单洞螺旋隧道平曲线半径选择及运营安全对策

陈启泰

(云南交通咨询有限公司，云南昆明650031)

高原山区具有山高深谷、高差悬殊、地势阶梯递降等特点。由于受地形、地质等条件的制约，山区公路往往需要将路线在某一路段进行集中升坡或降坡以充分利用前后的有利地形。当采用自然展线无法满足路线所需克服的高差时，螺旋展线比回头展线具有更好的线形条件和满足山区高等级公路线形指标的潜能而受到重视［1］;同时，随着桥梁和隧道建设水平的不断提高，为螺旋展线在山区高等级公路布设应用奠定了基础［2］。近年来云南山区一些高速公路上采用了螺旋曲线隧道设计方案，在避开不良地质，克服大高差、大纵坡方面取得了较好的效果。

双车道二级公路上单洞对向行车螺旋曲线隧道的应用目前尚有许多技术需要进一步探讨，如何掌握其技术指标还需要进一步研究。螺旋展线的平面线形是由连续的同向曲线构成，路线转角往往较大，一般达360°左右，由于转角大且受地形及工程投资的制约曲线半径又不宜过大，加之路线位于隧道内，使行车视线、行车视距条件变差。为此文中拟通过研究停车视距分析山区二级公路小半径螺旋隧道线形在保障行车安全条件下的适用性及经济性。

1 工程实例

云南某二级公路一般路段设计速度为60 km/h，特殊困难路段设计速度为40 km/h。本项目是连接向家坝水电站与溪洛渡水电站的便捷通道，也是向家坝电站淹没区水绥公路的还建工程。

本项目中K13+850～K19+550段位于长约6 km的长大下坡路段，测区属低山丘陵区，地形起伏大，沟梁相间，地形狭窄，横坡陡峻，基岩出露。其中K15+400～K17+150段由于受地形条件的制约需在一个坡面上集中克服高差约50 m，如采用自然展线则需设三线平行的“之”字型回头曲线展布于狭窄的金沙江畔工程实施困难，通过对路线方案的反复研讨论证，确定在新安段采用螺旋隧道展线的方案通过该测区。路线设左转360°双卵形螺旋线，布设螺旋隧道长1 465 m。隧道进口端K16+270～K16+668.976 位于 R=220 m，i=2.98% 的左转圆曲线上;K16+668.976 ～ K16+768.976 位于R=220 m，Ls=100 m，i=3.483% 的左转缓和曲线上;K16+768.976～K17+735位于R=270 m，i=3.483% 的左转圆曲线上。

2 停车视距

2.1 停车视距的概念

停车视距是汽车在公路上安全行驶的重要保障指标之一，也是公路几何设计的主要依据。它是指汽车行驶时，驾驶者自看到前方障碍物时起，至障碍物前能安全停车所需的最短行车距离，即反应距离加制动距离之和。

2.2 制动距离分析

现有停车视距的制动模型是从力学原理推导而来的，模型中轮胎与路面间的作用机理不够清晰，实际数值的测量上存在偏差。另外，随着汽车工业的发展，汽车的安全性在各方面有了极大地提高，现代新型轮胎、新型路面材料和ABS(Anti-lock brake system)防抱死制动系统的出现使得原先推荐的附着系数和道路阻力系数不再能准确地反映停车制动的实际情况。因此文中考虑从运动学原理出发，用制动减速度a来综合考察汽车制动这一复杂过程。

2.3 停车视距修正计算

停车视距分作反应距离和制动距离，其中制动距离是汽车从制动生效到汽车完全停住这段时间内车辆行驶过的距离，即制动力上升阶段和全制动阶段这段时间内车辆行驶过的距离。鉴于规范规定的纵向摩擦系数测定非常困难，规范取值为0.29～0.44范围较宽，因此文中引用文献［3］的研究结论:路面条件设定为潮湿状态，则停车视距的计算式为

式中:t为制动反应时间(s);t＇为制动力上升时间(s)。

根据《公路工程技术标准》(GTG B01—2003)［4］和《公路路线设计规范》(JTG D20—2006)［5］的规定，将制动反应时间取值为 2.5 s。根据Burckhardt的研究结果，制动力上升时间取值为0.2 s。NCHRP Report400［6］的研究表明:90% 的驾驶员在意外发现前方道路有障碍物需要紧急停车时所采用的减速大于3.4 m/s2，文中采用该值作为最大制动减速的绝对值。根据式(1)计算出各设计速度下的停车视距修正取值，如表1所示。其中“规范计算值”为原模型的计算值，相应的“规范规定值”为取整值，“修正取值”为式(1)的计算结果。

表1 制动减速度模型停车视距计算值Tab.1 Stopping sightdistancecalculated valuesof braking deceleration model

2.4 隧道内车辆视点位置确定

路线设计依据的小客车和载重汽车的宽度分别为1.8 m和2.5 m。根据调查，小客车的视点约在其左侧0.5 m的位置，载重汽车的视点约在其左侧0.6 m的位置。当车辆在车道中间正常行驶时其视点位置如表2所示。

表2 车辆靠中正常行驶视点位置Tab.2 Viewpoint position of vehicle normal running close to intermediate

由于隧道外公路提供了足够的侧向净距，车辆基本沿车道中心线行驶。车辆进入隧道后，因提供的侧向净距较小，驾驶员会因对隧道产生恐惧感和灯光等因素的影响，更喜欢离开隧道墙(或步行道、防撞护栏等)一定距离，将车辆位置向隧道中心偏移，如图1所示(设计速度(km/h))。

图1 隧道内车辆偏移Fig.1 Vehicle migration in tunnel

根据调查，小型车辆的偏移幅度在0.5～1.0 m范围之内，大型车辆的偏移幅度在0.5 m左右［7］。考虑对向行驶双车道隧道的安全，会车时两辆车之间的横向安全距离按不小于1.2 m控制，则车辆偏移后距路中线的富余宽度为不小于0.6 m的左侧侧向宽度，因此在隧道内车辆的视点位置如表3所示。

表3 考虑偏移时视点位置Tab3 Viewpoint position of considering migration

2.5 曲线内侧车道横净距所确定

根据上述讨论，一般情况下曲线内侧车道的横净距如表4所示。

表4 曲线内侧车道的横净距Tab.4 Lateral clear spacing of curve inside lane

2.6 保证视距的临界最小圆曲线半径计算

根据图2可知，视点、对象物在同一圆曲线内时，行车轨迹线到铅垂状障碍物的宽度与视点上所能看到的视距及圆曲线半径有如下关系:

式中:Y为横净距(m);S为视距(m);R为曲线内侧行驶轨迹的半径(m)。

图2 保证视距的临界圆曲线Fig.2 Critical curve of guaranteeing sight distance

螺旋曲线隧道的半径越大，对保证停车视距的要求与行车安全越有利，但却会增加隧道的长度，从而加大工程投资。为此本实例拟采用小半径螺旋曲线隧道来考虑满足安全停车视距要求，最终保障行车安全。

根据规范规定，双向行驶的二、三、四级公路按相向的两辆汽车会车时同时制动停车的视距考虑，所以会车视距应不小于停车视距的2倍［8］。因一般情况下小客车的运行速度较载重汽车大，对视距要求更高，所以一般采用小客车进行视距检算。由式(2)满足视距要求的临界最小圆曲线半径计算结果如表5所示。

表5 满足视距要求的临界最小圆曲线半径Tab.5 Critical minimum radius of horizontal curve of meeting visual scope

3 基于汽车动力学模拟的运营安全检测评价

利用在VC++6.0平台上开发的公路运营安全检测计算系统HOS-VT，对从下坡方向行驶于云南某二级公路K13+850～K19+550段的常见典型车辆(小轿车、大型五轴车辆)的运行速度预测、制动系统热衰退状况进行检测计算，据此对该路段的运营安全做出定量评价。云南某二级公路小轿车路段运行速度预测计算数据(K13+754～K19+550)(区间平均运行车速:45.4 km/h)，见表 6、图3，云南某二级公路五轴重型车辆路段运行速度预测计算数据(K13+754～K1+550)(区间平均运行车速:33.9 km/h)见表 7、图4。

表6 小客车运行速度预测Tab.6 Operating speed prediction of minivan

图3 小客车运行速度预测Fig.3 Operating speed prediction of minivan

表7 重载车辆运行速度预测Tab.7 Operating speed prediction of heavy vehicle

图4 重载车辆运行速度预测Fig.4 Operating speed prediction of heavy vehicle

在云南某二级公路下行线上正常情况下(无交通流干扰、晴天、干燥路面、车辆状况良好)小轿车的最大预测车速为46 km/h，五轴重型车辆(45T级五轴车辆)的最大预测车速为34 km/h。云南某二级公路五轴重型车辆排气辅助制动3档稳定车速条件下，额定荷载时前后制动负摩擦系数平均值检测计算数据(K13+754～K19+550)见表8、图5，云南某二级公路五轴重型车辆排气辅助制动3档稳定车速条件下，超载50%时前后制动负摩擦系数平均值检测计算数据(K13+754～K19+550)见表9、图6。

模拟检测计算结果表明，在采用3档稳定车速条件下额定载荷发动机辅助行车制动措施的情况下，五轴重型车辆在K15+821～K18+060路段行驶时制动器温度为260～400℃制动效力衰减30%，其紧急制动能力所受影响较小，完全可以保证其下坡行车制动控速安全性(一般不会发生制动失效)。

表8 重车、额定载荷制动效力检测Tab.8 Braking effect detection of heavy vehicle and rated load

图5 重车、额定载荷制动效力检测Fig.5 Braking effect detection of heavy vehicle and rated load

采用3档稳定车速条件下超载50%发动机辅助行车制动措施的情况下，五轴重型车辆在K16+312～K18+082段行驶时制动器温度为400～550℃制动效力衰减50%，其制动器制动效力发生衰减幅度较大;在K18+082～K19+550路段行驶时其制动器温度超过550℃，制动效力衰减70%以上，车辆制动基本失效。

4 结语

依托实际工程通过对云南某二级公路新安螺旋隧道施工图设计的咨询审查，得出如下几点主要结论:

表9 重车、超载50%制动效力检测Tab.9 Braking effect detection of heavy vehicle and overload 50%

图6 重车、超载50%制动效力检测Fig.6 Braking effect detection of heavy vehicle and overload 50%

1)螺旋曲线隧道展线方案的平曲线半径较小，纵坡较大，但较原三线平行的“之”字型回头曲线自然展线方案线形指标高，潜在的运行安全风险低于原回头曲线自然展线方案。

2)根据运行速度预测结果，本路段小客车的区间最大运行预测速度为46 km/h，则S停=57 m，取60 m，所以满足视距要求的临界最小圆曲线半径为462 m。本实例双卵形螺旋线曲线隧道的半径R=220 m，270 m，不能有效地保证行车安全性。因此，螺旋线曲线隧道应采用强制限速措施，大、小车均应强制限速为40 km/h。

3)大型车辆热衰退状况检测结果表明，超载对重载车辆的制动器制动效力影响较大，应在螺旋隧道前坡顶K13+748处设置治超站及强制加水站，确保重载车辆在额定载荷下安全行车及强制加水降温;同时因本螺旋隧道强制限速为40 km/h，因此应在螺旋曲线隧道进洞前设置自救匝道，避免隧道内追尾相撞事故的发生。

4)鉴于对向行驶单洞螺旋隧道建造经验少，可能存在潜在的安全隐患，据此建议在路中线采用设开口防撞墙强制隔离实现分车道行驶。每200～300 m左右设开口一处，以作应急之需。

［1］赵永平，杨少伟，赵一飞.具有中央分隔带公路弯道外侧超车车道的视距研究［J］.长安大学学报:自然科学版，2004，24(5):31-34.ZHAO Yong-ping，YANG Shao-wei，ZHAO Yi-fei.Passing lane stopping sight distance outside of median divider in freeway［J］.Journal of Chang an University:Natural Science Edition，2004，24(5):31-34.(in Chinese)

［2］吴华金.螺旋展线在高原山区高速公路中的应用［J］.公路，2005(4):86-90.WU Hua-jin.Applying helix line development inmountainous area freew ays［J］.Highway，2005(4):86-90.(in Chinese)

［3］袁浩，史桂芳，黄晓明，等.停车视距制动模型［J］.东南大学学报:自然科学版，2009(4):41.YUAN Hao，SHI Gui-fang，HUANG Xiao-ming，et al.Braking model of stopping sight distance［J］.Southeast University:Natural Science Edition，2009(4):41.(in Chinese)

［4］中华人民共和国交通部公路司，中国工程建设标准化协会公路工程委员会.公路工程技术标准(JTG B01—2003)［S］.北京:人民交通出版社，2004.

［5］中交第一公路勘察设计研究院.公路路线设计规范(JTG D20—2006)［S］.北京:人民交通出版社，2006.

［6］Fambro D B，Fitzpatrick K，Koppa R.Determination of stopping sight distances，NCHRP report 400［R］.Washington DC:National Research Council，1997.

［7］杨宏志，许金良，李建士.基于计算机仿真的公路线形设计评价［J］.中国公路学报，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］重庆交通科研设计院.公路隧道设计规范(JTG D70—2004)［S］.北京:人民交通出版社，2004.