曾寶榮 龔帥 崔波 何艷 祝偉

1.江門市銀洲湖高速公路有限公司 529000

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引言

高速公路隧道出口由于常常會受到白洞效應(yīng)、路面條件變化、側(cè)風等不利因素的影響，相比常規(guī)路段安全風險較大，駕駛員在途經(jīng)時如果操作不當可能會導(dǎo)致車輛失控沖撞護欄，此時若隧道出口護欄設(shè)置存在不足，不僅無法為事故車輛提供安全保護，還有可能會造成更為嚴重的事故后果［1］。因此，針對隧道出口護欄進行安全合理的設(shè)置十分關(guān)鍵。

目前針對高速公路隧道路段的護欄防護研究較少，且大多針對隧道入口護欄進行研究［2～4］，很少關(guān)注隧道出口護欄的安全設(shè)置問題。本文對隧道出口護欄設(shè)置現(xiàn)狀分析后，結(jié)合相關(guān)規(guī)范對隧道出口護欄設(shè)置的新要求，針對高速公路隧道出口護欄安全設(shè)置進行研究，提出了改進設(shè)置方案，并采用計算機仿真方法對改進后護欄的安全提升效果進行了驗證［5］。

1 隧道出口護欄常見設(shè)置及分析

相關(guān)資料調(diào)查表明，高速公路隧道出口主要包括橋梁與隧道銜接、路基與隧道銜接兩種情況，橋梁與隧道出口銜接處的護欄多為混凝土護欄和組合式護欄形式，路基與隧道出口銜接處的護欄多為波形梁鋼護欄形式。通過對隧道出口護欄進行調(diào)查和分析（表1），發(fā)現(xiàn)目前絕大部分隧道出口護欄的設(shè)置存在著一些不足，例如橋梁與隧道銜接處的隧道出口混凝土護欄端部結(jié)構(gòu)處理及其設(shè)置位置不合理、路基與隧道銜接處的隧道出口波形梁護欄端部未與隧道壁搭接錨固等。

根據(jù)實踐應(yīng)用經(jīng)驗，表1 中隧道出口處雖然都設(shè)置了防撞護欄等安全防護設(shè)施，但不合理的設(shè)置方式可能反而會增加新的安全隱患［6～8］。實際中因為護欄設(shè)置不合理而發(fā)生的車輛碰撞后絆阻、車輛側(cè)翻以及護欄板侵入車體等事故對車輛及乘員造成了更為嚴重的傷害。

表1 隧道出口護欄設(shè)置現(xiàn)狀Tab.1 Current situation of barrier setting at tunnel exit

2 最新設(shè)計規(guī)范的規(guī)定

為提升高速公路隧道出入口處的安全防護水平，在新版《公路交通安全設(shè)施設(shè)計規(guī)范》（JTG D81—2017）（以下簡稱《設(shè)計規(guī)范》）和《公路交通安全設(shè)施設(shè)計細則》（JTG/T D81—2017）（以下簡稱《設(shè)計細則》）中對隧道出入口護欄設(shè)置提出了最新要求。其中針對隧道出口處護欄設(shè)置，《設(shè)計細則》中規(guī)定：隧道出口處的路側(cè)波形梁護欄可采用與隧道壁搭接的方式，端部護欄板應(yīng)進行斜面焊接處理；對于隧道出口處的混凝土護欄提出要采用正常線形延伸至隧道洞口的處理方式?？梢姡对O(shè)計細則》對于隧道出口和護欄之間的銜接與過渡給出了原則性規(guī)定，但對于護欄如何具體設(shè)置未給出可供參考的示例，對實際工程的直接指導(dǎo)作用有限。因此，有必要針對隧道出口處護欄設(shè)置進行研究，給出安全合理設(shè)置方案。

3 隧道出口護欄設(shè)置方案

結(jié)合《設(shè)計規(guī)范》與《設(shè)計細則》相關(guān)規(guī)定，以隧道出口橋梁與隧道銜接處混凝土護欄及路基與隧道銜接處波形梁護欄為例，針對護欄設(shè)置位置及端部結(jié)構(gòu)處理提出改進方案，示例中所用混凝土護欄、波形梁護欄分別符合《設(shè)計細則》中對設(shè)計等級為SS 級混凝土護欄和A 級波形梁護欄的結(jié)構(gòu)設(shè)計要求。具體改進設(shè)置方案如下：

1.方案一：橋梁與隧道銜接處混凝土護欄安全設(shè)置方案

橋梁混凝土護欄盡可能遠離行車道，特別是其在出口處的護欄端頭應(yīng)藏于隧道壁之后，以消除車輛正面碰撞風險；若有條件還宜將護欄做漸變過渡［9］，以減小車輛碰撞角度。如圖1 所示為橋梁與隧道相接隧道出口護欄設(shè)置改進措施示意。

圖1 方案一隧道出口護欄改進Fig.1 Barrier improvement measures at tunnel exit of Scheme Ⅰ

2.方案二：路基與隧道銜接處波形梁護欄安全設(shè)置方案

路基波形梁護欄同樣需要遠離行車道，特別是出口處的護欄端頭應(yīng)與隧道壁內(nèi)側(cè)搭接錨固；若有條件也宜將護欄做漸變過渡［10，11］，以減小車輛碰撞角度。如圖2 所示為路基與隧道相接隧道出口護欄改進措施示意。

圖2 方案二隧道出口護欄改進Fig.2 Barrier improvement measures at tunnel exit of scheme Ⅱ

4 安全性能分析

4.1 碰撞條件

采用計算機仿真模擬碰撞分析方法對改進后護欄安全性能進行評價。根據(jù)隧道出口護欄設(shè)計防護等級選取相應(yīng)碰撞條件，方案一橋梁混凝土護欄與方案二路基波形梁護欄分別按《公路護欄安全性能評價標準》（JTG B05-01—2013）［12］中SS級碰撞條件和A 級碰撞條件，采用標準車型以20°碰撞角進行仿真分析，具體碰撞條件如表2 所示。

表2 碰撞條件Tab.2 Collision conditions

4.2 仿真模型建立

利用hypermesh 軟件對碰撞模擬所需車輛、護欄及隧道洞口按照實際尺寸進行建模。方案一橋梁與隧道相接處混凝土護欄與各車型的模型如圖3 所示，方案二路基與隧道相接處波形梁護欄與各車型的模型如圖4 所示。

圖3 方案一隧道出口混凝土護欄與車輛建模Fig.3 Concrete barrier at tunnel exit and vehicle modeling of scheme Ⅰ

圖4 方案二隧道出口波形梁護欄與車輛建模Fig.4 W-beam barrier at tunnel exit and vehicle modeling of scheme Ⅱ

4.3 仿真結(jié)果

圖5 為小客車碰撞方案一、方案二的仿真結(jié)果?？梢钥闯鲎o欄對小客車進行了有效防護，車輛平穩(wěn)駛出，沒有穿越、翻越和騎跨護欄現(xiàn)象，碰撞后車輛恢復(fù)到正常行駛姿態(tài)，阻擋和導(dǎo)向功能良好。方案一縱向和橫向的乘員碰撞速度分別為3.4m/s、5.9m/s，方案二縱向和橫向的乘員碰撞速度分別為6.8m/s、4.5m/s，均小于12m/s。方案一的縱向和橫向的乘員碰撞后加速度分別為70.4m/s2、140.5m/s2，方案二縱向和橫向的乘員碰撞后加速度分別為80.3m/s2、100.4m/s2，均小于200m/s2。緩沖功能良好。

圖5 小客車碰撞仿真過程Fig.5 Simulation process diagram of car collision

圖6 為大型客車、中型客車碰撞護欄仿真結(jié)果。可以看出車輛被護欄有效攔截并成功導(dǎo)出，沒有穿越、翻越和騎跨護欄現(xiàn)象，碰撞后車輛恢復(fù)到正常行駛姿態(tài)，阻擋和導(dǎo)向功能良好。方案一大型客車碰撞過程中車輛最大動態(tài)外傾值為0.914m，車輛最大動態(tài)外傾當量值為1.326m。方案二中型客車碰撞過程中測量得到護欄最大橫向動態(tài)變形值為1.554m，護欄最大橫向動態(tài)位移外延值為1.496m，車輛最大動態(tài)外傾值為1.537m，車輛最大動態(tài)外傾當量值為1.647m。各項指標滿足要求。

圖6 客車碰撞仿真過程Fig.6 Simulation process diagram of bus collision

圖7為貨車碰撞護欄仿真結(jié)果，可以看出貨車被護欄有效阻擋并成功駛出，沒有穿越、翻越和騎跨護欄現(xiàn)象，碰撞后車輛恢復(fù)到正常行駛姿態(tài)，阻擋和導(dǎo)向功能良好。方案一大貨車碰撞過程中車輛最大動態(tài)外傾值為1.279m，車輛最大動態(tài)外傾當量值為1.467m。方案二中貨車碰撞過程中測量得到護欄最大橫向動態(tài)變形值為0.978m，護欄最大橫向動態(tài)位移外延值為1.253m，車輛最大動態(tài)外傾值為1.521m，車輛最大動態(tài)外傾當量值為1.829m。各項指標滿足要求。

圖7 貨車碰撞仿真過程Fig.7 Simulation process diagram of truck collision

4.4 安全提升效果對比

方案一提升效果如表3 所示。通過與改進前護欄仿真結(jié)果對比可以看出，護欄結(jié)構(gòu)改進前小型客車、大型客車和大型貨車3 種車型碰撞后均未能成功導(dǎo)出，車輛在護欄處發(fā)生絆阻，車頭受到擠壓發(fā)生變形，嚴重威脅車內(nèi)乘員安全。按照過渡改進方案，將護欄端頭藏于隧道壁之后，有效消除了車輛正面碰撞護欄的風險，小型客車、大型客車和大型貨車3 種車型碰撞后均順利導(dǎo)出，沒有穿越、翻越、騎跨護欄現(xiàn)象發(fā)生，車輛有輕微刮蹭但車內(nèi)駕駛室未受到傷害，保障了車內(nèi)乘員安全，可見橋梁混凝土護欄的過渡改進設(shè)置方案有效提升了護欄安全性能，滿足SS 級防護等級要求。

表3 方案一改進加強提升效果Tab.3 Enhancement effect of Scheme Ⅰ

方案二提升效果如表4 所示。通過與改進前護欄仿真結(jié)果對比可以看出，護欄結(jié)構(gòu)改進前小型客車、中型客車和中型貨車3 種車型碰撞后均未能導(dǎo)出，車輛在護欄處發(fā)生嚴重絆阻，小客車在護欄端頭位置絆阻后車尾高高躍起有翻滾趨勢，中型客車和中型貨車碰撞后爬升并騎跨護欄結(jié)構(gòu)，有護欄構(gòu)件及其脫離件侵入車輛乘員艙的風險，乘員安全受到威脅。按照過渡改進方案，在波形梁護欄端頭與隧道內(nèi)側(cè)壁搭接錨固，實現(xiàn)隧道與護欄的合理過渡。改進后小型客車、中型客車和中型貨車3 種車型碰撞后均順利導(dǎo)出，沒有穿越、翻越、騎跨護欄現(xiàn)象，車輛有輕微刮蹭但車內(nèi)駕駛室未受到傷害，保障了車內(nèi)乘員安全，可見波形梁護欄過渡改進設(shè)置方案有效提升了護欄安全性能，滿足A 級防護等級要求。

表4 方案二改進加強提升效果Tab.4 Enhancement effect of Scheme Ⅱ

5 結(jié)語

通過對隧道出口護欄設(shè)置的調(diào)查研究，結(jié)合新版《公路交通安全設(shè)施設(shè)計規(guī)范》（JTG D81—2017）和《公路交通安全設(shè)施設(shè)計細則》（JTG/T D81—2017）對隧道出口護欄設(shè)置的新要求，對路基護欄和橋梁護欄端頭設(shè)置位置及過渡方式提出了改進方案，通過護欄遠離行車道，橋梁護欄端頭藏于隧道壁后、路基護欄端頭與隧道壁內(nèi)側(cè)搭接錨固，實現(xiàn)隧道出口與護欄的安全銜接。經(jīng)計算機仿真模擬對護欄改進前后效果進行對比，橋梁混凝土護欄達到SS 級安全防護等級的要求，路基波形梁護欄達到A級防護等級的要求，改進設(shè)置方案有效提升了隧道出口護欄安全性。研究對于隧道出口處護欄的安全設(shè)置具有現(xiàn)實指導(dǎo)意義。