基于品質提升的重慶公路隧道照明改造與效果評價

史玲娜， 涂 耘， 李茂華， 王衛(wèi)平， 彭 偉

(1.招商局重慶交通科研設計院有限公司， 重慶 400067； 2.重慶高速公路路網管理有限公司， 重慶 401121； 3.重慶高速公路集團有限公司博士后科研工作站， 重慶 401121)

隨著我國公路交通基礎設施的進一步建設和完善，已建交通基礎設施運行多年后逐漸出現性能下降問題，在公路隧道照明上出現較為明顯的燈具光衰及“出功不出力”等現象。為加快推進公路隧道提質升級，更好地為公眾安全便捷出行服務，交通運輸部于2019年1月印發(fā)《促進公路隧道提質升級行動方案的通知》[1]，要求完善公路隧道照明設施，排查公路隧道照明設施運行狀態(tài)，對于故障、失效和性能嚴重衰減的設施及時維護或更換，以確保隧道照明設施功能完備、運行可靠。

為提升公路隧道照明品質，近些年已有不少學者開展相關研究并指導實際工程，劉杰君等[2]提出在隧道內采用環(huán)境亮化及加強線性引導等多種輔助照明技術，既能提高隧道行車環(huán)境和視覺效果，又能降低照明能耗；劉松榮等[3]根據隧道行車視覺適應性特點，提出結合亮化涂裝的照明節(jié)能化設計方法，并提高隧道照明質量和降低能耗；周武召等[4]采用調控季節(jié)、運營時間與車流量等變量，對隧道照明管控方式進行了優(yōu)化；尹力等[5]針對低交通量下“無車照明” 的能耗浪費現象，提出一種“車來燈亮、車走燈暗” 的智能控制技術，實現隧道照明的進一步節(jié)能。

重慶于2018年初就以提升重慶城市形象，提升隧道照明和通行環(huán)境為目的，以“智能、綠色、安全、品質”為總體方向，在繞城高速范圍內率先開展了高速公路隧道照明提升工程?；诖罅抗こ碳夹g與運營管理現狀調研，結合重慶發(fā)展需求，編制了《重慶市高速公路隧道照明提升總體設計方案》以指導重慶市公路隧道照明品質提升工作的開展，落實交通部公路隧道提質升級行動[6]。相較全國其他省市，重慶公路隧道照明品質提升工程結合了大量科研和工程實踐經驗成果，在滿足《公路隧道照明設計細則》(JTG/T D70/1—2014)(簡稱“細則”)的基礎上，積極采用四新技術，通過對改造后的效果進行測試，檢驗品質提升效果，并提出了針對性的效果評價方法，對指導重慶乃至全國后續(xù)隧道照明品質提升工程改造及建設都具有較強的借鑒作用[7-11]。

1 重慶隧道照明品質提升總體方案

1.1 調研存在問題

通過調研，重慶高速公路隧道在運營近10年后主要存在以下幾方面的問題：

1) 交通量不滿足遠期設計要求，需對遠期交通量進行改造

在設計之初，重慶繞城高速公路的交通量按照小于350 veh/(h·ln)進行設計，運營近10年后，交通量已大于1 200 veh/(h·ln)，根據《細則》及照明安全運營需要，隧道加強照明和基本照明均應按遠期交通量進行改造，即入口段加強照明設計依據Lth=k·L20(s)，k值的取值應由0.025替代成0.035，即加強照明應在原基礎上增加40%，基本照明需提高67%才能滿足現有交通量下的隧道照明需求。

2) 部分隧道無引道照明，需增設引道照明

根據《細則》第8.2.1條規(guī)定，對于隧道外引道曲線半徑小于一般值的路段、隧道設夜間照明且處于無照明路段的洞外引道、隧道與橋梁處和連續(xù)隧道間的路段應設置洞外引道照明。通過調研發(fā)現，重慶繞城高速公路部分隧道處于橋隧相連處未設置引道照明，需對這些隧道加設引道照明以提高安全性。

3) 部分短隧道未設置照明，需增設照明系統(tǒng)

通過調研發(fā)現，部分長度大于200 m的隧道未設置照明系統(tǒng)，根據《細則》第3.0.2條規(guī)定，長度大于200 m的高速公路隧道、一級公路隧道應設置照明，因此，需對這些隧道增設照明系統(tǒng)。

4) 隧道入口“黑洞效應”明顯，加強照明能耗高

由于重慶繞城高速公路之前的照明燈具以高壓鈉燈為主，在運營近10年后，光衰嚴重，即使按滿功率運行，亦因燈具的“出功不出力”問題使入口段加強照明不能滿足視覺適應性需求，導致“黑洞效應”明顯，存在較大的安全隱患[12]，另外，燈具的高光衰與低光效使得加強照明段長期處于高能耗狀態(tài)，運營成本極高。

5) 洞內環(huán)境整潔度較差，隧道內部視覺誘導性不強

由于重慶繞城高速公路隧道內部大部分無涂裝，或早期涂裝因耐污性差使得內壁表面整潔度較差，壁面色澤暗淡反射率低，無法滿足《細則》第3.0.8條規(guī)定“隧道兩側墻面2 m高范圍內的平均亮度，不宜低于路面平均亮度的60%”的要求。內部環(huán)境的整體較差也導致了隧道內部視覺誘導性不強，特別是長隧道的線性誘導性較差，不僅影響通行能力，還存在一定的交通安全隱患。

6) 智能化控制程度不高

之前的高壓鈉燈主要采用傳統(tǒng)回路控制，在控制模式上以結合天氣和時段進行調光的時序控制為主[13]。重慶地處山區(qū)，不同地域天氣差異較大，在照明控制上可根據不同地域和隧道朝向采用“因隧制宜”的控制策略，可進一步提升控制節(jié)能效率，且部分路段仍存在交通量偏低的現象，通過智能控制策略的進一步提升，可切實體現低交通量照明控制的安全性和節(jié)能性。

1.2 隧道照明品質提升總體方案

根據上述問題，招商局重慶交通科研設計院有限公司制定了《重慶市高速公路隧道照明提升總體設計方案》，從隧道電光照明改造、隧道洞壁涂裝、隧道內電光標志以及隧道內交通安全設施和警示性景觀等方面提出品質提升方案，其中電光照明、涂裝改造和控制改造方案具體如下：

1) 電光照明改造方案

在遵循亮化、節(jié)能、安全的基本原則下，重慶繞城高速公路隧道照明均由原先的高壓鈉燈改成綠色節(jié)能LED燈具，設計參數中亮度折減系數按交通量增加后的0.035取值、洞外亮度按3 000 cd/m2進行設計取值，并規(guī)定基本照明亮度標準為4.5 cd/m2，對原先未設照明的短隧道增設照明系統(tǒng)，從而得到不同類型隧道的電光照明改造設計方案，如表1所示。

表1 電光照明改造設計參數

所有隧道照明均按雙側對稱方式進行布燈。入口段1的LED燈具色溫范圍為3 000 k～3 750 k，光效不低于100 lm/W；其余照明段LED燈具色溫范圍為3 000 k～4 500 k，光效不低于110 lm/W。

對原先未設引道照明的路段增設引道照明，包括其他區(qū)域照明標準及布燈方式，如表2所示。

表2 其他照明類型改造設計要求

2) 隧道洞壁涂裝改造方案

為提高隧道整體視覺環(huán)境，提升通行效率，在遵循增亮、整潔和易維護的原則下，提出隧道洞壁涂裝改造方案。要求所用涂裝材料應屬于耐污易清洗材料，材料本身為環(huán)保不燃材料(≥A2級)。針對不同隧道本身洞壁和基底的不同，要求隧道存在滲水、漏水、開裂等病害時，應先進行病害整治后再進行涂裝；隧道壁存在不平或裂縫時，需在涂裝前對隧道壁進行修復和平整度處置，保證基底平整、堅實、牢固，無浮灰、粉化、起皮和裂縫等現象；整體涂裝后的隧道內壁應粘結牢固，無露底，無流掛，無起皮，無掉粉，無咬色，無疙瘩；用儀器檢測表面反射亮度應均勻等。

根據隧道行車的視覺適應性和環(huán)境亮化提升需求，并兼顧安全提升功能，整體涂裝改造方案包括以下3方面：

(1) 隧道入口40 m和出口30 m范圍內實施全斷面涂裝，以降低隧道進出口的“黑/白洞效應”，保證進出口的行車安全，并提高通行效率。

(2) 除進出口的全斷面涂裝外，其余區(qū)段在隧道壁沿檢修道上2.7 m范圍內進行珍珠白色涂裝，既保證反射率，又與燈具色溫相匹配滿足舒適性；在2.7 m～3 m的區(qū)域實施綠色腰線，提高隧道整體引導性。

(3) 在長隧道的緊急停車帶及人行橫通道等重點避險逃生位置，采用綠色、橙色和蓄能發(fā)光白色材料實施避險和逃生引導方向涂裝，實現一種經濟性的安全提升壁面標志設施。

3) “因隧制宜”控制系統(tǒng)改造方案

在照明控制上采用更精細化的“因隧制宜”的智能控制方案。采用時序控制和智能控制相結合的方式，根據不同交通量制定不同的控制模式。采用時序控制時，結合重慶地區(qū)不同區(qū)域的天氣情況與隧道洞口朝向制定針對性時序控制策略，包括不同照明時段的控制亮度；采用智能控制時在傳統(tǒng)洞外亮度、交通量和設計車速的基礎上，結合隧道涂裝的亮度增益效果設置亮度折減系數，可達到品質提升改造后與未涂裝相比再增加15%左右的照明節(jié)能效果，以克服之前隧道照明控制智能化程度不高的問題。

2 重慶隧道照明品質提升改造

根據重慶市交通局開展都市區(qū)高速公路隧道照明品質提升專項工作要求以及上述整體提升方案，重慶市自2018年起對重慶繞城及射線高速公路隧道通過亮度提升、內壁涂裝、完善洞內設施以及洞口美化等方面進行整體性照明品質提升，重點對照明系統(tǒng)和內壁涂裝進行大規(guī)模的提升改造。以重慶石渝、渝黔高速公路隧道為例進行提升改造過程及效果分析。

2.1 工程概況

G5021石渝高速公路(主城至涪陵段)屬于重慶三環(huán)十射的渝東北射線，是重慶主城區(qū)向東北進入湖北必經之路的首段，是溝通渝陜鄂的一條重要通道，本次改造線路路段長度為84.3 km，其中主線長67.676 km，連接線長16.624 km，全線共有13座隧道。渝黔高速(重慶)段是蘭州—?？诟咚俟?簡稱“蘭海高速”)的組成部分，路段長度為90.75 km，全線共7座隧道。石渝高速公路(主城至涪陵段)、渝黔高速(重慶)段具有以下特點：

1) 該路段是重慶、貴州、四川通往長三角地區(qū)最快捷的公路運輸通道，交通量逐年增加且重載交通多。

2) 隧道內原照明系統(tǒng)主要采用高壓鈉燈，光衰嚴重，整體照明效果不好，且運營能耗高。

3) 隧道內壁無涂裝，通車運營多年，整體視覺環(huán)境有待提升。

4) 這2條高速作為重慶市重要的交通運輸經濟大動脈，社會關注度高，對道路的質量、形象、安全要求高。

2.2 照明系統(tǒng)提升改造

重慶石渝、渝黔高速公路隧道原燈具為高壓鈉燈，按照品質提升要求在本次改造中均采用LED燈具，并根據《細則》對隧道照明區(qū)段進行節(jié)能設計優(yōu)化，按總體方案進行基本亮度提升設計等，具體如下：

1) 白院子隧道和平政隧道為300 m以下直線短隧道，原設計未設置照明，現對這2座隧道增設照明系統(tǒng)。加強照明段設置為入口段1、入口段2，亮度設計值按長隧道標準的20%進行取值，其他段均為中間段，不設置出口照明。

2) 梨香隧道、龍橋隧道長度小于500 m，但屬光學長隧道，均按長隧道進行亮度設計。由于原設計進口加強照明長度只有現行規(guī)范的1/2，提升改造的加強段重新進行布設。受LED燈具最大功率限制，為達到設計亮度，入口段1采用2排燈具布置的方式；出口段的加強照明采用燈具原位更換的方式，長度與原設計一致分為出口段1和出口段2。

3) 中、長、特長隧道的照明系統(tǒng)改造均按總體方案的要求設計。加強照明燈具均采用原位更換的方式，原入口段分為入口段1和入口段2，原出口段分為出口段1和出口段2；雙車道原隧道入口段1增加一排燈具以提高設計亮度需求。對于基本照明原位換燈不滿足要求的，在原位兩者中間再增加一盞燈具以滿足總體方案亮度要求。

照明系統(tǒng)提升改造前后效果對比如圖1所示。

(a) 照明系統(tǒng)改造前

2.3 內壁亮化涂裝改造

本次隧道內壁亮化涂裝以全面落實“綠色、安全、品質”的總體目標，并利于后期運營的降本增效。在綜合比選不同材料性能和應用效果的基礎上，采用納米硅負離子材料與蓄能發(fā)光多功能材料相結合的方式，實現整體性涂裝對隧道通行環(huán)境的亮化提升效果，對重點安全區(qū)域進行避險逃生加強引導涂裝。所采用的材料主要性能指標應滿足耐污性、耐久性、環(huán)保性及不燃性要求，具體如表3所示。

表3 材料主要技術指標

材料的環(huán)保性指標必須滿足放射性、揮發(fā)性有機化學物、苯系物含量、可溶性重金屬含量等不超過標準規(guī)定限制，同時所采用的納米硅負離子材料還具有釋放負離子和提升隧道空氣質量的效果。

為保證內壁涂裝品質的提升功能，本次改造對涂層施工工藝提出嚴格要求:1) 清洗隧道內壁，保證表面無浮灰和渣子、基底無松動或掉殼；2) 采用砂漿修補和打磨基底，保證基底表面平整度一致；3) 噴涂和刮敷2層膩子層的基礎上進行底層涂料和面層涂料的施工，保證整體性色度和光潔度一致，厚度均勻，具備良好的抗污和易清洗效果。涂裝實施前后的效果如圖2、圖3所示。

(a) 涂裝前

從圖2和圖3可見，在進行內壁涂裝后，隧道內的整體照明環(huán)境顯著提升。隧道進出口的“黑/白洞效應”明顯減弱，隧道內部的“墻效應”亦得到減弱，特別是應急逃生通道遠距離即可辨識且信息明確，這對提高隧道行車安全性和通行能力起到明顯的促進作用。

(a) 涂裝前

3 改造效果測試與評價

3.1 亮化效果測試

為驗證品質提升改造對隧道照明亮化提升效果，現場分別測試了照明系統(tǒng)改造以及內壁涂裝改造后的基本照明路面亮度，如圖4所示。由于LED燈具的高光效，改造后路面亮度水平比原系統(tǒng)提升30%以上，所采用的納米硅負離子涂層具備70%以上的反射率，在內壁高反射率的涂層作用下，隧道路面亮度又較涂裝前提升了20%左右。

圖4 隧道品質提升改造的路面亮度提升效果測試

為驗證品質涂裝的耐污和易清洗效果，對改造運營一段時間后的石渝高速隧道內壁進行清洗前后的路面亮度測試，如圖5所示。檢測結果表明，清洗前隧道路面亮度較新涂裝時有所降低，亮度降低比例低于5%，但在清洗后又可提升到初裝水平，這說明本次實施的內壁亮化涂裝滿足品質涂裝的耐污易清洗效果。

(a) 石渝路進城方向基本段平均照度(未清洗)

3.2 節(jié)能性評價

在滿足相同設計要求前提下，以渝黔高速隧道電量統(tǒng)計數據為例，對照明系統(tǒng)改造前后隧道基本照明和加強照明年用電量進行統(tǒng)計分析，結果如圖6所示。從圖6可知，照明系統(tǒng)改造后，基本照明總體降低20%～70%不等，其中短隧道基本照明降幅最為明顯，這與之前短隧道高壓鈉燈光衰過大導致運營功率過高有關；加強照明段電量普遍降至原來的50%左右。這一統(tǒng)計表明照明系統(tǒng)改造后，盡管燈具數量和設計亮度有所增加，但年用電量普遍降低，實現了品質提升和節(jié)能降耗的雙重效果。

(a) 改造前基本照明年用電量

綜上分析可知，品質涂裝改造對環(huán)境亮化的提升效果顯著，涂裝后對路面亮度的提升效果良好，且采用智能控制系統(tǒng)可在原基礎上再次降低照明功率約15%，表明本次照明品質提升改造既可實現加強照明又能降低60%以上能耗，同時基本照明依據隧道長短，其節(jié)能效率也達35%～85%。

3.3 安全性評價

為驗證本次照明品質提升改造對隧道運營安全的提升作用，項目組對改造后的隧道交通事故進行跟蹤，得到改造前后同期交通事故對比情況，如表4所示。

表4 改造前后隧道交通事故比較

從表4可見，在實施了照明系統(tǒng)改造后，由于照明亮度的提升，年事故率降幅達33.33%，在實施亮化涂裝后，同期交通事故又有明顯降低，無死亡和傷人事故發(fā)生，輕微事故下降52.27%，總體事故降幅為54.35%，有效保障了人身安全，降低了財產損失，隧道運營安全提升，社會效益顯著。

4 結論

本文結合重慶市照明品質提升要求開展工作，編制總體設計方案，基于重慶高速公路隧道照明調研，對照明系統(tǒng)提升和內壁亮化涂裝進行針對性改造，并對改造前后的效果進行了測試，對后期運營節(jié)能性和安全性進行了跟蹤，主要結論如下：

1) 提出針對不同隧道類型的照明設計方法，并確定對應的照明設計指標，充分利用LED燈具高光效的優(yōu)勢，切實起到照明品質提升和降本增效的雙重效果。

2) 根據涂裝效果與所用材料性能強相關特性，采用納米硅負離子材料有效提升隧道環(huán)境亮度，從而提高隧道通行能力和通行效率，并創(chuàng)新性提出基于安全提升的隧道緊急避險與逃生墻面標設計方法，有效提升長隧道行車安全性，改造后總體事故率下降達54.35%，運營安全提升，社會效益顯著。

3) 多技術應用的品質提升方案與智能控制技術有效結合，可實現亮度提升前提下的運營節(jié)能，至少可實現35%以上的節(jié)能。