山區公路長隧道路段安全評價及線形優化研究

摘要 為了保證公路路線設計水平，首先，總結了山區公路長隧道線形的基本要求，以運行速度變異系數、視距為評價指標，闡述了長隧道線形的安全性評價方法。隨后，從線形協調、指標均衡、變坡點設置等方面分析了線形優化要點。最后，以某山區高速公路1號～5號隧道為研究對象，分析了其路線方案優化后的安全性，研究成果可供類似項目設計提供理論指導。

關鍵詞 山區公路；長隧道；線形一致性；安全評價；視距；平縱指標

中圖分類號 U412.3文獻標識碼 A文章編號 2096-8949（2024）02-0022-03

0 引言

近年來，全國公路交通網日益完善，越來越多的公路項目在山區建設。由于山區地形復雜、地勢起伏大，為了保證線形的連續性，不可避免地需開挖山體，設計隧道工程。隧道路段線形設計時，不僅要求平縱指標滿足規范要求，還要保證平縱組合的合理性及隧道進洞和出洞對行車安全的影響。但是，很多設計人員在開展路線方案比選時，對隧道行車安全性重視程度不足，只盲目追求高指標。因此，進一步研究山區公路長隧道路段安全評價及線形優化具有重要意義。

1 山區公路長隧道線形要求

1.1 平面線形分析

公路平面線形由直線、圓曲線、緩和曲線等線形單元組成，當司機駕駛車輛從一種線形單元到另一種線形單元時，需不斷調整方向盤。如果隧道內的線形不連續，不利于行車安全。對于直線隧道，洞口視線良好，司機操作空間大。圓曲線隧道在任意點的曲率相同，司機無須頻繁操作方向盤，但由于光線變化、洞內外明暗交替等原因，司機可能無法準確判斷前方行車方向。在地形復雜或布線限制大的路段，隧道出入口可能在緩和曲線上，不同點的曲率和超高是變化的，這要求司機快速適應光線，并轉換行車方向，否則車輛可能偏移所在車道，引起剮蹭、追尾等安全事故[1]。

1.2 縱斷面線形分析

現行公路路線設計規范是通過限制縱坡取值、縱坡形式（單向坡）及豎曲線半徑等來減小縱斷面對隧道行車安全的影響，未考慮坡度差的影響。相關研究表明，坡度差會直接影響路線的起伏狀態，從而影響行車安全。有學者統計了某地區若干條高速公路隧道洞內外坡度差所對應的平均事故率，如圖1所示[2]。

由圖1可知：隨著隧道洞內外坡度差的增加，平均事故率也不斷升高。當隧道洞內外超過4%后，平均事故率達到了11.5，已經大幅超出了正常值。出現上述現象原因在于：隧道洞內外坡度差較小時，對線形影響不明顯；反之，則破壞了線形的連續性，影響司機的視線和行車心理。

2 山區公路長隧道路段線形安全評價

為了保證行車安全，路線規范要求隧道洞口內外3s車程范圍內的平縱指標應保持相同。如因條件受限無法滿足這一要求，可設計成回旋線，但需經專家論證通過，并設置線形誘導設施。同時，根據《公路項目安全性評價規范》（JTG B05—2015，以下簡稱《規范》），隧道安全性評價內容復雜，涉及路線線形的內容主要有：隧道洞口內外線形一致性評價、曲線隧道視距評價等。

2.1 洞口內外線形一致性指標和安全評價

（1）線形一致性指標。一般情況下，隧道洞口內外線形一致性是指洞口前3 s車程和洞口后3 s車程內的線形特征一致。為了便于定量分析，定義了以下公式[3]：

（1）

式中，、——進入隧道洞口前3 s和后3 s車程內路線指標。

如果ΔZ大于0，說明進入隧道后3 s車程的路線指標較好；反之，說明進入隧道前3 s車程的路線指標較好。同時，ΔZ越大，隧道洞口內外的路線指標差值越大，線形一致性越差。

（2）運行速度。洞口內外線形安全性評價可以以運行速度為基礎數據。由于隧道所在區域環境復雜、人工測速風險大，可使用仿真模型獲取運行速度或按表1進行預測。

（3）安全評價標準。按照《規范》要求開展公路安全性評價時，將路線按縱坡大小、曲線半徑等劃分為若干個路段，以相鄰路段的運行速度差值ΔV85為評價指標，《規范》并未對隧道洞口內外3 s車程范圍內的速度一致性作出詳細規定。為了解決這一問題，該文建議采用數理統計學中變異系數的概念來評價隧道洞口內外運行速度的一致性，見式（2）～（4）[4]：

（2）

（3）

（4）

式中，CV——隧道洞口內外車速變異系數；σ、——隧道洞口內外車速標準差和平均值（km/h）；N——隧道洞口內外運行速度監測斷面數量，N越大，評價結果越準確，但也會使計算工作量加大；Vi——隧道洞口內外第i個斷面的運行速度（km/h）。

結合相關研究成果可知，車速變異系數越大，隧道洞口內外的行車安全性越差。鑒于此，該文將隧道洞口內外的行車安全性劃分為好、一般、差三個等級，對應的車速變異系數范圍分別為CV＜0.031、0.033≤CV＜0.046、CV≥0.046。

2.2 曲線隧道視距安全評價

（1）視距要求。視距是影響曲線隧道行車安全的重要指標之一，不同車輛因制定性能不同、重量不同，其保證行車安全所需的視距也不同。《公路工程技術標準》（JTG B01—2014，以下簡稱《標準》）針對小客車和貨車分別提出了視距要求值，見表2。

（2）滿足視距的曲線半徑。在設計階段，隧道曲線半徑的取值不宜過小，否則可能導致視距不滿足《標準》要求。結合相關研究成果，滿足視距的曲線半徑臨界值R0可按式（5）計算。

（5）

式中，S——視距要求值（m）；Y——要求視距對應的側向寬度，其中左側寬度YL=WL/2（左側車道寬度）+LL（側向寬度）+J（檢修道寬度），左側寬度YR=WR/2（右側車道寬度）+LR（側向寬度）+J（檢修道寬度）。當隧道所在圓曲線路段的半徑R＜R0，視距不足，行車安全性差，需加大圓曲線半徑。當R＞R0，隧道安全性滿足規范。

3 山區公路長隧道路線線形優化要點

結合上文隧道洞口內外安全線分析成果，建議山區公路長隧道線形優化時從以下幾個方面著手：

3.1 線形協調

隧道洞口內外一致性是保證行車安全的關鍵，即要控制好隧道洞口內外3 s車程范圍內的平、縱線形指標盡量取大值，且兩者之間的差值不宜過大。隧道進口處存在“黑洞效應”，司機會下意識地降低車速，故布線條件受限時，隧道進口路段的線形指標一致性可適當放松，但要加強視線誘導和路面防滑、排水措施[5]。但是，隧道出口處的亮度變化劇烈，會干擾司機對隧道外線形走向的判斷，故出隧道前和出隧道后的平縱面線形指標需嚴格控制。

3.2 指標均衡

在公路運營期間，貨車是可以進入左側車道行駛的，建議計算滿足視距的曲線半徑臨界值R0時，可采用貨車對應的視距。需注意，曲線半徑較大時，對應的縱斷面豎曲線半徑也不能過小，否則會造成線形不均衡。大量工程實踐表明：當圓曲線半徑R＜1 000 m、R≥1 000 m時，豎曲線半徑可分別取圓曲線半徑的10～20倍和20～50倍。該文結合工程經驗，總結了長隧道進出口路段常用的平縱線形指標組合及其均衡性指標（豎曲線半徑與圓曲線半徑的比值），見表3。需注意，為了保證行車順暢，長隧道工程不宜設置在路線的緩和曲線段。

3.3 變坡點設置

根據平縱組合基本原則，變坡點也不宜設置隧道洞口附近，這會引起兩個問題[6]：一是使公路縱坡出現“零坡點”，合成坡度小。在連續降雨天氣下，路面大面積積水，車輛容易出現側翻、滑移等病害。二是影響司機視線，尤其是半徑較小的凸形豎曲線路段，司機難以準確判斷前方路線走向。對于無中央分隔帶的低等級山區公路，甚至會發生與對向車輛相撞的事故。

4 山區公路長隧道路線設計實例分析

4.1 工程概況

該文依托某山區高速公路，探討長隧道線形安全性。根據工程可行性研究報告，該高速公路全長56.5 km，起訖樁號為K0+000～K56+500，設計速度為100 km/h，設計荷載為公路-I級，雙向四車道，最大縱坡為3.9%，最小縱坡為0.6%，圓曲線最小半徑為1 000 m，最小坡長為300 m，凸形豎曲線和凹形豎曲線的最小半徑分別為12 000 m、5 000 m。公路沿線共有長度大于1 000 m的長隧道5座（編號為1號～5號），隧道所在區域的地質條件復雜，以碎石土、強風化和中風化砂巖為主，且所在區域夏季高溫多雨，全年降雨量約1 025.6 mm，且70%以上的降雨量集中在6—10月。

4.2 隧道線形優化前后評價

工可階段的路線方案設計不細致，未考慮隧道洞口內外3 s車程范圍內平縱指標的一致性水平差，且部分路段的坡度差大、線形連續性差，司機需不斷操作方向盤，才能不偏移車道。針對這些問題，設計人員在初步設計期間對路線進行優化。

（1）車速變異系數。利用式（2）～式（4）計算了1號～5號隧道洞口內外在上行方向和下行方向的車速變異系數，計算結果見圖2。

由圖2可知：1號隧道、2號隧道、4號隧道、5號隧道在上行方向和下行方向的車速變異系數平均值分別為0.021、0.024、0.027、0.018，安全性好。3號隧道在上行方向和下行方向的車速變異系數平均值為0.044，屬于安全性一般，可進一步優化。同時，各個隧道在上行方向和下行方向的車速變異系數誤差均在5%以內，滿足工程需求。

（2）視距和指標均衡性。經仿真模擬，得到1號～

5號隧道洞口的視距分別為195 m、200 m、202 m、193 m、190 m，均大于《標準》要求的180 m（貨車）。同時，1號隧道、2號隧道、4號隧道、5號隧道線形的均衡性指標10～20，均衡性較好。而3號隧道的均衡性指標小于10，均衡性較差。但因地形限制，其豎曲線半徑無法增大。為了改善行車安全性，可增加視線誘導設施。

5 結論

該文主要分析了山區公路長隧道線形、安全性評價方法、線形優化設計要點，并闡述了某山區高速公路隧道路線方案在優化后的安全線，得到了以下結論：

（1）山區公路長隧道不宜布置緩和曲線?？v坡宜采用單向坡，并控制好坡度差。

（2）隧道洞口內外線形一致性是指洞口前3 s車程和洞口后3 s車程內的線形特征一致，其安全性可用車速變異系數來評價。

（3）隧道所在的圓曲線半徑要滿足視距要求，否則不利于隧道洞口內外的行車安全。

（4）為了提高山區公路長隧道路線設計質量，可從線形協調、指標均衡、變坡點設置等方面開展方案優化。

參考文獻

[1]樊康義. 高原山區公路勘察設計與路線方案選擇方法分析[J]. 交通科技與管理， 2023（2）： 38-40.

[2]龔瑞銘. 基于交通仿真的高速公路橋隧結合段行車安全性研究[D]. 長沙：湖南大學， 2022.

[3]高欣. 基于運行速度的城市道路隧道行車安全分析及對策研究[D]. 重慶：重慶交通大學， 2023.

[4]張爍， 郎君， 鞠永高. 山區公路長隧道路段安全評價及線形優化研究[J]. 公路與汽運， 2020（3）： 42-45.

[5]董城， 周輪， 張瑞蕾， 等. 隧道進出口線形一致性安全評價及其提升技術[J]. 湖南交通科技， 2018（4）： 133-137.

[6]楊銳爍. 山區高速公路隧道進口環境對駕駛人生理與行為的影響研究[D]. 廣州：華南理工大學， 2018.

收稿日期：2023-11-17

作者簡介：龐然（1987—），男，本科，工程師，從事路橋設計工作。