龐小沖，唐學(xué)軍

(甘肅省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司，蘭州 730030)

0 引言

隨著公路建設(shè)向山區(qū)、城市等復(fù)雜的地形、地物地區(qū)發(fā)展，項(xiàng)目選線(xiàn)中隧道洞口段位于回旋曲線(xiàn)上并不少見(jiàn)，由于隧道結(jié)構(gòu)的特殊性，考慮到洞口段行車(chē)的安全，相關(guān)的規(guī)范對(duì)隧道出入口的平面線(xiàn)形有專(zhuān)門(mén)的要求，以提高進(jìn)出隧道的安全性［1］?，F(xiàn)行規(guī)范中，對(duì)隧道出入口的平面線(xiàn)形一致性的規(guī)定主要有3處，依據(jù)規(guī)范實(shí)施的時(shí)間順序依次介紹如下。

首先，JTG B01—2003《公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》第7．0．4條對(duì)隧道洞口線(xiàn)形規(guī)定:“隧道洞口內(nèi)側(cè)不小于3 s設(shè)計(jì)速度行程長(zhǎng)度與洞口外側(cè)不小于3 s設(shè)計(jì)速度行程長(zhǎng)度范圍內(nèi)的平、縱線(xiàn)形應(yīng)一致［2］”。

其次，JTGD70—2004《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》第

4．3．5條規(guī)定:“隧道洞外連接線(xiàn)應(yīng)與隧道線(xiàn)形相協(xié)調(diào)，并符合隧道洞口內(nèi)外各3 s設(shè)計(jì)速度行程長(zhǎng)度范圍的平面線(xiàn)形應(yīng)一致［3］”?？梢?jiàn)，與前一規(guī)范的要求基本一致。

第三，JTG D20—2006《公路路線(xiàn)設(shè)計(jì)規(guī)范》第9．6．2條對(duì)隧道洞口線(xiàn)形規(guī)定:“平面線(xiàn)形不應(yīng)有急驟的方向改變［4］”，但沒(méi)有對(duì)“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(nèi)外各3s設(shè)計(jì)速度行程長(zhǎng)度落在平曲線(xiàn)的圓曲線(xiàn)段或直線(xiàn)段范圍內(nèi)，則無(wú)疑被認(rèn)為符合規(guī)范要求;但是，若隧道洞口內(nèi)外各3 s設(shè)計(jì)速度行程長(zhǎng)度落在緩和曲線(xiàn)段內(nèi)，或者一部分落在緩和曲線(xiàn)段，一部分落在圓曲線(xiàn)段或直線(xiàn)段，則對(duì)于是否符合規(guī)范要求存在著不同的看法，也少見(jiàn)相關(guān)的技術(shù)人員對(duì)隧道洞口段線(xiàn)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(xiǎn)起見(jiàn)，一般都按照不符合3s要求判斷而不得不調(diào)整線(xiàn)位或者采用高指標(biāo)，這樣常常會(huì)增加工程的征地及土建費(fèi)用。因此，本文旨在深入的探討隧道洞口段線(xiàn)性的3 s要求的判定方法，即量化線(xiàn)形在滿(mǎn)足安全性的條件下是否存在急驟變化。

1 平面線(xiàn)形一致性的判據(jù)研究

如前所述，3個(gè)規(guī)范中最晚實(shí)施的JTG D20—2006《公路路線(xiàn)設(shè)計(jì)規(guī)范》，對(duì)隧道洞口線(xiàn)形規(guī)定:“平面線(xiàn)形不應(yīng)有急驟的方向改變”。假如，隧道出口是一個(gè)緩和曲線(xiàn)參數(shù)非常大的曲線(xiàn)，如R·Ls=2 000，這樣的緩和曲線(xiàn)在一個(gè)較短的長(zhǎng)度范圍內(nèi)，不妨就取3 s行程，可以看作是圓曲線(xiàn)，即駕駛員按照?qǐng)A曲線(xiàn)行駛一段后，其位置與按緩和曲線(xiàn)行駛的位置的偏差很小，也即意味著平面線(xiàn)形沒(méi)有急驟的改變。因此，首要問(wèn)題是要對(duì)線(xiàn)形是否存在急驟改變確定一個(gè)定量化的標(biāo)準(zhǔn)。

JTG D20—2006《公路路線(xiàn)設(shè)計(jì)規(guī)范》第7．4．1 條規(guī)定了不設(shè)緩和曲線(xiàn)的圓曲線(xiàn)最小半徑，再根據(jù)回旋曲線(xiàn)最小長(zhǎng)度要求可以計(jì)算出相應(yīng)的臨界內(nèi)移值p，如表1所示。

表1 曲線(xiàn)內(nèi)移值參數(shù)Table 1 Parameters of critical inside movement value

以設(shè)計(jì)時(shí)速為80 km/h的隧道為例，相應(yīng)的臨界內(nèi)移值p為0．08 m。如果在隧道洞口保持方向盤(pán)旋轉(zhuǎn)角度不變，駕駛員繼續(xù)按設(shè)計(jì)時(shí)速行駛3 s后的位置與行車(chē)道中心線(xiàn)的偏移值控制在0．08 m以?xún)?nèi)，那么就可以認(rèn)為隧道入口平面線(xiàn)形沒(méi)有急驟的改變?，F(xiàn)以隧道洞口內(nèi)外各3 s設(shè)計(jì)速度行程長(zhǎng)度落在緩和曲線(xiàn)段為例，如圖1所示。

圖1 曲線(xiàn)一致性計(jì)算圖式Fig．1 Sketch for curve consistency calculation

圖中A，B，C 3點(diǎn)分別代表洞口位置、行車(chē)道中心線(xiàn)上距洞口3 s設(shè)計(jì)速度行程終點(diǎn)、駕駛員繼續(xù)按設(shè)計(jì)時(shí)速行駛3 s后的位置。只要計(jì)算出B，C間的距離ΔD，并將ΔD與臨界內(nèi)移值p比較，若ΔD≤臨界內(nèi)移值p，可以認(rèn)為隧道洞口內(nèi)外各3 s設(shè)計(jì)速度行程長(zhǎng)度范圍的平面線(xiàn)形基本上保持一致;如果ΔD＞臨界內(nèi)移值p，則認(rèn)為隧道洞口內(nèi)外各3 s設(shè)計(jì)速度行程長(zhǎng)度范圍的平面線(xiàn)形沒(méi)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(xiàn)形一致性檢驗(yàn)判據(jù)的關(guān)鍵是要定出A，B，C 3點(diǎn)的坐標(biāo)，這涉及到圓曲線(xiàn)、緩和曲線(xiàn)上任意點(diǎn)的坐標(biāo)定點(diǎn)算法。為了適應(yīng)特殊地形，有時(shí)需要在一個(gè)曲線(xiàn)上采用幾個(gè)不同的半徑形成復(fù)曲線(xiàn)，這在山區(qū)公路展線(xiàn)困難時(shí)經(jīng)常遇到;因此，平曲線(xiàn)的坐標(biāo)法定點(diǎn)算法應(yīng)該能夠考慮復(fù)曲線(xiàn)情況。

平曲線(xiàn)的各要素如圖2所示。

圖2 標(biāo)準(zhǔn)緩和曲線(xiàn)要素圖Fig．2 Sketch of elements of standard transition curve

2．1 曲線(xiàn)上任意點(diǎn)橫距

只計(jì)算緩和曲線(xiàn)坐標(biāo)時(shí)，需要用到一個(gè)中間變量——切線(xiàn)橫距x，曲線(xiàn)上任意點(diǎn)的切線(xiàn)橫距

式中:l為緩和曲線(xiàn)上任意點(diǎn)至ZH(或HZ)點(diǎn)的曲線(xiàn)長(zhǎng);Ls為緩和曲線(xiàn)長(zhǎng)度;R為圓曲線(xiàn)半徑。

對(duì)于圓曲線(xiàn)兩側(cè)的緩和曲線(xiàn)不對(duì)稱(chēng)的復(fù)曲線(xiàn)，那么Ls和R值分別為所在緩和曲線(xiàn)的參數(shù)值，以下公式中同。

2．2 第一緩和曲線(xiàn)(ZH～HY)上任意點(diǎn)的坐標(biāo)

式中:l為圓曲線(xiàn)上任意點(diǎn)至HY點(diǎn)的曲線(xiàn)長(zhǎng);XZH，YZH為ZH點(diǎn)的坐標(biāo)，可由相鄰兩交點(diǎn)的坐標(biāo)及線(xiàn)路里程樁號(hào)求得;ξ為轉(zhuǎn)角符號(hào)，右偏為“+”，左偏為“-”;Al為本交點(diǎn)與前交點(diǎn)連線(xiàn)的方位角。

2．3 圓曲線(xiàn)(HY～YH)上任意點(diǎn)的坐標(biāo)

式中:l為圓曲線(xiàn)上任意點(diǎn)至YH點(diǎn)的曲線(xiàn)長(zhǎng);XHY，YHY為HY點(diǎn)的坐標(biāo)，可由式(2)求得。

2．4 第二緩和曲線(xiàn)(YH～HZ)上任意點(diǎn)的坐標(biāo)

式中:l為第二緩和曲線(xiàn)上任意點(diǎn)至HZ點(diǎn)的曲線(xiàn)長(zhǎng);A2為本交點(diǎn)與后交點(diǎn)連線(xiàn)的方位角。

3 程序開(kāi)發(fā)

隧道出入口平面線(xiàn)形一致性檢驗(yàn)的計(jì)算量很大，為此，作者在A(yíng)utoCAD平臺(tái)上采用2次開(kāi)發(fā)方式和VBA語(yǔ)言開(kāi)發(fā)了圖解法公路行車(chē)視距檢驗(yàn)程序。所謂2次開(kāi)發(fā)就是利用某種開(kāi)發(fā)語(yǔ)言，在軟件商提供的基本功能上，為新增功能而做的開(kāi)發(fā)工作，很多大型軟件都提供2次開(kāi)發(fā)接口。隧道出入口平面線(xiàn)形一致性檢驗(yàn)程序的流程及檢驗(yàn)對(duì)話(huà)框如圖3和圖4所示。

4 結(jié)論與建議

基于對(duì)相關(guān)規(guī)范關(guān)于隧道洞口平面線(xiàn)形一致性?xún)?nèi)容的深入對(duì)比和探討，并通過(guò)量化計(jì)算分析，得到如下結(jié)論。

1)隧道洞口位于回旋曲線(xiàn)上時(shí)應(yīng)嚴(yán)格按照量化判據(jù)來(lái)判定洞口段是否滿(mǎn)足3 s要求，并提出了相關(guān)的計(jì)算方法。

2)提出了一個(gè)隧道出入口平面線(xiàn)形一致性的定量化判據(jù)，即行車(chē)道中心線(xiàn)上距洞口3 s設(shè)計(jì)速度行程終點(diǎn)與駕駛員繼續(xù)按設(shè)計(jì)時(shí)速行駛3 s后的位置偏差ΔD≤臨界內(nèi)移值p，否則就認(rèn)為不滿(mǎn)足一致性要求。

3)針對(duì)隧道出入口平面線(xiàn)形一致性量化判據(jù)包括平曲線(xiàn)上緩和曲線(xiàn)、圓曲線(xiàn)上坐標(biāo)的定點(diǎn)算法。計(jì)算較為復(fù)雜，工作量較大，本文在A(yíng)utoCAD中利用二次開(kāi)發(fā)方式開(kāi)發(fā)了相關(guān)的程序，以獲得直觀(guān)高效的檢驗(yàn)結(jié)果。

通過(guò)對(duì)目前高速公路設(shè)計(jì)中常見(jiàn)的隧道洞口段位于圓曲線(xiàn)和緩和曲線(xiàn)上的3 s要求進(jìn)行分析探討，對(duì)隧道洞口段的“3 s”安全提出了一個(gè)量化判據(jù)，對(duì)減小隧道洞口段的工程規(guī)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(chē)安全還與洞口曲線(xiàn)段的視距、曲線(xiàn)的超高加寬以及視覺(jué)的“黑洞”、“白洞”效應(yīng)有關(guān)，隧道洞口段行車(chē)安全受到多因素的制約，今后應(yīng)對(duì)相關(guān)各因素做系統(tǒng)全面的分析探討。

［1］ 徐家鈺，程家駒．道路工程［M］．上海:同濟(jì)大學(xué)出版社，1995．

［2］ 交通部公路司．JTG B01—2003公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)［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(shè)計(jì)院．JTG D70—2004公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)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(shè)計(jì)研究院．JTG D20—2006公路路線(xiàn)設(shè)計(jì)規(guī)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(cè)設(shè)計(jì)［M］．北京:人民交通出版社，2007．