何世永，陈 蔚，梁 波，张 逸

(1.重庆交通大学 土木工程学院，重庆 400074；2.重庆轨道集团有限公司，重庆 401120；3.重庆交通大学 山区桥梁与隧道工程国家重点实验室培育基地，重庆 400074)



公路隧道蓄能反光侧壁材料应急救援功能研究

何世永1，陈 蔚2，梁 波3，张 逸1

(1.重庆交通大学 土木工程学院，重庆 400074；2.重庆轨道集团有限公司，重庆 401120；3.重庆交通大学 山区桥梁与隧道工程国家重点实验室培育基地，重庆 400074)

结合蓄能反光材料的应用研究现状以及公路隧道突发事故灾害的特征，分析了蓄能反光材料应用于公路隧道侧壁对于改善应急救援视觉环境的重要性。针对蓄能反光材料的蓄能自发光特性开展了两类不同配比的蓄能反光材料的余辉亮度和余辉光谱试验，并对两类蓄能反光材料的特征参数，如材料配比系数、余晖亮度和持续时间、以及余晖光谱能量分布等进行计算分析。结果表明：蓄能反光侧壁材料1 h内自发光亮度远高于人眼的最低识别亮度；0.3发光粉配比的蓄能反光侧壁材料余辉性能最佳，该配比下的余辉初始亮度与余辉时间都有较大幅度的增长；硅酸盐蓄能反光材料比铝酸盐蓄能反光材料拥有更高的余晖光谱S/P值，但铝酸盐蓄能反光材料的余辉亮度特性优于硅酸盐蓄能反光材料，合理选取侧壁蓄能反光材料的相关参数有助于提高公路隧道突发事故灾害条件下的应急救援功能。

隧道工程；蓄能反光侧壁材料； 应急救援；余辉亮度；余辉光谱能量分布

0 引 言

国际照明委员会技术报告CIE 88—2004指出：隧道侧壁是司乘人员发现障碍物时背景的重要组成部分，对其亮度适应和视觉引导具有重要作用。同时，隧道侧壁是公路隧道照明环境的重要组成部分，建议隧道侧壁自下往上2 m范围内，平均亮度不低于路面亮度的60%[1]。基于此，国内外学者对公路隧道侧壁与照明节能安全的关系开展了较为广泛的研究，如杨韬[2]对隧道内不同壁面材料反射特性进行研究，指出考虑材料反射有助于提高公路隧道照明的平均亮度。K.KIRCHER等[3]结合VTI 驾驶模拟器，指出适当提高墙面路面对比度有利于提高驾驶员驾车经过公路隧道时的安全系数。梁波等[4]采用数值模拟、实体比例模型以及实体隧道试验，对高反射系数的侧壁材料的使用性能进行研究，指出高反射系数蓄能反光材料的使用能有效提高路面照度，适当降低照明能耗。由此可见，具有高反射率性能的侧壁蓄能反光材料研究已相对较多，但对蓄能后释放余晖性能的研究较少。

蓄能反光材料是一类高反射率的光致发光材料，将稀土元素作为激活剂的第三代蓄能反光材料迎来了发展的新纪元[5]，第三代的蓄能反光材料相比于第二代的蓄能反光材料拥有更好的余辉性能和化学稳定性，以硅酸盐和铝酸盐为代表的蓄能反光材料在交通、显示、涂料、医疗、陶瓷等行业得到了更多的应用[6]。同时，蓄能反光材料又是一类兼顾美观与功能的环保材料，蓄能反光材料作为隧道侧壁材料能够利用其自发光功能在隧道事故灾害中起到辅助应急救援的作用，对隧道的行车安全起到十分积极的作用[7-8]。

随着隧道数量与规模的增加，易燃物品运输量也随之增加，加之隧道内的照明质量普遍较低，隧道已然成为交通事故高发区，若交通事故诱发火灾，将造成严重的生命和财产损失，施救难度更是远远高于其他路段[9]。如2014年3月1日在晋济高速公路山西晋城段岩后隧道内发生的汽车追尾事故，引发的火灾总共造成40人死亡、12人受伤。以及2016年3月17日在日本Hachihonmatsu隧道发生一起交通事故，导致2人死亡，70人受伤的严重后果。隧道事故发生灾害后，及时的应急救援以及被困人员的自我逃生往往成为减少事故伤亡的关键环节[10-13]。能见度较高的应急救援或被困人员自救环境对于增加逃生率，减少事故伤亡具有重要的作用。因此，笔者结合公路隧道侧壁蓄能反光材料，对应急救援功能，余晖亮度以及余晖光色特征进行系统试验分析，以期为公路隧道应急救援提供一个新思路。

1 蓄能反光材料在公路隧道中的应急救援功能分析

蓄能反光材料最大的特点在于其蓄能自发光功能。在外界光能停止激发后，蓄能反光材料可通过自我放能的方式(电子的能级跃迁)发光，即光致发光现象[14]，进而产生一定的余晖亮度。

隧道一旦发生火灾，可燃物燃烧释放的浓烟迅速弥漫隧道顶部，事故发生段将陷入照明失效状态，被困人员仅能从逃生指示标示获得逃生指引。逃生指示标示一般间隔较远，面积较小，作用效果有限，而蓄能反光材料在隧道照明失效的情况下，恰好能够利用蓄能自发光功能，提供逃生所需视觉亮度。

图1为逃生指示标示与蓄能反光材料自发光亮度对比。图2为蓄能反光材料应用于公路隧道侧壁时，隧道突然断电后的余晖效果。

图1 蓄能反光材料余辉效果Fig. 1 Afterglow performance of energy-storage and reflective sidewall-materials

图2 断电后的余晖效果Fig. 2 Afterglow performance after power off in road tunnel

由图1，图2可见，蓄能反光材料的发光亮度远高于人眼的最低识别亮度，即使实验板的尺寸较小，仍能够对周围空间提供一定的照明亮度。在突然断电情况下，公路隧道侧壁使用蓄能反光材料对于显示整体轮廓，提升应急救援或被困人员自救的效果具有十分重要的应用价值。相比于逃生指示标示，蓄能反光材料有以下优势：

1) 蓄能反光材料的涂刷范围为隧道侧壁墙面，整体提供的照明亮度优于逃生指示标示。

2) 蓄能反光材料覆盖于一定高度的公路隧道侧壁墙面，能够让逃生者更好地感知隧道轮廓。在长隧道或者曲线形隧道，蓄能反光材料的自发光效果更有利于提供逃生线路。

3) 蓄能反光材料自发光过程为吸能放能的过程，相比于逃生指示标示，蓄能反光材料无需额外的电能，也避免了墙后的电路走线问题。

2 隧道蓄能反光侧壁材料余辉亮度试验分析

2.1 不同材料种类下的余辉亮度

余辉亮度曲线是国内外专家学者比较常用的用来衡量蓄能发光性能的重要参数曲线，其能够较好地反映蓄光反光材料的余辉亮度以及余辉持续时间[14]。笔者以第三代蓄能反光材料中具有代表性的铝酸盐与硅酸盐蓄能反光材料为试验对象，采用PR-305长余辉荧光粉测试仪(图3)分别测量了两类材料的余辉性能。

图3 PR-305长余辉荧光粉测试仪Fig. 3 PR-305 phosphor powder tester of long afterglow

试验采用氙灯光源，以1 000 lx平均照度照射在蓄能反光材料表面10 min，然后以秒为单位测量蓄能反光材料的自发光亮度值。

硅酸盐和铝酸盐蓄能反光材料的余辉亮度以及余辉双对数曲线如图4、图5。

图4 余辉亮度曲线Fig. 4 Afterglow luminance curve

图5 余辉双对数曲线Fig. 5 Double logarithmic curve of the afterglow

由图4可知，硅酸盐蓄能反光材料余辉时间、余辉亮度均小于铝酸盐蓄能反光材料。根据测量结果，两种蓄能反光材料1 h后的余辉亮度仍远高于人眼的最低识别亮度(0.32 mcd/m2)，最终硅酸盐蓄能反光材料的余辉时间为3 h，铝酸盐蓄能反光材料余辉时间为10 h。

图5反映了两种蓄能反光材料在隧道光环境下余辉亮度衰减趋势。从图5可以看出，两种蓄能反光材料的ln(L)(亮度的自然对数)与ln(t)(时间的自然对数)基本维持线性关系，即两种蓄能反光材料的余辉亮度衰减形式与大多数蓄能反光材料保持一致，遵循以下衰减公式[15]：

I=I0×t-n

(1)

式中：I为光源停止激发ts后，材料的发光强度；I0为光源停止激发时材料的发光强度；n为衰减常数。

对于双对数亮度曲线而言，直线斜率的绝对值即为蓄能反光材料的衰减系数n，数据经函数拟合，硅酸盐蓄能反光材料衰减系数n为0.959，铝酸盐蓄能反光材料衰减系数n为1.005，即硅酸盐蓄能反光材料衰减速度低于铝酸盐蓄能反光材料。

总体来说，应用于隧道后的铝酸盐蓄能反光材料余辉性能优于硅酸盐蓄能反光材料，但两种材料的余辉性能均能保证在相当长的一段时间内为被困人员提供逃生所需的基本照明。

2.2 不同材料配比下的余辉亮度

蓄能反光材料主要由溶剂与发光粉组成，其自发光作用主要依靠材料内发光粉的光致发光作用，发光粉含量的多少，即不同的材料配比将极大地影响蓄能反光材料的余辉性能。研究以水泥砂浆为底板制作不同配比的蓄能反光材料样板，采用2.1小结余晖亮度测定方法，分别测量了4种不同材料配比的铝酸盐蓄能反光材料的余辉性能。文中蓄能反光材料配比单指蓄能反光材料中发光粉的含量。配比分别为0.1～0.4的铝酸盐蓄能反光材料余辉初始亮度与余辉时间如图6、图7。

图6 蓄能反光材料配比与余辉初始亮度的关系曲线Fig. 6 Relationship curve between the ratio of the energy-storage and reflective materials and the afterglow initial brightness

图7 蓄能反光材料配比与余辉时间的关系曲线Fig. 7 Relationship curve between the ratio of the energy-storage and reflective materials and the afterglow duration

由图6可知，当蓄能反光材料配比从0.1提高到0.2，其余辉初始亮度从0.828 cd/m2，提高为1.618 cd/m2，余辉初始亮度增加了95%。当材料配比从0.2提高到0.3，余辉初始亮度增加了127%；当材料配比从0.3提高到0.4，余辉初始亮度增加不到10%。图7中的余辉时间同样保持了相同的增长规律，最长的余辉时间为14 h。

综上所述，发光粉含量为0.3左右时，材料的余辉性能基本达到了稳定的极限状态。因此，在不考虑成本的情况下，0.3材料配比下蓄能反光材料余辉性能最佳，在隧道事故灾害发生后所起的应急救援效果最显著。

3 隧道蓄能反光侧壁材料余辉光谱能量分布试验分析

3.1 试验概况

公路隧道突发断电条件下，整个隧道视觉环境处在一个较暗的中间视觉或暗视觉亮度范围。该视觉环境下，不同色彩(光谱能量分布)给人的感知亮度也不相同[17]。近年来视觉亮度的研究也成为了研究的热点，由美国伦斯勒理工学院的Rea教授提出的中间视觉X模型与欧盟主导所提出的中间视觉MOVE模型得到了更多国内外学者的认可。在两类中间视觉模型中，均以S/P值作为评价光谱分布的重要参数[16-17]，S/P值计算公式如下[18-19]：

(2)

式中：λ为波长；P(λ)为波长为λ的光谱相对强度；V′(λ)为暗视觉下光谱光视效率值；V(λ)为明视觉下光谱光视效率值。

试验利用美国Photo Research系列PR655光谱扫描辐射度计(图8)，以新型硅酸盐蓄能反光材料和铝酸盐蓄能反光材料为试验对象，分别测定和计算两种蓄能反光材料的光谱能量分布和S/P值。

图8 PR-655光谱扫描辐射度计Fig. 8 PR-655 spectra scanning radiometer

图9为试验板，试验底板为铝板，蓄能反光材料的涂刷厚度为2 mm。试验首先分别测量了蓄能反光材料自发光1 min后，5 min后，10 min后的光谱能量分布，然后，结合所测的余晖光谱能量分布曲线和式(2)计算得到相应的S/P值。

图9 硅酸盐(左)、铝酸盐(右)蓄能反光材料试验板Fig. 9 Test sample of silicate (left) and aluminate (right) energy-storage and reflective materials

3.2 硅酸盐和铝酸盐蓄能反光材料光谱能量分布和S/P值

硅酸盐和铝酸盐蓄能反光材料的自发光(1 min)光谱能量分布如图10。由图10可见，自发光1 min后两种蓄能反光材料光谱分布都为单峰的分布形式显示，硅酸盐蓄能反光材料自发光光谱峰值波长为468 nm，主波长为480 nm，为蓝光波长，自发光颜色为蓝色。铝酸盐蓄能反光材料的自发光光谱峰值波长为520 nm，主波长为541 nm，为绿光波长，自发光颜色为绿色。

铝酸盐和硅酸盐蓄能反光材料在自发光1 min后，5 min后，10 min后的光谱能量分布所对应的S/P值如图11。

图10 硅酸盐和铝酸相连蓄能反光材料自发光光谱Fig. 10 Self-luminescence spectra of silicate and aluminate energy-storage and reflective material

图11 蓄能反光材料S/P值变化Fig. 11 Variation of S/P ratio of the energy-storing and reflective material

两种蓄能反光材料自发光5 min后光谱能量分布对应S/P值与几种常见光源的光谱能量分布对应S/P值如图12。由图11可知，两种蓄能反光材料对应的S/P值未随时间发生明显变化，任意时刻硅酸盐蓄能反光材料对应的S/P值高于铝酸盐蓄能反光材料对应的S/P值。由图12可知，蓄能反光材料S/P值远高于普通照明光源，即余晖中蓝光成分较多的硅酸盐蓄能反光材料(主波长480 nm)和余晖中绿光成分较多的铝酸盐蓄能反光材料(主波长541 nm)发光效率高于发白光的LED灯以及黄光成分较多的金卤灯、高压钠灯。

图12 常见光源与蓄能反光材料S/P值对比Fig. 12 Comparison of S/P ratio between common light source and the energy-storage and reflective material

余晖呈蓝绿色的蓄能反光材料拥有较高的S/P值，也符合了中间视觉和暗视觉亮度下人眼对色彩敏感程度的理论认知[20-21]。与几种常见光源相比，低亮度条件下有较高发光效率的蓄能反光材料更有利于在隧道火灾断电等事故发生后引导被困人员的逃生与疏散。

4 结 论

笔者基于余辉亮度与余辉光谱，通过试验与计算分析了蓄能反光材料在隧道事故灾害中的辅助应急救援功能，主要得出如下结论：

1) 以笔者所使用的两类蓄能反光材料为例，蓄能反光材料1 h后的余辉亮度均远高于人眼能够识别的最低识别亮度0.32 mcd/m2，在隧道的事故灾害中均能够在相当长的一段时间内为被困人员提供逃生所需的基本应急照明。

2) 材料配比对蓄能反光材料的初始余晖亮度和余晖时间影响很大，当发光粉含量占总量30%时能够更好地发挥蓄能反光材料的余晖性能。

3) 两种蓄能反光材料相比，余晖中蓝光成分较高的硅酸盐蓄能反光材料拥有更高的自发光光谱S/P值，即余晖中蓝光成分较高的硅酸盐蓄能反光材料拥有更高的光视效率。但硅酸盐蓄能反光材料的余辉亮度与余辉持续时间比铝酸盐蓄能反光材料低。

4) 蓄能反光材料是一类发光性能稳定，工艺成熟的环保节能材料，具有较高的余晖亮度和S/P值。发蓝绿光的蓄能反光材料在暗视觉下人眼的感知亮度较高，蓄能反光材料覆盖于隧道侧壁后，有利于在隧道事故灾害中辅助被困人员感知隧道轮廓，提供逃生线路的指引。

5) 在公路隧道内部发生交通事故突然断电情况下，其蓄能发光特性对于提高应急救援水平具有重要意义。但如何将该余晖光学性能指标应用于公路隧道，即蓄能反光材料在公路隧道侧壁的涂装形式，施工工艺等有待进一步研究。

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(责任编辑：谭绪凯)

Emergency Rescue Performance of Energy-Storage and Reflective Sidewall-Materials in Highway Tunnel

HE Shiyong1，CHEN Wei2，LIANG Bo3，ZHANG Yi1

(1.School of Civil Engineering，Chongqing Jiaotong University，Chongqing 400074，P.R.China; 2.Chongqing Railway Group Co.Ltd.，Chongqing 401120，P.R.China; 3.State Key Laboratory Breeding Base of Mountain Bridge and Tunnel Engineering，Chongqing Jiaotong University，Chongqing 400074，P.R.China)

According to the research status of the application of the energy-storage and reflective materials and the characteristics of accidents in highway tunnels，the importance of the energy-storage and reflective materials used in highway tunnel side wall for improving the visual environment of emergency rescue was analyzed.Aiming at the energy-storage and self-luminous characteristics of energy-storage and reflective materials，the tests of afterglow luminance and afterglow spectrums of the energy-storage and reflective materials with two different composition ratios were carried out.The characteristic parameters of the above two kinds of materials，such as the material ratio coefficient，the brightness and duration of afterglow，and the power distribution of afterglow spectral were analyzed and calculated.The results show that the self-luminous brightness of energy-storage and reflective sidewall-material in 1 hour is much higher than the limit the human can recognize.The energy-storage and reflective sidewall-material with 0.3 luminous powder ratio has the best afterglow performance，and the initial brightness and the afterglow duration are significantly improved by this ratio.Silicate light-storage and reflective materials have a higher S/P value of afterglow spectral than the aluminate light-storage and reflective materials do，while the aluminate light-storage and reflective materials have better performance in afterglow brightness.Reasonable selection of the relative parameters of energy-storage and reflective sidewall-materials is helpful to improve the emergency rescue function of highway tunnel emergency accidents and disasters.

tunnel engineering; energy-storage and reflective sidewall-material; emergency rescue; afterglow brightness; afterglow spectral power distribution

2016-12-29；

2017-03-30

国家自然科学基金项目(51678096)；重庆市科委项目(cstc2015shmszx30023)；云南省交通厅科技项目(2014(A)17)

何世永(1988—)，男，河南开封人，博士，主要从事公路隧道运营维护安全与节能方面的研究。E-mail：he-sy@hotmail.com。

10.3969/j.issn.1674-0696.2017.06.04

U454

A

1674-0696(2017)06-024-06