筑形式有遮陽棚、遮光棚以與通透式棚洞。減光建筑除了能夠達(dá)到遮陽減光的效果之外，還具有標(biāo)識作用（可作為隧道洞門，加強(qiáng)隧道的標(biāo)志性）、減壓作用（能夠緩和駕駛員進(jìn)入隧道時(shí)的心理緊感）、景觀作用（作為隧道景觀與道路景觀銜接的重要構(gòu)筑物，其藝術(shù)造型往往是公路 圖1 南京緯七路過江隧道遮陽棚與隧道景觀設(shè)計(jì)的重要組成部分）與節(jié)能作用（通過減少洞外的亮度差異，以降低隧道洞口段的照明亮度）等。1）遮陽棚遮陽棚是一種頂部為封閉式結(jié)構(gòu)的棚狀構(gòu)筑物，利用透明或半透明材料的透光作用以達(dá)到減光效

6、果，不允許直接投射到路面上（如圖1）。遮陽棚的優(yōu)點(diǎn)在于封閉式的透光構(gòu)造具有較好的遮陽減光效果，同時(shí)可以降低雨雪引起的車輛滑移，減少雨雪對路面基層侵蝕而延長使用壽命。但遮陽棚會因雨雪與環(huán)境污染而造成減光效果不穩(wěn)定，因其對材質(zhì)與構(gòu)造要求較高從而增加了工程投資，同時(shí)運(yùn)營期間維護(hù)工作量大，也不利于隧道通風(fēng)，需增加風(fēng)機(jī)臺數(shù)。此外，遮陽棚的封閉式構(gòu)造會給駕駛員造成較強(qiáng)的心理壓迫感。2）遮光棚 圖2 XX打浦路隧道遮光棚遮光棚是一種頂部為敞開式結(jié)構(gòu)的棚狀構(gòu)筑物，與遮陽棚相比，其區(qū)別在于允許日光直射到路面上，且結(jié)構(gòu)相對簡單、輕巧（如圖2）。遮光棚的敞開式透光構(gòu)造可以彌補(bǔ)遮陽棚受環(huán)境因素影響較大的缺點(diǎn)，工程投資

7、較低，運(yùn)營期間維護(hù)工作量小且通風(fēng)透氣性能好，可減少風(fēng)機(jī)臺數(shù)，降低運(yùn)營成本。但遮光棚擋雨阻雪效果差，行車環(huán)境受洞外環(huán)境影響較大。另外，在遮光棚設(shè)計(jì)中，遮光格柵的間距在滿足減光過渡要求的同時(shí)，還應(yīng)考慮眩光問題。3）通透式棚洞通透式棚洞是近年來公路建設(shè)部門貫徹生態(tài)和諧理念的創(chuàng)新之舉。該結(jié)構(gòu)較好地與周圍地勢相結(jié)合，最大限度地減小植被破壞面，與周圍景觀相協(xié)調(diào)，同時(shí)通風(fēng)與采光效果較好（如圖3）。通透式棚洞可以說是對洞口減光措施的有效補(bǔ)充和完善，也是將隧道結(jié)構(gòu)與附屬減光結(jié)構(gòu)有機(jī)結(jié)合的積極探索。然而，該類結(jié)構(gòu)受地形條件限制較大，不能被廣泛運(yùn)用。 在國外的工程實(shí)踐中，懸臂式棚蓋、簡易遮光板、遮光帷幕等同樣有所應(yīng)

8、用。該類減光建筑結(jié)構(gòu)簡單，主要通過遮擋駕駛員行車主視野圍耀眼的太線以避免眩光。但該類結(jié)構(gòu)遮擋光線面積有限，受力不均，在風(fēng)力較大情況下存在一定安全隱患，實(shí)用性不大。 圖3 寧淮高速老山隧道棚洞2.2利用植被減光植被減光是一種較為經(jīng)濟(jì)適用的降低隧道洞口亮度的方法，也是應(yīng)用最為廣泛的減光措施。植被減光主要是利用植被柔和地反光作用，以達(dá)到降低隧道洞口附近區(qū)域亮度的目的。植被表面為毛狀結(jié)構(gòu)，由很多垂直面組成，光照亮度在入射方向上最大，在反射方向上反而很小，在法線方向最小，因此在公路隧道洞口附近種植具有垂直表面的常綠植被較為有利。值得注意的是，針葉樹木一般比闊葉樹木的反射性能更好些，因此在洞口栽種像松塔那

9、種具有水平成層分布的喬木是較為理想的。同時(shí)，高大的喬木可以投下濃重的陰影，能夠避免或減弱對路面的直射，有利于降低隧道洞口接近段的路面亮度。然而，隧道洞口附近區(qū)域往往具有一定坡度，且地質(zhì)多為石質(zhì)，栽種高大樹木可操作性 圖4 洞口種植低矮植被差且成活率低，因而在實(shí)際工程中多選用低矮的綠色灌木或草皮（如圖4）。相對于設(shè)置減光建筑而言，利用植被減光不能快速有效地發(fā)揮洞口減光作用，只可作為中遠(yuǎn)期的輔助措施。2.3控制洞外景物的表面亮度 圖5 湖南且朋溪隧道洞門隧道洞口外的景物亮度是影響隧道洞口附近光照亮度的關(guān)鍵因素，要想實(shí)現(xiàn)洞口外明暗環(huán)境的平滑過渡，在隧道工程建設(shè)階段就要對洞外景物的表面亮度加以控制。在

10、隧道洞口外，可能出現(xiàn)在視野圍的景觀要素主要包括：天空、洞門、道路、綠化、巖壁、廣告牌等。由于各景觀要素在視野圍的比例有所差異，各個(gè)要素對洞外亮度的影響程度也會有所不同。天空相對于道路、綠化、端墻等光反射表面，天空可看作“自發(fā)光表面”，其亮度主要取決于光氣候狀況，是非人為可控制因素，在此不做贅述。洞門 隧道的洞門形式多種多樣，在工程設(shè)計(jì)中，出于對地形地貌、形式美觀等因素的考慮，常見的形式主要有端墻式洞門和框式洞門兩種。端墻式洞門，洞框面積一般較大，并且位于視野圍較中心的位置，其表面亮度對隧道洞外亮度的影響較大，因而洞口端墻應(yīng)采用深暗材料，且反射率宜低于0.17，以利于降低其表面亮度（如圖5）。而

11、框式洞門，洞框面積一般較小，因而飾面材料的反射特性對洞外亮度的影響不大。3）道路路面是視野圍所占面積百分比最大的景觀要素，路面亮度對隧道洞外亮度的影響也是最大的。除水平照度外，路面材料的反射特性是影響道路表面亮度的重要因素之一。常用的公路路面材料主要有混凝土路面和瀝青路面。兩種材料的反射系數(shù)和反射特性不同，其表面亮度存在很大差異。其中，新的瀝青路面亮度較低，使用一段時(shí)間后會增大；混凝土路面則相反，新的混凝土路面亮度較高，使用一段時(shí)間的混凝土路面，其表面亮度反而會降低。隨著使用時(shí)間的延長，路面由于尾氣、機(jī)油等附著物的增加，出現(xiàn)定向反射的可能性越大，當(dāng)行駛方向與太陽位置成一定的關(guān)系時(shí)，會出現(xiàn)路面亮

12、度的異常增大。另外，路面亮度受行車方向和太陽方向的相對位置關(guān)系影響很大，當(dāng)行車方向與太陽入射方向相對時(shí)，會有很高的路面亮度。4）巖壁 巖壁通常位于隧道口上方或兩側(cè)，屬于結(jié)構(gòu)相對穩(wěn)定，不需作特殊處理的表面。影響巖壁護(hù)坡表面亮度的首先是表面照度，而表面照度與隧道洞口朝向密切相關(guān)。洞口朝向或行車方向不同，巖壁護(hù)坡的表面亮度也會相差甚遠(yuǎn)。另外，巖壁的表面亮度還與其表面材質(zhì)有關(guān)，深色沉積巖表面亮度低，淺色石灰?guī)r表面亮度高。在巖壁護(hù)坡上進(jìn)行大面積的植被綠化，能夠在一定程度上削弱其自身對洞外亮度的影響。5）綠化綠化是隧道洞口視野主要的景觀要素之一，僅次于路面。隧道口的綠化通常根據(jù)地形地貌、氣候特征、景觀效果

13、等因素選取不同的植物類型，即喬木、灌木、草本等。其中，喬木和灌木的表面亮度低于草本植物的表面亮度，且深色植被的表面亮度要低于淺色植被。因而，若客觀條件許可，在隧道洞口附近區(qū)域宜栽種長勢茂盛的深色喬木或灌木。6）廣告牌位于隧道洞口附近，面積巨大的廣告牌，在視野圍所占面積達(dá)到一定比例，因此對洞外亮度的影響程度有所增加。為了避免其對隧道洞口附近亮度造成過大影響，廣告牌應(yīng)盡量遠(yuǎn)離視覺中心布置，宜選用深色材質(zhì)，并不應(yīng)作鍍膜處理。有研究表明，洞口附近區(qū)域栽種植被和灌木可降低洞外亮度5%7%；洞門端墻采用深暗顏色，可降低洞外亮度5%7%；洞口外至少一個(gè)停車視距長路面采用暗色材料，可降低洞外亮度12%27%3

14、。減光措施的應(yīng)用要點(diǎn)目前，國對隧道洞口減光措施的理論研究相對較少，但工程實(shí)踐則逐漸增多。據(jù)報(bào)道，對隧道洞口的減光措施進(jìn)行深入研究的工程案例，有長江隧道(兩端洞口設(shè)有遮光棚)、南路隧道(隧道入口設(shè)有太陽能光伏板與垂直綠化相結(jié)合的光過渡段)、省寧淮高速公路老山隧道（通透式棚洞將隧道結(jié)構(gòu)與減光原理有機(jī)結(jié)合）、五愛隧道(隧道出入口段頂部設(shè)有長約50 m的遮陽棚)等。通過對國隧道洞口的減光設(shè)計(jì)的分析與總結(jié)，下面對洞口減光的設(shè)計(jì)要點(diǎn)做出如下概括：3.1減光建筑的設(shè)置宜優(yōu)先考慮遮光棚減光建筑的形式選擇，除了考慮減光效果的影響之外，還應(yīng)受到地形地勢、投資成本、運(yùn)營管理等因素的制約。例如，通透式棚洞雖然擁有其他

15、類型的減光建筑所不與的諸多優(yōu)勢，但是一般多運(yùn)用于地段淺埋偏壓地段，因此對地形條件的要求較高，難以推廣運(yùn)用。遮陽棚 的頂部需設(shè)置一定數(shù)量的遮陽板，遮陽板的設(shè)置在提升工程造價(jià)的同時(shí)，也會帶來堿光效果不穩(wěn)定，運(yùn)營期間維護(hù)與清洗工作量大等諸多問題。因此，在減光建筑的形式選擇上，以結(jié)構(gòu)簡單、減光穩(wěn)定的遮光棚居多?，F(xiàn)主要針對遮光棚的減光技術(shù)作出如下概述：減光段長度的確定英濤等8研究指出，隧道出入口處遮光棚長度主要由隧道洞外與洞照度、洞外與洞亮度、駕駛員視力恢復(fù)時(shí)間與隧道設(shè)計(jì)速度等因素決定的。同時(shí)，文獻(xiàn)8提出隧道出入口減光段長度計(jì)算模型（如式1、式2），并針對不同的隧道設(shè)計(jì)速度得出減光段的設(shè)計(jì)長度取值（如表

16、1）。（1）（2） 式中，Sin為隧道入口處減光段合理設(shè)計(jì)長度，m；Sout為隧道出口處減光段合理設(shè)計(jì)長度，m；Dtr為隧道過渡照明段長度，m；Vd為隧道設(shè)計(jì)速度，kmh。2）減光量的確定 表1 隧道出入口減光段合理設(shè)計(jì)長度取值減光量的確定主要根據(jù)減光段結(jié)束處的設(shè)計(jì)亮度而定。王立雄等4經(jīng)實(shí)驗(yàn)測定，1000cd/m2作為減光段結(jié)束處的設(shè)計(jì)亮度較為合理可行，能夠有效消除因洞外亮度差異過大而帶來的視覺不適現(xiàn)象。且減光段應(yīng)采用逐級減光的方式，將減光段分成三段，每段以1/3總減光量遞減。3）減光格柵的確定要實(shí)現(xiàn)減光段的逐級減光，理論上需要逐級減弱遮光棚自進(jìn)口至隧道洞口的透光率。減光構(gòu)件間距的不同決定著遮

17、光棚透光率的差異。遮光棚的結(jié)構(gòu)形式多種多樣，現(xiàn)以結(jié)構(gòu)最為簡單的減光格柵為例進(jìn)行論述。公俠等9針對三種減光格柵#15、#30、#45的透光率進(jìn)行試驗(yàn)研究，得出各減光格柵透光率的建議取值，即 #15=10%，#30=15%，#45=18%。減光格柵采用矩形斷面構(gòu)件，基本尺寸為10cm55cm，其中#15的格柵間距為15cm，#30的格柵間距為30cm，#45的格柵間距為45cm。以上研究數(shù)據(jù)在減光格柵的選擇方面具有很大的參考價(jià)值。在已知遮光棚進(jìn)口處亮度與減光段結(jié)束處的設(shè)計(jì)亮度的情況下，各分段遮光格柵的透光率可以計(jì)算得出，進(jìn)而能夠確定各分段遮光格柵類型。3.2植被減光應(yīng)盡量與減光建筑進(jìn)行組合設(shè)計(jì) 隧

18、道洞口的大面積綠化，不僅能夠有效地提升洞口景觀的作用，還可以起到良好的遮陽減光的效果。若在減光建筑兩側(cè)進(jìn)行適當(dāng)?shù)拇怪本G化，減光建筑的遮陽減光效果將會得到進(jìn)一步地提升。例如，對于拱肋式遮光棚來說，在遮光棚兩側(cè)種植常綠爬藤植物，再輔以人工方法使爬藤植物沿構(gòu)件方向生長，形成“類封閉”結(jié)構(gòu)。該“類封閉”結(jié)構(gòu)在解決遮光棚眩光問題的同時(shí)，也能夠在一定程度上彌補(bǔ)行車環(huán)境受外界環(huán)境影響大的缺陷5。植被減光與減光建筑的有機(jī)結(jié)合，在實(shí)際工程中面臨的限制因素較多比如減光建筑的結(jié)構(gòu)類型，周圍地理環(huán)境，植被類型與生長周期等，因此，在工程案例中的運(yùn)用較少，不過可作為一項(xiàng)不錯(cuò)的減光設(shè)計(jì)指導(dǎo)措施。3.3加強(qiáng)洞外景物表面亮度的

19、控制洞外景物的亮度控制是公路隧道景觀設(shè)計(jì)應(yīng)始終關(guān)注的要點(diǎn)。在隧道照明設(shè)計(jì)中，入口段亮度、過渡段亮度除與設(shè)計(jì)速度有關(guān)外，在很大程度上是由隧道接近段的洞外亮度值決定的，即隧道的洞外亮度越高，入口段和接近段所需的照明值也就越高。如果公路隧道景觀設(shè)計(jì)不考慮周圍環(huán)境亮度，不但會給公路隧道運(yùn)營安全埋下隱患，而且將使得公路隧道照明負(fù)荷過大造成電能浪費(fèi)。 對于隧道洞口景物亮度的控制建議，前文已有所論述。隧道洞口景物亮度不僅與景物表面的受照程度有關(guān)，還取決于其表面的反射特性。在此主要針對洞外景物的反射特征與反射系數(shù)進(jìn)行概述。 圖6 洞口端墻的過分裝飾洞門隧道洞門的處理，在結(jié)構(gòu)形式和飾面材料上都應(yīng)該慎重考慮。在實(shí)

20、際工程中，就框式洞門和端墻式洞門兩種結(jié)構(gòu)形式來講，框式洞門由于洞框面積小，對洞外亮度影響較小，可以忽略不計(jì)。并且框式洞門通常采用淺色的裝飾材料，以起到提示警醒作用（如圖6）。端墻式洞門，宜采用深色的低反射系數(shù)的飾面材料，以避免對洞外亮度造成影響。就飾面材料而言，在實(shí)際應(yīng)用中，隧道端墻為了突出強(qiáng)調(diào)隧道洞口，往往經(jīng)過特殊處理，如墻面過度裝飾，采用定向度較大的面層材料或淺色裝飾面材等（如圖），這些均可引起洞外亮度的異常增大。洞口端墻應(yīng)盡量采用反射系數(shù)?。ㄐ∮?.2），定向度低（低于0.4）的漫反射或近似漫反射面材（見表2），如黑色面磚、黑色毛面石、黑灰色水磨石、菱苦土面層等。并且在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)盡量

21、禁止高定向度面層材料的使用6。 表2 飾面材料的反射比、定向度對隧道洞外亮度的影響 圖6 洞口端墻的過分裝飾路面在隧道洞口附近，路面在視覺圍所占的比例最大，同時(shí)對洞外亮度影響也是最大的，在洞外景物的亮度控制中應(yīng)給與重視。就路面材料而言，公路路面一般分為混凝土路面和瀝青路面。路面反射系數(shù)的確定方法較為復(fù)雜，一般將路面看做均勻擴(kuò)散材料，根據(jù)路面平均亮度與平均照度的轉(zhuǎn)換率得出路面的近似反射系數(shù)。通常情況下，瀝青路面反射系數(shù)為0.140.21，混凝土路面反射系數(shù)為0.240.31，很深的黑色路面反射系數(shù)為0.110.147。與混凝土路面相比，瀝青路面具有較低的反射系數(shù)。隨著路面使用年齡的增加，混凝土路

22、面反射系數(shù)降低，而瀝青路面反射系數(shù)增加。但是就整體而言，瀝青路面的反射系數(shù)還是明顯低于混凝土路面。因此，在實(shí)際應(yīng)用中，隧道洞口接近段宜鋪設(shè)瀝青混凝土路面、深暗色路面或彩色復(fù)合路面以降低隧道洞外亮度，有助于實(shí)現(xiàn)隧道洞口外亮度的平滑過渡。綠化綠化是對隧道洞外亮度影響較大的景觀要素之一，僅次于路面。在自然條件下，植被的反射系數(shù)難以確定，不同的植被類型，不同的葉片顏色、形狀和排列均會導(dǎo)致反射系數(shù)的千差萬別。即便對于同一植被而言，在不同的生長階段，其反射系數(shù)也會發(fā)生變化。在諸多影響因素中，植被類型、葉片顏色等對植被的反射系數(shù)起著更為重要的作用。在植被類型的選擇上，若地理環(huán)境許可，宜多種植針葉喬木，否則，可多栽種深色灌木或草本。就葉片顏色來講，淺黃綠色的葉片（比如金葉女貞）對于光的反射率較高，而深色葉片（比如紫紅色的紅花繼木和深綠色的杜鵑）對于光的反射率較低。在大學(xué)春紅的隧道洞外景物亮度研究中，曾對八種典型景觀植被的反射系數(shù)進(jìn)行測量計(jì)算（如表3）6，其研究數(shù)據(jù)在景觀植被的選擇與運(yùn)用方面具有了一定的參考價(jià)值。 表3 隧道洞外典型植被的反射系數(shù)廣告牌 在實(shí)際工程中，隧道洞口附近巨大廣告牌在視野圍占有一定比例，對隧道洞外亮度的影響不容忽視。比如市大學(xué)城隧道，洞口