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(天津市市政工程設(shè)計(jì)研究院,天津 300000)
對(duì)于山區(qū)公路,有時(shí)為了滿足路線爬升的要求,需要在較短的距離內(nèi)克服較大的高差。以往通常采取的措施是設(shè)置長大縱坡段落,對(duì)于低等級(jí)公路也常采用設(shè)置回頭曲線的措施;而對(duì)于高海拔及高寒地區(qū)山區(qū)公路,由于冬季道路、橋面積雪及冰凍等原因,采用長大縱坡段落安全風(fēng)險(xiǎn)較一般地區(qū)大大上升,此時(shí),采用螺旋展線隧道方案恰恰可解決這一難題[1~2]。
所謂螺旋展線,是將需要爬升較大高差路段的路線平曲線設(shè)置一處螺旋曲線,這樣便加大了爬升段落的平曲線長度,從而降低了豎曲線縱坡坡率。當(dāng)螺旋展線段落處地形狹窄,螺旋展線段從山體內(nèi)穿過,便形成了螺旋隧道。高海拔地區(qū)的螺旋隧道,一方面螺旋曲線增加了平曲線的長度而降低了縱坡坡率,一方面豎曲線爬升段落隧道路面由于隧道洞身的遮蔽而避免了積雪,大大降低了運(yùn)營期間尤其是冬季路面積雪引起的安全風(fēng)險(xiǎn)。
某一級(jí)公路項(xiàng)目位于青海省境內(nèi),設(shè)計(jì)車速80km/h,其中路線K24~K40段落所處溝內(nèi)地形狹窄,線形指標(biāo)較低,設(shè)計(jì)車速60km/h。溝內(nèi)地形狹長,山坡陡峻,山體以中高山為主,溝內(nèi)溝道彎曲,谷底縱坡較大,線路爬升段落長度約11km,高差將近392m,自然縱坡達(dá)3.5%,溝底縱坡呈現(xiàn)溯源增大的趨勢。為克服高差,采用長大縱坡方案及螺旋隧道方案進(jìn)行了比選。
方案一沿溝展線,通過設(shè)置長大縱坡方式克服高差,其中,長達(dá)9.86km路線平均縱坡3.9%,最大縱坡5%。
方案二利用爬升段落內(nèi)一處兩溝交匯處較為開闊地形設(shè)置一處螺旋展線段落,螺旋展線段落利用2座橋梁和3座隧道,兩次跨越?jīng)_溝,三次穿越山體(如圖1),縱坡為2.95%。由于螺旋隧道為雙洞隧道,螺旋展線段落分為左右線,左線最小平曲線半徑600m。三座隧道長度分別為675.5m、1216m、1569m。
圖1 案例螺旋隧道平面布置圖(線路前進(jìn)方向自東向西)
對(duì)兩方案進(jìn)行比選。方案一長大縱坡方案長達(dá)9.86km,路線平均縱坡3.9%,最大縱坡5%。方案二采用螺旋隧道方案,平均縱坡降至2.95%,且豎曲線爬升段落隧道路面由于洞身的遮蔽而避免了積雪,降低了運(yùn)營期間尤其是冬季路面積雪引起的安全風(fēng)險(xiǎn)。
螺旋展線段落隧道平曲線半徑較小,由于隧道洞壁或隧道內(nèi)設(shè)施對(duì)駕駛員視線的阻擋,需對(duì)隧道內(nèi)平曲線進(jìn)行停車視距驗(yàn)算,當(dāng)隧道平曲線半徑小于滿足停車視距要求的最小平曲線半徑時(shí),隧道內(nèi)平曲線視距不足,應(yīng)予以避免。
當(dāng)車輛行駛在隧道內(nèi)時(shí),駕駛員視線由于受到洞壁或隧道內(nèi)設(shè)施的阻擋,他所能看到行駛軌跡前方最遠(yuǎn)距離,為過駕駛員視點(diǎn)的隧道洞壁或隧道內(nèi)設(shè)施邊緣線的切線,與行駛軌跡的交點(diǎn)(如圖2)。根據(jù)幾何關(guān)系可得:
(1)
式中:Y為橫凈距;S為視距;R這曲線內(nèi)側(cè)行駛軌跡半徑;
圖2 隧道內(nèi)視距與隧道洞壁或隧道內(nèi)設(shè)施相對(duì)關(guān)系
本段落路線處于K24~K40線形指標(biāo)較低路段,設(shè)計(jì)車速60km/h,按《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG D70-2004)推薦一級(jí)公路隧道建筑限界橫斷面組成最小寬度,斷面布置為凈寬0.75(檢修道)+0.5(左側(cè)側(cè)向?qū)挾?+2×3.75(行車道)+0.75(右側(cè)側(cè)向?qū)挾?+0.75(檢修道)=9.75m。
關(guān)于隧道內(nèi)保證停車視距的側(cè)向?qū)挾萗,《公路隧道設(shè)計(jì)細(xì)則》(JTG/T D70-2010)中取值為驗(yàn)算車道之車道中線位置處(如圖3)。
圖3 隧道內(nèi)橫凈距位置示意圖
由上述內(nèi)容可得,左側(cè)保證視距寬度的計(jì)算公示為:
(2)
式中:YL為隧道左側(cè)橫凈距;LL為隧道左側(cè)側(cè)向?qū)挾龋籛L為隧道左側(cè)車道寬度;J為檢修道寬度;
右側(cè)保證視距寬度的計(jì)算公示為:
(3)
式中:YR為隧道右側(cè)橫凈距;LR為隧道右側(cè)側(cè)向?qū)挾?;WR為隧道右側(cè)車道寬度;
按上式(1)至(3)對(duì)案例滿足停車視距要求最小平曲線半徑計(jì)算如表1:
表1凈橫距Y按隧道設(shè)計(jì)細(xì)則取值最小平曲線計(jì)算結(jié)果
車型計(jì)算內(nèi)容最小停車視距S(m)最小平曲線半徑R(m)貨車上坡幅保證視距計(jì)算(右洞左側(cè)車道)85301.04下坡幅保證視距計(jì)算(左洞右側(cè)車道)89304.65小客車上坡幅保證視距計(jì)算(右洞左側(cè)車道)75234.38下坡幅保證視距計(jì)算(左洞右側(cè)車道)75216.35
由于螺旋展線隧道工程經(jīng)驗(yàn)非常有限,且下坡方向處于長段落小半徑區(qū)段,考慮到直接采用細(xì)則中參數(shù)可能會(huì)偏于不安全,對(duì)保證停車視距的橫凈距Y值進(jìn)行修正,取值采用駕駛員視點(diǎn)位置與隧道洞壁或隧道內(nèi)設(shè)施的距離(如圖4),并將Y值修正前后所得結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。
圖4 隧道內(nèi)橫凈距修正后位置示意圖
由上述內(nèi)容可得,左側(cè)保證視距寬度的計(jì)算公示為:
(4)
式中:P為駕駛員視點(diǎn)相對(duì)車輛中心偏移距離;
右側(cè)保證視距寬度的計(jì)算公示為:
(5)
通過對(duì)大量車輛參數(shù)的統(tǒng)計(jì),分別得出了貨車和小客車的典型寬度及駕駛員視點(diǎn)相對(duì)車輛中線的偏移距離,見表2。
表2典型車輛寬度及駕駛員視點(diǎn)相對(duì)車輛中心偏移距離表
典型車輛類型車輛寬度Wc(m)駕駛員視點(diǎn)相對(duì)車輛中心偏移距離P(m)貨車2.50.6小客車1.80.4
按上式(1)及Y值修正后公式(4)、(5)對(duì)工程案例滿足停車視距要求最小平曲線半徑計(jì)算如表3:
表3 凈橫距Y修正后最小平曲線計(jì)算結(jié)果表
車輛從路基段駛?cè)胨淼篮?,由于隧道輪廓斷面收縮,駕駛員會(huì)產(chǎn)生不適應(yīng)感,駕駛員更傾向于將車輛從車道中心線位置向遠(yuǎn)離隧道洞壁側(cè)偏移一定距離。有調(diào)查表明[1],貨車偏移值一般為0.5m上下,小客車偏移值一般為0.7m上下??紤]到該偏移值對(duì)于保證停車視距有利,偏于安全考慮,計(jì)算方法中不計(jì)入此偏移值。
綜合考慮橫凈距Y修正前后計(jì)算結(jié)果,上坡幅(右洞)最小平曲線半徑以大貨車Y值修正后計(jì)算結(jié)果控制,要求上坡幅右洞左車道駕駛員行駛軌跡處最小平曲線半徑376.43m;下坡幅(左洞)最小平曲線半徑以大貨車Y值未修正計(jì)算結(jié)果控制,要求下坡幅左洞右車道中線最小平曲線半徑304.65m。案例螺旋隧道左線最小平曲線半徑600m,滿足視距計(jì)算要求。
目前國內(nèi)螺旋隧道,尤其是高海拔高寒地區(qū)螺旋隧道建設(shè)經(jīng)驗(yàn)較少,案例在滿足相關(guān)規(guī)范及理論計(jì)算的基礎(chǔ)上,通過一些必要的安全措施,進(jìn)一步增加隧道運(yùn)營的安全性[6]。
(1)該項(xiàng)目全線標(biāo)準(zhǔn)路段采用80km/h設(shè)計(jì)時(shí)速,K24~K40線形指標(biāo)較低路段,設(shè)計(jì)車速采用60km/h,螺旋隧道位于K24~K40限速段落內(nèi)??紤]增加隧道安全性,設(shè)計(jì)采用80km/h車速下凈空斷面,凈寬10.25m,即較規(guī)范要求60km/h車速下最小凈寬9.75m增加0.5m。一方面增加了隧道內(nèi)停車視距,另一方面,采用80km/h凈寬,可與全線隧道凈寬保持一致,提高了標(biāo)準(zhǔn)化程度,在增加工程規(guī)模有限的基礎(chǔ)上提高臺(tái)車和模板的周轉(zhuǎn)率。
(2)螺旋展線段落采用3座隧道及2座橋梁相接的方式。為有利于駕駛員對(duì)洞口內(nèi)外亮度變化的適應(yīng)性,洞口外可設(shè)置遮光棚。為避免橋梁段路面積雪,橋梁采用鋼制防撞護(hù)欄替代混凝土防撞護(hù)欄。
(3)做好交通標(biāo)志標(biāo)線等交安設(shè)施。隧道內(nèi)設(shè)置反光輪廓標(biāo),路面設(shè)置反光凸起路標(biāo)。設(shè)置防滑震顫減速標(biāo)志,提醒駕駛員保持安全車速,集中精力駕駛[3]。
(1)對(duì)于高寒及高海拔地區(qū)公路,采用螺旋隧道方案由于隧道洞身的遮蔽而避免了路面積雪,較長大縱坡方案大大降低了運(yùn)營期間尤其是冬季路面積雪引起的安全風(fēng)險(xiǎn),具有安全性優(yōu)勢,為今后高寒及高海拔地區(qū)公路建設(shè)提供了有價(jià)值的比選。
(2)螺旋隧道應(yīng)做停車視距驗(yàn)算,平曲線半徑須滿足停車視距要求的最小平曲線半徑。由于螺旋隧道建設(shè)經(jīng)驗(yàn)較少,建議采用規(guī)范中橫凈距及修正后橫凈距驗(yàn)算后取不利值。
(3)目前國內(nèi)螺旋隧道,尤其是高寒及高海拔地區(qū)螺旋隧道建設(shè)經(jīng)驗(yàn)較少,建議在滿足相關(guān)規(guī)范及理論計(jì)算的基礎(chǔ)上,通過一些必要的安全措施,進(jìn)一步增加隧道運(yùn)營的安全性。