山区公路长隧道路段安全评价及线形优化研究

张烁， 郎君， 鞠永高

(中交第二航务工程勘察设计院有限公司， 湖北 武汉 430060)

隧道作为一种特殊构造物，在山区公路中占比较高。与正常路段相比，由于地形条件限制，隧道进出口区域处于照明过渡、线形过渡、空间大小过渡的交替段，若隧道洞口的公路线形不能连续、顺适过渡，极易引发追尾、刮擦、碰撞护栏、冲出路外等交通安全事故，属于事故高发危险路段。虽然JTG D20-2017《公路路线设计规范》对隧道洞口过渡段线形一致性作了要求，但仅定性地指出洞口内外各3 s设计速度行程长度范围的平、纵面线形应一致，未指明评价线形一致性优劣的方法及相应标准，难以运用于实际设计。鉴于此，该文以甘肃临洮至西寨山区公路为背景，分析隧道路段的线形设计要素，基于线形一致性安全评价原理，提出隧道洞口线形一致性指标，并对工程可行性研究方案(下称工可方案)中的海甸峡长隧道方案进行安全评价，提出初步设计阶段隧道洞口线形优化方法和安全措施。

1 隧道路段线形安全性分析

1.1 平面线形分析

道路的平面线形由直线、圆曲线、缓和曲线构成，车辆从一种线形单元至另一线形单元的过程中，驾驶人需不断调整方向盘，尤其是在隧道洞口路段，洞内外明、暗突变，导致驾驶人无法快速准确地判断方向而保持固定驾驶操作，若区段内线形不一致，则对安全驾驶十分不利。图1为不同线形单元下隧道洞口路段的视线透视图。

直线形隧道洞口路段的视线良好，驾驶人操作空间大，且驾驶方向盘负荷度低。圆曲线形隧道洞口路段虽然曲率一致，不需要不断操作方向盘，但隧道内外的明、暗突变易导致驾驶人无法快速准确地判断方向而保持固定驾驶操作。在地形及布线制约条件下，隧道出入口难以避免地设置于缓和曲线路段，其曲率半径和超高逐渐变化，需驾驶人快速适应光线的突变并变换方向。此外，线形要素的不同组合若造成道路线形与车辆行驶轨迹不一致，车辆较大地偏出所在车道，操作失误则易引发刮擦、追尾撞击等事故。

(a) 直线形隧道洞口

(b) 圆曲线形隧道洞口

(c) 回旋线形隧道洞口

图1 不同线形单元下隧道洞口路段的视线透视图

1.2 纵断面线形分析

对于隧道洞内外过渡段的纵断面影响行车安全性的问题，规范通过限定设计指标的取值加以控制，提出隧道纵坡不大于3%，纵坡形式宜采用单向坡，且变坡点处凹、凸形竖曲线的半径要符合规定要求。但对平、纵组合下的线形一致性未作明确规定。因此，对隧道洞口路段平、纵组合下线形优劣进行综合定量分析十分必要。

1.3 横断面分析

隧道洞口内外过渡段路基宽度不一致时，若直接接至隧道检修道、洞口端墙位置，将导致路基过渡段产生突变，对路侧行车安全影响严重。为保证洞口路段路基的衔接，解决横断面不一致问题，规范要求在隧道进口外设置宽度不小于3 s设计速度行程长度的过渡段，且最小长度不小于50 m。

2 隧道洞口路段线形一致性安全评价

2.1 隧道洞口线形过渡指标

实际工程中，横断面的影响主要体现在路基宽度过渡方面，对隧道洞口公路线形一致性评价的影响极小，故忽略横断面因素。

平面线形的影响因素主要包括路线曲率、曲率变化率及转角。平曲线弯曲程度以曲率1/R表征，车辆方向盘变化快慢以曲率的方差表征，即曲率的离散程度。隧道洞口路段平面线形过渡指标P0按下式计算：

(1)

式中：ξ为偶然事故发生参数，一般取0.1；λ、m、n为组合参数，分别取0.28、0.67、0.25；v为运行速度(km/h)；a为曲线起点桩号；b为曲线终点桩号；l为计算长度(m)；L为行程长度(m)。

纵断面线形优劣取决于纵坡坡度和竖曲线半径大小。在行车安全性方面，因竖曲线半径设计时已考虑了满足停车视距的要求，纵断面的影响主要在于纵坡大小。为综合考虑平、纵线形的影响，在平面线形指标模型的基础上，以纵坡修正的方式体现纵断面的影响，纵断面线形过渡指标按下式计算：

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

(2)

式中：i为平均纵坡(%)。

将平面线形指标和纵断面线形指标进行耦合，得到路线线形过渡指标F：

F=P0Z(i)

(3)

在隧道洞口范围内的每个F值均对应该断面的线形指标，F值越小，道路线形越好，影响驾驶者的信息量越少。

2.2 隧道洞口线形一致性安全评价

2.2.1 隧道洞口线形一致性指标

根据规范，隧道洞口线形一致性安全评价主要与洞口前3 s车程内的线形特征和洞口后3 s车程内的线形特征有关，以隧道洞口为分界，隧道洞口内外行车情况见图2。

图2 隧道洞口行车示意图

(4)

ΔF表明隧道洞口前后道路线形之间的差别。ΔF> 0，说明隧道洞内后3 s行程的线形优于洞外前3 s 的线形；ΔF<0，说明隧道洞外前3 s行程的线形优于洞后3 s 行程的线形；ΔF的绝对值越大，表明洞口前后线形指标的差距越大，隧道洞口路段线形一致性越差。

2.2.2 隧道洞口线形安全评价标准

依据JTG B05-2015《公路项目安全性评价规范》中各级公路线形一致性不同安全水平下的运行速度差范围，将进洞时线形安全情况分为好、中、差3个等级(见表1)；出洞时由于加速较安全，而减速对行车安全不利，主要考虑是否造成减速，将线形安全水平分为好、差2个等级(见表2)；车辆在隧道段各处的运行速度预测模型见表3，其中vin为距离驶入隧道洞口200 m衔接路段单元的速度。

表1 隧道入口线形安全性评价标准

表2 隧道出口线形安全性评价标准

表3 隧道路段运行速度预测模型

将运行速度代入式(1)～(4)，计算得到不同安全等级下线形一致性指标ΔFin和ΔFou(见表4、表5)。

表4 进洞时线形安全评价标准

表5 出洞时线形安全评价标准

3 工程应用

3.1 工程概况

甘肃省临洮至西寨公路起于定西市临洮县G212线与Y173相交处，终于渭源县峡城乡门楼寺村。地处陇西黄土高原西缘，路线沿途地势起伏较大，河流水系发达，地形复杂，山势陡峭。路线推荐线全长约32 km，采用二级公路标准，设计速度60 km/h，路基宽度10 m，共设置大桥7座、中小桥8座、长隧道1座。该项目沿线特殊结构物多，隧道长，施工和运营风险高，在设计阶段对隧道洞口路段进行安全评价，进而提出科学、合理、安全的路线方案至关重要。

3.2 隧道洞口路线安全评价与优化

3.2.1 工可方案中隧道安全评价

该项目K23+625—K26+275地势陡峭，水系发达，左侧离海甸峡水库较近，且现有老路指标极低，难以利用其走廊带，工程可行性研究报告中拟设置海甸峡隧道通过。隧道全长2 650 m，最大埋深约300 m，进出口均采用端墙式洞门，隧道左右侧共设置4处紧急停车带。该隧道为单孔隧道，左右幅线形一致，选取右幅隧道进行分析。

隧道入口范围平面线形依次为R=∞、Ls=100 m、R=700 m，纵坡为2.382%和-0.5%；出口范围平面线形依次为R=1 100 m、Ls=150 m、R=∞，纵坡为-0.5%和2.82%。隧道路段路线方案见图3(原方案)，纵断面见图4。

依据上述评价方法对该隧道路段洞口内外3 s行程范围的线形进行安全评价，由式(1)～(4)计算得到线形指标值ΔF，评价结果见表6。

由表6可知：工可方案中隧道入口处线形安全水平差，这是由于洞口处于缓和曲线段，且纵向处于竖曲线范围内，坡差较大，线形连续性较差，驾驶者需不断调整方向以保证不偏离原道路；隧道出口线形安全水平好，虽然出洞口也为缓和曲线段，但驾驶者视野好，可继续保持加速状态。

3.2.2 海甸峡隧道线形优化

初步设计阶段在综合考虑线形指标、环境保护及工程造价的前提下，对工可方案中隧道线形进行优化。优化后隧道起讫里程桩号为K23+770-K26+220，长2 450 m，隧道平面线形依次为R=2 500m、Ls=80 m、R=600 m，纵坡为1.7%和-2.1%。优化后隧道路线平面方案见图3，纵断面见图5。

图3 海甸峡隧道优化前后路线方案(单位：m)

图4 工可方案中海甸峡隧道路段纵断面示意图(单位：m)

对初步设计隧道方案进行安全评价，结果见表6。优化后海甸峡隧道进出口路段均处于安全性好的状态，路线一致性好，连续性强，平面通视良好，纵面无突变，可大大增强隧道路段的行车安全性；隧道长度缩短近200 m，在增加安全性的同时可节省工程造价。

表6 海甸峡隧道进出口线形安全评价结果

图5 初步设计方案隧道路段纵断面示意图(单位：m)

4 结语

隧道路段线形的不安全因素是交通事故多发的深层次技术原因。在设计阶段对长大隧道路段线形进行安全评价，既可了解隧道路段的线形状况，进而指导合理选线和取值，避免设计中相对粗放和定性式地考虑安全问题。

针对线形处于“中”和“差”水平的隧道路段，应综合考虑平、纵组合情况增大洞内圆曲线半径或后移缓和曲线，避免洞口范围纵断面线形突变，使洞口6 s行程范围线形连续，改善隧道洞口安全性。此外，若由于地质、地形、环境保护等条件导致隧道洞口线形难以改善，可适当采取设置洞外限速标志、隧道遮光棚、诱导警示灯及减速带等措施。