山區公路長隧道路段安全評價及線形優化研究

張爍， 郎君， 鞠永高

(中交第二航務工程勘察設計院有限公司， 湖北 武漢 430060)

隧道作為一種特殊構造物，在山區公路中占比較高。與正常路段相比，由于地形條件限制，隧道進出口區域處于照明過渡、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、順適過渡，極易引發追尾、刮擦、碰撞護欄、沖出路外等交通安全事故，屬于事故高發危險路段。雖然JTG D20-2017《公路路線設計規范》對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外各3 s設計速度行程長度范圍的平、縱面線形應一致，未指明評價線形一致性優劣的方法及相應標準，難以運用于實際設計。鑒于此，該文以甘肅臨洮至西寨山區公路為背景，分析隧道路段的線形設計要素，基于線形一致性安全評價原理，提出隧道洞口線形一致性指標，并對工程可行性研究方案(下稱工可方案)中的海甸峽長隧道方案進行安全評價，提出初步設計階段隧道洞口線形優化方法和安全措施。

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、緩和曲線構成，車輛從一種線形單元至另一線形單元的過程中，駕駛人需不斷調整方向盤，尤其是在隧道洞口路段，洞內外明、暗突變，導致駕駛人無法快速準確地判斷方向而保持固定駕駛操作，若區段內線形不一致，則對安全駕駛十分不利。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，駕駛人操作空間大，且駕駛方向盤負荷度低。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，但隧道內外的明、暗突變易導致駕駛人無法快速準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置于緩和曲線路段，其曲率半徑和超高逐漸變化，需駕駛人快速適應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

對于隧道洞內外過渡段的縱斷面影響行車安全性的問題，規范通過限定設計指標的取值加以控制，提出隧道縱坡不大于3%，縱坡形式宜采用單向坡，且變坡點處凹、凸形豎曲線的半徑要符合規定要求。但對平、縱組合下的線形一致性未作明確規定。因此，對隧道洞口路段平、縱組合下線形優劣進行綜合定量分析十分必要。

1.3 橫斷面分析

隧道洞口內外過渡段路基寬度不一致時，若直接接至隧道檢修道、洞口端墻位置，將導致路基過渡段產生突變，對路側行車安全影響嚴重。為保證洞口路段路基的銜接，解決橫斷面不一致問題，規范要求在隧道進口外設置寬度不小于3 s設計速度行程長度的過渡段，且最小長度不小于50 m。

2 隧道洞口路段線形一致性安全評價

2.1 隧道洞口線形過渡指標

實際工程中，橫斷面的影響主要體現在路基寬度過渡方面，對隧道洞口公路線形一致性評價的影響極小，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P0按下式計算：

(1)

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

縱斷面線形優劣取決于縱坡坡度和豎曲線半徑大小。在行車安全性方面，因豎曲線半徑設計時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，在平面線形指標模型的基礎上，以縱坡修正的方式體現縱斷面的影響，縱斷面線形過渡指標按下式計算：

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

(2)

式中：i為平均縱坡(%)。

將平面線形指標和縱斷面線形指標進行耦合，得到路線線形過渡指標F：

F=P0Z(i)

(3)

在隧道洞口范圍內的每個F值均對應該斷面的線形指標，F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價

2.2.1 隧道洞口線形一致性指標

根據規范，隧道洞口線形一致性安全評價主要與洞口前3 s車程內的線形特征和洞口后3 s車程內的線形特征有關，以隧道洞口為分界，隧道洞口內外行車情況見圖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，說明隧道洞內后3 s行程的線形優于洞外前3 s 的線形；ΔF<0，說明隧道洞外前3 s行程的線形優于洞后3 s 行程的線形；ΔF的絕對值越大，表明洞口前后線形指標的差距越大，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價標準

依據JTG B05-2015《公路項目安全性評價規范》中各級公路線形一致性不同安全水平下的運行速度差范圍，將進洞時線形安全情況分為好、中、差3個等級(見表1)；出洞時由于加速較安全，而減速對行車安全不利，主要考慮是否造成減速，將線形安全水平分為好、差2個等級(見表2)；車輛在隧道段各處的運行速度預測模型見表3，其中vin為距離駛入隧道洞口200 m銜接路段單元的速度。

表1 隧道入口線形安全性評價標準

表2 隧道出口線形安全性評價標準

表3 隧道路段運行速度預測模型

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

表4 進洞時線形安全評價標準

表5 出洞時線形安全評價標準

3 工程應用

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，終于渭源縣峽城鄉門樓寺村。地處隴西黃土高原西緣，路線沿途地勢起伏較大，河流水系發達，地形復雜，山勢陡峭。路線推薦線全長約32 km，采用二級公路標準，設計速度60 km/h，路基寬度10 m，共設置大橋7座、中小橋8座、長隧道1座。該項目沿線特殊結構物多，隧道長，施工和運營風險高，在設計階段對隧道洞口路段進行安全評價，進而提出科學、合理、安全的路線方案至關重要。

3.2 隧道洞口路線安全評價與優化

3.2.1 工可方案中隧道安全評價

該項目K23+625—K26+275地勢陡峭，水系發達，左側離海甸峽水庫較近，且現有老路指標極低，難以利用其走廊帶，工程可行性研究報告中擬設置海甸峽隧道通過。隧道全長2 650 m，最大埋深約300 m，進出口均采用端墻式洞門，隧道左右側共設置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。

依據上述評價方法對該隧道路段洞口內外3 s行程范圍的線形進行安全評價，由式(1)～(4)計算得到線形指標值ΔF，評價結果見表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，坡差較大，線形連續性較差，駕駛者需不斷調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，可繼續保持加速狀態。

3.2.2 海甸峽隧道線形優化

初步設計階段在綜合考慮線形指標、環境保護及工程造價的前提下，對工可方案中隧道線形進行優化。優化后隧道起訖里程樁號為K23+770-K26+220，長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)

對初步設計隧道方案進行安全評價，結果見表6。優化后海甸峽隧道進出口路段均處于安全性好的狀態，路線一致性好，連續性強，平面通視良好，縱面無突變，可大大增強隧道路段的行車安全性；隧道長度縮短近200 m，在增加安全性的同時可節省工程造價。

表6 海甸峽隧道進出口線形安全評價結果

圖5 初步設計方案隧道路段縱斷面示意圖(單位：m)

4 結語

隧道路段線形的不安全因素是交通事故多發的深層次技術原因。在設計階段對長大隧道路段線形進行安全評價，既可了解隧道路段的線形狀況，進而指導合理選線和取值，避免設計中相對粗放和定性式地考慮安全問題。

針對線形處于“中”和“差”水平的隧道路段，應綜合考慮平、縱組合情況增大洞內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，改善隧道洞口安全性。此外，若由于地質、地形、環境保護等條件導致隧道洞口線形難以改善，可適當采取設置洞外限速標志、隧道遮光棚、誘導警示燈及減速帶等措施。