公路隧道出入口平面線形一致性檢驗研究

龐小沖，唐學(xué)軍

(甘肅省交通規(guī)劃勘察設(shè)計院有限責(zé)任公司，蘭州 730030)

0 引言

隨著公路建設(shè)向山區(qū)、城市等復(fù)雜的地形、地物地區(qū)發(fā)展，項目選線中隧道洞口段位于回旋曲線上并不少見，由于隧道結(jié)構(gòu)的特殊性，考慮到洞口段行車的安全，相關(guān)的規(guī)范對隧道出入口的平面線形有專門的要求，以提高進(jìn)出隧道的安全性［1］?，F(xiàn)行規(guī)范中，對隧道出入口的平面線形一致性的規(guī)定主要有3處，依據(jù)規(guī)范實施的時間順序依次介紹如下。

首先，JTG B01—2003《公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》第7．0．4條對隧道洞口線形規(guī)定:“隧道洞口內(nèi)側(cè)不小于3 s設(shè)計速度行程長度與洞口外側(cè)不小于3 s設(shè)計速度行程長度范圍內(nèi)的平、縱線形應(yīng)一致［2］”。

其次，JTGD70—2004《公路隧道設(shè)計規(guī)范》第

4．3．5條規(guī)定:“隧道洞外連接線應(yīng)與隧道線形相協(xié)調(diào)，并符合隧道洞口內(nèi)外各3 s設(shè)計速度行程長度范圍的平面線形應(yīng)一致［3］”?？梢?，與前一規(guī)范的要求基本一致。

第三，JTG D20—2006《公路路線設(shè)計規(guī)范》第9．6．2條對隧道洞口線形規(guī)定:“平面線形不應(yīng)有急驟的方向改變［4］”，但沒有對“急驟的方向改變”作定量化的界定。

通常情況下，若隧道洞口內(nèi)外各3s設(shè)計速度行程長度落在平曲線的圓曲線段或直線段范圍內(nèi)，則無疑被認(rèn)為符合規(guī)范要求;但是，若隧道洞口內(nèi)外各3 s設(shè)計速度行程長度落在緩和曲線段內(nèi)，或者一部分落在緩和曲線段，一部分落在圓曲線段或直線段，則對于是否符合規(guī)范要求存在著不同的看法，也少見相關(guān)的技術(shù)人員對隧道洞口段線性的3 s要求作深入的分析研究。在具體的工作中往往為了保險起見，一般都按照不符合3s要求判斷而不得不調(diào)整線位或者采用高指標(biāo)，這樣常常會增加工程的征地及土建費用。因此，本文旨在深入的探討隧道洞口段線性的3 s要求的判定方法，即量化線形在滿足安全性的條件下是否存在急驟變化。

1 平面線形一致性的判據(jù)研究

如前所述，3個規(guī)范中最晚實施的JTG D20—2006《公路路線設(shè)計規(guī)范》，對隧道洞口線形規(guī)定:“平面線形不應(yīng)有急驟的方向改變”。假如，隧道出口是一個緩和曲線參數(shù)非常大的曲線，如R·Ls=2 000，這樣的緩和曲線在一個較短的長度范圍內(nèi)，不妨就取3 s行程，可以看作是圓曲線，即駕駛員按照圓曲線行駛一段后，其位置與按緩和曲線行駛的位置的偏差很小，也即意味著平面線形沒有急驟的改變。因此，首要問題是要對線形是否存在急驟改變確定一個定量化的標(biāo)準(zhǔn)。

JTG D20—2006《公路路線設(shè)計規(guī)范》第7．4．1 條規(guī)定了不設(shè)緩和曲線的圓曲線最小半徑，再根據(jù)回旋曲線最小長度要求可以計算出相應(yīng)的臨界內(nèi)移值p，如表1所示。

表1 曲線內(nèi)移值參數(shù)Table 1 Parameters of critical inside movement value

以設(shè)計時速為80 km/h的隧道為例，相應(yīng)的臨界內(nèi)移值p為0．08 m。如果在隧道洞口保持方向盤旋轉(zhuǎn)角度不變，駕駛員繼續(xù)按設(shè)計時速行駛3 s后的位置與行車道中心線的偏移值控制在0．08 m以內(nèi)，那么就可以認(rèn)為隧道入口平面線形沒有急驟的改變?，F(xiàn)以隧道洞口內(nèi)外各3 s設(shè)計速度行程長度落在緩和曲線段為例，如圖1所示。

圖1 曲線一致性計算圖式Fig．1 Sketch for curve consistency calculation

圖中A，B，C 3點分別代表洞口位置、行車道中心線上距洞口3 s設(shè)計速度行程終點、駕駛員繼續(xù)按設(shè)計時速行駛3 s后的位置。只要計算出B，C間的距離ΔD，并將ΔD與臨界內(nèi)移值p比較，若ΔD≤臨界內(nèi)移值p，可以認(rèn)為隧道洞口內(nèi)外各3 s設(shè)計速度行程長度范圍的平面線形基本上保持一致;如果ΔD＞臨界內(nèi)移值p，則認(rèn)為隧道洞口內(nèi)外各3 s設(shè)計速度行程長度范圍的平面線形沒有保持一致。

2 主要算法

由圖1看出:建立隧道出入口平面線形一致性檢驗判據(jù)的關(guān)鍵是要定出A，B，C 3點的坐標(biāo)，這涉及到圓曲線、緩和曲線上任意點的坐標(biāo)定點算法。為了適應(yīng)特殊地形，有時需要在一個曲線上采用幾個不同的半徑形成復(fù)曲線，這在山區(qū)公路展線困難時經(jīng)常遇到;因此，平曲線的坐標(biāo)法定點算法應(yīng)該能夠考慮復(fù)曲線情況。

平曲線的各要素如圖2所示。

圖2 標(biāo)準(zhǔn)緩和曲線要素圖Fig．2 Sketch of elements of standard transition curve

2．1 曲線上任意點橫距

只計算緩和曲線坐標(biāo)時，需要用到一個中間變量——切線橫距x，曲線上任意點的切線橫距

式中:l為緩和曲線上任意點至ZH(或HZ)點的曲線長;Ls為緩和曲線長度;R為圓曲線半徑。

對于圓曲線兩側(cè)的緩和曲線不對稱的復(fù)曲線，那么Ls和R值分別為所在緩和曲線的參數(shù)值，以下公式中同。

2．2 第一緩和曲線(ZH～HY)上任意點的坐標(biāo)

式中:l為圓曲線上任意點至HY點的曲線長;XZH，YZH為ZH點的坐標(biāo)，可由相鄰兩交點的坐標(biāo)及線路里程樁號求得;ξ為轉(zhuǎn)角符號，右偏為“+”，左偏為“-”;Al為本交點與前交點連線的方位角。

2．3 圓曲線(HY～YH)上任意點的坐標(biāo)

式中:l為圓曲線上任意點至YH點的曲線長;XHY，YHY為HY點的坐標(biāo)，可由式(2)求得。

2．4 第二緩和曲線(YH～HZ)上任意點的坐標(biāo)

式中:l為第二緩和曲線上任意點至HZ點的曲線長;A2為本交點與后交點連線的方位角。

3 程序開發(fā)

隧道出入口平面線形一致性檢驗的計算量很大，為此，作者在AutoCAD平臺上采用2次開發(fā)方式和VBA語言開發(fā)了圖解法公路行車視距檢驗程序。所謂2次開發(fā)就是利用某種開發(fā)語言，在軟件商提供的基本功能上，為新增功能而做的開發(fā)工作，很多大型軟件都提供2次開發(fā)接口。隧道出入口平面線形一致性檢驗程序的流程及檢驗對話框如圖3和圖4所示。

4 結(jié)論與建議

基于對相關(guān)規(guī)范關(guān)于隧道洞口平面線形一致性內(nèi)容的深入對比和探討，并通過量化計算分析，得到如下結(jié)論。

1)隧道洞口位于回旋曲線上時應(yīng)嚴(yán)格按照量化判據(jù)來判定洞口段是否滿足3 s要求，并提出了相關(guān)的計算方法。

2)提出了一個隧道出入口平面線形一致性的定量化判據(jù)，即行車道中心線上距洞口3 s設(shè)計速度行程終點與駕駛員繼續(xù)按設(shè)計時速行駛3 s后的位置偏差ΔD≤臨界內(nèi)移值p，否則就認(rèn)為不滿足一致性要求。

3)針對隧道出入口平面線形一致性量化判據(jù)包括平曲線上緩和曲線、圓曲線上坐標(biāo)的定點算法。計算較為復(fù)雜，工作量較大，本文在AutoCAD中利用二次開發(fā)方式開發(fā)了相關(guān)的程序，以獲得直觀高效的檢驗結(jié)果。

通過對目前高速公路設(shè)計中常見的隧道洞口段位于圓曲線和緩和曲線上的3 s要求進(jìn)行分析探討，對隧道洞口段的“3 s”安全提出了一個量化判據(jù)，對減小隧道洞口段的工程規(guī)模、征地拆遷等方面也有一定的積極意義;但隧道洞口段的行車安全還與洞口曲線段的視距、曲線的超高加寬以及視覺的“黑洞”、“白洞”效應(yīng)有關(guān)，隧道洞口段行車安全受到多因素的制約，今后應(yīng)對相關(guān)各因素做系統(tǒng)全面的分析探討。

［1］ 徐家鈺，程家駒．道路工程［M］．上海:同濟(jì)大學(xué)出版社，1995．

［2］ 交通部公路司．JTG B01—2003公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)［S］．北京:人民交通出版社，2003．(Department of Road Networks，Ministry of Transport of People’s Republic of China．JTG B01—2003 Technical standard of highway engineering［S］．Beijing:China Communications Press，2003．(in Chinese))

［3］ 重慶交通科研設(shè)計院．JTG D70—2004公路隧道設(shè)計規(guī)范［S］．北京:人民交通出版社，2004．(Chongqing Communications Research ＆ Design Institute．JTG D70—2004 Code for design of road tunnel［S］．Beijing:China Communications Press，2004．(in Chinese))

［4］ 中交第一公路勘察設(shè)計研究院．JTG D20—2006公路路線設(shè)計規(guī)范［S］．北京:人民交通出版社，2006．(CCCC First Highway Consultants Co．，Ltd．．JTG D20—2006 Design specification for highway alignment［S］．Beijing:China Communications Press，2006．(in Chinese))

［5］ 張雨化．道路勘測設(shè)計［M］．北京:人民交通出版社，2007．