高速公路隧道入口護欄側傾控制研究

張新瑞，賀志昂，狄海波，馬燕翔，楊飛雄

(1. 四川雅康高速公路有限責任公司, 四川 雅安 625099；2. 北京中路安交通科技有限公司, 北京 100071)

0 引言

隧道具有縮短距離、改善線形等諸多優勢，在高速公路建設中應用廣泛。但是在高速公路隧道運營中，隧道入口處交通事故頻發，主要原因是隧道入口處存在橫斷面線性突變，加之隧道入口處的“白洞”效應導致駕駛員視覺急劇變化而造成的。為了解決隧道入口處事故多發的問題，新版《公路交通安全設施設計細則》(JTG/T D81—2017)[1](以下簡稱新版規范)規定，隧道入口處護欄應進行過渡設計，護欄宜與檢修道內側立面平齊。新版規范中隧道入口防護設計可在一定程度上解決失控車輛直接碰撞隧道端墻或隧道壁發生交通事故的問題。但由于隧道壁與護欄迎撞面距離較近，加之隧道入口護欄過渡到檢修道的實際情況，車輛碰撞護欄的角度增大，碰撞能量增大，存在車輛碰撞護欄后由于側傾碰撞隧道壁的二次事故風險，因此控制車輛側傾是當前隧道入口處亟待解決的主要問題。

國內外對于隧道入口多采用防撞桶、波形梁護欄及混凝土護欄等進行防護，如圖1所示。同時國內學者針對目前隧道入口處存在的安全問題進行了相關研究。栗學銘[2]、賈寧[3]等對減小隧道入口處護欄的外展角度進行了研究；何倩超[4]、傅磊[5]、呂凡[6]等從隧道入口波形梁護欄過渡方面對防護性能做了研究；邰永剛等[7]針對長大下坡隧道入口護欄進行了研究，得到了高防護等級隧道入口護欄結構。但以上研究主要集中在對車輛碰撞隧道壁方面，并未對車輛碰撞護欄后因側傾而撞擊隧道壁的問題進行深入探討，該問題并未得到解決。本研究針對隧道入口處護欄防側傾的實際需求，通過分析現有隧道入口交通安全防護措施，并根據隧道建筑限界與隧道輪廓的關系，確定了隧道入口處護欄車輛側傾控制閾值，同時采用理論計算、有限元仿真等方法，針對護欄坡面形式、護欄高度、護欄剛度以及強度等指標與側傾的影響關系進行了分析，得到了影響護欄側傾的指標控制值，并提出了一種可有效減小高速公路隧道入口處護欄車輛最大動態外傾當量值(VIn)的結構，并對新型結構進行有限元仿真驗證，結果滿足隧道入口處護欄側傾控制要求。

圖1 國內外隧道入口處的防護形式

1 隧道入口交通安全問題分析

隧道入口處路基段與隧道段存在橫斷面上的突變，新版規范要求“護欄在迎交通流一側在隧道洞口處宜與檢修道內側立面平齊”，這解決了隧道入口處部分交通安全問題，但由于隧道入口處的特殊應用條件，對隧道入口處的交通安全提出了更高的要求。

1.1 側傾控制要求高

隧道入口處護欄與檢修道平齊，而高速公路檢修道寬度基本在75 cm，依據《公路隧道設計規范 第一冊 土建工程》(JTG 3370.1—2018)[8]中高速公路隧道限界規定的最小限界尺寸與隧道輪廓的關系，結合具體隧道斷面設計圖，根據現階段大型車輛的最高高度，即4.2 m進行等高度計算，隧道入口處護欄車輛側傾限值為45 cm，如圖2所示。即要求失控車輛碰撞隧道入口護欄后，車輛最大動態外傾當量值(VIn)小于45 cm，才可有效避免車輛碰撞護欄后與高速公路隧道壁發生碰撞造成二次事故。

圖2 隧道入口側傾控制值(單位：cm)

1.2 碰撞能量增加

隧道入口存在線性突變，路側護欄過渡到檢修道會導致隧道入口處護欄車輛的碰撞角度增加。如圖3所示，按照公路設計速度100 km/h，半剛性護欄漸變率1∶14計算，碰撞角度由標準規定的20°提高到23.2°，車輛碰撞能量增加15%，車輛側傾控制的難度增加。

圖3 碰撞角度增大

基于上述分析，針對隧道入口處車輛碰撞能量比一般路段高15%，車輛側傾控制要求高(限值45 cm)的情況，對于隧道入口護欄的防側傾能力提出了更高的要求，亟需確定影響護欄側傾因素，提高護欄的防側傾性能。

2 仿真參數校核

為了校核仿真模型的參數[9-11]，在LS-Dyna中建立了3種車輛和護欄的仿真模型，模型主要由四邊形殼單元和六面體實體單元組成，車輛和護欄有限元模型參數如表1所示。模型采用自接觸進行邊界非線性的定義，自接觸摩擦系數設置為0.15，通過材料拉伸試驗獲取不同拉伸速率下材料的性能曲線，并在定義材料屬性時進行擬合，形成材料的應力應變曲線，模型的材料計算參數如表2所示。

表1 車輛和護欄有限元模型參數

表2 車輛和護欄有限元模型建模計算參數

外飾統模構建元模型材料與地面連接的地腳螺栓以及護欄兩端采用約束六個自由度的方式進行全約束，其余碰撞條件如表3所示。

表3 隧道入口護欄碰撞條件[12]

采用LS-Dyna針對3種車輛的有限元仿真模型進行求解分析[13-15]，并與以往實車足尺碰撞試驗結果進行比較。調整有限元模型的輸入參數，經多次仿真分析，3種車輛仿真碰撞過程與碰撞試驗在車輛駛出角度、車輛變形、行駛軌跡等方面結果相近，校核了有限元模型中的各項參數設置，為后續有限元仿真奠定了基礎，如圖4所示。

圖4 計算機仿真與實車碰撞試驗對比

3 隧道入口護欄側傾影響因素分析

失控車輛碰撞護欄后發生側傾，主要影響因素為護欄的高度、護欄坡面形式、護欄的剛度和強度。車輛最大側傾主要發生在車輛甩尾時，由于大型客車車輛的質心較大型貨車靠前，甩尾后變形量較大，是小型客車、大型貨車和大型客車3種車輛中最不利車型，因此在分析側傾影響因素時，采用大型客車作為主要評價車型。

針對不同側傾影響因素進行大型客車有限元仿真分析，測定其側傾角度，如圖5所示，以確定不同因素對側傾的影響關系，得到隧道入口護欄的合理設計參數，實現安全性與經濟性的協調。

圖5 大型客車變形(mm)及側傾角度

3.1 坡面結構形式

護欄的坡面形式不同，車輛碰撞護欄后的形態也不同。新版規范要求隧道入口“過渡設計宜通過混凝土護欄漸變或采用混凝土翼墻進入隧道洞口”。現行混凝土坡面結構形式主要為直壁式坡面、單坡面及F型坡面，為驗證不同坡面形式對車輛側傾的影響，采用計算機仿真分析方法，建立了3種坡面形式的護欄仿真試驗模型，并對3種不同坡面結構形式1～1.6 m護欄高度進行分析，如圖6所示。結果顯示護欄側傾控制性能為直壁式坡面>F型坡面>單坡面，直壁式坡面控制側傾性能最佳，相對于單坡面和F型坡面護欄，車輛碰撞后沿護欄坡面有所爬升，甩尾時側傾較大。

圖6 不同坡面防側傾效果對比

3.2 護欄高度

高度對于控制車輛側傾具有重要作用，護欄越高，對于車輛控制側傾越有利，但護欄高度越高，其造價越高，且隨著護欄高度的增加，給駕駛者的壓迫性越強，故需要確定可達到控制側傾需求的最低護欄高度，以實現護欄安全性、經濟性和景觀性的協調統一。對直壁式混凝土護欄高度1～1.6 m側傾情況進行仿真分析，結果顯示：隨著護欄高度的增加，車輛橫向變形及側傾角度均逐漸下降，因此最大動態外傾當量值(VIn)也會隨著高度的增加而下降，如圖7所示。當護欄高度達到1.5 m時，車輛側傾角度為5.1°，角度很小，且主要為車廂變形導致的側傾，從經濟性和安全性方面考慮，確定1.5 m 為護欄滿足側傾控制功能的合理高度。

圖7 不同高度橫向變形(mm)及側傾角度

3.3 護欄剛度

目前變形較小的護欄形式主要為混凝土護欄和型鋼護欄，混凝土護欄為剛性護欄，剛度較型鋼護欄大。為了確定剛度對于側傾控制的影響，建立了混凝土護欄和型鋼護欄仿真模型，試驗工況如表4所示，試驗條件為表3中大客車碰撞條件。

表4 試驗工況

圖8為大客車碰撞混凝土護欄和型鋼護欄的最大側傾變形情況，混凝土護欄在車輛碰撞后，由于護欄剛度大，車輛上部變形較大，導致車輛側傾較大，達到53.8 cm；車輛碰撞型鋼護欄后，由于型鋼護欄本身發生一定的變形，碰撞能量消減，故車輛本身變形較混凝土護欄減小，最終車輛側傾為43.9 cm。由此可見，由于型鋼護欄變形吸能作用，側傾控制性能優于混凝土護欄，混凝土護欄剛度過大對于控制側傾不利。

圖8 側傾變形對比(單位：mm)

3.4 護欄強度

由前述分析，車輛側傾控制并非護欄剛度越大越有利，護欄剛度需要與車輛變形相協調，但前提是保證護欄強度能夠滿足防護需求。通過對型鋼立柱應力進行分析，立柱為Q345鋼材，最大應力為597.8 MPa且發生在立柱根部，易發生破壞，如圖9所示。若采用增大立柱截面的方式，截面需加大1倍，經濟性較差。為了保證護欄整體剛度和強度，采用雙立柱結構。雙立柱形成框架結構，既可以保證護欄的整體剛度，又可以分散受力，解決單立柱強度不足的問題。

圖9 型鋼立柱應力分析(單位：MPa)

4 雙立柱型鋼隧道入口護欄側傾控制分析

根據上述側傾影響因素分析，并結合過往研究者對于橋梁護欄結構設計的優點，如圓弧面對小車有較好的緩沖作用[16]，地腳螺栓錨固數量不低于4個[17]，提出了一種SB級防側傾型隧道入口護欄結構，該護欄高度為1.5 m，迎撞面為直壁式，護欄由組合立柱、橫梁及波形梁組成，基礎錨固螺栓個數為6個。組合立柱剛度大，波形梁吸能效果好，立柱和波形梁協調配合，達到控制車輛側傾的效果，如圖10所示。為了使車輛在碰撞護欄后具有足夠長的導出距離[18]，SB級防側傾型隧道入口護欄的隧道口內護欄長度為10 m，對該結構進行3種車型的有限元仿真分析，碰撞車型質量及碰撞車速如表3所示，碰撞角度為23.3°。

圖10 雙立柱結構

(1)側傾分析

對于護欄的防側傾功能，直壁式坡面可有效阻擋車輛爬坡造成的車輛側傾角度增大；護欄高度設置為1.5 m可有效阻擋車體的倒伏，減小車輛側傾角度；護欄剛度的合理設置使車輛在碰撞后大幅度消解能量，側傾變形較小，進而降低車輛最大動態外傾當量值(VIn)，如圖11所示。結果顯示，大客車最大動態外傾值為33.7 cm，側傾角度為6.4°，經計算最大動態外傾當量值(VIn)為43.3 cm；大貨車最大動態外傾值為12.8 cm，側傾角度為0.4°，經計算最大動態外傾當量值(VIn)為13.4 cm；滿足前述理論計算得到的隧道入口車輛側傾45 cm限值的要求。

圖11 大型車輛橫向變形(mm)及側傾角度

(2)緩沖分析

隧道入口護欄需要過渡，碰撞角度增大，對護欄的緩沖功能要求提高。評價標準中規定，緩沖功能的評價主要參照小客車乘員在碰撞后橫向和縱向的速度和加速度的情況，因此緩沖功能采用小客車作為評價標準。如圖12所示，該結構下部采用雙波板+三波板結構，結構均勻，吸能緩沖效果好，小型客車碰撞后加速度變化平緩。乘員碰撞后加速度的縱向和橫向分量為86.4 m/s2和132.8 m/s2，均小于200 m/s2，乘員碰撞速度的縱向和橫向分量為8.79 m/s 和7.63 m/s，均小于12 m/s，滿足大角度碰撞下護欄緩沖功能要求。

圖12 乘員碰撞加速度和速度曲線

5 結論

本研究采用理論計算和計算機仿真的方法，對高速公路隧道入口護欄側傾控制技術進行了研究，確定了護欄坡面形式、護欄高度、護欄剛度和強度與側傾的關系，并提出了一種滿足側傾控制限值為45 cm的雙立柱型鋼隧道入口護欄結構，具體結論如下。

(1)護欄坡面對控制側傾的效果自優至劣為直壁式坡面>F型坡面>單坡面。

(2)護欄高度越高，防側傾效果越好，結合經濟性和景觀性，1.5 m為護欄防側傾合理高度。

(3)對于防側傾功能，并非護欄剛度越大越好，大剛度立柱和高吸能橫梁結構對于控制側傾效果較為明顯。