第4O卷第4期 2012年4月 同济大学学报(自然科学版) J0I瓜NAI,0F T()NGJI UNIvERSITY(NAT1琅AI,sCIENcE) Vo1.40 No.4 Apr.2012 文章编号:0253—374X(2012)04—0553.06 DOI:10.3969/j.issn.0253—374x.2012.04.009 隧道出入口平面线形一致性 杨 轸,詹 莹,詹 磊 (同济大学交通运输工程学院,上海2o1804) 摘要:针对现行公路隧道设计规范对隧道进出口处平面线形 一Key words:tunnel entrance and exit zone;horizontal alignment; restraining indexes consistency; spiral 致性缺乏明确判别标准,提出了方向盘冻结3 S导致的行 车轨迹同原有路线的偏移值作为线形一致性的控制性指标, 控制阈值取0.2 m.对3种不同设计条件下的隧道线形一致 性进行分析,发现缓和曲线参数是影响平面线形一致性的重 curve parameter 隧道出入口洞口前后亮度的急剧变化,导致黑 线形一致性的判别标准,使设计者能在保证线形安全的前提 洞效应和白洞效应,极大地增加了驾驶员视觉及心 下对隧道进出口平面线形进行灵活设计和评价.应用该研究 理生理负荷,使得驾驶员在接近或者离开隧道时不 要指标.通过理论推导给出不同设计条件下隧道进出口平面 成果对龙庆高速公路某隧道洞口的线形一致性进行了分析, 提出了相应的改进建议. 关键词:隧道出入口;平面线形;控制指标;一致性;缓和 曲线参数 中图分类号:U452.2 文献标识码:A 能有效识别道路信息,极易引起交通事故.调查结果 表明,隧道出入口处的事故率是隧道内事故率的2~ 3倍_1 ].合理的隧道出入口线形设计能有效地改善 隧道安全状况,因此,我国现行《公路隧道设计规范》 (JTJ D70--2004)对隧道出入口平面线形提出了3 S 一致性要求[3],但在实际使用中存在对一致性的理 Consistency of Horizontal Alignment at Tunnel 解和定量把握的问题. Entrance and Exit Zone YANG Zhen,TANG Ying,TANGLei (1.College of Transportation Engineering,Tongji University, Shanghai 201804,China) 1 国内外研究概述 在设计规范方面,欧洲没有专门的隧道线形设 计标准或规范,公路隧道的线形设计以公路设计规 范为基准[4].美国的公路隧道设计手册限制隧道段 曲线的数量、长度,同时出于隧道光线过渡以及通风 Abstract:Current code of tunnel design lacks specific criterion for judging horizontal alignment at entrance and exit zone of highway tunne1.Mter 3-second freezing of steer wheel,the deviation of the track from the desired Dath iS proposed to evaluate the consistency of horizontal alignment at 的考虑,规范建议在隧道出入口处设置大半径曲线, 最小曲线半径应不小于850 1 000 mE引.欧美规范 关于隧道出入口线形一致性方面没有具体规定. 我国历年的《公路工程技术标准》、《公路路线设 计规范》、《公路隧道设计规范》对隧道及洞口平面线 形有一系列的规定.1988年之前规范规定隧道应避 免采用平曲线,1988年之后允许采用平曲线,但是 对隧道及洞口线形进行一系列规定,并且洞口线形 的规定随规范修订时间逐渐变化.1988年版《公路 工程技术标准》(JTJ 01—88)规定隧道洞口的连接 tunnel entrance and exit,and the contro1 threshold iS 0.2 m. The design conditions are classified mto three groups and studied in detail.Spiral curve parameter is found to be a significant design index to guarantee the consistency.Then he equattions for derivation calculation in different cases are deduced,and the indexes of the horizontal alignment at the tunnel entrance and exit zone are proposed for more flexible design.Based on the research results,an analysis is made of the consistency of the horizontal alignment of a tunnel of Longquan-Qingyuan expressway, and improvement is proposed. 线应与隧道线形相配合l6].1990年版《公路隧道设计 规范》(JTJ 026—9O)在原有规范的基础上,增加一 收稿日期:2011--01—12 基金项目:国家自然科学基金(70801044);教育部高等学校博士学科点专项科研基金(2008O24710O6) 第一作者:杨轸(1974一),男,副研究员,工学博士,主要研究方向为交通安全及驾驶仿真.E-mail:yangzhen2276@263.net 同济大学学报(自然科学版) 第40卷 条对隧道连接线的规定,即隧道两端平面线形应与 路线线形相一致,其最小长度按设计速度取值l7]. 1994年版《公路路线设计规范》(JTJ 011—94)对隧 道连接线规定由“相配合”改为“相协调”[8].2003年 2研究思路 《公路隧道设计规范》(JTJ D70 2004)关于隧 版《公路工程技术标准》(JTG B01--2003)规定隧道 道出入口线形3 S连续的规定主要考虑隧道出入口 洞口内外侧不小于3 S设计速度行程长度范围内的 存在黑洞和白洞效应给驾驶员的视距造成障碍,但 平纵线形应一致_g],但是该规定没有明确规定线形 是没有给出具体的控制指标来明确是否满足线形一 一致性的具体含义.2006年版《公路路线设计规范》 致性.因此,首先要解决的问题就是选择合理的线形 一(JTG D20--2006)将2003年版《公路工程技术标 致性控制指标及控制阈值,然后就根据控制指标 准》中的平纵线形应一致修订为平面线形不应有急 和不同设计条件通过定量计算分析给出隧道出入口 骤的方向改变_1 ,但是同样没有给出急骤变化的具 具体线形指标的建议值. 体含义和相应的控制指标. 假如隧道出入口线形是一个缓和曲线参数A非 在学术研究方面,国外专门针对公路隧道出入 常大的曲线,如A一1 500,缓和曲线在一个较短的长 口线形的研究比较少,一般在进行隧道通风、照明、 度范围内(驾驶员视距障碍的时间所行驶的距离,可 紧急设施等设计时,会考虑线形的影响[1 .Sermin 以取3 S行程)可以看作是圆曲线,即驾驶员由于视 方向盘在隧道口的状态保持不变,按照圆曲 Onaygil等提出隧道出入口处线形应尽量满足适当 觉障碍,降低行车速度的要求,从而通过增加隧道接近段适 线行驶一段后,如果其位置与按缓和曲线行驶的轨 应距离的行车时间来缓解隧道人口处的视觉障 迹的偏差小于某个值,即可以认为线形上可不受此 碍[1 .国内学者对公路隧道出入口线形研究主要集 约束,故可以采用3 S设计速度行程范围的内移值大 中在线形安全设计、行车视距理论、安全行车速度等 小作为隧道进出口平面线形一致性控制性指标.从 方面[11,13].隧道出入口平面线形一致性评价方法有 行车轨迹角度出发,当省略缓和曲线前后的圆曲线 运行车速法和驾驶员心理、生理指标评价方法等.王 的内移值声<0.2 m时允许直线直接与圆曲线相 琰等提出将运行速度作为线形一致性控制指标,通 连_1 ,如图1所示.因此,可以选择0.2 rn作为线形 过调研数据进行回归,得到隧道进出口前后5 S范围 一致性控制性指标的阈值. 综合线形过渡技术指标与运行速度间的具体量化关 系,并由此提出隧道进出口线形过渡技术指标建议 值_1 .潘晓东等在传统的平均注视时间动视点指 标、注视时间比率动视点指标基础上,提出基于视点 平面分布的动视点指标作为驾驶员视觉信息加工水 平评价指标,以该指标作为线形控制指标,根据大量 的实验数据,提出隧道进口平曲线半径不宜小于 450 m[15]. 由以上分析可知:我国对隧道出入口平面线形 指标的研究一直在探索和发展,但是目前仍不能给 出一个能够广泛认同的定量设计指标.现行《公路隧 道设计规范》(JTJ D70--2004)对隧道进出口线形3 S一致性的含义不明确,且存在歧义,特别是洞口及 D 图1标准型平曲线形示慝图 Fig.1 Standard form of horizontal alignment 对公路隧道平面线形而言,假如A,B,C 3点分 3 S行程范围落在缓和曲线上存在较大争议,这使得 别代表洞口位置、按原平曲线进入隧道3 S设计速度 在具体设计工作中隧道线形安全性难以把握,并可 行程的终点、按洞口位置曲率半径轨迹3 S行程点 能对工程造价、施工要求、隧道出入口前后的线形指 (相当方向盘冻结3 S的轨迹).A,B点的位置可以 标等带来一系列的影响.因此,有必要对此开展深入 分成3种情况:第1种情况为A点在直线上,而B点 研究,提出相关控制线指标,既保证隧道出入口线形 在缓和曲线上(或者A点在缓和曲线上,而B点在 直线上);第2种情况为A,B点都在缓和曲线上;第 的安全性,同时满足设计灵活性的要求. 同济大学学报(自然科学版) y 第40卷 由此获得C点的绝对坐标为 一 Xc—XA+zCCOS 一YCsin 8 s Yc—YA4-ICsin 8+ CCOS 8 一 将三角函数用级数展开,正弦函数取第1项,余 图4曲线一致性计算图式(第3种情况) Fig.4 Graphical calculation for consistency study(the third case) X=--Id…。sf -1-ds=--fds…S』 一(s一 1\4L3 ̄s3+iS5一Ls¥4)), 一一』 一一( 一 ) 其中, 为缓和曲线上点到HY的距离. 令k=S+L--L ,将¥ ̄--(L--L)一(S--k),代入 式(2)可得 一_((s 一 ・ + L】1-1 lJ L (s一愚) ) yA一 L (S一 ) (S一忌)。 2A。 6A 卢一一( 一 ) 分别计算B点绝对坐标和C点的相对坐标 kL 一 , n 2 一sin),, yB—A 2(卜c。s y), S(L 一S+尼) A . c一—L ̄-—S+k n ’ y.c一—L S+k —一(1-Ll -COS O/).・ ,-弦函数取前2项,可得 AD 一(Xc—XB)。+(一 —YB) 一 k 一2k。S。+S .(S一是) 。 36A 。1 6o0A 』 一(S一是)16OA S-4. ’-- ●== ( ) +u 由A,S,以忽略,故 ≈ L,L的取值范围可知,己,值非常小,可 △D ≈( )。一( ) 即L 一L—S一 S。一6A。AD. 当缓和曲线参数A≥ ̄/s。/6△D时,不论洞口距 缓圆点的距离取多大,皆可满足线形连续性要求;当 A< ̄/S。/6△D时,如果洞口距缓圆点的距离L 一L ≤S一 S。--6A △D,可满足线形连续性要求. 3.4设计指标确定 由以上分析可知:当缓和曲线参数A≥ 、//S。/6AD时,3种情况均可满足线形连续性要求.当 A< ̄/S。/6△D时,第1种情况当洞口距直缓点的距 离L≥s— 6A。AD时,可满足线形连续性要求;第2 种情况均不满足线形连续性要求;第3种情况当洞 口距缓圆点的距离上吖一L≤s一 (s。一1.2A )时, 可满足线形连续性要求. 根据《公路工程技术标准》规定不同设计车速下 的平曲线极限最小半径、最小缓和曲线长度可确定 缓和曲线参数A的最小值,80,100和120 km・h 设计车速下的缓和曲线参数A的最小值分别为 132.29,184.39和254.95,3 S行程S分别取70,85 和100 m.取△D===0.2 In作为线形一致性控制性指 标的阈值,由此可以得到不同设计条件隧道洞口平 面线形指标的建议值,如表1所示. 经过理论计算,上述结果同样可推广下面两种 情况:当洞口位于圆曲线段而3 S行程点位于缓和曲 线段时,3 S行程点距圆缓点的距离应不大于S一 4'S3—1.2A ;当洞El位于缓和曲线段而3 S行程位 于直线段时,3 S行程点距缓直点的距离应不小于S 第4期 杨轸,等:隧道出入口平面线形一致性 表1不同设计条件隧道洞口平面线形设置的建议值 Tab.1 The prop0sed values of the horizontal alignment at tunnel entrance and exit zone under different design conditions 镇大猫亭止于庆元县竹口镇新窑村(浙闽界),全长 4应用分析 54.763 km,设计速度为100 km・h1(S一85 m).其 中龙泉至庆元(浙闽界)高速公路大泽隧道处平面线 龙泉至庆元(浙闽界)高速公路起自龙泉市城关 形如表2所示,平面线位如图5所示. 表2大泽隧道平面线形 Tab.2 The horizontal alignment of Daze tunnel 图5大泽隧道平面线位图 Fig.5 The horizontal alignment of Daze tunnel 根据前面的判别规则对该隧道不同行车方向的 h 的限速标志.经过计算,恰好能满足庆元方向隧 隧道出入口平面线形一致性进行分析,结果如表3 道出口的线形一致性要求.同时,应适当增大圆曲线 所示. 半径和(或)缓和曲线长度,使缓和曲线参数A> 分析结果表明,该隧道存在两种情况不满足线 534.63,或者使龙泉方向进口位于圆曲线上,并控制 形一致性要求.由于地形限制,过多地增加缓和曲线 3 S行程点距圆缓点的距离,从而满足该处的线形一 长度或者增大圆曲线半径可能带来较大的工程量. 致性要求. 因此,可以对隧道运营速度进行限制,设置80 km・ 表3平面线形一致性分析 Tab.3 The analysis for consistency of horizontal alignment 558 同济大学学报(自然科学版) 第4O卷 [8]中华人民共和国交通部.JTJ Ol1—94道路路线设计规范[S]. 5 结语 通过理论分析和应用分析,将隧道出入口方向 北京:人民交通出版社,1994. Ministry of Transport of the People’S Republic of China. ,r 011—94 Design specifiaticon for highway alignment[S]. Beijing:China Comunications Press,1994. 盘冻结3 S导致的行车轨迹同原有路线的偏移作为 判别隧道出人口线形一致性的标准是可行的,据此 提出的不同状况下的设计控制指标能够被设计人员 [9]中华人民共和国交通部.JTG B01-2003公路工程技术标准 ES].北京:人民交通出版社,2003. Ministry of Transport of the People’S Republic of China.JTG BOl一2003 Technical standard of highway engineering[S]. eiBjing:China Communications Press,2003. 接受和采用,这将有助于设计者综合考虑公路线形、 [1O]中华人民共和国交通部.JTGD2O--2oo6道路路线设计规范 等级、隧道工程造价等多方面的因素,对隧道出人口 线形进行灵活设计. 参考文献: [1]Amundsen F H,Ranes G.Studies on traffic accident in norwegian road tunnels[-J].Tunneling,2000,15:3. [2]杨轸,郭忠印.隧道进出口车速变化研究EJ].上海公路,2006 (1):48. YANG Zhen,GUO Zhongyin.Research on speed alteration at entrance and exit of tunnel[J].Shanghai Highway,2006 (1):48. [3]中华人民共和国交通部.JTJ D70--2004公路隧道设计规范 ES3.北京:人民交通出版社,2004. Ministry of Transport of the People’S Republic of China.JTJ D70—2004 Code for design of road tunnel[-S].Beijing:China Communications Press,2004. 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