單洞螺旋隧道平曲線半徑選擇及運營安全對策

陳啟泰

(云南交通咨詢有限公司，云南昆明650031)

高原山區具有山高深谷、高差懸殊、地勢階梯遞降等特點。由于受地形、地質等條件的制約，山區公路往往需要將路線在某一路段進行集中升坡或降坡以充分利用前后的有利地形。當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高等級公路線形指標的潛能而受到重視［1］;同時，隨著橋梁和隧道建設水平的不斷提高，為螺旋展線在山區高等級公路布設應用奠定了基礎［2］。近年來云南山區一些高速公路上采用了螺旋曲線隧道設計方案，在避開不良地質，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用目前尚有許多技術需要進一步探討，如何掌握其技術指標還需要進一步研究。螺旋展線的平面線形是由連續的同向曲線構成，路線轉角往往較大，一般達360°左右，由于轉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，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濟性。

1 工程實例

云南某二級公路一般路段設計速度為60 km/h，特殊困難路段設計速度為40 km/h。本項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水綏公路的還建工程。

本項目中K13+850～K19+550段位于長約6 km的長大下坡路段，測區屬低山丘陵區，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施困難，通過對路線方案的反復研討論證，確定在新安段采用螺旋隧道展線的方案通過該測區。路線設左轉360°雙卵形螺旋線，布設螺旋隧道長1 465 m。隧道進口端K16+270～K16+668.976 位于 R=220 m，i=2.98% 的左轉圓曲線上;K16+668.976 ～ K16+768.976 位于R=220 m，Ls=100 m，i=3.483% 的左轉緩和曲線上;K16+768.976～K17+735位于R=270 m，i=3.483% 的左轉圓曲線上。

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之一，也是公路幾何設計的主要依據。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，即反應距離加制動距離之和。

2.2 制動距離分析

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

2.3 停車視距修正計算

停車視距分作反應距離和制動距離，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車輛行駛過的距離。鑒于規范規定的縱向摩擦系數測定非常困難，規范取值為0.29～0.44范圍較寬，因此文中引用文獻［3］的研究結論:路面條件設定為潮濕狀態，則停車視距的計算式為

式中:t為制動反應時間(s);t＇為制動力上升時間(s)。

根據《公路工程技術標準》(GTG B01—2003)［4］和《公路路線設計規范》(JTG D20—2006)［5］的規定，將制動反應時間取值為 2.5 s。根據Burckhardt的研究結果，制動力上升時間取值為0.2 s。NCHRP Report400［6］的研究表明:90% 的駕駛員在意外發現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。根據式(1)計算出各設計速度下的停車視距修正取值，如表1所示。其中“規范計算值”為原模型的計算值，相應的“規范規定值”為取整值，“修正取值”為式(1)的計算結果。

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 隧道內車輛視點位置確定

路線設計依據的小客車和載重汽車的寬度分別為1.8 m和2.5 m。根據調查，小客車的視點約在其左側0.5 m的位置，載重汽車的視點約在其左側0.6 m的位置。當車輛在車道中間正常行駛時其視點位置如表2所示。

表2 車輛靠中正常行駛視點位置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向凈距，車輛基本沿車道中心線行駛。車輛進入隧道后，因提供的側向凈距較小，駕駛員會因對隧道產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、防撞護欄等)一定距離，將車輛位置向隧道中心偏移，如圖1所示(設計速度(km/h))。

圖1 隧道內車輛偏移Fig.1 Vehicle migration in tunnel

根據調查，小型車輛的偏移幅度在0.5～1.0 m范圍之內，大型車輛的偏移幅度在0.5 m左右［7］。考慮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的左側側向寬度，因此在隧道內車輛的視點位置如表3所示。

表3 考慮偏移時視點位置Tab3 Viewpoint position of considering migration

2.5 曲線內側車道橫凈距所確定

根據上述討論，一般情況下曲線內側車道的橫凈距如表4所示。

表4 曲線內側車道的橫凈距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

根據圖2可知，視點、對象物在同一圓曲線內時，行車軌跡線到鉛垂狀障礙物的寬度與視點上所能看到的視距及圓曲線半徑有如下關系:

式中:Y為橫凈距(m);S為視距(m);R為曲線內側行駛軌跡的半徑(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。

根據規范規定，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，所以會車視距應不小于停車視距的2倍［8］。因一般情況下小客車的運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 基于汽車動力學模擬的運營安全檢測評價

利用在VC++6.0平臺上開發的公路運營安全檢測計算系統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)的運行速度預測、制動系統熱衰退狀況進行檢測計算，據此對該路段的運營安全做出定量評價。云南某二級公路小轎車路段運行速度預測計算數據(K13+754～K19+550)(區間平均運行車速: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行速度預測計算數據(K13+754～K1+550)(區間平均運行車速:33.9 km/h)見表 7、圖4。

表6 小客車運行速度預測Tab.6 Operating speed prediction of minivan

圖3 小客車運行速度預測Fig.3 Operating speed prediction of minivan

表7 重載車輛運行速度預測Tab.7 Operating speed prediction of heavy vehicle

圖4 重載車輛運行速度預測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)小轎車的最大預測車速為46 km/h，五軸重型車輛(45T級五軸車輛)的最大預測車速為34 km/h。云南某二級公路五軸重型車輛排氣輔助制動3檔穩定車速條件下，額定荷載時前后制動負摩擦系數平均值檢測計算數據(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檔穩定車速條件下，超載50%時前后制動負摩擦系數平均值檢測計算數據(K13+754～K19+550)見表9、圖6。

模擬檢測計算結果表明，在采用3檔穩定車速條件下額定載荷發動機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檔穩定車速條件下超載50%發動機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 結語

依托實際工程通過對云南某二級公路新安螺旋隧道施工圖設計的咨詢審查，得出如下幾點主要結論:

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高，潛在的運行安全風險低于原回頭曲線自然展線方案。

2)根據運行速度預測結果，本路段小客車的區間最大運行預測速度為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，螺旋線曲線隧道應采用強制限速措施，大、小車均應強制限速為40 km/h。

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

4)鑒于對向行駛單洞螺旋隧道建造經驗少，可能存在潛在的安全隱患，據此建議在路中線采用設開口防撞墻強制隔離實現分車道行駛。每200～300 m左右設開口一處，以作應急之需。

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［7］楊宏志，許金良，李建士.基于計算機仿真的公路線形設計評價［J］.中國公路學報，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］重慶交通科研設計院.公路隧道設計規范(JTG D70—2004)［S］.北京:人民交通出版社，2004.