楊 軫，唐 瑩，唐 磊

（同濟(jì)大學(xué) 交通運(yùn)輸工程學(xué)院，上海201804）

隧道出入口洞口前后亮度的急劇變化，導(dǎo)致黑洞效應(yīng)和白洞效應(yīng)，極大地增加了駕駛員視覺及心理生理負(fù)荷，使得駕駛員在接近或者離開隧道時(shí)不能有效識別道路信息，極易引起交通事故.調(diào)查結(jié)果表明，隧道出入口處的事故率是隧道內(nèi)事故率的2～3倍［1－2］.合理的隧道出入口線形設(shè)計(jì)能有效地改善隧道安全狀況，因此，我國現(xiàn)行《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTJ D70—2004）對隧道出入口平面線形提出了3s一致性要求［3］，但在實(shí)際使用中存在對一致性的理解和定量把握的問題.

1 國內(nèi)外研究概述

在設(shè)計(jì)規(guī)范方面，歐洲沒有專門的隧道線形設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)或規(guī)范，公路隧道的線形設(shè)計(jì)以公路設(shè)計(jì)規(guī)范為基準(zhǔn)［4］.美國的公路隧道設(shè)計(jì)手冊限制隧道段曲線的數(shù)量、長度，同時(shí)出于隧道光線過渡以及通風(fēng)的考慮，規(guī)范建議在隧道出入口處設(shè)置大半徑曲線，最小曲線半徑應(yīng)不小于850～1 000m［5］.歐美規(guī)范關(guān)于隧道出入口線形一致性方面沒有具體規(guī)定.

我國歷年的《公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》、《公路路線設(shè)計(jì)規(guī)范》、《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》對隧道及洞口平面線形有一系列的規(guī)定.1988年之前規(guī)范規(guī)定隧道應(yīng)避免采用平曲線，1988年之后允許采用平曲線，但是對隧道及洞口線形進(jìn)行一系列規(guī)定，并且洞口線形的規(guī)定隨規(guī)范修訂時(shí)間逐漸變化.1988年版《公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》（JTJ 01—88）規(guī)定隧道洞口的連接線應(yīng)與隧道線形相配合［6］.1990年版《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTJ 026—90）在原有規(guī)范的基礎(chǔ)上，增加一條對隧道連接線的規(guī)定，即隧道兩端平面線形應(yīng)與路線線形相一致，其最小長度按設(shè)計(jì)速度取值［7］.1994年版《公路路線設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTJ 011—94）對隧道連接線規(guī)定由“相配合”改為“相協(xié)調(diào)”［8］.2003年版《公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》（JTG B01—2003）規(guī)定隧道洞口內(nèi)外側(cè)不小于3s設(shè)計(jì)速度行程長度范圍內(nèi)的平縱線形應(yīng)一致［9］，但是該規(guī)定沒有明確規(guī)定線形一致性的具體含義.2006年版《公路路線設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D20—2006）將2003年版《公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》中的平縱線形應(yīng)一致修訂為平面線形不應(yīng)有急驟的方向改變［10］，但是同樣沒有給出急驟變化的具體含義和相應(yīng)的控制指標(biāo).

在學(xué)術(shù)研究方面，國外專門針對公路隧道出入口線形的研究比較少，一般在進(jìn)行隧道通風(fēng)、照明、緊急設(shè)施等設(shè)計(jì)時(shí)，會考慮線形的影響［11］.Sermin Onaygil等提出隧道出入口處線形應(yīng)盡量滿足適當(dāng)降低行車速度的要求，從而通過增加隧道接近段適應(yīng)距離的行車時(shí)間來緩解隧道入口處的視覺障礙［12］.國內(nèi)學(xué)者對公路隧道出入口線形研究主要集中在線形安全設(shè)計(jì)、行車視距理論、安全行車速度等方面［11，13］.隧道出入口平面線形一致性評價(jià)方法有運(yùn)行車速法和駕駛員心理、生理指標(biāo)評價(jià)方法等.王琰等提出將運(yùn)行速度作為線形一致性控制指標(biāo)，通過調(diào)研數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸，得到隧道進(jìn)出口前后5s范圍綜合線形過渡技術(shù)指標(biāo)與運(yùn)行速度間的具體量化關(guān)系，并由此提出隧道進(jìn)出口線形過渡技術(shù)指標(biāo)建議值［14］.潘曉東等在傳統(tǒng)的平均注視時(shí)間動視點(diǎn)指標(biāo)、注視時(shí)間比率動視點(diǎn)指標(biāo)基礎(chǔ)上，提出基于視點(diǎn)平面分布的動視點(diǎn)指標(biāo)作為駕駛員視覺信息加工水平評價(jià)指標(biāo)，以該指標(biāo)作為線形控制指標(biāo)，根據(jù)大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，提出隧道進(jìn)口平曲線半徑不宜小于450m［15］.

由以上分析可知：我國對隧道出入口平面線形指標(biāo)的研究一直在探索和發(fā)展，但是目前仍不能給出一個(gè)能夠廣泛認(rèn)同的定量設(shè)計(jì)指標(biāo).現(xiàn)行《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTJ D70—2004）對隧道進(jìn)出口線形3 s一致性的含義不明確，且存在歧義，特別是洞口及3s行程范圍落在緩和曲線上存在較大爭議，這使得在具體設(shè)計(jì)工作中隧道線形安全性難以把握，并可能對工程造價(jià)、施工要求、隧道出入口前后的線形指標(biāo)等帶來一系列的影響.因此，有必要對此開展深入研究，提出相關(guān)控制線指標(biāo)，既保證隧道出入口線形的安全性，同時(shí)滿足設(shè)計(jì)靈活性的要求.

2 研究思路

假如隧道出入口線形是一個(gè)緩和曲線參數(shù)A非常大的曲線，如A＝1 500，緩和曲線在一個(gè)較短的長度范圍內(nèi)（駕駛員視距障礙的時(shí)間所行駛的距離，可以取3s行程）可以看作是圓曲線，即駕駛員由于視覺障礙，方向盤在隧道口的狀態(tài)保持不變，按照圓曲線行駛一段后，如果其位置與按緩和曲線行駛的軌跡的偏差小于某個(gè)值，即可以認(rèn)為線形上可不受此約束，故可以采用3s設(shè)計(jì)速度行程范圍的內(nèi)移值大小作為隧道進(jìn)出口平面線形一致性控制性指標(biāo).從行車軌跡角度出發(fā)，當(dāng)省略緩和曲線前后的圓曲線的內(nèi)移值p＜0.2m時(shí)允許直線直接與圓曲線相連［16］，如圖1所示.因此，可以選擇0.2m作為線形一致性控制性指標(biāo)的閾值.

圖1 標(biāo)準(zhǔn)型平曲線形示意圖Fig.1 Standard form of horizontal alignment

對公路隧道平面線形而言，假如A，B，C3點(diǎn)分別代表洞口位置、按原平曲線進(jìn)入隧道3s設(shè)計(jì)速度行程的終點(diǎn)、按洞口位置曲率半徑軌跡3s行程點(diǎn)（相當(dāng)方向盤凍結(jié)3s的軌跡）.A，B點(diǎn)的位置可以分成3種情況：第1種情況為A點(diǎn)在直線上，而B點(diǎn)在緩和曲線上（或者A點(diǎn)在緩和曲線上，而B點(diǎn)在直線上）；第2種情況為A，B點(diǎn)都在緩和曲線上；第3種情況為A點(diǎn)在緩和曲線上，而B點(diǎn)在圓曲線上（或者A點(diǎn)在圓曲線上，而B點(diǎn)在緩和曲線上）.圖2給出了A，B點(diǎn)都落在緩和曲線段的情況，以ΔD為控制指標(biāo)，將ΔD與0.2m比較，若 ΔD≤0.2m，則隧道洞口線形一致要求，反之不滿足要求.

圖2 線形一致性計(jì)算圖式（第2種情況）Fig.2 Graphical calculation for consistency study（the second case）

圖2 中，OXY坐標(biāo)系為絕對坐標(biāo)系，Axy坐標(biāo)系為相對坐標(biāo)系；ZH為直緩點(diǎn)，HY為緩圓點(diǎn)；（XA，YA）為A點(diǎn)的絕對坐標(biāo)，（XB，YB）為B點(diǎn)的絕對坐標(biāo)，（XC，YC）為C點(diǎn)的絕對坐標(biāo)，（xC，yC）為C點(diǎn)的相對坐標(biāo)；α為3s行程軌跡轉(zhuǎn)過的角度，β為兩坐標(biāo)系的夾角；L為A點(diǎn)、ZH點(diǎn)間的距離，S為3s行程軌跡的長度，ΔD為B點(diǎn)和C點(diǎn)間的距離.

3 線形一致性設(shè)計(jì)控制指標(biāo)分析

3.1 洞口落在直線上，3 s行程點(diǎn)落在緩和曲線上

針對洞口落在直線上，3s行程點(diǎn)落在緩和曲線上情況，如圖3所示.

圖3 曲線一致性計(jì)算圖式（第1種情況）Fig.3 Graphical calculation for consistency study（the first case）

圖3 中，L0為B點(diǎn)和ZH點(diǎn)間的距離.

考慮L0和A的取值范圍，U值很小可忽略，故ΔD即

討論中，與會代表們建議要建立全國性的水資源、水環(huán)境、水生態(tài)監(jiān)測信息系統(tǒng)，及時(shí)掌握水質(zhì)動態(tài)，為及時(shí)處理突發(fā)水污染事件，改善水環(huán)境質(zhì)量，保障水資源安全，提供重要的技術(shù)支撐。據(jù)司毅銘介紹，黃河流域已形成較為完善的水質(zhì)監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)體系，流域各級水利部門水質(zhì)監(jiān)測機(jī)構(gòu)共建有269個(gè)水質(zhì)監(jiān)測站點(diǎn)，已初步建成“常規(guī)監(jiān)測與自動監(jiān)測相結(jié)合、定點(diǎn)監(jiān)測與機(jī)動巡測相結(jié)合、定時(shí)監(jiān)測與實(shí)時(shí)監(jiān)測相結(jié)合，加強(qiáng)應(yīng)急監(jiān)督性監(jiān)測，實(shí)現(xiàn)水質(zhì)監(jiān)測信息化管理”的現(xiàn)代化監(jiān)測體系。

3.2 洞口和3 s行程點(diǎn)均落在緩和曲線上

對于洞口（點(diǎn)A）和3s行程點(diǎn)（點(diǎn)B）均落在緩和曲線上，如圖2所示.

把正弦函數(shù)和余弦函數(shù)用級數(shù)展開，正弦函數(shù)取第1項(xiàng)，余弦函數(shù)取前2項(xiàng)

由A，L和S的取值范圍，可知U非常小，可以忽略不計(jì)，故ΔD2≈S6／36A4，即ΔD≈S3／6A2.

可見，偏移值ΔD與緩和曲線參數(shù)的平方倒數(shù)成正比.對于洞口和3s行程距離均落在緩和曲線上的隧道出入口，當(dāng)緩和曲線參數(shù)時(shí)，可滿足線形連續(xù)性要求.

3.3 洞口落在緩和曲線上，3 s行程點(diǎn)落在圓曲線上

洞口落在緩和曲線上，3s行程點(diǎn)落在圓曲線上，如圖4所示.圖中，YH為圓緩點(diǎn)；γ為B點(diǎn)和HY點(diǎn)間圓曲線的角度；Ls為緩和曲線長度.

為減少由于三角函數(shù)級數(shù)展開產(chǎn)生的誤差，建立以HY點(diǎn)為基點(diǎn)的絕對坐標(biāo)系.首先推導(dǎo)從HY點(diǎn)向ZH點(diǎn)方向任意點(diǎn)的坐標(biāo)和方向角的計(jì)算公式.

圖4 曲線一致性計(jì)算圖式（第3種情況）Fig.4 Graphical calculation for consistency study（the third case）

其中，s為緩和曲線上點(diǎn)到HY的距離.

令k＝S＋L－Ls，將s＝（Ls－L）＝（S－k），代入式（2）可得

分別計(jì)算B點(diǎn)絕對坐標(biāo)和C點(diǎn)的相對坐標(biāo)

由此獲得C點(diǎn)的絕對坐標(biāo)為

將三角函數(shù)用級數(shù)展開，正弦函數(shù)取第1項(xiàng)，余弦函數(shù)取前2項(xiàng)，可得

由A，S，Ls，L的取值范圍可知，U值非常小，可以忽略，故

3.4 設(shè)計(jì)指標(biāo)確定

由以上分析可知：當(dāng)緩和曲線參數(shù)A≥時(shí)，3種情況均可滿足線形連續(xù)性要求.當(dāng)時(shí)，第1種情況當(dāng)洞口距直緩點(diǎn)的距離時(shí)，可滿足線形連續(xù)性要求；第2種情況均不滿足線形連續(xù)性要求；第3種情況當(dāng)洞口距緩圓點(diǎn)的距離時(shí)，可滿足線形連續(xù)性要求.

根據(jù)《公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定不同設(shè)計(jì)車速下的平曲線極限最小半徑、最小緩和曲線長度可確定緩和曲線參數(shù)A的最小值，80，100和120km·h－1設(shè)計(jì)車速下的緩和曲線參數(shù)A的最小值分別為132.29，184.39和254.95，3s行程S分別取70，85和100m.取ΔD＝0.2m作為線形一致性控制性指標(biāo)的閾值，由此可以得到不同設(shè)計(jì)條件隧道洞口平面線形指標(biāo)的建議值，如表1所示.

經(jīng)過理論計(jì)算，上述結(jié)果同樣可推廣下面兩種情況：當(dāng)洞口位于圓曲線段而3s行程點(diǎn)位于緩和曲線段時(shí)，3s行程點(diǎn)距圓緩點(diǎn)的距離應(yīng)不大于S－當(dāng)洞口位于緩和曲線段而3s行程位于直線段時(shí)，3s行程點(diǎn)距緩直點(diǎn)的距離應(yīng)不小于S

表1 不同設(shè)計(jì)條件隧道洞口平面線形設(shè)置的建議值Tab.1 The proposed values of the horizontal alignment at tunnel entrance and exit zone under different design conditions

4 應(yīng)用分析

龍泉至慶元（浙閩界）高速公路起自龍泉市城關(guān)鎮(zhèn)大貓亭止于慶元縣竹口鎮(zhèn)新窯村（浙閩界），全長54.763km，設(shè)計(jì)速度為100km·h－1（S＝85m）.其中龍泉至慶元（浙閩界）高速公路大澤隧道處平面線形如表2所示，平面線位如圖5所示.

表2 大澤隧道平面線形Tab.2 The horizontal alignment of Daze tunnel

圖5 大澤隧道平面線位圖Fig.5 The horizontal alignment of Daze tunnel

根據(jù)前面的判別規(guī)則對該隧道不同行車方向的隧道出入口平面線形一致性進(jìn)行分析，結(jié)果如表3所示.

分析結(jié)果表明，該隧道存在兩種情況不滿足線形一致性要求.由于地形限制，過多地增加緩和曲線長度或者增大圓曲線半徑可能帶來較大的工程量.因此，可以對隧道運(yùn)營速度進(jìn)行限制，設(shè)置80km·h－1的限速標(biāo)志.經(jīng)過計(jì)算，恰好能滿足慶元方向隧道出口的線形一致性要求.同時(shí)，應(yīng)適當(dāng)增大圓曲線半徑和（或）緩和曲線長度，使緩和曲線參數(shù)A＞534.63，或者使龍泉方向進(jìn)口位于圓曲線上，并控制3s行程點(diǎn)距圓緩點(diǎn)的距離，從而滿足該處的線形一致性要求.

表3 平面線形一致性分析Tab.3 The analysis for consistency of horizontal alignment

5 結(jié)語

通過理論分析和應(yīng)用分析，將隧道出入口方向盤凍結(jié)3s導(dǎo)致的行車軌跡同原有路線的偏移作為判別隧道出入口線形一致性的標(biāo)準(zhǔn)是可行的，據(jù)此提出的不同狀況下的設(shè)計(jì)控制指標(biāo)能夠被設(shè)計(jì)人員接受和采用，這將有助于設(shè)計(jì)者綜合考慮公路線形、等級、隧道工程造價(jià)等多方面的因素，對隧道出入口線形進(jìn)行靈活設(shè)計(jì).

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