高寒及高海拔地区公路螺旋隧道应用及视距评价①

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(天津市市政工程设计研究院,天津 300000)

0 引 言

对于山区公路，有时为了满足路线爬升的要求，需要在较短的距离内克服较大的高差。以往通常采取的措施是设置长大纵坡段落，对于低等级公路也常采用设置回头曲线的措施；而对于高海拔及高寒地区山区公路，由于冬季道路、桥面积雪及冰冻等原因，采用长大纵坡段落安全风险较一般地区大大上升，此时，采用螺旋展线隧道方案恰恰可解决这一难题[1～2]。

所谓螺旋展线，是将需要爬升较大高差路段的路线平曲线设置一处螺旋曲线，这样便加大了爬升段落的平曲线长度，从而降低了竖曲线纵坡坡率。当螺旋展线段落处地形狭窄，螺旋展线段从山体内穿过，便形成了螺旋隧道。高海拔地区的螺旋隧道，一方面螺旋曲线增加了平曲线的长度而降低了纵坡坡率，一方面竖曲线爬升段落隧道路面由于隧道洞身的遮蔽而避免了积雪，大大降低了运营期间尤其是冬季路面积雪引起的安全风险。

1 工程案例

某一级公路项目位于青海省境内，设计车速80km/h，其中路线K24～K40段落所处沟内地形狭窄，线形指标较低，设计车速60km/h。沟内地形狭长，山坡陡峻，山体以中高山为主，沟内沟道弯曲，谷底纵坡较大，线路爬升段落长度约11km，高差将近392m，自然纵坡达3.5%，沟底纵坡呈现溯源增大的趋势。为克服高差，采用长大纵坡方案及螺旋隧道方案进行了比选。

方案一沿沟展线，通过设置长大纵坡方式克服高差，其中，长达9.86km路线平均纵坡3.9%,最大纵坡5%。

方案二利用爬升段落内一处两沟交汇处较为开阔地形设置一处螺旋展线段落，螺旋展线段落利用2座桥梁和3座隧道，两次跨越冲沟，三次穿越山体(如图1)，纵坡为2.95%。由于螺旋隧道为双洞隧道，螺旋展线段落分为左右线，左线最小平曲线半径600m。三座隧道长度分别为675.5m、1216m、1569m。

图1 案例螺旋隧道平面布置图(线路前进方向自东向西)

对两方案进行比选。方案一长大纵坡方案长达9.86km，路线平均纵坡3.9%，最大纵坡5%。方案二采用螺旋隧道方案，平均纵坡降至2.95%，且竖曲线爬升段落隧道路面由于洞身的遮蔽而避免了积雪，降低了运营期间尤其是冬季路面积雪引起的安全风险。

2 螺旋展线段落隧道视距评价[3～5]

螺旋展线段落隧道平曲线半径较小，由于隧道洞壁或隧道内设施对驾驶员视线的阻挡，需对隧道内平曲线进行停车视距验算，当隧道平曲线半径小于满足停车视距要求的最小平曲线半径时，隧道内平曲线视距不足，应予以避免。

当车辆行驶在隧道内时，驾驶员视线由于受到洞壁或隧道内设施的阻挡，他所能看到行驶轨迹前方最远距离，为过驾驶员视点的隧道洞壁或隧道内设施边缘线的切线，与行驶轨迹的交点(如图2)。根据几何关系可得：

(1)

式中：Y为横净距；S为视距；R这曲线内侧行驶轨迹半径；

图2 隧道内视距与隧道洞壁或隧道内设施相对关系

本段落路线处于K24～K40线形指标较低路段，设计车速60km/h，按《公路隧道设计规范》(JTG D70-2004)推荐一级公路隧道建筑限界横断面组成最小宽度，断面布置为净宽0.75(检修道)+0.5(左侧侧向宽度)+2×3.75(行车道)+0.75(右侧侧向宽度)+0.75(检修道)=9.75m。

关于隧道内保证停车视距的侧向宽度Y，《公路隧道设计细则》(JTG/T D70-2010)中取值为验算车道之车道中线位置处(如图3)。

图3 隧道内横净距位置示意图

由上述内容可得，左侧保证视距宽度的计算公示为：

(2)

式中：YL为隧道左侧横净距；LL为隧道左侧侧向宽度；WL为隧道左侧车道宽度；J为检修道宽度；

右侧保证视距宽度的计算公示为：

(3)

式中：YR为隧道右侧横净距；LR为隧道右侧侧向宽度；WR为隧道右侧车道宽度；

按上式(1)至(3)对案例满足停车视距要求最小平曲线半径计算如表1：

表1净横距Y按隧道设计细则取值最小平曲线计算结果

车型计算内容最小停车视距S(m)最小平曲线半径R(m)货车上坡幅保证视距计算(右洞左侧车道)85301.04下坡幅保证视距计算(左洞右侧车道)89304.65小客车上坡幅保证视距计算(右洞左侧车道)75234.38下坡幅保证视距计算(左洞右侧车道)75216.35

由于螺旋展线隧道工程经验非常有限，且下坡方向处于长段落小半径区段，考虑到直接采用细则中参数可能会偏于不安全，对保证停车视距的横净距Y值进行修正，取值采用驾驶员视点位置与隧道洞壁或隧道内设施的距离(如图4)，并将Y值修正前后所得结果进行对比。

图4 隧道内横净距修正后位置示意图

由上述内容可得，左侧保证视距宽度的计算公示为：

(4)

式中：P为驾驶员视点相对车辆中心偏移距离；

右侧保证视距宽度的计算公示为：

(5)

通过对大量车辆参数的统计，分别得出了货车和小客车的典型宽度及驾驶员视点相对车辆中线的偏移距离，见表2。

表2典型车辆宽度及驾驶员视点相对车辆中心偏移距离表

典型车辆类型车辆宽度Wc(m)驾驶员视点相对车辆中心偏移距离P(m)货车2.50.6小客车1.80.4

按上式(1)及Y值修正后公式(4)、(5)对工程案例满足停车视距要求最小平曲线半径计算如表3：

表3 净横距Y修正后最小平曲线计算结果表

车辆从路基段驶入隧道后，由于隧道轮廓断面收缩，驾驶员会产生不适应感，驾驶员更倾向于将车辆从车道中心线位置向远离隧道洞壁侧偏移一定距离。有调查表明[1]，货车偏移值一般为0.5m上下，小客车偏移值一般为0.7m上下。考虑到该偏移值对于保证停车视距有利，偏于安全考虑，计算方法中不计入此偏移值。

综合考虑横净距Y修正前后计算结果，上坡幅(右洞)最小平曲线半径以大货车Y值修正后计算结果控制，要求上坡幅右洞左车道驾驶员行驶轨迹处最小平曲线半径376.43m；下坡幅(左洞)最小平曲线半径以大货车Y值未修正计算结果控制，要求下坡幅左洞右车道中线最小平曲线半径304.65m。案例螺旋隧道左线最小平曲线半径600m，满足视距计算要求。

3 必要的安全措施

目前国内螺旋隧道，尤其是高海拔高寒地区螺旋隧道建设经验较少，案例在满足相关规范及理论计算的基础上，通过一些必要的安全措施，进一步增加隧道运营的安全性[6]。

(1)该项目全线标准路段采用80km/h设计时速，K24～K40线形指标较低路段，设计车速采用60km/h，螺旋隧道位于K24～K40限速段落内。考虑增加隧道安全性，设计采用80km/h车速下净空断面，净宽10.25m，即较规范要求60km/h车速下最小净宽9.75m增加0.5m。一方面增加了隧道内停车视距，另一方面，采用80km/h净宽，可与全线隧道净宽保持一致，提高了标准化程度，在增加工程规模有限的基础上提高台车和模板的周转率。

(2)螺旋展线段落采用3座隧道及2座桥梁相接的方式。为有利于驾驶员对洞口内外亮度变化的适应性，洞口外可设置遮光棚。为避免桥梁段路面积雪，桥梁采用钢制防撞护栏替代混凝土防撞护栏。

(3)做好交通标志标线等交安设施。隧道内设置反光轮廓标，路面设置反光凸起路标。设置防滑震颤减速标志，提醒驾驶员保持安全车速，集中精力驾驶[3]。

4 结 语

(1)对于高寒及高海拔地区公路，采用螺旋隧道方案由于隧道洞身的遮蔽而避免了路面积雪，较长大纵坡方案大大降低了运营期间尤其是冬季路面积雪引起的安全风险，具有安全性优势，为今后高寒及高海拔地区公路建设提供了有价值的比选。

(2)螺旋隧道应做停车视距验算，平曲线半径须满足停车视距要求的最小平曲线半径。由于螺旋隧道建设经验较少，建议采用规范中横净距及修正后横净距验算后取不利值。

(3)目前国内螺旋隧道，尤其是高寒及高海拔地区螺旋隧道建设经验较少，建议在满足相关规范及理论计算的基础上，通过一些必要的安全措施，进一步增加隧道运营的安全性。