临近并行的高铁桥梁与高速公路相互影响的安全风险评估

田 雨， 马如进， 陈艾荣, 李 芳

(1.同济大学 桥梁工程系，上海 200092; 2.中交公路长大桥建设国家工程研究中心有限公司，北京 100088;3 中国建筑设计院有限公司，北京 100044)



临近并行的高铁桥梁与高速公路相互影响的安全风险评估

田 雨1,2， 马如进1， 陈艾荣1, 李 芳3

(1.同济大学 桥梁工程系，上海 200092; 2.中交公路长大桥建设国家工程研究中心有限公司，北京 100088;3 中国建筑设计院有限公司，北京 100044)

新建高铁桥梁与既有高速公路临近并行的状况对桥梁结构、列车运行及汽车行驶安全性的影响尚不明确，也未见针对性的分析和评估。在考虑临近并行高铁桥梁与高速公路相互影响特性的基础上，识别了关键风险因素，建立了此类问题评估过程的总体框架。以一实际工程为例，通过理论分析、数值模拟和现场实测等手段，深入研究了高速公路车辆撞击、爆炸、火灾对高铁桥梁及列车运行安全的影响以及高铁列车通行引发的气流、眩光、噪声对高速公路行车安全的影响。根据建立的风险矩阵，综合考虑发生概率及损伤后果，对每种风险因素的风险等级做出了评价和判定，依据评判结果，提出了多种有效措施来降低高铁桥梁与高速公路临近所带来的不利影响。

风险评估；高铁桥梁；高速公路；相互影响；安全性

自2008年8月1日设计时速350公里的京津城际铁路开通运营以来，至2014年底，我国高速铁路运营总里程已超过1万6千公里，约占世界高铁运营里程的50%。在我国大规模的高铁建设中，出于节省用地和控制线路沉降的目的，即便在平原地区，也大量使用桥梁而非普速铁路中常用的填方路基来铺设无砟轨道。此外，高速铁路选线往往受到城市规划、节约土地、吸引客流、环境保护等多种因素的制约，很可能会导致需利用既有交通走廊来铺设新建高铁线路[1]。这就难以避免地会出现新建高速铁路桥梁与既有高速公路临近、并行的状况。随着“一带一路”构想的推进和实施，未来一段时间我国高速铁路建设仍会高速发展，预计在经济发达、人口密集、用地紧张的地区，新建高速铁路和既有高速公路以临近并行的形式共用交通走廊会逐渐成为常态。

国内外对常规情况下的桥梁结构安全性、高铁列车运营安全性、高速公路汽车行驶安全性方面进行了大量研究，已较为成熟，在长期实践中也积累了大量的分析、评估方法和保障、提升措施[2]。然而，通行时速300公里以上列车的高铁桥梁与高速公路临近并行这一状况对桥梁结构安全、列车运行安全及汽车行驶安全必然会带来额外的影响，相应的影响因素和影响效应目前均不明确，也无针对性的分析和评估方法提出，这就导致难以对此类问题进行科学决策和处置。

本文基于风险评估基本原理，对解决临近并行高铁桥梁与高速公路间相互影响的安全评估问题做出首次尝试。首先基于风险矩阵评估方法，在对由高铁桥梁与高速公路临近并行所带来的、可能影响高铁桥梁、列车运行和汽车行驶安全性的风险因素进行全面识别的基础上，建立此类安全评估问题评估过程的总体框架；接下来，以一个实际工程为例，通过理论分析、数值模拟和现场实测等方法，深入研究了每种风险因素对安全性的影响效应及后果，结果表明高速铁路桥梁与高速公路临近对桥梁结构本身和两条线路的运行安全都会带来显著的不利影响；综合考虑发生概率及后果，对每种风险因素的风险等级做出评价和判定，根据评判结果，提出了多种针对性措施来降低高铁桥梁与高速公路临近所带来的不利影响。

1 临近并行高铁桥梁与高速公路相互影响安全风险评估的总体框架

风险评估可起到甄别风险、辅助决策、保障项目实施的作用。基于风险矩阵评估方法，着重考虑临近并行高铁桥梁与高速公路相互影响的特性，识别风险因素，建立安全风险评估的总体框架。

1.1 风险识别

风险一般是多层次的，其产生过程可通过风险源、风险因素、风险事态和风险损失等各要素的关系予以揭示，因而也可从这几方面开展风险识别。临近并行的高铁桥梁与高速公路相互影响安全风险评估涉及到桥梁结构、列车运行、车辆行驶以及其他一些外部因素，评估过程相当复杂，且桥梁结构、列车运行、车辆行驶既是风险源，也是风险作用对象。通过资料调研、专家咨询和现场调查，全面识别了风险源、风险因素、风险事态和风险损失，见表1。

表1 风险识别结果

高速公路交通事故可能造成车辆失控冲出公路并撞击临近的高铁桥梁，此外车辆交通事故、载运的易燃易爆物品还有可能引发爆炸和火灾，撞击、爆炸、火灾会破坏高铁桥梁结构进而对列车的运行安全带来巨大威胁[3]；距离足够近时，高铁列车高速通过时产生的气流[4]、眩光、噪声可能会对临近高速公路车辆行驶安全性和舒适性造成不利影响。将撞击、火灾、爆炸、气流、眩光、噪声这六个因素视为此类评估的风险因素。需要强调的是，由于高铁运行带来的气流、眩光、噪声会影响高速公路车辆行驶安全，这又会进一步增加车辆失控撞击桥梁以及爆炸、火灾发生的可能性，这便体现出了临近高铁桥梁与高速公路间的相互影响效应。

1.2 风险矩阵的建立

风险可认为是不确定危害事态及其概率和后果的集合[5]。基于ALARP决策准则的风险矩阵评估方法概念清晰、使用方便，在实践中应用广泛，其基本过程为：开展风险识别，确定需要评估的风险因素和风险事态；采用特定方法进行风险分析，描述各风险事态的概率和损失水平；划分概率和损失等级，建立风险矩阵，并依此对各风险事态进行风险评价与决策；根据评价结果，采取合适的措施处置风险[6]。

风险评估一般对各个风险事态进行分析和评价。然而，对临近并行高铁桥梁和高速公路间相互影响的安全风险评估问题，直接对综合性的、包含交互影响效应的风险事态进行评估较为困难。基于此类评估问题的特点，本文提出对撞击、火灾、爆炸、气流、眩光、噪声等各风险因素进行分析、评价、决策和应对的风险矩阵评估方法。根据各风险因素对安全性影响的严重程度划分风险损失等级，建立的风险矩阵见表2。在分析得到各风险因素的概率和损失水平后，可根据此风险矩阵判定各风险因素的风险等级并采取应对措施。

表2 风险评估矩阵

1.3 评估过程

在风险因素识别和风险矩阵构建的基础上，基于风险评估的一般原理，建立临近并行的高铁桥梁与高速公路相互影响安全评估过程的总体框架，如图1所示。整个评估过程包括风险识别、风险分析、风险评价和风险应对等几个关键部分。

图1 评估过程的总体框架Fig.1 General framework of proposed assessment procedure

接下来通过实例分析深入研究各个风险因素对安全性的影响效应和后果，并将以上提出的评估过程总体框架系统地应用于此评估实例。实例中的高铁桥梁为钢筋混凝土简支箱梁桥，跨度32 m，梁高3.05 m，高速公路与高铁桥梁的走向基本平行，桥墩边缘与高速公路路肩之间水平距离为14.4～25.3 m，桥面与高速公路路面高差为4.8 m～9.1 m，现场照片见图2。

图2 评估实例的实景照片Fig.2 Photo of high-speed railway bridge and highway for case study

2 车辆撞击、爆炸、火灾对高铁桥梁及列车运行安全的影响

2.1 车辆撞击

在考虑高速公路护栏对车速折减的基础上分析车辆对高铁桥梁的撞击。采用大型非线性有限元程序LS-DYNA对车辆撞击护栏和高铁桥梁的过程进行精细化模拟[7]。车辆和护栏、桥梁混凝土、桥梁钢筋分别用壳单元、体单元和梁单元建模，碰撞过程中的接触非线性、材料的率相关性、钢材的屈服、混凝土的压溃和开裂都在分析中予以考虑[8]。

图3 车辆撞击护栏的模拟Fig.3 Simulation of vehicle-protection fence collision

图4 车辆撞击护栏剩余速度与初始速度之比Fig.4 Ratio of residual velocity to initial velocity

偏安全地采用重载卡车进行碰撞分析。基于高速公路上实际行车速度和可能的碰撞角度对车辆-护栏碰撞过程进行模拟。车辆以100 km/h速度、20°角度撞击波形梁半刚性护栏的撞击过程和车辆速度时程曲线见图3，车辆以不同速度和角度撞击护栏后剩余速度与撞击前速度之比示于图4，可见撞击角度越大，剩余速度也越高，最高可达初始速度的90%。

进一步考虑缓冲地带的阻碍作用，对可能发生的车辆以不同速度、不同角度撞击桥梁不同部位进行模拟。分析结果表明，撞击动能主要转变为车辆变形能，桥梁结构无明显损伤，其在车辆撞击作用下是足够安全的。车辆横向撞击桥墩底部时的应力云图见图5。

图5 车桥撞击时的米塞斯应力云图(MPa)Fig.5 Von Mises stress nephogram of vehicle-bridge collision (MPa)

车辆以不同角度撞击桥墩不同位置时主梁横向及竖向位移极值见图6，最大横向位移为5.5 mm，最大竖向位移为2.2 mm。此外，车辆超高部分有可能直接撞击主梁，这时主梁最大横向位移为29.3 mm，最大竖向位移16 mm。根据我国高速铁路设计规范[9]，无砟轨道桥梁相邻梁端两侧的钢轨支点横向相对位移不应大于1 mm，轨道铺设完成后梁体竖向残余变形不应大于10 mm。可见车辆撞击下桥梁变形会超出常规作用下变形要求的限值。如果撞击瞬间恰巧有高铁列车通行，主梁变位引起的轨道变形会严重影响列车运行安全，可能引发列车脱线等重大安全事故。

图6 车桥撞击桥墩时的主梁位移极值Fig.6 Max displacement of girder under vehicle-pier collision

2.2 车辆爆炸

美国烟酒火器局给出了不同车型能够携带炸药的等效TNT当量[10]，并认为60%的车辆爆炸能量不超过250 kg TNT当量，由于大质量非军用炸药在爆炸时能量难以一次性释放，所以一般认为民用车辆爆炸能量最大不超过2 000 kg TNT当量[11]。分别以250 kg、500 kg、2 000 kg TNT当量的车辆爆炸作为爆炸源，采用LS-DYNA程序分析不同位置车辆爆炸作用下高铁桥梁结构损伤特征和动态响应。计算得到的桥下爆炸的等效竖向爆炸力时程曲线见图7。

图7 爆炸力时程曲线Fig.7 Explosive load time-history curves

在靠近桥墩顺桥向一侧的250 kg TNT车辆爆炸作用下，迎爆面会发生严重的局部损伤，损伤深度超过半米，墩柱与承台连接处混凝土在振动过程中会进一步破坏，墩顶塌落近1 m，桥墩丧失承载能力，如图8所示。横向距高铁桥梁2 m的2 000 kg TNT车辆爆炸作用下，主梁靠近爆炸源侧的翼缘板和腹板飞出，主梁完全破坏，由于桥墩横向强度及刚度比纵向大得多，此时桥墩虽大面积受损，但并未完全破坏，见图9。

图8 爆炸时桥墩损伤(250 kg TNT)Fig.8 Pier damage under vehicle explosion(250 kg TNT)

图9 爆炸时主梁损伤(2 000 kg TNT)Fig.9 Girder damage under vehicle explosion(2 000 kg TNT)

可见，极端车辆爆炸作用下高铁桥梁损伤严重，如果爆炸发生时或发生后有列车通过，会引发极其严重的安全事故。另外还需引起注意的是，尽管有些强度较低、距离较远的爆炸不会对高铁桥梁结构造成显著破坏，但爆炸引起的桥梁剧烈振动、过大变形以及爆炸冲击波和碎片均会严重威胁列车的通行安全和乘客的人身安全并损坏高铁机电设备。

2.3 车辆火灾

分析最大释热速率300 MW、持续时间2 h、发生在高铁桥梁主梁下方的油罐车火灾这种极端情况下桥梁结构的安全性。采用火灾场模拟程序FDS(Fire Dynamics Simulator)确定火灾发生时的空气温度场，见图10，经计算火焰最高温度约950℃，出现在距地面5 m高度处，火焰高约10 m，边缘处温度约500℃。火灾作用下主梁及桥墩温度分布见图11，主梁最高温度约470℃，分布在主梁底板下表面距中心点约2.5 m的范围内，桥墩最高温度约640℃，分布在桥墩侧面约4.3 m×1.5 m的范围内。主梁底板和桥墩表面混凝土仅在小范围内有一定损伤，但损伤相对于整个梁、墩截面而言很小，且钢筋力学性能无明显衰减，桥梁结构安全性基本不受影响。然而近距离车辆火灾可能会破坏高铁输电线路进而对列车运行安全性有一定影响，需引起必要重视，及时采取灭火措施。

图10 火灾温度场(℃)Fig.10 Fire temperature fields (℃)

图11 主梁和桥墩温度分布(℃)Fig.11 Thermal distribution of girder and pier (℃)

3 高铁列车运行时气流、眩光、噪声对高速公路行车安全的影响

3.1 气流

高铁列车运行时会对周围空气产生强烈扰动，这种局部风环境变化产生的压力波可能会影响临近公路的行车安全性。首先从理论上分析侧风对公路行车安全性的影响，并结合实例计算代表性车型的行车安全临界风速；然后通过数值风洞计算车辆与高铁列车相向而行交汇时所受的侧向风荷载并推算等效侧向风速，比较等效侧向风速与行车安全临界风速的大小关系以评估高铁列车经过时的公路行车安全性。

图12 车辆侧向受力图Fig.12 Lateral force acting on a driving vehicle

侧风作用下行驶中的车辆受到的侧向力包括离心力FI、侧向气动力FS、路面横坡产生的重力分量Gα和轮胎与路面之间的摩擦力Ff，如图12所示。若要确保侧风作用下的行车安全，必须满足式(1)。

FI+FS+Gα≤Ff

(1)

(2)

(3)

Gα=mgsinα

(4)

(5)

离心力、侧向气动力、路面横坡产生的侧向重力分量和摩擦力的表达式分别为式(2)～(5)，其中，m为汽车质量，Ucar为车速，R为转弯半径，ρ为空气密度，A为汽车的正投影面积，kCS为气动侧向力系数与风向角之间的比例系数，Uwind为侧风风速，g为重力加速度，α为路面横坡坡度，μS为与路面状况有关的摩擦因数，kCL为气动升力系数与风向角之间的比例系数。

根据评估实例的现场实测情况，由式(1)～(5)计算代表性车型在不同车速下的行车安全临界风速。两类车型的结果列于表3。

通过数值风洞模拟高铁列车与高速公路车辆相向而行到最终远离的过程，压力场见图13(a)。大客车速度120 km/h、高铁列车速度300 km/h，大客车所受侧向风荷载的计算结果见图13(b)，最大值为355 N，以侧向气动力系数6.0推算，等效侧向风速最大值为3.22 m/s，远低于车速120 km/h时的大客车行车安全临界风速值18.5 m/s。可见，由高铁列车和大客车交汇运行引发的气流扰动不会影响大客车的行车安全性，对其他代表性车型的计算分析也能得出类似结论。因此，可认为高铁列车运行引发的气流不会降低临近高速公路车辆的行驶安全性。

表3 行车安全临界风速

图13 高铁列车与高速公路车辆交汇过程的数值风洞模拟Fig.13 Numerical wind tunnel simulation of train-vehicle crossing

3.2 眩光

现场实测了高速公路上与高铁列车光源不同纵距、平距及高差点的照度值。视线与眩光源光线入射方向的夹角在1.5°～60°范围内时，等效光幕亮度可按式(6)计算。要评价眩光对人眼视认效果的干扰，需要计算眩光评价点的阈值增量，在背景亮度处于0.05 cd/m2～5 cd/m2范围时，可按式(7)计算阈值增量。

(6)

(7)

式中:Lv是等效光幕亮度(cd/m2)；ECI是眩光源在观察着眼中位于垂直于视线平面上的照度(Lx)，通过现场实测获得；θ是视线与眩光源入射方向的夹角，以度为单位；K是常数，取10；TI为阈值增量(%)；Lαv为路面平均亮度(cd/m2)，通过现场实测获得。

与高铁光源横距20 m、纵距20 m、高差2.5 m处作为高速公路上的眩光评价点，由实测数据此处照度值为2.2 Lx，路面平均亮度为1.04 cd/m2，由式(6)和式(7)可得到此处眩光阈值增量为68.66%。根据国际发光照明委员会(CIE)对夜间眩光限制的建议指标，本环境下眩光阈值增量不应超过20%。可见评价区域的眩光阈值增量超过了规定允许的最大值，且眩光程度相对较强。因此，此例中高铁列车光源会对高速公路汽车驾驶员造成明显的眩光影响，需采取有效措施对眩光进行控制，以确保夜间的行车安全。

3.3 噪声

对高铁列车运行和汽车行驶时的噪声进行了现场实测，按照相应的噪声评价标准和方法对高速公路上行驶车辆内部噪声最大值和语言干扰级进行综合评估。结果表明，高铁列车运行对车内噪声和语言干扰级的贡献较小，总体噪声水平不会对车辆行驶的安全性产生影响，无需专门采取额外的应对措施。

4 风险评价

采用表 2中的风险矩阵对高速公路车辆引发的撞击、爆炸、火灾和高铁列车产生的气流、眩光、噪声这六个风险因素分别进行风险评价。各风险因素对安全性的影响前文已做了详细分析和论述，根据各因素对安全性的影响程度确定各因素发生时的风险损失水平。基于现场勘查、专家经验、事故统计资料，并考虑可能出现的极端天气的影响，采用模糊综合评价法确定各因素的风险概率水平[12]，限于篇幅本文不详细给出风险概率的分析过程。各个因素的概率水平、损失水平以及风险等级评定结果见表4。

表4 各风险因素的风险评价

撞击、爆炸和眩光的风险等级为“严格控制”，意味着只要降低风险的成本与所取得的风险效益相比是合理的，就应执行风险降低措施；火灾的风险等级为“合理控制”，意味着除常规运营管理外，应对此风险事态高度重视，必要时可采取措施降低风险等级；气流和噪声的风险等级为“可接受”，意味着无须采取专门措施降低风险。

综合以上评价结果可以看出，两条线路的临近对桥梁结构和线路运营安全性的影响还是非常突出的，应采取综合性的对策措施确保桥梁和线路的安全。

5 风险应对措施

简要给出一些有效的风险应对措施，这些措施的效果均在研究中得到了验证，限于篇幅，不展开讨论。

(1) 在高速公路路侧选用最高防撞等级的护栏，可降低汽车冲出公路撞击桥梁的速度，减轻车辆撞击、爆炸和火灾对高铁安全性的影响。

(2) 在两条线路间的缓冲地带或高铁桥梁附近增设护栏、隔离装置或刚性防爆墙，进一步阻止车辆接近高铁桥梁，降低车辆撞击、爆炸和火灾对高铁安全性的影响。

(3) 在高铁桥梁每两个桥墩之间设置消防栓和灭火器等消防设备及相应的提醒标志，如经济上可行，还可对与高速公路临近平行段的高铁桥梁涂刷防火材料。

(4) 在高铁桥梁靠近高速公路一侧设置防眩板，降低高铁列车眩光对高速公路汽车行驶安全的影响。也可设置声屏障，既能降低噪音影响，也能辅助遮光。

(5) 在高速公路设置综合视觉导向系统，包括交通警示标志、限速标志、减速标线、视线诱导标识、彩色路面等，对驾驶员进行引导和警示，降低交通事故发生概率进而降低高速公路车辆事故对高铁安全性的影响。

6 结 论

本文针对高铁桥梁和高速公路临近并行这一状况对高铁桥梁结构、高铁列车运行、高速公路车辆行驶三方面的安全性进行风险评估。识别了关键风险因素，建立了风险评估矩阵，提出了此类问题安全风险评估的总体框架；通过理论分析、数值模拟和现场实测等多种手段分析了这些关键风险因素的影响效应和后果；根据建立的风险矩阵，综合考虑发生概率及损伤后果，对每种风险因素的风险等级做出了评价和判定，评价结果表明，车辆撞击、爆炸和高铁列车眩光的风险等级最高，车辆火灾次之，高铁列车气流和噪声的风险最低；依据评判结果，提出了多种有效措施来降低高铁桥梁与高速公路临近所带来的不利影响。

本文是对临近并行高铁桥梁与高速公路相互影响安全评估问题的初步尝试和探索，提出的分析、评估方法和风险应对措施对于在我国仍在进行中的大规模高铁建设具有一定参考意义。

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Safety risk assessment for interactive influences betweenadjacent and parallel high-speed railway bridges and highway

TIAN Yu1,2, MA Rujin1, CHEN Airong1, LI Fang3

(1. Department of Bridge Engineering, Tongji University, Shanghai 200092, China;2. CCCC Highway Bridge National Engineering Research Centre CO., Ltd., Beijing 100088, China;3. China Architecture Design Group, Beijing 100044, China)

Effects of adjacent and parallel high-speed railway bridges and highway on the safety of bridge structure, train and vehicle travelling are not yet clarified, and the corresponding analysis and assessment are not yet reported. Here, risk factors due to closely arranged high-speed railway bridges and highway were discerned and the whole framework of assessment process was established considering interactive influence between adjacent high-speed railway bridges and highway. Effects of risk factors including collision, explosion and fire resulting from vehicles on highways, and airflow, glare and noise resulting from high-speed trains were investigated by means of theoretical analysis, numerical simulation and field measurement through a case study. Risk evaluations of each risk factor were conducted in terms of the risk matrix established here considering the probability of occurrence and the damage consequence comprehensively. Accordingly, a variety of effective risk mitigation measures were presented.

risk assessment; high-speed railway bridge; highway; interactive influence; safety

交通运输部建设科技项目(2014 318 494 020);交通运输部建设科技项目(2011 318 494 160);中国交建科技研发项目(2013-ZJKJ-08)

2015-07-17 修改稿收到日期：2015-11-05

田雨 男，博士，1986年生

陈艾荣 男，博士，教授，博士生导师，1963年生

U447;U238

A

10.13465/j.cnki.jvs.2016.21.011