大縱坡曲線(xiàn)特長(zhǎng)隧道運(yùn)營(yíng)安全設(shè)計(jì)及分析

韋遠(yuǎn)飛，楊昌鳳，鄭金龍，陳 行

(四川省公路規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川成都 600041)

隨著公路隧道建設(shè)的大力發(fā)展，新建線(xiàn)路受地形地貌、水文地質(zhì)等因素，在西部山區(qū)等地區(qū)的大縱坡曲線(xiàn)隧道的數(shù)量日益增多[1]。大縱坡曲線(xiàn)隧道路段是山區(qū)公路事故發(fā)生的高發(fā)地段，車(chē)輛在行駛過(guò)程中易發(fā)生安全事故，大縱坡曲線(xiàn)隧道的日益突出的運(yùn)營(yíng)安全問(wèn)題在隧道線(xiàn)形選擇和隧道設(shè)計(jì)中逐漸起相關(guān)學(xué)者的重視[2-3]。

目前，國(guó)內(nèi)學(xué)者在長(zhǎng)達(dá)縱坡隧道方面進(jìn)行了想多相關(guān)研究。周勇狄[4]針對(duì)云南省鎮(zhèn)康至清水河高速公路的越嶺特長(zhǎng)隧道選擇、爬坡車(chē)道設(shè)置、避險(xiǎn)車(chē)道設(shè)置進(jìn)行了分析；王東明[5]針對(duì)昆明至宜良高速公路的萬(wàn)溪沖特長(zhǎng)隧道記性了交通量和通風(fēng)系統(tǒng)的分析，得出了合理的需風(fēng)量；黃建峰[6]對(duì)不同縱坡條件下，不同材料、不同初速度駛?cè)氡茈U(xiǎn)車(chē)道的車(chē)輛進(jìn)行了計(jì)算，得出了滿(mǎn)足安全性要求的避險(xiǎn)車(chē)道最小長(zhǎng)度；楊帆[7]分析了高速公路縱面線(xiàn)形指標(biāo)及其組合對(duì)交通安全的影響。

本文以省道303映臥公路南華隧道及紫荊隧道為工程案例，針對(duì)隧道可能存在的運(yùn)營(yíng)安全問(wèn)題，分別從路線(xiàn)設(shè)計(jì)、隧道工程措施、附屬工程措施及運(yùn)營(yíng)要求等方面提出了一系列安全改善措施，為山區(qū)大縱坡曲線(xiàn)公路隧道的設(shè)計(jì)和運(yùn)營(yíng)安全管理提供參考。

1 映臥公路工程概況

G350映秀至臥龍段公路是九環(huán)線(xiàn)映秀至四姑娘山旅游公路的重要組成部分，項(xiàng)目起于四川阿壩州汶川縣映秀鎮(zhèn)，經(jīng)耿達(dá)，止于臥龍，向西延伸穿越巴朗山，可至四姑娘山和千碉之國(guó)丹巴。

路線(xiàn)沿岷江支流漁子溪布設(shè)，為典型高山峽谷地形，河谷深切，谷坡陡峻，相對(duì)高差1 000 m左右，坡度一般為50～70 °，均為V形河谷。公路位于“5·12”汶川大地震的極重災(zāi)區(qū)，映秀至耿達(dá)段(長(zhǎng)約20 km)距離震中3～7 km，該段約90 %的道路被嚴(yán)重掩埋或損毀，原路基本無(wú)法利用。本文涉及的兩座特長(zhǎng)隧道就位于該段。

震后該段主要的地質(zhì)災(zāi)害為崩塌和泥石流。根據(jù)前期開(kāi)展的地災(zāi)評(píng)估報(bào)告的結(jié)論，在本路段約20 km的范圍內(nèi)，分布了大小崩塌35處，泥石流39處。由于路線(xiàn)走廊溝谷狹窄，2010年8月13日，集中降雨導(dǎo)致泥石流大面積爆發(fā)，一處大型泥石流將河床淤高30～40 m，并在漁子溪河谷形成堰塞湖，淤塞河道，導(dǎo)致水位上升，對(duì)在建的原映臥公路造成毀滅性的破壞。為了避讓幾乎連片發(fā)育的地災(zāi)，本路段主要以傍山隧道的形式布線(xiàn)，隧道規(guī)模較大。同時(shí)，由于路線(xiàn)走廊所處的漁子溪河平均比降超過(guò)3 %，故傍山隧道縱坡也較大(圖1)。

圖1 南華隧道洞口

2 特長(zhǎng)隧道設(shè)置情況

映臥公路重建段長(zhǎng)約18 km，設(shè)計(jì)速度40 km/h，新建單洞雙向行車(chē)隧道共12.722 km/4座，占比約70 %，其中特長(zhǎng)隧道兩座，規(guī)模如表1：

表1 特長(zhǎng)隧道工程規(guī)模一覽

兩座特長(zhǎng)隧道均為傍山隧道，平面大致沿漁子溪走向布置，平縱面參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 特長(zhǎng)隧道平縱面參數(shù)一覽

從映臥公路工程實(shí)際角度綜合分析，影響長(zhǎng)大隧道運(yùn)營(yíng)安全的風(fēng)險(xiǎn)源主要為地質(zhì)災(zāi)害，其次為隧道線(xiàn)形。而隧道洞口是最易受到地災(zāi)影響的部位，故優(yōu)先考慮隧道洞口選擇在較為安全的位置，且洞口標(biāo)高須較評(píng)估預(yù)測(cè)的河床累次淤高留有適當(dāng)富余。為了繞避地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育集中段，設(shè)計(jì)運(yùn)用遙感技術(shù)、現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查等手段開(kāi)展地災(zāi)調(diào)查，選定了相對(duì)安全的隧道洞口位置，又根據(jù)洪水及泥石流災(zāi)害爆發(fā)的情況及定量的推測(cè)，確定了洞口標(biāo)高。最后選定的洞口標(biāo)高均高于現(xiàn)有公路10 m以上。由于漁子溪河道蜿蜒曲折，且平均比降大，導(dǎo)致了兩座特長(zhǎng)隧道進(jìn)出口高差很大，平面依山勢(shì)展線(xiàn)后，平均縱坡依然超過(guò)了3 %(圖2、圖3)。

圖2 南華隧道平面布置

圖3 紫荊隧道平面布置

3 隧道大縱坡對(duì)運(yùn)營(yíng)安全的影響及設(shè)計(jì)對(duì)策

國(guó)內(nèi)山嶺重丘區(qū)連續(xù)長(zhǎng)下坡路段重特大交通事故的發(fā)生率較高，主要原因是車(chē)輛長(zhǎng)時(shí)間使用行車(chē)制動(dòng)，使得制動(dòng)器溫度急劇上升，制動(dòng)“熱衰退”現(xiàn)象突出，嚴(yán)重時(shí)車(chē)輛制動(dòng)能力完全喪失[8]。映臥公路兩座特長(zhǎng)隧道平均縱坡大，且平面線(xiàn)形由多組平曲線(xiàn)及直線(xiàn)組成，平縱指標(biāo)較低，需要充分考慮其運(yùn)營(yíng)安全問(wèn)題。

3.1 國(guó)內(nèi)類(lèi)似研究及隧道實(shí)例調(diào)研分析

(1)國(guó)內(nèi)相關(guān)課題研究顯示:在正常速度行駛和固定車(chē)速行駛、并分別要求司機(jī)不采取任何輔助剎車(chē)措施和采取排氣制動(dòng)、淋水降溫等輔助制動(dòng)措施的下坡試驗(yàn)中,對(duì)于平均縱坡4 % 長(zhǎng)下坡,制動(dòng)器溫度接近300 ℃的路程長(zhǎng)度在7～8 km[9]。在車(chē)輛正常配載、各種制動(dòng)設(shè)備完好的情況下,采取輔助剎車(chē)措施后,雙車(chē)道公路越嶺線(xiàn)的平均縱坡不應(yīng)大于5.5 % (相對(duì)高差為200～500 m)和5 % (相對(duì)高差大于500 m)[10]。

(2)國(guó)內(nèi)部分大縱坡隧道實(shí)例：中國(guó)第一條水底隧道——黃浦江打浦路隧道全長(zhǎng)2 761 m，最大縱坡為3.84 %；青島膠州灣海底公路隧道全長(zhǎng)7 797 m，最大縱坡3.9 %；西藏扎木—墨脫公路嘎隆拉隧道長(zhǎng)3 310m,海拔高程3 700 m，按行車(chē)速度30 km/h設(shè)計(jì)，隧道縱坡為4.1 %的單向坡。

通過(guò)調(diào)研分析，長(zhǎng)下坡曲線(xiàn)隧道其運(yùn)營(yíng)安全主要隱患因素為重載車(chē)輛、長(zhǎng)下坡、曲線(xiàn)隧道進(jìn)出口。就兩座特長(zhǎng)隧道而言，不超過(guò)4 %的最大縱坡對(duì)客車(chē)而言適應(yīng)能力較強(qiáng)，主要安全隱患為下坡方向的重載車(chē)輛制動(dòng)失效，其次為上坡方向重載車(chē)輛行駛速度過(guò)低導(dǎo)致的速度差過(guò)大。映臥公路主要連接小金縣、四姑娘山景區(qū)、臥龍?zhí)貐^(qū)和映秀鎮(zhèn)，車(chē)流以客車(chē)為主，大型貨車(chē)占比較小，因此交通流對(duì)道路的適應(yīng)能力較強(qiáng)，在受地形條件限制的特殊條件下，隧道的平縱線(xiàn)形可靈活設(shè)置。但由于隧道處于密閉空間，行車(chē)視線(xiàn)不佳，對(duì)交通事故的容忍度低，必須采取相關(guān)措施以提高隧道路段的運(yùn)營(yíng)安全性。

3.2 隧道運(yùn)營(yíng)安全設(shè)計(jì)

為進(jìn)一步提升隧道內(nèi)行車(chē)安全性，從路線(xiàn)設(shè)計(jì)、隧道工程措施、附屬工程措施及運(yùn)營(yíng)管理要求等方面著手，提出了全方位的隧道運(yùn)營(yíng)安全設(shè)計(jì)方案。

3.2.1 路線(xiàn)設(shè)計(jì)

(1)優(yōu)化隧道平縱組合。隧道縱坡偏大，故采用了相對(duì)偏低的平曲線(xiàn)指標(biāo)，通過(guò)平面主動(dòng)降速，使得平縱組合更合理；洞身平曲線(xiàn)半徑較小段設(shè)置較緩的縱坡，如紫荊隧道洞身平曲線(xiàn)半徑R=430m段縱坡值采用2.7 %。

(2)合理的縱坡設(shè)置。將洞口內(nèi)外路線(xiàn)縱坡設(shè)為緩坡，以利于降低車(chē)速，提高明暗過(guò)渡段的行車(chē)安全，如南華隧道進(jìn)口內(nèi)，出口外縱坡分別為2.8 %和0.4 %；隧道內(nèi)縱坡設(shè)置成較大縱坡與較小縱坡間隔布置的分段組合形式，最大縱坡不超過(guò)4 %，較小縱坡段能讓連續(xù)下坡車(chē)輛更易控制，且讓上坡方向重車(chē)易于提升車(chē)速以減少洞內(nèi)車(chē)輛的速度差。

3.2.2 隧道工程措施

(1)加寬隧道內(nèi)空，改善洞內(nèi)視距和側(cè)向余寬。隧道按40 km/h設(shè)計(jì)時(shí)速控制平縱線(xiàn)形，建筑限界采用10 m(凈寬)×5 m(凈高)，即較規(guī)范要求加寬了1 m，使車(chē)輛在隧道中行駛時(shí)的視距增加了9 %以上，改善了視覺(jué)感受，增強(qiáng)了行車(chē)安全。

(2)設(shè)置多處直通洞外的逃生橫洞。利用兩座特長(zhǎng)隧道均為傍山隧道的有利特征，從洞內(nèi)設(shè)置多處橫洞與現(xiàn)有道路聯(lián)通，施工期間可作為輔助施工通道加快隧道施工進(jìn)度，運(yùn)營(yíng)期間作為逃生通道，能極大縮短逃生距離。南華隧道設(shè)置了4處橫洞，紫荊隧道設(shè)置了5處橫洞，可使長(zhǎng)5 km左右的特長(zhǎng)單洞雙向行車(chē)隧道救援、逃生效率與中隧道相當(dāng)。

(3)隧道通風(fēng)系統(tǒng)按正常通行、阻滯、火災(zāi)等各種工況進(jìn)行檢算，并預(yù)留適當(dāng)?shù)膫溆蔑L(fēng)機(jī)，制定火災(zāi)通風(fēng)預(yù)案。

3.2.3 附屬工程措施

(1)強(qiáng)化隧道路面設(shè)計(jì)。全隧道采用阻燃瀝青混凝土路面，路面摩擦力特別是防側(cè)滑摩擦力加大，增強(qiáng)了行車(chē)的安全性和舒適性。隧道口設(shè)置了環(huán)氧樹(shù)脂薄層路面，輔助減速，減少事故發(fā)生率。

(2)在兩座隧道之間的路基段設(shè)置降溫池，利于下坡重車(chē)?yán)鋮s輪轂。

(3)強(qiáng)化了交通安全設(shè)施設(shè)計(jì)。隧道照明采用了較高的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，提高行車(chē)舒適度；隧道內(nèi)設(shè)置有源LED突起路標(biāo)、輪廓標(biāo)，用以增強(qiáng)誘導(dǎo)與警示；建立信息采集發(fā)布系統(tǒng)，在隧道內(nèi)設(shè)置多處可變情報(bào)板(可變限速板)，及時(shí)發(fā)布路況信息；隧道內(nèi)設(shè)置無(wú)盲區(qū)的監(jiān)控系統(tǒng)、火災(zāi)檢測(cè)報(bào)警系統(tǒng)，輔以視頻檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)異常事件進(jìn)行自動(dòng)檢測(cè)、報(bào)警，縮短救援、處理反應(yīng)時(shí)間。

3.2.4 運(yùn)營(yíng)管理要求

(1)就近設(shè)置隧道管理所，建議24 h有人值守，配備相應(yīng)的消防、救援設(shè)備，制定救援預(yù)案，能夠?qū)Ω鞣N交通意外快速反應(yīng)。

(2)配合交管部門(mén)建立區(qū)間測(cè)速系統(tǒng)，嚴(yán)格控制過(guò)往車(chē)輛的超速行為。

4 運(yùn)營(yíng)安全對(duì)策措施的有效性驗(yàn)證

映臥公路2016年10月建成通車(chē)，管養(yǎng)單位接管后，便同步開(kāi)始了交通事故的統(tǒng)計(jì)分析工作。由于該路段交通量較大且車(chē)速較快，通車(chē)后交通事故時(shí)有發(fā)生。南華隧道事故高發(fā)段位于出口附近，紫荊隧道事故高發(fā)段位于洞身直線(xiàn)段，均以下行方向?yàn)橹?，事故主要形式為追尾。?jīng)調(diào)查分析，主要原因?yàn)檠鼐€(xiàn)設(shè)置了限速標(biāo)志(40 km/h)而未嚴(yán)格執(zhí)行，部分車(chē)輛嚴(yán)格遵守限速，部分車(chē)輛超速，導(dǎo)致速度差過(guò)大。

為了提升道路行車(chē)安全，交管部門(mén)自2108年11月起開(kāi)始對(duì)兩座特長(zhǎng)隧道所在約20 km長(zhǎng)的路段實(shí)施區(qū)間測(cè)速管理，限速60 km/h。實(shí)施交通管制措施后，由于車(chē)流運(yùn)行速度趨于合理，特長(zhǎng)隧道內(nèi)事故數(shù)明顯降低，如圖4所示。

圖4 兩座特長(zhǎng)隧道事故統(tǒng)計(jì)

據(jù)統(tǒng)計(jì)，兩座特長(zhǎng)隧道里程長(zhǎng)度約占路段總里程的24 %，截至2019年3月發(fā)生的交通事故為35起，約占路段總數(shù)的30 %，隧道內(nèi)的事故率略高于洞外路段，但2017年底采取區(qū)間測(cè)速的交通管控措施后，隧道內(nèi)的事故率低于洞外路段。另外，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，兩座隧道之間的降溫池幾乎沒(méi)有大車(chē)使用，可見(jiàn)重車(chē)的制動(dòng)性能在該路段是可控的。

綜上所述，按照預(yù)期車(chē)速運(yùn)行狀態(tài)，大縱坡特長(zhǎng)隧道采取的運(yùn)營(yíng)安全設(shè)計(jì)措施能有效改善隧道的實(shí)際運(yùn)營(yíng)安全情況。

5 結(jié)束語(yǔ)

映臥公路位于“5·12”汶川大地震極重災(zāi)區(qū)，其重建工作限制因素多，難度大。特長(zhǎng)隧道平縱面線(xiàn)形基于“地災(zāi)繞避”的優(yōu)先原則擬定，存在大縱坡疊加多段平曲線(xiàn)組合的不利現(xiàn)象。設(shè)計(jì)針對(duì)路段特有的地形、交通流特征等因素，優(yōu)化平縱面組合，采取了一系列工程措施，提出了系統(tǒng)的管理要求。近3年的運(yùn)營(yíng)情況證明，這些措施是富有實(shí)效的。

對(duì)于山嶺重丘區(qū)的類(lèi)似工程，映臥公路的設(shè)計(jì)理念、安全措施可兼顧工程規(guī)模的控制和運(yùn)營(yíng)安全的保障，具有較強(qiáng)的借鑒意義。