高寒及高海拔地區(qū)公路螺旋隧道應(yīng)用及視距評(píng)價(jià)①

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(天津市市政工程設(shè)計(jì)研究院,天津 300000)

0 引 言

對(duì)于山區(qū)公路，有時(shí)為了滿足路線爬升的要求，需要在較短的距離內(nèi)克服較大的高差。以往通常采取的措施是設(shè)置長大縱坡段落，對(duì)于低等級(jí)公路也常采用設(shè)置回頭曲線的措施；而對(duì)于高海拔及高寒地區(qū)山區(qū)公路，由于冬季道路、橋面積雪及冰凍等原因，采用長大縱坡段落安全風(fēng)險(xiǎn)較一般地區(qū)大大上升，此時(shí)，采用螺旋展線隧道方案恰恰可解決這一難題[1～2]。

所謂螺旋展線，是將需要爬升較大高差路段的路線平曲線設(shè)置一處螺旋曲線，這樣便加大了爬升段落的平曲線長度，從而降低了豎曲線縱坡坡率。當(dāng)螺旋展線段落處地形狹窄，螺旋展線段從山體內(nèi)穿過，便形成了螺旋隧道。高海拔地區(qū)的螺旋隧道，一方面螺旋曲線增加了平曲線的長度而降低了縱坡坡率，一方面豎曲線爬升段落隧道路面由于隧道洞身的遮蔽而避免了積雪，大大降低了運(yùn)營期間尤其是冬季路面積雪引起的安全風(fēng)險(xiǎn)。

1 工程案例

某一級(jí)公路項(xiàng)目位于青海省境內(nèi)，設(shè)計(jì)車速80km/h，其中路線K24～K40段落所處溝內(nèi)地形狹窄，線形指標(biāo)較低，設(shè)計(jì)車速60km/h。溝內(nèi)地形狹長，山坡陡峻，山體以中高山為主，溝內(nèi)溝道彎曲，谷底縱坡較大，線路爬升段落長度約11km，高差將近392m，自然縱坡達(dá)3.5%，溝底縱坡呈現(xiàn)溯源增大的趨勢。為克服高差，采用長大縱坡方案及螺旋隧道方案進(jìn)行了比選。

方案一沿溝展線，通過設(shè)置長大縱坡方式克服高差，其中，長達(dá)9.86km路線平均縱坡3.9%,最大縱坡5%。

方案二利用爬升段落內(nèi)一處兩溝交匯處較為開闊地形設(shè)置一處螺旋展線段落，螺旋展線段落利用2座橋梁和3座隧道，兩次跨越?jīng)_溝，三次穿越山體(如圖1)，縱坡為2.95%。由于螺旋隧道為雙洞隧道，螺旋展線段落分為左右線，左線最小平曲線半徑600m。三座隧道長度分別為675.5m、1216m、1569m。

圖1 案例螺旋隧道平面布置圖(線路前進(jìn)方向自東向西)

對(duì)兩方案進(jìn)行比選。方案一長大縱坡方案長達(dá)9.86km，路線平均縱坡3.9%，最大縱坡5%。方案二采用螺旋隧道方案，平均縱坡降至2.95%，且豎曲線爬升段落隧道路面由于洞身的遮蔽而避免了積雪，降低了運(yùn)營期間尤其是冬季路面積雪引起的安全風(fēng)險(xiǎn)。

2 螺旋展線段落隧道視距評(píng)價(jià)[3～5]

螺旋展線段落隧道平曲線半徑較小，由于隧道洞壁或隧道內(nèi)設(shè)施對(duì)駕駛員視線的阻擋，需對(duì)隧道內(nèi)平曲線進(jìn)行停車視距驗(yàn)算，當(dāng)隧道平曲線半徑小于滿足停車視距要求的最小平曲線半徑時(shí)，隧道內(nèi)平曲線視距不足，應(yīng)予以避免。

當(dāng)車輛行駛在隧道內(nèi)時(shí)，駕駛員視線由于受到洞壁或隧道內(nèi)設(shè)施的阻擋，他所能看到行駛軌跡前方最遠(yuǎn)距離，為過駕駛員視點(diǎn)的隧道洞壁或隧道內(nèi)設(shè)施邊緣線的切線，與行駛軌跡的交點(diǎn)(如圖2)。根據(jù)幾何關(guān)系可得：

(1)

式中：Y為橫凈距；S為視距；R這曲線內(nèi)側(cè)行駛軌跡半徑；

圖2 隧道內(nèi)視距與隧道洞壁或隧道內(nèi)設(shè)施相對(duì)關(guān)系

本段落路線處于K24～K40線形指標(biāo)較低路段，設(shè)計(jì)車速60km/h，按《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG D70-2004)推薦一級(jí)公路隧道建筑限界橫斷面組成最小寬度，斷面布置為凈寬0.75(檢修道)+0.5(左側(cè)側(cè)向?qū)挾?+2×3.75(行車道)+0.75(右側(cè)側(cè)向?qū)挾?+0.75(檢修道)=9.75m。

關(guān)于隧道內(nèi)保證停車視距的側(cè)向?qū)挾萗，《公路隧道設(shè)計(jì)細(xì)則》(JTG/T D70-2010)中取值為驗(yàn)算車道之車道中線位置處(如圖3)。

圖3 隧道內(nèi)橫凈距位置示意圖

由上述內(nèi)容可得，左側(cè)保證視距寬度的計(jì)算公示為：

(2)

式中：YL為隧道左側(cè)橫凈距；LL為隧道左側(cè)側(cè)向?qū)挾龋籛L為隧道左側(cè)車道寬度；J為檢修道寬度；

右側(cè)保證視距寬度的計(jì)算公示為：

(3)

式中：YR為隧道右側(cè)橫凈距；LR為隧道右側(cè)側(cè)向?qū)挾?；WR為隧道右側(cè)車道寬度；

按上式(1)至(3)對(duì)案例滿足停車視距要求最小平曲線半徑計(jì)算如表1：

表1凈橫距Y按隧道設(shè)計(jì)細(xì)則取值最小平曲線計(jì)算結(jié)果

車型計(jì)算內(nèi)容最小停車視距S(m)最小平曲線半徑R(m)貨車上坡幅保證視距計(jì)算(右洞左側(cè)車道)85301.04下坡幅保證視距計(jì)算(左洞右側(cè)車道)89304.65小客車上坡幅保證視距計(jì)算(右洞左側(cè)車道)75234.38下坡幅保證視距計(jì)算(左洞右側(cè)車道)75216.35

由于螺旋展線隧道工程經(jīng)驗(yàn)非常有限，且下坡方向處于長段落小半徑區(qū)段，考慮到直接采用細(xì)則中參數(shù)可能會(huì)偏于不安全，對(duì)保證停車視距的橫凈距Y值進(jìn)行修正，取值采用駕駛員視點(diǎn)位置與隧道洞壁或隧道內(nèi)設(shè)施的距離(如圖4)，并將Y值修正前后所得結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。

圖4 隧道內(nèi)橫凈距修正后位置示意圖

由上述內(nèi)容可得，左側(cè)保證視距寬度的計(jì)算公示為：

(4)

式中：P為駕駛員視點(diǎn)相對(duì)車輛中心偏移距離；

右側(cè)保證視距寬度的計(jì)算公示為：

(5)

通過對(duì)大量車輛參數(shù)的統(tǒng)計(jì)，分別得出了貨車和小客車的典型寬度及駕駛員視點(diǎn)相對(duì)車輛中線的偏移距離，見表2。

表2典型車輛寬度及駕駛員視點(diǎn)相對(duì)車輛中心偏移距離表

典型車輛類型車輛寬度Wc(m)駕駛員視點(diǎn)相對(duì)車輛中心偏移距離P(m)貨車2.50.6小客車1.80.4

按上式(1)及Y值修正后公式(4)、(5)對(duì)工程案例滿足停車視距要求最小平曲線半徑計(jì)算如表3：

表3 凈橫距Y修正后最小平曲線計(jì)算結(jié)果表

車輛從路基段駛?cè)胨淼篮?，由于隧道輪廓斷面收縮，駕駛員會(huì)產(chǎn)生不適應(yīng)感，駕駛員更傾向于將車輛從車道中心線位置向遠(yuǎn)離隧道洞壁側(cè)偏移一定距離。有調(diào)查表明[1]，貨車偏移值一般為0.5m上下，小客車偏移值一般為0.7m上下?？紤]到該偏移值對(duì)于保證停車視距有利，偏于安全考慮，計(jì)算方法中不計(jì)入此偏移值。

綜合考慮橫凈距Y修正前后計(jì)算結(jié)果，上坡幅(右洞)最小平曲線半徑以大貨車Y值修正后計(jì)算結(jié)果控制，要求上坡幅右洞左車道駕駛員行駛軌跡處最小平曲線半徑376.43m；下坡幅(左洞)最小平曲線半徑以大貨車Y值未修正計(jì)算結(jié)果控制，要求下坡幅左洞右車道中線最小平曲線半徑304.65m。案例螺旋隧道左線最小平曲線半徑600m，滿足視距計(jì)算要求。

3 必要的安全措施

目前國內(nèi)螺旋隧道，尤其是高海拔高寒地區(qū)螺旋隧道建設(shè)經(jīng)驗(yàn)較少，案例在滿足相關(guān)規(guī)范及理論計(jì)算的基礎(chǔ)上，通過一些必要的安全措施，進(jìn)一步增加隧道運(yùn)營的安全性[6]。

(1)該項(xiàng)目全線標(biāo)準(zhǔn)路段采用80km/h設(shè)計(jì)時(shí)速，K24～K40線形指標(biāo)較低路段，設(shè)計(jì)車速采用60km/h，螺旋隧道位于K24～K40限速段落內(nèi)?？紤]增加隧道安全性，設(shè)計(jì)采用80km/h車速下凈空斷面，凈寬10.25m，即較規(guī)范要求60km/h車速下最小凈寬9.75m增加0.5m。一方面增加了隧道內(nèi)停車視距，另一方面，采用80km/h凈寬，可與全線隧道凈寬保持一致，提高了標(biāo)準(zhǔn)化程度，在增加工程規(guī)模有限的基礎(chǔ)上提高臺(tái)車和模板的周轉(zhuǎn)率。

(2)螺旋展線段落采用3座隧道及2座橋梁相接的方式。為有利于駕駛員對(duì)洞口內(nèi)外亮度變化的適應(yīng)性，洞口外可設(shè)置遮光棚。為避免橋梁段路面積雪，橋梁采用鋼制防撞護(hù)欄替代混凝土防撞護(hù)欄。

(3)做好交通標(biāo)志標(biāo)線等交安設(shè)施。隧道內(nèi)設(shè)置反光輪廓標(biāo)，路面設(shè)置反光凸起路標(biāo)。設(shè)置防滑震顫減速標(biāo)志，提醒駕駛員保持安全車速，集中精力駕駛[3]。

4 結(jié) 語

(1)對(duì)于高寒及高海拔地區(qū)公路，采用螺旋隧道方案由于隧道洞身的遮蔽而避免了路面積雪，較長大縱坡方案大大降低了運(yùn)營期間尤其是冬季路面積雪引起的安全風(fēng)險(xiǎn)，具有安全性優(yōu)勢，為今后高寒及高海拔地區(qū)公路建設(shè)提供了有價(jià)值的比選。

(2)螺旋隧道應(yīng)做停車視距驗(yàn)算，平曲線半徑須滿足停車視距要求的最小平曲線半徑。由于螺旋隧道建設(shè)經(jīng)驗(yàn)較少，建議采用規(guī)范中橫凈距及修正后橫凈距驗(yàn)算后取不利值。

(3)目前國內(nèi)螺旋隧道，尤其是高寒及高海拔地區(qū)螺旋隧道建設(shè)經(jīng)驗(yàn)較少，建議在滿足相關(guān)規(guī)范及理論計(jì)算的基礎(chǔ)上，通過一些必要的安全措施，進(jìn)一步增加隧道運(yùn)營的安全性。