CN117349938A - 一种公路隧道入口减光装置的设计方法 - Google Patents

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CN117349938A CN202311410320.XA CN202311410320A CN117349938A CN 117349938 A CN117349938 A CN 117349938A CN 202311410320 A CN202311410320 A CN 202311410320A CN 117349938 A CN117349938 A CN 117349938A
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Abstract

本发明提供一种公路隧道入口减光装置的设计方法，该方法允许设计者预设公路隧道入口照明的节能系数，通过本发明提供的计算方法，可确定隧道入口减光装置内所需的设计平均亮度，根据平均亮度可针对性调整减光装置的规格数据，设计出所需的减光装置，进而确定隧道内的照明参数。减光装置包括设于隧道入口公路正上方的水平棚顶及用于支撑其的杆件结构，该装置侧面在靠近隧道端必须为敞开式结构，在远离隧道端，可根据需要选择敞开式或封闭式结构；所述水平棚顶由减光材质构件铺设而成；水平棚顶的一端与隧道入口顶部连接且覆盖于公路正上方，于公路两侧向外延伸；最终通过设置减光装置，实现隧道照明节能降耗。本发明精准度高，控制性好，便于推广。

Description

一种公路隧道入口减光装置的设计方法
技术领域
本发明涉及了公路隧道装置设计领域，具体涉及了一种公路隧道入口减光装置的设计方法。
背景技术
目前我国公路隧道建设具有以下特点：一是隧道数量多、规模大、海拔高和隧道长。二是建设难度大。主要体现为地形地质复杂、气候恶劣、生态脆弱，建设条件艰巨。三是运营管理和养护难度大。高原隧道多位于偏远高山区，人烟稀少，条件艰苦，专业技人员缺，隧道管养难度极大。四是二级及以下公路隧道，交通量较低，而运营成本很高。
公路隧道是公路上的特殊路段，属于半封闭环境。为保证隧道内的行车安全，为驾乘人员提供一个相对理想的行车环境，达到一定规模的公路隧道，都需要设置通风、照明等机电设施。隧道是公路运营的耗能大户，其中，照明设施运营耗电非常惊人。据统计，国内部分高速公路电费支出占总支出的80％，而电费支出中80％被用于高速公路隧道照明。
洞外亮度大，相对来讲洞内亮度就越小，为此，在隧道入口做减光装置，可以减小洞外亮度，减少黑洞效应，使得洞内减少额外照明甚至不采用额外的照明。
《公路隧道照明设计细则JTG/TD70/2-01-2014》公开，交通隧道照明可划分为入口段照明、过渡段照明、中间段照明、洞外引道照明以及洞口接近段减光装置。
接近段可采用下列减光措施：
1、可采用削竹式洞门形式，并进行坡面绿化。
2、洞口采用端墙形式时，墙面可采用暗色调，其装饰材料的反射率应小于0.17。
3、经硬化处理的隧道洞口边仰坡可进行暗化处理。
4、洞口外至少一个照明停车视距长度的路面可采用黑色路面。
但是这些减光装置只是一些减光手段，整体减光效果较差，且无法针对性进行减光效果的设计技术。
发明内容
本发明的目的在于：针对现有技术存在减光装置减光效果较差，减光效果无法提前控制的问题，提供一种公路隧道入口减光装置的设计方法，设置本申请提供的减光装置后，通过设计计算，可计算出隧道入口减光装置内的亮度，即可进行针对性的调节减光装置规格参数，便于控制。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种公路隧道入口减光装置的设计方法，减光装置包括设置在隧道入口公路正上方的水平棚顶以及用于支撑水平棚顶的支撑杆结构，减光装置的侧面为敞开式结构；所述水平棚顶包括减光材质构件铺设而成；所述水平棚顶的一端与隧道入口顶部连接，水平棚顶覆盖于公路的正上方，并相对于公路的两侧向外延伸；
所述水平棚顶沿公路延伸方向的长度为L′；
其中，L为一个停车视距，单位，m；
hD为减光装置的安装高度，单位，m；
包括以下步骤：
步骤1、选择节能系数s。0.3≦s≦0.15；
步骤2、根据节能系数s，获取安装减光装置后，公路隧道入口一段的照明设计亮度值Lth1′；Lth1′按以下公式一计算；
公式一：Lth1′＝sLth1；
其中Lth1为未安装减光装置时，公路隧道入口一段的照明设计亮度值。Lth1具体根据公式二和公式三计算得到：
公式二：L20＝γ·Lc+ε·Le+ρ·Lr+τ·Lth1；
公式三：γ+ε+ρ+τ＝1；
其中，
L20——观察者在距洞口一个停车视距处，距地面1.5m高正对洞口方向20°视场实测得到的平均亮度值；
γ——20°锥形视野中天空的面积百分比；
Lc——20°锥形视野中天空的亮度值，单位为kcd/m2；
ε——20°锥形视野中周围环境的面积百分比；
Le——20°锥形视野中周围环境的亮度值，单位为kcd/m2；
ρ——20°锥形视野中道路的面积百分比；
Lr——20°锥形视野中道路的亮度值，单位为kcd/m2；
τ——20°锥形视野中隧道入口的面积百分比；
Lth1——隧道入口的亮度值，单位为kcd/m2；
以上数值均为未安装减光装置时的值。
步骤3、按照以下公式四计算隧道入口减光装置内所需的设计平均亮度：
公式四：
其中，
k是隧道入口段亮度折减系数；
η′是20°锥形视野中减光装置所占的面积百分比；
τ′是安装减光装置后20°锥形视野中隧道入口所占的面积百分比；
LS1是隧道入口减光装置内所需的设计平均亮度。
步骤4、根据步骤3确定出的安装减光装置后隧道入口处平均亮度值，调整出水平棚顶结构参数、水平棚顶结构的减光材料参数以及减光材料的分布。
本发明提供一种公路隧道入口减光装置的设计方法，减光装置包括设置在隧道入口公路正上方的水平棚顶以及用于支撑水平棚顶的支撑杆结构，减光装置的侧面为敞开式结构；所述水平棚顶包括减光材质构件铺设而成；所述水平棚顶的一端与隧道入口顶部连接，水平棚顶覆盖于公路的正上方，并相对于公路的两侧向外延伸；通过设计计算，可直接计算出隧道入口减光装置内的亮度，根据获得的减光装置内的亮度值即可去针对性调整减光装置具体结构的规格数据，快速准确的设计出针对性的减光装置，精准度高，控制性好，便于推广。
进一步的，减光装置的具体结构规格数据指的是减光材料的透光率设置，不同透光率材料的布置，减光装置的高度和宽度等参数。
进一步的，所述步骤2中，节能系数s的选择范围为0.15≦s≦0.3；所述步骤2中，隧道入口减光装置内所需的设计平均亮度是由以下方法计算得到的：
首先，计算公路隧道入口一段的亮度值Lth1，具体根据公式二和公式三计算得到的；
公式二：L20＝γ·Lc+ε·Le+ρ·Lr+τ·Lth1；
公式三：γ+ε+ρ+τ＝1；
其中，
L20——观察者在距洞口一个停车视距处，距地面1.5m高正对洞口方向20°视场实测得到的平均亮度值；
γ——20°锥形视野中天空的面积百分比；
Lc——20°锥形视野中天空的亮度值，单位为kcd/m2；
ε——20°锥形视野中周围环境的面积百分比；
Le——20°锥形视野中周围环境的亮度值，单位为kcd/m2；
ρ——20°锥形视野中道路的面积百分比；
Lr——20°锥形视野中道路的亮度值，单位为kcd/m2；
τ——20°锥形视野中隧道入口的面积百分比；
Lth1——隧道入口的亮度值，单位为kcd/m2；
进一步的，γ为20°锥形视野中天空的面积与20°锥形视野的视野圆面积的比值；ε为20°锥形视野中周围环境的面积与20°锥形视野的视野圆面积的比值；ρ为20°锥形视野中道路的面积与20°锥形视野的视野圆面积的比值；τ为20°锥形视野中隧道入口的面积与20°锥形视野的视野圆面积的比值。
然后，根据计算得到的Lth1和节能系数s，计算安装减光装置后，公路隧道入口一段的照明设计亮度值Lth1′；Lth1′按以下公式一计算；
公式一：Lth1′＝sLth1；
进一步的，按照以下公式四计算隧道入口减光装置内所需的设计平均亮度：
公式四：
进一步的，所述步骤3中，τ′为安装减光装置后20°锥形视野中隧道入口所占的面积与20°锥形视野的视野圆面积；η′的值为1-τ′。
一种公路隧道入口减光装置的设计方法，根据上述步骤3确定出的隧道入口减光装置内所需的设计平均亮度，相应确定隧道入口减光装置的各项设计参数。具体方法为：
上述减光装置的初始设计参数为：
所述水平棚顶沿公路延伸方向的长度为L′。
水平棚顶的安装宽度为水平棚顶安装高度的二倍与隧道直径之和。
减光装置的侧面全部为敞开式结构。
减光装置顶部减光材质构件的透光率取15％。
若按照初始参数构建的减光装置内的平均亮度小于等于LS1，则直接采用初始设计参数设计和建设减光装置；
若否，则采用以下三种措施进一步降低减光装置内的平均亮度：
措施1：加宽水平棚顶的宽度；
措施2：将减光装置远离隧道一端改为封闭式结构。
措施3：调低减光装置顶部减光材质构件的透光率。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
本发明提供一种公路隧道入口减光装置的设计方法，减光装置包括设置在隧道入口公路正上方的水平棚顶以及用于支撑水平棚顶的支撑杆结构，减光装置的侧面为敞开式结构；所述水平棚顶包括减光材质构件铺设而成；所述水平棚顶的一端与隧道入口顶部连接，水平棚顶覆盖于公路的正上方，并相对于公路的两侧向外延伸；通过设计计算，可直接计算出隧道入口减光装置内的亮度，根据获得的减光装置内的亮度值即可去针对性调整减光装置具体结构的规格数据，快速准确的设计出针对性的减光装置，精准度高，控制性好，便于推广。
附图说明
图1为本申请提供的减光装置的结构示意图。
图2为图1的侧面结构示意图。
图3为未安装减光装置时，L20测试的视角侧面结构示意图。
图4为未安装减光装置时，L20测试的视角正面结构示意图。
图5为安装减光装置后，L20测试的视角侧面结构示意图。
图6为安装减光装置后，L20测试的视角正面结构示意图。
图7为实施例2对减光装置的优选设计结构示意图。
图8为实施例2提供的减光装置的又一设计结构示意图。
图标：1-减光装置；11-水平棚顶；111-第一棚顶部；112-第二棚顶部；113-第三棚顶部；12-支撑杆结构；13-封堵结构；2-隧道入口；3-公路。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明作详细的说明。
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1
如图1和图2所示，本申请提供的减光装置1包括设置在隧道入口2的公路3正上方的水平棚顶11以及用于支撑水平棚顶11的支撑杆结构12，减光装置1的侧面为敞开式结构；所述水平棚顶11包括减光材质构件铺设而成；所述水平棚顶11的一端与隧道入口2顶部连接，水平棚顶11覆盖于公路3的正上方，并相对于公路3的两侧向外延伸。
实施例为一座高速公路隧道，洞口形状为圆形，直径为11米(亦即半径rT＝5.5米)，洞身高度为hT＝7米，纵坡0％。隧道所在的山体在隧道洞口处的等效平均高度为hm＝13.5米。道路宽度为wr＝12.5米。道路设计行车速度为80km/h。交通量为450veh/(h·ln)。
现行标准《JTGT D70/2-01-2014公路隧道照明设计细则》在计算隧道照明设计参数时，采用L20方法。具体做法是以距离隧道洞口处一个照明停车视距处的洞外亮度L20值为基准，推算确定隧道内的照明亮度设计值。
如图3和图4所示，根据照明设计细则，L20方法中的L20定义为观察者在接近段起始点(距洞口一个停车视距处)，距地面1.5m高正对洞口方向20°视场实测得到的平均亮度值。
具体的如图3所示，在未实施减光装置时，距地面1.5m高正对洞口方向20°视场的侧面结构图，图4为图3中，距地面1.5m高正对洞口方向20°视场的正面示意图。图3和图4中S区域代表天空区域，E区域代表环境区域，R区域代表道路，T区域为隧道入口处，C为20°锥形视野的视野圆面区域。
L20的数值按下式计算：
L20＝γ·Lc+ε·Le +ρ·Lr +τ·Lth1 式1
γ+ε+ρ+τ＝1
式1中：γ——20°锥形视野中天空的面积百分比；
Lc——天空的亮度值；
ε——周围环境的面积百分比；
Le——周围环境的亮度值；
ρ——道路的面积百分比；
Lr——道路的亮度值；
τ——隧道入口的面积百分比；
Lth1——隧道入口的亮度值；
Lc、Le、Lr的取值参考CIE报告表，具体如表1所示。
表1
设置减光装置后，L20的数值计算公式即变为：
L20＝γ·Lc+ε·Le +ρ·Lr +τ·Lth1+ηLs 式2
式2中：η——20°锥形视野中减光装置的面积百分比；
Ls——减光装置的亮度值；
Lth1——设置减光装置后隧道洞口的亮度值。
照明停车视距参考照明设计细则，具体如表2所示。
表2照明停车视距
按照实施例隧道的实际参数，照明停车视距取100米。也即接近段起始点距离距离隧道洞口100米。在此处，按照实施例隧道的实际参数，计算得到：
在隧道洞口处的20°锥形视野的视野圆半径：
rc＝100tan10°＝17.63m
20°锥形视野的视野圆面积：
Sc＝πrc 2＝976.76m2
隧道面积ST：
天空面积SS：
式3中：rc——当前位置20°锥形视野的视野圆半径
计算结果为33.06。
道路面积SR：
环境面积SE：
计算结果如表3所示。
表3
参数 γ＝SS/Sc ε＝SE/Sc ρ＝SR/Sc τ＝ST/Sc
数值(％) 3.38 48.54 41.54 6.53
参考照明设计细则，实施例隧道的入口亮度折减系数k＝0.035。
计算得到：
L20(S)＝3038.61cd/㎡；
Lth1＝106.35cd/㎡；
选择节能系数s＝0.15。计算得到安装减光装置后，公路隧道入口一段的照明设计亮度值Lth1′为
Lth1′＝0.15×106.35＝15.95cd/㎡
在洞口设置高度hD＝hT＝7米的减光装置。设置减光装置后，容易看出，当减光装置的长度不短于100-5.5/tan10°＝68.8米时，在接近段起始点，距地面1.5m高正对洞口方向20°
视场内，已经不存在天空和环境，视场内的道路也已经全部位于减光装置内。
具体的如图5和图6所示，图5为在实施减光装置时，距地面1.5m高正对洞口方向20°视场的侧面结构图，图6为图5中距地面1.5m高正对洞口方向20°视场的正面示意图。图5和图6中R区域代表道路，T区域为隧道入口处，C为20°锥形视野的视野圆面区域。
此时的L20计算公式可以简化为：
L20＝τ·Lth1+ηLs1
其中τ＝ST/Sc＝6.53％，已经计算如前。
相应的η＝1-τ＝93.47％。
根据现行标准《JTGT D70/2-01-2014公路隧道照明设计细则》，Lth1＝kL20，代入即得到：
此时，通过控制减光装置的透光率，可以根据实际需要控制第一段减光装置的入口处平均亮度值。对本实施例隧道，若取Ls1＝460cd/㎡，按照照明设计细则的规定，计算实施例隧道的照明分段和各分段的照明设计标准，与无减光装置的情况相对比，结果如表4所示，其中入口一段，入口二段，过渡一段，过渡二段，过渡三段以及中间段的具体含义见JTGTD70 2-01-2014公路隧道照明设计细则。
表4设置减光装置前后隧道照明对比表
通过对比可以看出，设置减光装置之后，隧道入口一段的照明设计标准下降到相当于未设减光装置之前隧道照明过渡一段相当；入口二段的照明设计标准也大幅下降，总体上需要设置的高于中间段照明的加强照明规模大大缩减。
实施例2
根据实施例1获得的减光装置1内的亮度值去针对性调整减光装置1具体结构的规格数据。
具体的，所述水平棚顶11沿公路3延伸方向的长度为L'～L'+1m。减光装置1的安装高度hD不低于隧道入口2的高度hT。水平棚顶11的安装宽度应不小于水平棚顶11安装高度的二倍与隧道直径之和。减光材质构件的透光率为5％～15％。
如图7所示，所述水平棚顶11的宽度方向分为依次连接的第一棚顶部111、第二棚顶部112和第三棚顶部113，所述第二棚顶部112位于公路3的正上方，所述第二棚顶部112的宽度≥公路3的宽度，所述二棚顶部112的透光率大于所述第一棚顶部111的透光率及所述第三棚顶部113的透光率。这样更方便设计出所需的亮度值。
优选地，如图8所示，所述减光装置1的两侧远离隧道入口的一端设置有封堵结构13。环境长度不允许时，设置一段封堵结构，也可以达到所需亮度值。
本发明提供一种公路隧道入口减光装置的设计方法，减光装置包括设置在隧道入口公路正上方的水平棚顶以及用于支撑水平棚顶的支撑杆结构，减光装置的侧面为敞开式结构；所述水平棚顶包括减光材质构件铺设而成；所述水平棚顶的一端与隧道入口顶部连接，水平棚顶覆盖于公路的正上方，并相对于公路的两侧向外延伸；通过设计计算，可直接计算出隧道入口减光装置内的亮度，根据获得的减光装置内的亮度值即可去针对性调整减光装置具体结构的规格数据，快速准确的设计出针对性的减光装置，精准度高，控制性好，便于推广。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种公路隧道入口减光装置的设计方法，其特征在于，首先按如下方法确定隧道入口减光装置内所需的设计平均亮度：
步骤1、选择节能系数s：0.15≦s≦0.3；
步骤2、根据节能系数s，获取安装减光装置后，公路隧道入口一段的照明设计亮度值Lth1′；Lth1′按以下公式一计算；
公式一：Lth1′＝sLth1；
其中Lth1为未安装减光装置时，公路隧道入口一段的照明设计亮度值；Lth1具体根据公式二和公式三计算得到：
公式二：L20＝γ·Lc+ε·Le+ρ·Lr+τ·Lth1；
公式三：γ+ε+ρ+τ＝1；
其中，
L20——观察者在距洞口一个停车视距处，距地面1.5m高正对洞口方向20°视场实测得到的平均亮度值；
γ——20°锥形视野中天空的面积百分比；
Lc——20°锥形视野中天空的亮度值，单位为kcd/m2；
ε——20°锥形视野中周围环境的面积百分比；
Le——20°锥形视野中周围环境的亮度值，单位为kcd/m2；
ρ——20°锥形视野中道路的面积百分比；
Lr——20°锥形视野中道路的亮度值，单位为kcd/m2；
τ——20°锥形视野中隧道入口的面积百分比；
Lth1——隧道入口的亮度值，单位为kcd/m2；
步骤3、按照以下公式四计算隧道入口减光装置内所需的设计平均亮度Ls1：
公式四：
其中，
k是隧道入口段亮度折减系数；
η′是20°锥形视野中减光装置所占的面积百分比；
τ′是安装减光装置后20°锥形视野中隧道入口所占的面积百分比；
LS1是隧道入口减光装置内所需的设计平均亮度。
2.根据权利要求1所述的公路隧道入口减光装置的设计方法，其特征在于，减光装置包括设置在隧道入口公路正上方的水平棚顶以及用于支撑水平棚顶的支撑杆结构，减光装置的侧面在靠近隧道一端必须为敞开式结构，在远离隧道一端，可以根据需要选择敞开式或者封闭式结构；所述水平棚顶包括减光材质构件铺设而成；所述水平棚顶的一端与隧道入口顶部连接，水平棚顶覆盖于公路的正上方，并相对于公路的两侧向外延伸。
3.根据权利要求2所述的公路隧道入口减光装置的设计方法，其特征在于，所述减光装置的初始设计参数为：
所述水平棚顶沿公路延伸方向的最小长度为L′；L′按以下公式五计算：
公式五：
其中，L为一个停车视距，单位，m；
hD为减光装置的安装高度，单位，m；
水平棚顶的安装宽度应不小于水平棚顶安装高度的二倍与隧道直径之和；
减光装置的侧面全部为敞开式结构；
减光装置顶部减光材质构件的透光率取15％。
4.根据权利要求1所述的隧道入口减光装置的设计方法，其特征在于，根据上述步骤3确定出的隧道入口减光装置内所需的设计平均亮度，相应确定隧道入口减光装置的各项设计参数；具体方法为：
若按照初始参数构建的减光装置内的平均亮度小于等于LS1，则直接采用初始设计参数设计和建设减光装置；
若否，则采用以下三种措施进一步降低减光装置内的平均亮度：
措施1：加宽水平棚顶的宽度；
措施2：将减光装置远离隧道一端改为封闭式结构；
措施3：调低减光装置顶部减光材质构件的透光率。
5.根据权利要求1所述的公路隧道入口减光装置的设计方法，其特征在于，γ为20°锥形视野中天空的面积与20°锥形视野的视野圆面积的比值；ε为20°锥形视野中周围环境的面积与20°锥形视野的视野圆面积的比值；ρ为20°锥形视野中道路的面积与20°锥形视野的视野圆面积的比值；τ为20°锥形视野中隧道入口的面积与20°锥形视野的视野圆面积的比值。
6.根据权利要求1所述的公路隧道入口减光装置的设计方法，其特征在于，所述步骤3中，τ’为安装减光装置后20°锥形视野中隧道入口所占的面积与20°锥形视野的视野圆面积；η’的值为1-τ’。
7.根据权利要求4所述的公路隧道入口减光装置的设计方法，其特征在于，调整出水平棚顶结构参数时，减光装置远离隧道一端的封闭式结构的长度不超过减光装置长度的一半。
8.根据权利要求1所述的公路隧道入口减光装置的设计方法，其特征在于，所述步骤3中，减光装置的安装高度hD不低于隧道入口的高度hT。
9.根据权利要求1所述的公路隧道入口减光装置的设计方法，其特征在于，所述步骤3中，调整出水平棚顶结构参数时，减光材质构件的透光率为5％～15％。
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