长大下坡路段隧道入口钢护栏结构形式研究

邰永刚，赵 源

(1. 交通运输部公路科学研究院，北京 100088；2. 北京交科公路勘察设计研究院有限公司，北京 100191)



长大下坡路段隧道入口钢护栏结构形式研究

邰永刚1,2，赵 源2

(1. 交通运输部公路科学研究院，北京 100088；2. 北京交科公路勘察设计研究院有限公司，北京 100191)

针对长大下坡路段隧道入口处的钢护栏结构，采用结构刚度设计原理进行设计，并通过计算机仿真方法分别对大型车和小型车与护栏的碰撞过程进行了分析研究。研究结果表明：该钢护栏结构的防护等级可达到SA级，有利于降低车辆尤其是大型车辆撞击到隧道口壁的事故发生，有效降低长下坡路段隧道入口处的事故严重程度。

道路工程；长大纵坡；钢护栏；计算机仿真；隧道入口；碰撞

0 引 言

长大下坡路段安全问题是近年广受关注的问题，相关研究成果也比较多，涉及事故成因、改善措施等各个方面，其中事故成因的研究包括驾驶员特性、车辆制动器温升模型预测、道路线形选择等方面[1-4]，而改善措施包括加强宣传、限速、分车道行驶、修建被动防护设施等[5-6]。

但在特殊路段，例如长大下坡结合隧道路段，由于受到各方面条件的限制，紧急避险车道无法修建，护栏防护等级较低，且由于车辆在长下坡路段速度高，隧道口缺乏足够的安全防护设施，一旦有车辆失控直接撞击隧道外侧护栏或直接撞击到隧道口壁，很容易引发严重的伤害事故。除普通波形梁护栏和桥梁护栏外，国内外目前缺乏可供隧道入口使用的护栏结构形式。孟广成等[7]研究了刚性护栏在隧道入口的设置方法，该方法主要是从护栏高度上对隧道口护栏进行了研究，对于钢护栏结构没有深入研究。钢护栏相对于混凝土护栏，施工、养护更加便利，且视觉效果更好；虽然高等级钢护栏造价偏高，但应用在隧道入口时护栏设置长度不需太长，通常几十米长度即可满足防护需求。

针对目前高速公路上隧道入口处护栏以波形梁护栏为主的现状，笔者研究了一种钢护栏结构形式，该护栏结构以普通梁柱式护栏为基础，通过提高、加强等方法控制护栏变形量，降低车辆在与护栏碰撞过程中产生的侧倾，减少车辆直接碰撞隧道口壁事故的发生。

1 护栏结构设计

1.1 基础形式

隧道口处波形梁护栏基础一般有两种形式，分别为打桩式和预埋螺栓(法兰)式。打桩式基础一般应用于土路肩路段，部分隧道口处由于排水、通信管道等要求无法打桩，因此采用预埋式基础；打桩式基础强度受到土壤压实度影响较大，且在南方多雨地带土壤遇水后强度降低，更加不利于护栏的防护。由于隧道口处护栏变形要求尽量小，以防止车辆直接撞击到隧道壁，因此在隧道口处建议采用预埋式基础，但应设置较强的基础形式，包括预埋基础、螺栓强度和法兰强度等，以降低螺栓或法兰损坏后的更换难度。

综上所述，本研究中护栏基础拟采用预埋式基础，仿真计算时通过螺栓受力分析结果，选择适当的螺栓结构尺寸及法兰尺寸。

1.2 上部结构设计

1.2.1 护栏高度设计

护栏高度越高，其防护范围也越大，但护栏高度过高，护栏底部承受的弯矩会较大，需要通过增加护栏立柱底部强度等措施增强，相应的会增加护栏的材料用量。车辆在与护栏发生碰撞时，车辆的侧倾在隧道口壁处是一项重大安全隐患，因此护栏的高度应能最大限度的控制车辆的侧倾，根据美国Roadside Design Guide[8]中护栏高度的计算方法，SA级护栏的整体高度不应低于1.2 m；根据我国车型尤其是大型客车的车辆重心高度调研结果，大型及中型客车的重心高度一般都在1.2 m以上，某些大型旅游巴士的重心高度甚至超过1.5 m，因此护栏设计高度暂取为1.5 m。

1.2.2 横梁设计

隧道入口护栏除桥梁护栏外，大多采用波形梁护栏，为更好的与波形梁护栏进行衔接，护栏横梁可采用圆形或矩形截面，矩形截面横梁连接简单，截面惯性矩较大，因此本护栏设计中首选矩形截面横梁。护栏高度1.5 m，横梁(自下而上)高度(横梁中心距路面)分别为：第1道横梁高度0.308 m，主要考虑小型客车轮胎半径一般在0.3 m左右，其主要作用是防止小客车的下钻；第2道横梁高度0.644 m，小客车前发动机位置一般在0.6～0.8 m之间，因此设置此高度是使车辆在碰撞时能导向；第3道横梁高度为1.04 m，主要是增强护栏上部结构强度；第4道横梁高度为1.44 m，整体高度1.5 m，主要防止大型车辆侧翻，横梁尺寸按高120 mm×宽100 mm设计，厚度分别取上横梁6 mm(2根)和下横梁4 mm(2根)[9]，下横梁主要用于防止小型客车的绊阻，并降低车辆碰撞时的重心减速度值，上横梁在大型车碰撞时能控制护栏变形，拦截车辆并正常导向车辆，如图1。

图1 护栏横梁与车辆位置对照Fig.1 Contrast of position between the rail beam and the vehicle

1.2.3 立柱设计

梁柱式护栏尤其是多横梁梁柱式护栏，小客车碰撞时一般不会发生绊阻，因此立柱仍然以H型截面立柱为主，以便能给横梁整体提供足够的支撑力并控制护栏的变形，立柱以变截面设计，最大截面为立柱底面H200×200×6×8(mm)，最小截面为立柱顶面H100×200×6×8(mm)，立柱间距暂取2 m，在隧道口附近增加一根立柱，避免护栏变形过大，导致车辆撞击检修道或隧道口壁。

1.2.4 其他构件设计

护栏横梁与立柱之间采用螺栓连接，为防止凸出的螺栓帽刮蹭车辆，连接采用角钢方式，使护栏面整体平顺；护栏横梁与横梁之间采用套管连接的方式，螺栓竖向布置，连接方式如图2。

图2 护栏构件连接方式Fig.2 Connection of the rail structure

1.2.5 整体方案布置

由双波梁护栏到特殊护栏段，必须进行高度、刚度的双重过渡设计，过渡长度不应低于10 m；特殊护栏与隧道口的过渡是否合理直接决定车辆是否会碰撞到隧道口壁，因此其过渡长度不宜太短，本设计中暂取L=L1+L2=12 m+10 m=22 m。孟广成等[7]的研究明确指出：护栏如果直接延伸到隧道内壁处，车辆在近隧道口处发生碰撞时容易发生侧倾，会直接撞击到隧道口壁，因此本研究将护栏逐渐过渡到检修道边缘，与隧道口壁不进行连接。

该护栏的设计防护等级为5级(SA级)，而公路路基护栏尤其是波形梁护栏的防护等级一般为3级，本设计中要求过渡段应逐级过渡，过渡段L1的等级宜在3、5级之间，为满足要求，将护栏高度进行降低并逐步减少横梁根数，以使该护栏结构具有较好的过渡效果，护栏整体方案如图3。

图3 护栏整体方案设计Fig.3 Whole structure design of the rail

2 护栏防护性能分析

根据我国最新颁布实施的JTG B 05-01—2013《公路护栏安全性能评价标准》[10]要求，5级护栏需要满足的碰撞条件如表1。护栏碰撞点位置如图3，建立车-护栏的碰撞模型进行仿真计算[11-15]。护栏评价指标如表2。

表1 护栏碰撞条件

表2 SA级碰撞条件下评价结果

2.1 货车碰撞分析

仿真结果表明，货车在碰撞护栏后，车辆安全驶出，没有撞击到隧道口，符合评价标准的相关要求，车辆行驶轨迹及护栏变形如图4，护栏最大动态变形量0.286 6 m。

图4 货车行驶轨迹及护栏变形Fig.4 Truck trajectory and guard rail deformation

2.2 中型客车碰撞分析

仿真结果表明，客车在碰撞护栏后，车辆安全驶出，没有撞击到隧道口，符合评价标准的相关要求；车辆行驶轨迹及护栏变形如图5。

图5 客车行驶轨迹及护栏变形Fig.5 Bus trajectory and guard rail deformation

2.3 小客车碰撞分析

仿真结果表明，小客车在碰撞护栏后，车辆安全驶出，符合评价标准的相关要求，护栏变形较小。车辆行驶轨迹如图6。

图6 小客车行驶轨迹Fig.6 Car trajectory

2.4 地脚螺栓受力分析

根据仿真计算结果，客车碰撞时地脚螺栓受力最大，提取立柱柱脚螺栓最大受力，螺栓承受最大轴力230 kN，最大剪力170 kN。

螺栓采用8.8级高强度螺栓，按最大轴力230 kN进行校核：

(1)

式中：σ为8.8级高强螺栓的抗拉强度值；F为单个螺栓承受载荷；As为螺纹部分危险截面之计算面积。

按最大剪170 kN进行校核：

(2)

式中：τ为螺栓的抗剪强度值，τ= 0.7σ。

综合式(1)、式(2)计算结果，根据文献[16]的标准件截面对比，选取螺栓的直径不应小于M24，公称截面积353 mm2。

3 结 语

长大下坡隧道路段车辆速度较高，普通护栏无法满足安全防护需求。笔者通过计算机仿真方法，并参考护栏的刚度分配设计方法，研究了一种高等级钢护栏结构形式，该结构形式将标准段护栏与隧道洞壁进行了刚度和高度双重过渡，防护等级达到SA级(5级)防护要求，可有效避免车辆与隧道口壁直接发生碰撞事故。

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Steel Rail Structure at Tunnel Entrance in Section of Long and Steep Downgrades

Tai Yonggang1, 2, Zhao Yuan2

(1. Research Institute of Highway, Ministry of Transport, Beijing 100088, China; 2. Beijing Jiaoke Transport Consultants Co. Ltd., Beijing 100191, China)

According to the steel rail structure of tunnel entrance in section of the long and steep downgrades, the structure research on the steel rail structure at the tunnel entrance was carried out. The type of the steel structure was designed in the principle of the structure stiffness design, and the crash processes of large and small vehicles and rail were studied by the method of computer simulation. The results show that the protection level of the steel rail structure can reach SA level, and it is also good for reducing accidents of the vehicles especially large vehicles impacting to the tunnel entrance wall, which effectively reduces the severity of the accident at tunnel entrance in section of the long and steep downgrades.

road engineering; long and steep downgrades; steel rail; computer simulation; tunnel entrance; crash

10.3969/j.issn.1674-0696.2015.05.13

2014-09-01；

2014-11-13

交通运输部西部交通科技项目(201231836520)

邰永刚(1979—)，男，山东诸城人，高级工程师，硕士，主要从事交通安全设施方面的研究。E-mail：bjcau@126.com。

U417.1

A

1674-0696(2015)05-065-04