曾寶榮 龔帥 崔波 何艷 祝偉

1.江門(mén)市銀洲湖高速公路有限公司 529000

2.北京華路安交通科技有限公司 100070

引言

高速公路隧道出口由于常常會(huì)受到白洞效應(yīng)、路面條件變化、側(cè)風(fēng)等不利因素的影響，相比常規(guī)路段安全風(fēng)險(xiǎn)較大，駕駛員在途經(jīng)時(shí)如果操作不當(dāng)可能會(huì)導(dǎo)致車(chē)輛失控沖撞護(hù)欄，此時(shí)若隧道出口護(hù)欄設(shè)置存在不足，不僅無(wú)法為事故車(chē)輛提供安全保護(hù)，還有可能會(huì)造成更為嚴(yán)重的事故后果［1］。因此，針對(duì)隧道出口護(hù)欄進(jìn)行安全合理的設(shè)置十分關(guān)鍵。

目前針對(duì)高速公路隧道路段的護(hù)欄防護(hù)研究較少，且大多針對(duì)隧道入口護(hù)欄進(jìn)行研究［2～4］，很少關(guān)注隧道出口護(hù)欄的安全設(shè)置問(wèn)題。本文對(duì)隧道出口護(hù)欄設(shè)置現(xiàn)狀分析后，結(jié)合相關(guān)規(guī)范對(duì)隧道出口護(hù)欄設(shè)置的新要求，針對(duì)高速公路隧道出口護(hù)欄安全設(shè)置進(jìn)行研究，提出了改進(jìn)設(shè)置方案，并采用計(jì)算機(jī)仿真方法對(duì)改進(jìn)后護(hù)欄的安全提升效果進(jìn)行了驗(yàn)證［5］。

1 隧道出口護(hù)欄常見(jiàn)設(shè)置及分析

相關(guān)資料調(diào)查表明，高速公路隧道出口主要包括橋梁與隧道銜接、路基與隧道銜接兩種情況，橋梁與隧道出口銜接處的護(hù)欄多為混凝土護(hù)欄和組合式護(hù)欄形式，路基與隧道出口銜接處的護(hù)欄多為波形梁鋼護(hù)欄形式。通過(guò)對(duì)隧道出口護(hù)欄進(jìn)行調(diào)查和分析（表1），發(fā)現(xiàn)目前絕大部分隧道出口護(hù)欄的設(shè)置存在著一些不足，例如橋梁與隧道銜接處的隧道出口混凝土護(hù)欄端部結(jié)構(gòu)處理及其設(shè)置位置不合理、路基與隧道銜接處的隧道出口波形梁護(hù)欄端部未與隧道壁搭接錨固等。

根據(jù)實(shí)踐應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，表1 中隧道出口處雖然都設(shè)置了防撞護(hù)欄等安全防護(hù)設(shè)施，但不合理的設(shè)置方式可能反而會(huì)增加新的安全隱患［6～8］。實(shí)際中因?yàn)樽o(hù)欄設(shè)置不合理而發(fā)生的車(chē)輛碰撞后絆阻、車(chē)輛側(cè)翻以及護(hù)欄板侵入車(chē)體等事故對(duì)車(chē)輛及乘員造成了更為嚴(yán)重的傷害。

表1 隧道出口護(hù)欄設(shè)置現(xiàn)狀Tab.1 Current situation of barrier setting at tunnel exit

2 最新設(shè)計(jì)規(guī)范的規(guī)定

為提升高速公路隧道出入口處的安全防護(hù)水平，在新版《公路交通安全設(shè)施設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D81—2017）（以下簡(jiǎn)稱(chēng)《設(shè)計(jì)規(guī)范》）和《公路交通安全設(shè)施設(shè)計(jì)細(xì)則》（JTG/T D81—2017）（以下簡(jiǎn)稱(chēng)《設(shè)計(jì)細(xì)則》）中對(duì)隧道出入口護(hù)欄設(shè)置提出了最新要求。其中針對(duì)隧道出口處護(hù)欄設(shè)置，《設(shè)計(jì)細(xì)則》中規(guī)定：隧道出口處的路側(cè)波形梁護(hù)欄可采用與隧道壁搭接的方式，端部護(hù)欄板應(yīng)進(jìn)行斜面焊接處理；對(duì)于隧道出口處的混凝土護(hù)欄提出要采用正常線形延伸至隧道洞口的處理方式。可見(jiàn)，《設(shè)計(jì)細(xì)則》對(duì)于隧道出口和護(hù)欄之間的銜接與過(guò)渡給出了原則性規(guī)定，但對(duì)于護(hù)欄如何具體設(shè)置未給出可供參考的示例，對(duì)實(shí)際工程的直接指導(dǎo)作用有限。因此，有必要針對(duì)隧道出口處護(hù)欄設(shè)置進(jìn)行研究，給出安全合理設(shè)置方案。

3 隧道出口護(hù)欄設(shè)置方案

結(jié)合《設(shè)計(jì)規(guī)范》與《設(shè)計(jì)細(xì)則》相關(guān)規(guī)定，以隧道出口橋梁與隧道銜接處混凝土護(hù)欄及路基與隧道銜接處波形梁護(hù)欄為例，針對(duì)護(hù)欄設(shè)置位置及端部結(jié)構(gòu)處理提出改進(jìn)方案，示例中所用混凝土護(hù)欄、波形梁護(hù)欄分別符合《設(shè)計(jì)細(xì)則》中對(duì)設(shè)計(jì)等級(jí)為SS 級(jí)混凝土護(hù)欄和A 級(jí)波形梁護(hù)欄的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求。具體改進(jìn)設(shè)置方案如下：

1.方案一：橋梁與隧道銜接處混凝土護(hù)欄安全設(shè)置方案

橋梁混凝土護(hù)欄盡可能遠(yuǎn)離行車(chē)道，特別是其在出口處的護(hù)欄端頭應(yīng)藏于隧道壁之后，以消除車(chē)輛正面碰撞風(fēng)險(xiǎn)；若有條件還宜將護(hù)欄做漸變過(guò)渡［9］，以減小車(chē)輛碰撞角度。如圖1 所示為橋梁與隧道相接隧道出口護(hù)欄設(shè)置改進(jìn)措施示意。

圖1 方案一隧道出口護(hù)欄改進(jìn)Fig.1 Barrier improvement measures at tunnel exit of Scheme Ⅰ

2.方案二：路基與隧道銜接處波形梁護(hù)欄安全設(shè)置方案

路基波形梁護(hù)欄同樣需要遠(yuǎn)離行車(chē)道，特別是出口處的護(hù)欄端頭應(yīng)與隧道壁內(nèi)側(cè)搭接錨固；若有條件也宜將護(hù)欄做漸變過(guò)渡［10，11］，以減小車(chē)輛碰撞角度。如圖2 所示為路基與隧道相接隧道出口護(hù)欄改進(jìn)措施示意。

圖2 方案二隧道出口護(hù)欄改進(jìn)Fig.2 Barrier improvement measures at tunnel exit of scheme Ⅱ

4 安全性能分析

4.1 碰撞條件

采用計(jì)算機(jī)仿真模擬碰撞分析方法對(duì)改進(jìn)后護(hù)欄安全性能進(jìn)行評(píng)價(jià)。根據(jù)隧道出口護(hù)欄設(shè)計(jì)防護(hù)等級(jí)選取相應(yīng)碰撞條件，方案一橋梁混凝土護(hù)欄與方案二路基波形梁護(hù)欄分別按《公路護(hù)欄安全性能評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》（JTG B05-01—2013）［12］中SS級(jí)碰撞條件和A 級(jí)碰撞條件，采用標(biāo)準(zhǔn)車(chē)型以20°碰撞角進(jìn)行仿真分析，具體碰撞條件如表2 所示。

表2 碰撞條件Tab.2 Collision conditions

4.2 仿真模型建立

利用hypermesh 軟件對(duì)碰撞模擬所需車(chē)輛、護(hù)欄及隧道洞口按照實(shí)際尺寸進(jìn)行建模。方案一橋梁與隧道相接處混凝土護(hù)欄與各車(chē)型的模型如圖3 所示，方案二路基與隧道相接處波形梁護(hù)欄與各車(chē)型的模型如圖4 所示。

圖3 方案一隧道出口混凝土護(hù)欄與車(chē)輛建模Fig.3 Concrete barrier at tunnel exit and vehicle modeling of scheme Ⅰ

圖4 方案二隧道出口波形梁護(hù)欄與車(chē)輛建模Fig.4 W-beam barrier at tunnel exit and vehicle modeling of scheme Ⅱ

4.3 仿真結(jié)果

圖5 為小客車(chē)碰撞方案一、方案二的仿真結(jié)果。可以看出護(hù)欄對(duì)小客車(chē)進(jìn)行了有效防護(hù)，車(chē)輛平穩(wěn)駛出，沒(méi)有穿越、翻越和騎跨護(hù)欄現(xiàn)象，碰撞后車(chē)輛恢復(fù)到正常行駛姿態(tài)，阻擋和導(dǎo)向功能良好。方案一縱向和橫向的乘員碰撞速度分別為3.4m/s、5.9m/s，方案二縱向和橫向的乘員碰撞速度分別為6.8m/s、4.5m/s，均小于12m/s。方案一的縱向和橫向的乘員碰撞后加速度分別為70.4m/s2、140.5m/s2，方案二縱向和橫向的乘員碰撞后加速度分別為80.3m/s2、100.4m/s2，均小于200m/s2。緩沖功能良好。

圖5 小客車(chē)碰撞仿真過(guò)程Fig.5 Simulation process diagram of car collision

圖6 為大型客車(chē)、中型客車(chē)碰撞護(hù)欄仿真結(jié)果?？梢钥闯鲕?chē)輛被護(hù)欄有效攔截并成功導(dǎo)出，沒(méi)有穿越、翻越和騎跨護(hù)欄現(xiàn)象，碰撞后車(chē)輛恢復(fù)到正常行駛姿態(tài)，阻擋和導(dǎo)向功能良好。方案一大型客車(chē)碰撞過(guò)程中車(chē)輛最大動(dòng)態(tài)外傾值為0.914m，車(chē)輛最大動(dòng)態(tài)外傾當(dāng)量值為1.326m。方案二中型客車(chē)碰撞過(guò)程中測(cè)量得到護(hù)欄最大橫向動(dòng)態(tài)變形值為1.554m，護(hù)欄最大橫向動(dòng)態(tài)位移外延值為1.496m，車(chē)輛最大動(dòng)態(tài)外傾值為1.537m，車(chē)輛最大動(dòng)態(tài)外傾當(dāng)量值為1.647m。各項(xiàng)指標(biāo)滿(mǎn)足要求。

圖6 客車(chē)碰撞仿真過(guò)程Fig.6 Simulation process diagram of bus collision

圖7為貨車(chē)碰撞護(hù)欄仿真結(jié)果，可以看出貨車(chē)被護(hù)欄有效阻擋并成功駛出，沒(méi)有穿越、翻越和騎跨護(hù)欄現(xiàn)象，碰撞后車(chē)輛恢復(fù)到正常行駛姿態(tài)，阻擋和導(dǎo)向功能良好。方案一大貨車(chē)碰撞過(guò)程中車(chē)輛最大動(dòng)態(tài)外傾值為1.279m，車(chē)輛最大動(dòng)態(tài)外傾當(dāng)量值為1.467m。方案二中貨車(chē)碰撞過(guò)程中測(cè)量得到護(hù)欄最大橫向動(dòng)態(tài)變形值為0.978m，護(hù)欄最大橫向動(dòng)態(tài)位移外延值為1.253m，車(chē)輛最大動(dòng)態(tài)外傾值為1.521m，車(chē)輛最大動(dòng)態(tài)外傾當(dāng)量值為1.829m。各項(xiàng)指標(biāo)滿(mǎn)足要求。

圖7 貨車(chē)碰撞仿真過(guò)程Fig.7 Simulation process diagram of truck collision

4.4 安全提升效果對(duì)比

方案一提升效果如表3 所示。通過(guò)與改進(jìn)前護(hù)欄仿真結(jié)果對(duì)比可以看出，護(hù)欄結(jié)構(gòu)改進(jìn)前小型客車(chē)、大型客車(chē)和大型貨車(chē)3 種車(chē)型碰撞后均未能成功導(dǎo)出，車(chē)輛在護(hù)欄處發(fā)生絆阻，車(chē)頭受到擠壓發(fā)生變形，嚴(yán)重威脅車(chē)內(nèi)乘員安全。按照過(guò)渡改進(jìn)方案，將護(hù)欄端頭藏于隧道壁之后，有效消除了車(chē)輛正面碰撞護(hù)欄的風(fēng)險(xiǎn)，小型客車(chē)、大型客車(chē)和大型貨車(chē)3 種車(chē)型碰撞后均順利導(dǎo)出，沒(méi)有穿越、翻越、騎跨護(hù)欄現(xiàn)象發(fā)生，車(chē)輛有輕微刮蹭但車(chē)內(nèi)駕駛室未受到傷害，保障了車(chē)內(nèi)乘員安全，可見(jiàn)橋梁混凝土護(hù)欄的過(guò)渡改進(jìn)設(shè)置方案有效提升了護(hù)欄安全性能，滿(mǎn)足SS 級(jí)防護(hù)等級(jí)要求。

表3 方案一改進(jìn)加強(qiáng)提升效果Tab.3 Enhancement effect of Scheme Ⅰ

方案二提升效果如表4 所示。通過(guò)與改進(jìn)前護(hù)欄仿真結(jié)果對(duì)比可以看出，護(hù)欄結(jié)構(gòu)改進(jìn)前小型客車(chē)、中型客車(chē)和中型貨車(chē)3 種車(chē)型碰撞后均未能導(dǎo)出，車(chē)輛在護(hù)欄處發(fā)生嚴(yán)重絆阻，小客車(chē)在護(hù)欄端頭位置絆阻后車(chē)尾高高躍起有翻滾趨勢(shì)，中型客車(chē)和中型貨車(chē)碰撞后爬升并騎跨護(hù)欄結(jié)構(gòu)，有護(hù)欄構(gòu)件及其脫離件侵入車(chē)輛乘員艙的風(fēng)險(xiǎn)，乘員安全受到威脅。按照過(guò)渡改進(jìn)方案，在波形梁護(hù)欄端頭與隧道內(nèi)側(cè)壁搭接錨固，實(shí)現(xiàn)隧道與護(hù)欄的合理過(guò)渡。改進(jìn)后小型客車(chē)、中型客車(chē)和中型貨車(chē)3 種車(chē)型碰撞后均順利導(dǎo)出，沒(méi)有穿越、翻越、騎跨護(hù)欄現(xiàn)象，車(chē)輛有輕微刮蹭但車(chē)內(nèi)駕駛室未受到傷害，保障了車(chē)內(nèi)乘員安全，可見(jiàn)波形梁護(hù)欄過(guò)渡改進(jìn)設(shè)置方案有效提升了護(hù)欄安全性能，滿(mǎn)足A 級(jí)防護(hù)等級(jí)要求。

表4 方案二改進(jìn)加強(qiáng)提升效果Tab.4 Enhancement effect of Scheme Ⅱ

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)隧道出口護(hù)欄設(shè)置的調(diào)查研究，結(jié)合新版《公路交通安全設(shè)施設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D81—2017）和《公路交通安全設(shè)施設(shè)計(jì)細(xì)則》（JTG/T D81—2017）對(duì)隧道出口護(hù)欄設(shè)置的新要求，對(duì)路基護(hù)欄和橋梁護(hù)欄端頭設(shè)置位置及過(guò)渡方式提出了改進(jìn)方案，通過(guò)護(hù)欄遠(yuǎn)離行車(chē)道，橋梁護(hù)欄端頭藏于隧道壁后、路基護(hù)欄端頭與隧道壁內(nèi)側(cè)搭接錨固，實(shí)現(xiàn)隧道出口與護(hù)欄的安全銜接。經(jīng)計(jì)算機(jī)仿真模擬對(duì)護(hù)欄改進(jìn)前后效果進(jìn)行對(duì)比，橋梁混凝土護(hù)欄達(dá)到SS 級(jí)安全防護(hù)等級(jí)的要求，路基波形梁護(hù)欄達(dá)到A級(jí)防護(hù)等級(jí)的要求，改進(jìn)設(shè)置方案有效提升了隧道出口護(hù)欄安全性。研究對(duì)于隧道出口處護(hù)欄的安全設(shè)置具有現(xiàn)實(shí)指導(dǎo)意義。