單洞螺旋隧道平曲線半徑選擇及運(yùn)營安全對策

陳啟泰

(云南交通咨詢有限公司，云南昆明650031)

高原山區(qū)具有山高深谷、高差懸殊、地勢階梯遞降等特點(diǎn)。由于受地形、地質(zhì)等條件的制約，山區(qū)公路往往需要將路線在某一路段進(jìn)行集中升坡或降坡以充分利用前后的有利地形。當(dāng)采用自然展線無法滿足路線所需克服的高差時，螺旋展線比回頭展線具有更好的線形條件和滿足山區(qū)高等級公路線形指標(biāo)的潛能而受到重視［1］;同時，隨著橋梁和隧道建設(shè)水平的不斷提高，為螺旋展線在山區(qū)高等級公路布設(shè)應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)［2］。近年來云南山區(qū)一些高速公路上采用了螺旋曲線隧道設(shè)計方案，在避開不良地質(zhì)，克服大高差、大縱坡方面取得了較好的效果。

雙車道二級公路上單洞對向行車螺旋曲線隧道的應(yīng)用目前尚有許多技術(shù)需要進(jìn)一步探討，如何掌握其技術(shù)指標(biāo)還需要進(jìn)一步研究。螺旋展線的平面線形是由連續(xù)的同向曲線構(gòu)成，路線轉(zhuǎn)角往往較大，一般達(dá)360°左右，由于轉(zhuǎn)角大且受地形及工程投資的制約曲線半徑又不宜過大，加之路線位于隧道內(nèi)，使行車視線、行車視距條件變差。為此文中擬通過研究停車視距分析山區(qū)二級公路小半徑螺旋隧道線形在保障行車安全條件下的適用性及經(jīng)濟(jì)性。

1 工程實(shí)例

云南某二級公路一般路段設(shè)計速度為60 km/h，特殊困難路段設(shè)計速度為40 km/h。本項(xiàng)目是連接向家壩水電站與溪洛渡水電站的便捷通道，也是向家壩電站淹沒區(qū)水綏公路的還建工程。

本項(xiàng)目中K13+850～K19+550段位于長約6 km的長大下坡路段，測區(qū)屬低山丘陵區(qū)，地形起伏大，溝梁相間，地形狹窄，橫坡陡峻，基巖出露。其中K15+400～K17+150段由于受地形條件的制約需在一個坡面上集中克服高差約50 m，如采用自然展線則需設(shè)三線平行的“之”字型回頭曲線展布于狹窄的金沙江畔工程實(shí)施困難，通過對路線方案的反復(fù)研討論證，確定在新安段采用螺旋隧道展線的方案通過該測區(qū)。路線設(shè)左轉(zhuǎn)360°雙卵形螺旋線，布設(shè)螺旋隧道長1 465 m。隧道進(jìn)口端K16+270～K16+668.976 位于 R=220 m，i=2.98% 的左轉(zhuǎn)圓曲線上;K16+668.976 ～ K16+768.976 位于R=220 m，Ls=100 m，i=3.483% 的左轉(zhuǎn)緩和曲線上;K16+768.976～K17+735位于R=270 m，i=3.483% 的左轉(zhuǎn)圓曲線上。

2 停車視距

2.1 停車視距的概念

停車視距是汽車在公路上安全行駛的重要保障指標(biāo)之一，也是公路幾何設(shè)計的主要依據(jù)。它是指汽車行駛時，駕駛者自看到前方障礙物時起，至障礙物前能安全停車所需的最短行車距離，即反應(yīng)距離加制動距離之和。

2.2 制動距離分析

現(xiàn)有停車視距的制動模型是從力學(xué)原理推導(dǎo)而來的，模型中輪胎與路面間的作用機(jī)理不夠清晰，實(shí)際數(shù)值的測量上存在偏差。另外，隨著汽車工業(yè)的發(fā)展，汽車的安全性在各方面有了極大地提高，現(xiàn)代新型輪胎、新型路面材料和ABS(Anti-lock brake system)防抱死制動系統(tǒng)的出現(xiàn)使得原先推薦的附著系數(shù)和道路阻力系數(shù)不再能準(zhǔn)確地反映停車制動的實(shí)際情況。因此文中考慮從運(yùn)動學(xué)原理出發(fā)，用制動減速度a來綜合考察汽車制動這一復(fù)雜過程。

2.3 停車視距修正計算

停車視距分作反應(yīng)距離和制動距離，其中制動距離是汽車從制動生效到汽車完全停住這段時間內(nèi)車輛行駛過的距離，即制動力上升階段和全制動階段這段時間內(nèi)車輛行駛過的距離。鑒于規(guī)范規(guī)定的縱向摩擦系數(shù)測定非常困難，規(guī)范取值為0.29～0.44范圍較寬，因此文中引用文獻(xiàn)［3］的研究結(jié)論:路面條件設(shè)定為潮濕狀態(tài)，則停車視距的計算式為

式中:t為制動反應(yīng)時間(s);t＇為制動力上升時間(s)。

根據(jù)《公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》(GTG B01—2003)［4］和《公路路線設(shè)計規(guī)范》(JTG D20—2006)［5］的規(guī)定，將制動反應(yīng)時間取值為 2.5 s。根據(jù)Burckhardt的研究結(jié)果，制動力上升時間取值為0.2 s。NCHRP Report400［6］的研究表明:90% 的駕駛員在意外發(fā)現(xiàn)前方道路有障礙物需要緊急停車時所采用的減速大于3.4 m/s2，文中采用該值作為最大制動減速的絕對值。根據(jù)式(1)計算出各設(shè)計速度下的停車視距修正取值，如表1所示。其中“規(guī)范計算值”為原模型的計算值，相應(yīng)的“規(guī)范規(guī)定值”為取整值，“修正取值”為式(1)的計算結(jié)果。

表1 制動減速度模型停車視距計算值Tab.1 Stopping sightdistancecalculated valuesof braking deceleration model

2.4 隧道內(nèi)車輛視點(diǎn)位置確定

路線設(shè)計依據(jù)的小客車和載重汽車的寬度分別為1.8 m和2.5 m。根據(jù)調(diào)查，小客車的視點(diǎn)約在其左側(cè)0.5 m的位置，載重汽車的視點(diǎn)約在其左側(cè)0.6 m的位置。當(dāng)車輛在車道中間正常行駛時其視點(diǎn)位置如表2所示。

表2 車輛靠中正常行駛視點(diǎn)位置Tab.2 Viewpoint position of vehicle normal running close to intermediate

由于隧道外公路提供了足夠的側(cè)向凈距，車輛基本沿車道中心線行駛。車輛進(jìn)入隧道后，因提供的側(cè)向凈距較小，駕駛員會因?qū)λ淼喇a(chǎn)生恐懼感和燈光等因素的影響，更喜歡離開隧道墻(或步行道、防撞護(hù)欄等)一定距離，將車輛位置向隧道中心偏移，如圖1所示(設(shè)計速度(km/h))。

圖1 隧道內(nèi)車輛偏移Fig.1 Vehicle migration in tunnel

根據(jù)調(diào)查，小型車輛的偏移幅度在0.5～1.0 m范圍之內(nèi)，大型車輛的偏移幅度在0.5 m左右［7］?？紤]對向行駛雙車道隧道的安全，會車時兩輛車之間的橫向安全距離按不小于1.2 m控制，則車輛偏移后距路中線的富余寬度為不小于0.6 m的左側(cè)側(cè)向?qū)挾?，因此在隧道?nèi)車輛的視點(diǎn)位置如表3所示。

表3 考慮偏移時視點(diǎn)位置Tab3 Viewpoint position of considering migration

2.5 曲線內(nèi)側(cè)車道橫凈距所確定

根據(jù)上述討論，一般情況下曲線內(nèi)側(cè)車道的橫凈距如表4所示。

表4 曲線內(nèi)側(cè)車道的橫凈距Tab.4 Lateral clear spacing of curve inside lane

2.6 保證視距的臨界最小圓曲線半徑計算

根據(jù)圖2可知，視點(diǎn)、對象物在同一圓曲線內(nèi)時，行車軌跡線到鉛垂?fàn)钫系K物的寬度與視點(diǎn)上所能看到的視距及圓曲線半徑有如下關(guān)系:

式中:Y為橫凈距(m);S為視距(m);R為曲線內(nèi)側(cè)行駛軌跡的半徑(m)。

圖2 保證視距的臨界圓曲線Fig.2 Critical curve of guaranteeing sight distance

螺旋曲線隧道的半徑越大，對保證停車視距的要求與行車安全越有利，但卻會增加隧道的長度，從而加大工程投資。為此本實(shí)例擬采用小半徑螺旋曲線隧道來考慮滿足安全停車視距要求，最終保障行車安全。

根據(jù)規(guī)范規(guī)定，雙向行駛的二、三、四級公路按相向的兩輛汽車會車時同時制動停車的視距考慮，所以會車視距應(yīng)不小于停車視距的2倍［8］。因一般情況下小客車的運(yùn)行速度較載重汽車大，對視距要求更高，所以一般采用小客車進(jìn)行視距檢算。由式(2)滿足視距要求的臨界最小圓曲線半徑計算結(jié)果如表5所示。

表5 滿足視距要求的臨界最小圓曲線半徑Tab.5 Critical minimum radius of horizontal curve of meeting visual scope

3 基于汽車動力學(xué)模擬的運(yùn)營安全檢測評價

利用在VC++6.0平臺上開發(fā)的公路運(yùn)營安全檢測計算系統(tǒng)HOS-VT，對從下坡方向行駛于云南某二級公路K13+850～K19+550段的常見典型車輛(小轎車、大型五軸車輛)的運(yùn)行速度預(yù)測、制動系統(tǒng)熱衰退狀況進(jìn)行檢測計算，據(jù)此對該路段的運(yùn)營安全做出定量評價。云南某二級公路小轎車路段運(yùn)行速度預(yù)測計算數(shù)據(jù)(K13+754～K19+550)(區(qū)間平均運(yùn)行車速:45.4 km/h)，見表 6、圖3，云南某二級公路五軸重型車輛路段運(yùn)行速度預(yù)測計算數(shù)據(jù)(K13+754～K1+550)(區(qū)間平均運(yùn)行車速:33.9 km/h)見表 7、圖4。

表6 小客車運(yùn)行速度預(yù)測Tab.6 Operating speed prediction of minivan

圖3 小客車運(yùn)行速度預(yù)測Fig.3 Operating speed prediction of minivan

表7 重載車輛運(yùn)行速度預(yù)測Tab.7 Operating speed prediction of heavy vehicle

圖4 重載車輛運(yùn)行速度預(yù)測Fig.4 Operating speed prediction of heavy vehicle

在云南某二級公路下行線上正常情況下(無交通流干擾、晴天、干燥路面、車輛狀況良好)小轎車的最大預(yù)測車速為46 km/h，五軸重型車輛(45T級五軸車輛)的最大預(yù)測車速為34 km/h。云南某二級公路五軸重型車輛排氣輔助制動3檔穩(wěn)定車速條件下，額定荷載時前后制動負(fù)摩擦系數(shù)平均值檢測計算數(shù)據(jù)(K13+754～K19+550)見表8、圖5，云南某二級公路五軸重型車輛排氣輔助制動3檔穩(wěn)定車速條件下，超載50%時前后制動負(fù)摩擦系數(shù)平均值檢測計算數(shù)據(jù)(K13+754～K19+550)見表9、圖6。

模擬檢測計算結(jié)果表明，在采用3檔穩(wěn)定車速條件下額定載荷發(fā)動機(jī)輔助行車制動措施的情況下，五軸重型車輛在K15+821～K18+060路段行駛時制動器溫度為260～400℃制動效力衰減30%，其緊急制動能力所受影響較小，完全可以保證其下坡行車制動控速安全性(一般不會發(fā)生制動失效)。

表8 重車、額定載荷制動效力檢測Tab.8 Braking effect detection of heavy vehicle and rated load

圖5 重車、額定載荷制動效力檢測Fig.5 Braking effect detection of heavy vehicle and rated load

采用3檔穩(wěn)定車速條件下超載50%發(fā)動機(jī)輔助行車制動措施的情況下，五軸重型車輛在K16+312～K18+082段行駛時制動器溫度為400～550℃制動效力衰減50%，其制動器制動效力發(fā)生衰減幅度較大;在K18+082～K19+550路段行駛時其制動器溫度超過550℃，制動效力衰減70%以上，車輛制動基本失效。

4 結(jié)語

依托實(shí)際工程通過對云南某二級公路新安螺旋隧道施工圖設(shè)計的咨詢審查，得出如下幾點(diǎn)主要結(jié)論:

表9 重車、超載50%制動效力檢測Tab.9 Braking effect detection of heavy vehicle and overload 50%

圖6 重車、超載50%制動效力檢測Fig.6 Braking effect detection of heavy vehicle and overload 50%

1)螺旋曲線隧道展線方案的平曲線半徑較小，縱坡較大，但較原三線平行的“之”字型回頭曲線自然展線方案線形指標(biāo)高，潛在的運(yùn)行安全風(fēng)險低于原回頭曲線自然展線方案。

2)根據(jù)運(yùn)行速度預(yù)測結(jié)果，本路段小客車的區(qū)間最大運(yùn)行預(yù)測速度為46 km/h，則S停=57 m，取60 m，所以滿足視距要求的臨界最小圓曲線半徑為462 m。本實(shí)例雙卵形螺旋線曲線隧道的半徑R=220 m，270 m，不能有效地保證行車安全性。因此，螺旋線曲線隧道應(yīng)采用強(qiáng)制限速措施，大、小車均應(yīng)強(qiáng)制限速為40 km/h。

3)大型車輛熱衰退狀況檢測結(jié)果表明，超載對重載車輛的制動器制動效力影響較大，應(yīng)在螺旋隧道前坡頂K13+748處設(shè)置治超站及強(qiáng)制加水站，確保重載車輛在額定載荷下安全行車及強(qiáng)制加水降溫;同時因本螺旋隧道強(qiáng)制限速為40 km/h，因此應(yīng)在螺旋曲線隧道進(jìn)洞前設(shè)置自救匝道，避免隧道內(nèi)追尾相撞事故的發(fā)生。

4)鑒于對向行駛單洞螺旋隧道建造經(jīng)驗(yàn)少，可能存在潛在的安全隱患，據(jù)此建議在路中線采用設(shè)開口防撞墻強(qiáng)制隔離實(shí)現(xiàn)分車道行駛。每200～300 m左右設(shè)開口一處，以作應(yīng)急之需。

［1］趙永平，楊少偉，趙一飛.具有中央分隔帶公路彎道外側(cè)超車車道的視距研究［J］.長安大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版，2004，24(5):31-34.ZHAO Yong-ping，YANG Shao-wei，ZHAO Yi-fei.Passing lane stopping sight distance outside of median divider in freeway［J］.Journal of Chang an University:Natural Science Edition，2004，24(5):31-34.(in Chinese)

［2］吳華金.螺旋展線在高原山區(qū)高速公路中的應(yīng)用［J］.公路，2005(4):86-90.WU Hua-jin.Applying helix line development inmountainous area freew ays［J］.Highway，2005(4):86-90.(in Chinese)

［3］袁浩，史桂芳，黃曉明，等.停車視距制動模型［J］.東南大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版，2009(4):41.YUAN Hao，SHI Gui-fang，HUANG Xiao-ming，et al.Braking model of stopping sight distance［J］.Southeast University:Natural Science Edition，2009(4):41.(in Chinese)

［4］中華人民共和國交通部公路司，中國工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會公路工程委員會.公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)(JTG B01—2003)［S］.北京:人民交通出版社，2004.

［5］中交第一公路勘察設(shè)計研究院.公路路線設(shè)計規(guī)范(JTG D20—2006)［S］.北京:人民交通出版社，2006.

［6］Fambro D B，F(xiàn)itzpatrick K，Koppa R.Determination of stopping sight distances，NCHRP report 400［R］.Washington DC:National Research Council，1997.

［7］楊宏志，許金良，李建士.基于計算機(jī)仿真的公路線形設(shè)計評價［J］.中國公路學(xué)報，2005，18(1):14-18.YANG Hong-zhi，XU Jin-liang，LI Jian-shi.Evaluation of highway route design based on computer sinulation［J］.China Journal of Highway and Transport，2005，18(1):14-18.(in Chinese)

［8］重慶交通科研設(shè)計院.公路隧道設(shè)計規(guī)范(JTG D70—2004)［S］.北京:人民交通出版社，2004.