張新瑞，賀志昂，狄海波，馬燕翔，楊飛雄

(1. 四川雅康高速公路有限責(zé)任公司, 四川 雅安 625099；2. 北京中路安交通科技有限公司, 北京 100071)

0 引言

隧道具有縮短距離、改善線形等諸多優(yōu)勢，在高速公路建設(shè)中應(yīng)用廣泛。但是在高速公路隧道運(yùn)營中，隧道入口處交通事故頻發(fā)，主要原因是隧道入口處存在橫斷面線性突變，加之隧道入口處的“白洞”效應(yīng)導(dǎo)致駕駛員視覺急劇變化而造成的。為了解決隧道入口處事故多發(fā)的問題，新版《公路交通安全設(shè)施設(shè)計細(xì)則》(JTG/T D81—2017)[1](以下簡稱新版規(guī)范)規(guī)定，隧道入口處護(hù)欄應(yīng)進(jìn)行過渡設(shè)計，護(hù)欄宜與檢修道內(nèi)側(cè)立面平齊。新版規(guī)范中隧道入口防護(hù)設(shè)計可在一定程度上解決失控車輛直接碰撞隧道端墻或隧道壁發(fā)生交通事故的問題。但由于隧道壁與護(hù)欄迎撞面距離較近，加之隧道入口護(hù)欄過渡到檢修道的實(shí)際情況，車輛碰撞護(hù)欄的角度增大，碰撞能量增大，存在車輛碰撞護(hù)欄后由于側(cè)傾碰撞隧道壁的二次事故風(fēng)險，因此控制車輛側(cè)傾是當(dāng)前隧道入口處亟待解決的主要問題。

國內(nèi)外對于隧道入口多采用防撞桶、波形梁護(hù)欄及混凝土護(hù)欄等進(jìn)行防護(hù)，如圖1所示。同時國內(nèi)學(xué)者針對目前隧道入口處存在的安全問題進(jìn)行了相關(guān)研究。栗學(xué)銘[2]、賈寧[3]等對減小隧道入口處護(hù)欄的外展角度進(jìn)行了研究；何倩超[4]、傅磊[5]、呂凡[6]等從隧道入口波形梁護(hù)欄過渡方面對防護(hù)性能做了研究；邰永剛等[7]針對長大下坡隧道入口護(hù)欄進(jìn)行了研究，得到了高防護(hù)等級隧道入口護(hù)欄結(jié)構(gòu)。但以上研究主要集中在對車輛碰撞隧道壁方面，并未對車輛碰撞護(hù)欄后因側(cè)傾而撞擊隧道壁的問題進(jìn)行深入探討，該問題并未得到解決。本研究針對隧道入口處護(hù)欄防側(cè)傾的實(shí)際需求，通過分析現(xiàn)有隧道入口交通安全防護(hù)措施，并根據(jù)隧道建筑限界與隧道輪廓的關(guān)系，確定了隧道入口處護(hù)欄車輛側(cè)傾控制閾值，同時采用理論計算、有限元仿真等方法，針對護(hù)欄坡面形式、護(hù)欄高度、護(hù)欄剛度以及強(qiáng)度等指標(biāo)與側(cè)傾的影響關(guān)系進(jìn)行了分析，得到了影響護(hù)欄側(cè)傾的指標(biāo)控制值，并提出了一種可有效減小高速公路隧道入口處護(hù)欄車輛最大動態(tài)外傾當(dāng)量值(VIn)的結(jié)構(gòu)，并對新型結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元仿真驗(yàn)證，結(jié)果滿足隧道入口處護(hù)欄側(cè)傾控制要求。

圖1 國內(nèi)外隧道入口處的防護(hù)形式

1 隧道入口交通安全問題分析

隧道入口處路基段與隧道段存在橫斷面上的突變，新版規(guī)范要求“護(hù)欄在迎交通流一側(cè)在隧道洞口處宜與檢修道內(nèi)側(cè)立面平齊”，這解決了隧道入口處部分交通安全問題，但由于隧道入口處的特殊應(yīng)用條件，對隧道入口處的交通安全提出了更高的要求。

1.1 側(cè)傾控制要求高

隧道入口處護(hù)欄與檢修道平齊，而高速公路檢修道寬度基本在75 cm，依據(jù)《公路隧道設(shè)計規(guī)范 第一冊 土建工程》(JTG 3370.1—2018)[8]中高速公路隧道限界規(guī)定的最小限界尺寸與隧道輪廓的關(guān)系，結(jié)合具體隧道斷面設(shè)計圖，根據(jù)現(xiàn)階段大型車輛的最高高度，即4.2 m進(jìn)行等高度計算，隧道入口處護(hù)欄車輛側(cè)傾限值為45 cm，如圖2所示。即要求失控車輛碰撞隧道入口護(hù)欄后，車輛最大動態(tài)外傾當(dāng)量值(VIn)小于45 cm，才可有效避免車輛碰撞護(hù)欄后與高速公路隧道壁發(fā)生碰撞造成二次事故。

圖2 隧道入口側(cè)傾控制值(單位：cm)

1.2 碰撞能量增加

隧道入口存在線性突變，路側(cè)護(hù)欄過渡到檢修道會導(dǎo)致隧道入口處護(hù)欄車輛的碰撞角度增加。如圖3所示，按照公路設(shè)計速度100 km/h，半剛性護(hù)欄漸變率1∶14計算，碰撞角度由標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的20°提高到23.2°，車輛碰撞能量增加15%，車輛側(cè)傾控制的難度增加。

圖3 碰撞角度增大

基于上述分析，針對隧道入口處車輛碰撞能量比一般路段高15%，車輛側(cè)傾控制要求高(限值45 cm)的情況，對于隧道入口護(hù)欄的防側(cè)傾能力提出了更高的要求，亟需確定影響護(hù)欄側(cè)傾因素，提高護(hù)欄的防側(cè)傾性能。

2 仿真參數(shù)校核

為了校核仿真模型的參數(shù)[9-11]，在LS-Dyna中建立了3種車輛和護(hù)欄的仿真模型，模型主要由四邊形殼單元和六面體實(shí)體單元組成，車輛和護(hù)欄有限元模型參數(shù)如表1所示。模型采用自接觸進(jìn)行邊界非線性的定義，自接觸摩擦系數(shù)設(shè)置為0.15，通過材料拉伸試驗(yàn)獲取不同拉伸速率下材料的性能曲線，并在定義材料屬性時進(jìn)行擬合，形成材料的應(yīng)力應(yīng)變曲線，模型的材料計算參數(shù)如表2所示。

表1 車輛和護(hù)欄有限元模型參數(shù)

表2 車輛和護(hù)欄有限元模型建模計算參數(shù)

外飾統(tǒng)模構(gòu)建元模型材料與地面連接的地腳螺栓以及護(hù)欄兩端采用約束六個自由度的方式進(jìn)行全約束，其余碰撞條件如表3所示。

表3 隧道入口護(hù)欄碰撞條件[12]

采用LS-Dyna針對3種車輛的有限元仿真模型進(jìn)行求解分析[13-15]，并與以往實(shí)車足尺碰撞試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較。調(diào)整有限元模型的輸入?yún)?shù)，經(jīng)多次仿真分析，3種車輛仿真碰撞過程與碰撞試驗(yàn)在車輛駛出角度、車輛變形、行駛軌跡等方面結(jié)果相近，校核了有限元模型中的各項(xiàng)參數(shù)設(shè)置，為后續(xù)有限元仿真奠定了基礎(chǔ)，如圖4所示。

圖4 計算機(jī)仿真與實(shí)車碰撞試驗(yàn)對比

3 隧道入口護(hù)欄側(cè)傾影響因素分析

失控車輛碰撞護(hù)欄后發(fā)生側(cè)傾，主要影響因素為護(hù)欄的高度、護(hù)欄坡面形式、護(hù)欄的剛度和強(qiáng)度。車輛最大側(cè)傾主要發(fā)生在車輛甩尾時，由于大型客車車輛的質(zhì)心較大型貨車靠前，甩尾后變形量較大，是小型客車、大型貨車和大型客車3種車輛中最不利車型，因此在分析側(cè)傾影響因素時，采用大型客車作為主要評價車型。

針對不同側(cè)傾影響因素進(jìn)行大型客車有限元仿真分析，測定其側(cè)傾角度，如圖5所示，以確定不同因素對側(cè)傾的影響關(guān)系，得到隧道入口護(hù)欄的合理設(shè)計參數(shù)，實(shí)現(xiàn)安全性與經(jīng)濟(jì)性的協(xié)調(diào)。

圖5 大型客車變形(mm)及側(cè)傾角度

3.1 坡面結(jié)構(gòu)形式

護(hù)欄的坡面形式不同，車輛碰撞護(hù)欄后的形態(tài)也不同。新版規(guī)范要求隧道入口“過渡設(shè)計宜通過混凝土護(hù)欄漸變或采用混凝土翼墻進(jìn)入隧道洞口”。現(xiàn)行混凝土坡面結(jié)構(gòu)形式主要為直壁式坡面、單坡面及F型坡面，為驗(yàn)證不同坡面形式對車輛側(cè)傾的影響，采用計算機(jī)仿真分析方法，建立了3種坡面形式的護(hù)欄仿真試驗(yàn)?zāi)Ｐ停?種不同坡面結(jié)構(gòu)形式1～1.6 m護(hù)欄高度進(jìn)行分析，如圖6所示。結(jié)果顯示護(hù)欄側(cè)傾控制性能為直壁式坡面>F型坡面>單坡面，直壁式坡面控制側(cè)傾性能最佳，相對于單坡面和F型坡面護(hù)欄，車輛碰撞后沿護(hù)欄坡面有所爬升，甩尾時側(cè)傾較大。

圖6 不同坡面防側(cè)傾效果對比

3.2 護(hù)欄高度

高度對于控制車輛側(cè)傾具有重要作用，護(hù)欄越高，對于車輛控制側(cè)傾越有利，但護(hù)欄高度越高，其造價越高，且隨著護(hù)欄高度的增加，給駕駛者的壓迫性越強(qiáng)，故需要確定可達(dá)到控制側(cè)傾需求的最低護(hù)欄高度，以實(shí)現(xiàn)護(hù)欄安全性、經(jīng)濟(jì)性和景觀性的協(xié)調(diào)統(tǒng)一。對直壁式混凝土護(hù)欄高度1～1.6 m側(cè)傾情況進(jìn)行仿真分析，結(jié)果顯示：隨著護(hù)欄高度的增加，車輛橫向變形及側(cè)傾角度均逐漸下降，因此最大動態(tài)外傾當(dāng)量值(VIn)也會隨著高度的增加而下降，如圖7所示。當(dāng)護(hù)欄高度達(dá)到1.5 m時，車輛側(cè)傾角度為5.1°，角度很小，且主要為車廂變形導(dǎo)致的側(cè)傾，從經(jīng)濟(jì)性和安全性方面考慮，確定1.5 m 為護(hù)欄滿足側(cè)傾控制功能的合理高度。

圖7 不同高度橫向變形(mm)及側(cè)傾角度

3.3 護(hù)欄剛度

目前變形較小的護(hù)欄形式主要為混凝土護(hù)欄和型鋼護(hù)欄，混凝土護(hù)欄為剛性護(hù)欄，剛度較型鋼護(hù)欄大。為了確定剛度對于側(cè)傾控制的影響，建立了混凝土護(hù)欄和型鋼護(hù)欄仿真模型，試驗(yàn)工況如表4所示，試驗(yàn)條件為表3中大客車碰撞條件。

表4 試驗(yàn)工況

圖8為大客車碰撞混凝土護(hù)欄和型鋼護(hù)欄的最大側(cè)傾變形情況，混凝土護(hù)欄在車輛碰撞后，由于護(hù)欄剛度大，車輛上部變形較大，導(dǎo)致車輛側(cè)傾較大，達(dá)到53.8 cm；車輛碰撞型鋼護(hù)欄后，由于型鋼護(hù)欄本身發(fā)生一定的變形，碰撞能量消減，故車輛本身變形較混凝土護(hù)欄減小，最終車輛側(cè)傾為43.9 cm。由此可見，由于型鋼護(hù)欄變形吸能作用，側(cè)傾控制性能優(yōu)于混凝土護(hù)欄，混凝土護(hù)欄剛度過大對于控制側(cè)傾不利。

圖8 側(cè)傾變形對比(單位：mm)

3.4 護(hù)欄強(qiáng)度

由前述分析，車輛側(cè)傾控制并非護(hù)欄剛度越大越有利，護(hù)欄剛度需要與車輛變形相協(xié)調(diào)，但前提是保證護(hù)欄強(qiáng)度能夠滿足防護(hù)需求。通過對型鋼立柱應(yīng)力進(jìn)行分析，立柱為Q345鋼材，最大應(yīng)力為597.8 MPa且發(fā)生在立柱根部，易發(fā)生破壞，如圖9所示。若采用增大立柱截面的方式，截面需加大1倍，經(jīng)濟(jì)性較差。為了保證護(hù)欄整體剛度和強(qiáng)度，采用雙立柱結(jié)構(gòu)。雙立柱形成框架結(jié)構(gòu)，既可以保證護(hù)欄的整體剛度，又可以分散受力，解決單立柱強(qiáng)度不足的問題。

圖9 型鋼立柱應(yīng)力分析(單位：MPa)

4 雙立柱型鋼隧道入口護(hù)欄側(cè)傾控制分析

根據(jù)上述側(cè)傾影響因素分析，并結(jié)合過往研究者對于橋梁護(hù)欄結(jié)構(gòu)設(shè)計的優(yōu)點(diǎn)，如圓弧面對小車有較好的緩沖作用[16]，地腳螺栓錨固數(shù)量不低于4個[17]，提出了一種SB級防側(cè)傾型隧道入口護(hù)欄結(jié)構(gòu)，該護(hù)欄高度為1.5 m，迎撞面為直壁式，護(hù)欄由組合立柱、橫梁及波形梁組成，基礎(chǔ)錨固螺栓個數(shù)為6個。組合立柱剛度大，波形梁吸能效果好，立柱和波形梁協(xié)調(diào)配合，達(dá)到控制車輛側(cè)傾的效果，如圖10所示。為了使車輛在碰撞護(hù)欄后具有足夠長的導(dǎo)出距離[18]，SB級防側(cè)傾型隧道入口護(hù)欄的隧道口內(nèi)護(hù)欄長度為10 m，對該結(jié)構(gòu)進(jìn)行3種車型的有限元仿真分析，碰撞車型質(zhì)量及碰撞車速如表3所示，碰撞角度為23.3°。

圖10 雙立柱結(jié)構(gòu)

(1)側(cè)傾分析

對于護(hù)欄的防側(cè)傾功能，直壁式坡面可有效阻擋車輛爬坡造成的車輛側(cè)傾角度增大；護(hù)欄高度設(shè)置為1.5 m可有效阻擋車體的倒伏，減小車輛側(cè)傾角度；護(hù)欄剛度的合理設(shè)置使車輛在碰撞后大幅度消解能量，側(cè)傾變形較小，進(jìn)而降低車輛最大動態(tài)外傾當(dāng)量值(VIn)，如圖11所示。結(jié)果顯示，大客車最大動態(tài)外傾值為33.7 cm，側(cè)傾角度為6.4°，經(jīng)計算最大動態(tài)外傾當(dāng)量值(VIn)為43.3 cm；大貨車最大動態(tài)外傾值為12.8 cm，側(cè)傾角度為0.4°，經(jīng)計算最大動態(tài)外傾當(dāng)量值(VIn)為13.4 cm；滿足前述理論計算得到的隧道入口車輛側(cè)傾45 cm限值的要求。

圖11 大型車輛橫向變形(mm)及側(cè)傾角度

(2)緩沖分析

隧道入口護(hù)欄需要過渡，碰撞角度增大，對護(hù)欄的緩沖功能要求提高。評價標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定，緩沖功能的評價主要參照小客車乘員在碰撞后橫向和縱向的速度和加速度的情況，因此緩沖功能采用小客車作為評價標(biāo)準(zhǔn)。如圖12所示，該結(jié)構(gòu)下部采用雙波板+三波板結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)均勻，吸能緩沖效果好，小型客車碰撞后加速度變化平緩。乘員碰撞后加速度的縱向和橫向分量為86.4 m/s2和132.8 m/s2，均小于200 m/s2，乘員碰撞速度的縱向和橫向分量為8.79 m/s 和7.63 m/s，均小于12 m/s，滿足大角度碰撞下護(hù)欄緩沖功能要求。

圖12 乘員碰撞加速度和速度曲線

5 結(jié)論

本研究采用理論計算和計算機(jī)仿真的方法，對高速公路隧道入口護(hù)欄側(cè)傾控制技術(shù)進(jìn)行了研究，確定了護(hù)欄坡面形式、護(hù)欄高度、護(hù)欄剛度和強(qiáng)度與側(cè)傾的關(guān)系，并提出了一種滿足側(cè)傾控制限值為45 cm的雙立柱型鋼隧道入口護(hù)欄結(jié)構(gòu)，具體結(jié)論如下。

(1)護(hù)欄坡面對控制側(cè)傾的效果自優(yōu)至劣為直壁式坡面>F型坡面>單坡面。

(2)護(hù)欄高度越高，防側(cè)傾效果越好，結(jié)合經(jīng)濟(jì)性和景觀性，1.5 m為護(hù)欄防側(cè)傾合理高度。

(3)對于防側(cè)傾功能，并非護(hù)欄剛度越大越好，大剛度立柱和高吸能橫梁結(jié)構(gòu)對于控制側(cè)傾效果較為明顯。