張爍， 郎君， 鞠永高

(中交第二航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司， 湖北 武漢 430060)

隧道作為一種特殊構(gòu)造物，在山區(qū)公路中占比較高。與正常路段相比，由于地形條件限制，隧道進(jìn)出口區(qū)域處于照明過渡、線形過渡、空間大小過渡的交替段，若隧道洞口的公路線形不能連續(xù)、順適過渡，極易引發(fā)追尾、刮擦、碰撞護(hù)欄、沖出路外等交通安全事故，屬于事故高發(fā)危險(xiǎn)路段。雖然JTG D20-2017《公路路線設(shè)計(jì)規(guī)范》對(duì)隧道洞口過渡段線形一致性作了要求，但僅定性地指出洞口內(nèi)外各3 s設(shè)計(jì)速度行程長(zhǎng)度范圍的平、縱面線形應(yīng)一致，未指明評(píng)價(jià)線形一致性優(yōu)劣的方法及相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)，難以運(yùn)用于實(shí)際設(shè)計(jì)。鑒于此，該文以甘肅臨洮至西寨山區(qū)公路為背景，分析隧道路段的線形設(shè)計(jì)要素，基于線形一致性安全評(píng)價(jià)原理，提出隧道洞口線形一致性指標(biāo)，并對(duì)工程可行性研究方案(下稱工可方案)中的海甸峽長(zhǎng)隧道方案進(jìn)行安全評(píng)價(jià)，提出初步設(shè)計(jì)階段隧道洞口線形優(yōu)化方法和安全措施。

1 隧道路段線形安全性分析

1.1 平面線形分析

道路的平面線形由直線、圓曲線、緩和曲線構(gòu)成，車輛從一種線形單元至另一線形單元的過程中，駕駛?cè)诵璨粩嗾{(diào)整方向盤，尤其是在隧道洞口路段，洞內(nèi)外明、暗突變，導(dǎo)致駕駛?cè)藷o法快速準(zhǔn)確地判斷方向而保持固定駕駛操作，若區(qū)段內(nèi)線形不一致，則對(duì)安全駕駛十分不利。圖1為不同線形單元下隧道洞口路段的視線透視圖。

直線形隧道洞口路段的視線良好，駕駛?cè)瞬僮骺臻g大，且駕駛方向盤負(fù)荷度低。圓曲線形隧道洞口路段雖然曲率一致，不需要不斷操作方向盤，但隧道內(nèi)外的明、暗突變易導(dǎo)致駕駛?cè)藷o法快速準(zhǔn)確地判斷方向而保持固定駕駛操作。在地形及布線制約條件下，隧道出入口難以避免地設(shè)置于緩和曲線路段，其曲率半徑和超高逐漸變化，需駕駛?cè)丝焖龠m應(yīng)光線的突變并變換方向。此外，線形要素的不同組合若造成道路線形與車輛行駛軌跡不一致，車輛較大地偏出所在車道，操作失誤則易引發(fā)刮擦、追尾撞擊等事故。

(a) 直線形隧道洞口

(b) 圓曲線形隧道洞口

(c) 回旋線形隧道洞口

圖1 不同線形單元下隧道洞口路段的視線透視圖

1.2 縱斷面線形分析

對(duì)于隧道洞內(nèi)外過渡段的縱斷面影響行車安全性的問題，規(guī)范通過限定設(shè)計(jì)指標(biāo)的取值加以控制，提出隧道縱坡不大于3%，縱坡形式宜采用單向坡，且變坡點(diǎn)處凹、凸形豎曲線的半徑要符合規(guī)定要求。但對(duì)平、縱組合下的線形一致性未作明確規(guī)定。因此，對(duì)隧道洞口路段平、縱組合下線形優(yōu)劣進(jìn)行綜合定量分析十分必要。

1.3 橫斷面分析

隧道洞口內(nèi)外過渡段路基寬度不一致時(shí)，若直接接至隧道檢修道、洞口端墻位置，將導(dǎo)致路基過渡段產(chǎn)生突變，對(duì)路側(cè)行車安全影響嚴(yán)重。為保證洞口路段路基的銜接，解決橫斷面不一致問題，規(guī)范要求在隧道進(jìn)口外設(shè)置寬度不小于3 s設(shè)計(jì)速度行程長(zhǎng)度的過渡段，且最小長(zhǎng)度不小于50 m。

2 隧道洞口路段線形一致性安全評(píng)價(jià)

2.1 隧道洞口線形過渡指標(biāo)

實(shí)際工程中，橫斷面的影響主要體現(xiàn)在路基寬度過渡方面，對(duì)隧道洞口公路線形一致性評(píng)價(jià)的影響極小，故忽略橫斷面因素。

平面線形的影響因素主要包括路線曲率、曲率變化率及轉(zhuǎn)角。平曲線彎曲程度以曲率1/R表征，車輛方向盤變化快慢以曲率的方差表征，即曲率的離散程度。隧道洞口路段平面線形過渡指標(biāo)P0按下式計(jì)算：

(1)

式中：ξ為偶然事故發(fā)生參數(shù)，一般取0.1；λ、m、n為組合參數(shù)，分別取0.28、0.67、0.25；v為運(yùn)行速度(km/h)；a為曲線起點(diǎn)樁號(hào)；b為曲線終點(diǎn)樁號(hào)；l為計(jì)算長(zhǎng)度(m)；L為行程長(zhǎng)度(m)。

縱斷面線形優(yōu)劣取決于縱坡坡度和豎曲線半徑大小。在行車安全性方面，因豎曲線半徑設(shè)計(jì)時(shí)已考慮了滿足停車視距的要求，縱斷面的影響主要在于縱坡大小。為綜合考慮平、縱線形的影響，在平面線形指標(biāo)模型的基礎(chǔ)上，以縱坡修正的方式體現(xiàn)縱斷面的影響，縱斷面線形過渡指標(biāo)按下式計(jì)算：

Z(i)=0.16(i2-1)+1.042

(2)

式中：i為平均縱坡(%)。

將平面線形指標(biāo)和縱斷面線形指標(biāo)進(jìn)行耦合，得到路線線形過渡指標(biāo)F：

F=P0Z(i)

(3)

在隧道洞口范圍內(nèi)的每個(gè)F值均對(duì)應(yīng)該斷面的線形指標(biāo)，F(xiàn)值越小，道路線形越好，影響駕駛者的信息量越少。

2.2 隧道洞口線形一致性安全評(píng)價(jià)

2.2.1 隧道洞口線形一致性指標(biāo)

根據(jù)規(guī)范，隧道洞口線形一致性安全評(píng)價(jià)主要與洞口前3 s車程內(nèi)的線形特征和洞口后3 s車程內(nèi)的線形特征有關(guān)，以隧道洞口為分界，隧道洞口內(nèi)外行車情況見圖2。

圖2 隧道洞口行車示意圖

(4)

ΔF表明隧道洞口前后道路線形之間的差別。ΔF> 0，說明隧道洞內(nèi)后3 s行程的線形優(yōu)于洞外前3 s 的線形；ΔF<0，說明隧道洞外前3 s行程的線形優(yōu)于洞后3 s 行程的線形；ΔF的絕對(duì)值越大，表明洞口前后線形指標(biāo)的差距越大，隧道洞口路段線形一致性越差。

2.2.2 隧道洞口線形安全評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

依據(jù)JTG B05-2015《公路項(xiàng)目安全性評(píng)價(jià)規(guī)范》中各級(jí)公路線形一致性不同安全水平下的運(yùn)行速度差范圍，將進(jìn)洞時(shí)線形安全情況分為好、中、差3個(gè)等級(jí)(見表1)；出洞時(shí)由于加速較安全，而減速對(duì)行車安全不利，主要考慮是否造成減速，將線形安全水平分為好、差2個(gè)等級(jí)(見表2)；車輛在隧道段各處的運(yùn)行速度預(yù)測(cè)模型見表3，其中vin為距離駛?cè)胨淼蓝纯?00 m銜接路段單元的速度。

表1 隧道入口線形安全性評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

表2 隧道出口線形安全性評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

表3 隧道路段運(yùn)行速度預(yù)測(cè)模型

將運(yùn)行速度代入式(1)～(4)，計(jì)算得到不同安全等級(jí)下線形一致性指標(biāo)ΔFin和ΔFou(見表4、表5)。

表4 進(jìn)洞時(shí)線形安全評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

表5 出洞時(shí)線形安全評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

3 工程應(yīng)用

3.1 工程概況

甘肅省臨洮至西寨公路起于定西市臨洮縣G212線與Y173相交處，終于渭源縣峽城鄉(xiāng)門樓寺村。地處隴西黃土高原西緣，路線沿途地勢(shì)起伏較大，河流水系發(fā)達(dá)，地形復(fù)雜，山勢(shì)陡峭。路線推薦線全長(zhǎng)約32 km，采用二級(jí)公路標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)速度60 km/h，路基寬度10 m，共設(shè)置大橋7座、中小橋8座、長(zhǎng)隧道1座。該項(xiàng)目沿線特殊結(jié)構(gòu)物多，隧道長(zhǎng)，施工和運(yùn)營(yíng)風(fēng)險(xiǎn)高，在設(shè)計(jì)階段對(duì)隧道洞口路段進(jìn)行安全評(píng)價(jià)，進(jìn)而提出科學(xué)、合理、安全的路線方案至關(guān)重要。

3.2 隧道洞口路線安全評(píng)價(jià)與優(yōu)化

3.2.1 工可方案中隧道安全評(píng)價(jià)

該項(xiàng)目K23+625—K26+275地勢(shì)陡峭，水系發(fā)達(dá)，左側(cè)離海甸峽水庫(kù)較近，且現(xiàn)有老路指標(biāo)極低，難以利用其走廊帶，工程可行性研究報(bào)告中擬設(shè)置海甸峽隧道通過。隧道全長(zhǎng)2 650 m，最大埋深約300 m，進(jìn)出口均采用端墻式洞門，隧道左右側(cè)共設(shè)置4處緊急停車帶。該隧道為單孔隧道，左右幅線形一致，選取右幅隧道進(jìn)行分析。

隧道入口范圍平面線形依次為R=∞、Ls=100 m、R=700 m，縱坡為2.382%和-0.5%；出口范圍平面線形依次為R=1 100 m、Ls=150 m、R=∞，縱坡為-0.5%和2.82%。隧道路段路線方案見圖3(原方案)，縱斷面見圖4。

依據(jù)上述評(píng)價(jià)方法對(duì)該隧道路段洞口內(nèi)外3 s行程范圍的線形進(jìn)行安全評(píng)價(jià)，由式(1)～(4)計(jì)算得到線形指標(biāo)值ΔF，評(píng)價(jià)結(jié)果見表6。

由表6可知：工可方案中隧道入口處線形安全水平差，這是由于洞口處于緩和曲線段，且縱向處于豎曲線范圍內(nèi)，坡差較大，線形連續(xù)性較差，駕駛者需不斷調(diào)整方向以保證不偏離原道路；隧道出口線形安全水平好，雖然出洞口也為緩和曲線段，但駕駛者視野好，可繼續(xù)保持加速狀態(tài)。

3.2.2 海甸峽隧道線形優(yōu)化

初步設(shè)計(jì)階段在綜合考慮線形指標(biāo)、環(huán)境保護(hù)及工程造價(jià)的前提下，對(duì)工可方案中隧道線形進(jìn)行優(yōu)化。優(yōu)化后隧道起訖里程樁號(hào)為K23+770-K26+220，長(zhǎng)2 450 m，隧道平面線形依次為R=2 500m、Ls=80 m、R=600 m，縱坡為1.7%和-2.1%。優(yōu)化后隧道路線平面方案見圖3，縱斷面見圖5。

圖3 海甸峽隧道優(yōu)化前后路線方案(單位：m)

圖4 工可方案中海甸峽隧道路段縱斷面示意圖(單位：m)

對(duì)初步設(shè)計(jì)隧道方案進(jìn)行安全評(píng)價(jià)，結(jié)果見表6。優(yōu)化后海甸峽隧道進(jìn)出口路段均處于安全性好的狀態(tài)，路線一致性好，連續(xù)性強(qiáng)，平面通視良好，縱面無突變，可大大增強(qiáng)隧道路段的行車安全性；隧道長(zhǎng)度縮短近200 m，在增加安全性的同時(shí)可節(jié)省工程造價(jià)。

表6 海甸峽隧道進(jìn)出口線形安全評(píng)價(jià)結(jié)果

圖5 初步設(shè)計(jì)方案隧道路段縱斷面示意圖(單位：m)

4 結(jié)語(yǔ)

隧道路段線形的不安全因素是交通事故多發(fā)的深層次技術(shù)原因。在設(shè)計(jì)階段對(duì)長(zhǎng)大隧道路段線形進(jìn)行安全評(píng)價(jià)，既可了解隧道路段的線形狀況，進(jìn)而指導(dǎo)合理選線和取值，避免設(shè)計(jì)中相對(duì)粗放和定性式地考慮安全問題。

針對(duì)線形處于“中”和“差”水平的隧道路段，應(yīng)綜合考慮平、縱組合情況增大洞內(nèi)圓曲線半徑或后移緩和曲線，避免洞口范圍縱斷面線形突變，使洞口6 s行程范圍線形連續(xù)，改善隧道洞口安全性。此外，若由于地質(zhì)、地形、環(huán)境保護(hù)等條件導(dǎo)致隧道洞口線形難以改善，可適當(dāng)采取設(shè)置洞外限速標(biāo)志、隧道遮光棚、誘導(dǎo)警示燈及減速帶等措施。