公路隧道出入口平面線形一致性檢驗研究

龐小沖，唐學軍

(甘肅省交通規劃勘察設計院有限責任公司，蘭州 730030)

0 引言

隨著公路建設向山區、城市等復雜的地形、地物地區發展，項目選線中隧道洞口段位于回旋曲線上并不少見，由于隧道結構的特殊性，考慮到洞口段行車的安全，相關的規范對隧道出入口的平面線形有專門的要求，以提高進出隧道的安全性［1］。現行規范中，對隧道出入口的平面線形一致性的規定主要有3處，依據規范實施的時間順序依次介紹如下。

首先，JTG B01—2003《公路工程技術標準》第7．0．4條對隧道洞口線形規定:“隧道洞口內側不小于3 s設計速度行程長度與洞口外側不小于3 s設計速度行程長度范圍內的平、縱線形應一致［2］”。

其次，JTGD70—2004《公路隧道設計規范》第

4．3．5條規定:“隧道洞外連接線應與隧道線形相協調，并符合隧道洞口內外各3 s設計速度行程長度范圍的平面線形應一致［3］”。可見，與前一規范的要求基本一致。

第三，JTG D20—2006《公路路線設計規范》第9．6．2條對隧道洞口線形規定:“平面線形不應有急驟的方向改變［4］”，但沒有對“急驟的方向改變”作定量化的界定。

通常情況下，若隧道洞口內外各3s設計速度行程長度落在平曲線的圓曲線段或直線段范圍內，則無疑被認為符合規范要求;但是，若隧道洞口內外各3 s設計速度行程長度落在緩和曲線段內，或者一部分落在緩和曲線段，一部分落在圓曲線段或直線段，則對于是否符合規范要求存在著不同的看法，也少見相關的技術人員對隧道洞口段線性的3 s要求作深入的分析研究。在具體的工作中往往為了保險起見，一般都按照不符合3s要求判斷而不得不調整線位或者采用高指標，這樣常常會增加工程的征地及土建費用。因此，本文旨在深入的探討隧道洞口段線性的3 s要求的判定方法，即量化線形在滿足安全性的條件下是否存在急驟變化。

1 平面線形一致性的判據研究

如前所述，3個規范中最晚實施的JTG D20—2006《公路路線設計規范》，對隧道洞口線形規定:“平面線形不應有急驟的方向改變”。假如，隧道出口是一個緩和曲線參數非常大的曲線，如R·Ls=2 000，這樣的緩和曲線在一個較短的長度范圍內，不妨就取3 s行程，可以看作是圓曲線，即駕駛員按照圓曲線行駛一段后，其位置與按緩和曲線行駛的位置的偏差很小，也即意味著平面線形沒有急驟的改變。因此，首要問題是要對線形是否存在急驟改變確定一個定量化的標準。

JTG D20—2006《公路路線設計規范》第7．4．1 條規定了不設緩和曲線的圓曲線最小半徑，再根據回旋曲線最小長度要求可以計算出相應的臨界內移值p，如表1所示。

表1 曲線內移值參數Table 1 Parameters of critical inside movement value

以設計時速為80 km/h的隧道為例，相應的臨界內移值p為0．08 m。如果在隧道洞口保持方向盤旋轉角度不變，駕駛員繼續按設計時速行駛3 s后的位置與行車道中心線的偏移值控制在0．08 m以內，那么就可以認為隧道入口平面線形沒有急驟的改變。現以隧道洞口內外各3 s設計速度行程長度落在緩和曲線段為例，如圖1所示。

圖1 曲線一致性計算圖式Fig．1 Sketch for curve consistency calculation

圖中A，B，C 3點分別代表洞口位置、行車道中心線上距洞口3 s設計速度行程終點、駕駛員繼續按設計時速行駛3 s后的位置。只要計算出B，C間的距離ΔD，并將ΔD與臨界內移值p比較，若ΔD≤臨界內移值p，可以認為隧道洞口內外各3 s設計速度行程長度范圍的平面線形基本上保持一致;如果ΔD＞臨界內移值p，則認為隧道洞口內外各3 s設計速度行程長度范圍的平面線形沒有保持一致。

2 主要算法

由圖1看出:建立隧道出入口平面線形一致性檢驗判據的關鍵是要定出A，B，C 3點的坐標，這涉及到圓曲線、緩和曲線上任意點的坐標定點算法。為了適應特殊地形，有時需要在一個曲線上采用幾個不同的半徑形成復曲線，這在山區公路展線困難時經常遇到;因此，平曲線的坐標法定點算法應該能夠考慮復曲線情況。

平曲線的各要素如圖2所示。

圖2 標準緩和曲線要素圖Fig．2 Sketch of elements of standard transition curve

2．1 曲線上任意點橫距

只計算緩和曲線坐標時，需要用到一個中間變量——切線橫距x，曲線上任意點的切線橫距

式中:l為緩和曲線上任意點至ZH(或HZ)點的曲線長;Ls為緩和曲線長度;R為圓曲線半徑。

對于圓曲線兩側的緩和曲線不對稱的復曲線，那么Ls和R值分別為所在緩和曲線的參數值，以下公式中同。

2．2 第一緩和曲線(ZH～HY)上任意點的坐標

式中:l為圓曲線上任意點至HY點的曲線長;XZH，YZH為ZH點的坐標，可由相鄰兩交點的坐標及線路里程樁號求得;ξ為轉角符號，右偏為“+”，左偏為“-”;Al為本交點與前交點連線的方位角。

2．3 圓曲線(HY～YH)上任意點的坐標

式中:l為圓曲線上任意點至YH點的曲線長;XHY，YHY為HY點的坐標，可由式(2)求得。

2．4 第二緩和曲線(YH～HZ)上任意點的坐標

式中:l為第二緩和曲線上任意點至HZ點的曲線長;A2為本交點與后交點連線的方位角。

3 程序開發

隧道出入口平面線形一致性檢驗的計算量很大，為此，作者在AutoCAD平臺上采用2次開發方式和VBA語言開發了圖解法公路行車視距檢驗程序。所謂2次開發就是利用某種開發語言，在軟件商提供的基本功能上，為新增功能而做的開發工作，很多大型軟件都提供2次開發接口。隧道出入口平面線形一致性檢驗程序的流程及檢驗對話框如圖3和圖4所示。

4 結論與建議

基于對相關規范關于隧道洞口平面線形一致性內容的深入對比和探討，并通過量化計算分析，得到如下結論。

1)隧道洞口位于回旋曲線上時應嚴格按照量化判據來判定洞口段是否滿足3 s要求，并提出了相關的計算方法。

2)提出了一個隧道出入口平面線形一致性的定量化判據，即行車道中心線上距洞口3 s設計速度行程終點與駕駛員繼續按設計時速行駛3 s后的位置偏差ΔD≤臨界內移值p，否則就認為不滿足一致性要求。

3)針對隧道出入口平面線形一致性量化判據包括平曲線上緩和曲線、圓曲線上坐標的定點算法。計算較為復雜，工作量較大，本文在AutoCAD中利用二次開發方式開發了相關的程序，以獲得直觀高效的檢驗結果。

通過對目前高速公路設計中常見的隧道洞口段位于圓曲線和緩和曲線上的3 s要求進行分析探討，對隧道洞口段的“3 s”安全提出了一個量化判據，對減小隧道洞口段的工程規模、征地拆遷等方面也有一定的積極意義;但隧道洞口段的行車安全還與洞口曲線段的視距、曲線的超高加寬以及視覺的“黑洞”、“白洞”效應有關，隧道洞口段行車安全受到多因素的制約，今后應對相關各因素做系統全面的分析探討。

［1］ 徐家鈺，程家駒．道路工程［M］．上海:同濟大學出版社，1995．

［2］ 交通部公路司．JTG B01—2003公路工程技術標準［S］．北京:人民交通出版社，2003．(Department of Road Networks，Ministry of Transport of People’s Republic of China．JTG B01—2003 Technical standard of highway engineering［S］．Beijing:China Communications Press，2003．(in Chinese))

［3］ 重慶交通科研設計院．JTG D70—2004公路隧道設計規范［S］．北京:人民交通出版社，2004．(Chongqing Communications Research ＆ Design Institute．JTG D70—2004 Code for design of road tunnel［S］．Beijing:China Communications Press，2004．(in Chinese))

［4］ 中交第一公路勘察設計研究院．JTG D20—2006公路路線設計規范［S］．北京:人民交通出版社，2006．(CCCC First Highway Consultants Co．，Ltd．．JTG D20—2006 Design specification for highway alignment［S］．Beijing:China Communications Press，2006．(in Chinese))

［5］ 張雨化．道路勘測設計［M］．北京:人民交通出版社，2007．