高速公路隧道入口护栏侧倾控制研究

张新瑞，贺志昂，狄海波，马燕翔，杨飞雄

(1. 四川雅康高速公路有限责任公司, 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

隧道具有缩短距离、改善线形等诸多优势，在高速公路建设中应用广泛。但是在高速公路隧道运营中，隧道入口处交通事故频发，主要原因是隧道入口处存在横断面线性突变，加之隧道入口处的“白洞”效应导致驾驶员视觉急剧变化而造成的。为了解决隧道入口处事故多发的问题，新版《公路交通安全设施设计细则》(JTG/T D81—2017)[1](以下简称新版规范)规定，隧道入口处护栏应进行过渡设计，护栏宜与检修道内侧立面平齐。新版规范中隧道入口防护设计可在一定程度上解决失控车辆直接碰撞隧道端墙或隧道壁发生交通事故的问题。但由于隧道壁与护栏迎撞面距离较近，加之隧道入口护栏过渡到检修道的实际情况，车辆碰撞护栏的角度增大，碰撞能量增大，存在车辆碰撞护栏后由于侧倾碰撞隧道壁的二次事故风险，因此控制车辆侧倾是当前隧道入口处亟待解决的主要问题。

国内外对于隧道入口多采用防撞桶、波形梁护栏及混凝土护栏等进行防护，如图1所示。同时国内学者针对目前隧道入口处存在的安全问题进行了相关研究。栗学铭[2]、贾宁[3]等对减小隧道入口处护栏的外展角度进行了研究；何倩超[4]、傅磊[5]、吕凡[6]等从隧道入口波形梁护栏过渡方面对防护性能做了研究；邰永刚等[7]针对长大下坡隧道入口护栏进行了研究，得到了高防护等级隧道入口护栏结构。但以上研究主要集中在对车辆碰撞隧道壁方面，并未对车辆碰撞护栏后因侧倾而撞击隧道壁的问题进行深入探讨，该问题并未得到解决。本研究针对隧道入口处护栏防侧倾的实际需求，通过分析现有隧道入口交通安全防护措施，并根据隧道建筑限界与隧道轮廓的关系，确定了隧道入口处护栏车辆侧倾控制阈值，同时采用理论计算、有限元仿真等方法，针对护栏坡面形式、护栏高度、护栏刚度以及强度等指标与侧倾的影响关系进行了分析，得到了影响护栏侧倾的指标控制值，并提出了一种可有效减小高速公路隧道入口处护栏车辆最大动态外倾当量值(VIn)的结构，并对新型结构进行有限元仿真验证，结果满足隧道入口处护栏侧倾控制要求。

图1 国内外隧道入口处的防护形式

1 隧道入口交通安全问题分析

隧道入口处路基段与隧道段存在横断面上的突变，新版规范要求“护栏在迎交通流一侧在隧道洞口处宜与检修道内侧立面平齐”，这解决了隧道入口处部分交通安全问题，但由于隧道入口处的特殊应用条件，对隧道入口处的交通安全提出了更高的要求。

1.1 侧倾控制要求高

隧道入口处护栏与检修道平齐，而高速公路检修道宽度基本在75 cm，依据《公路隧道设计规范 第一册 土建工程》(JTG 3370.1—2018)[8]中高速公路隧道限界规定的最小限界尺寸与隧道轮廓的关系，结合具体隧道断面设计图，根据现阶段大型车辆的最高高度，即4.2 m进行等高度计算，隧道入口处护栏车辆侧倾限值为45 cm，如图2所示。即要求失控车辆碰撞隧道入口护栏后，车辆最大动态外倾当量值(VIn)小于45 cm，才可有效避免车辆碰撞护栏后与高速公路隧道壁发生碰撞造成二次事故。

图2 隧道入口侧倾控制值(单位：cm)

1.2 碰撞能量增加

隧道入口存在线性突变，路侧护栏过渡到检修道会导致隧道入口处护栏车辆的碰撞角度增加。如图3所示，按照公路设计速度100 km/h，半刚性护栏渐变率1∶14计算，碰撞角度由标准规定的20°提高到23.2°，车辆碰撞能量增加15%，车辆侧倾控制的难度增加。

图3 碰撞角度增大

基于上述分析，针对隧道入口处车辆碰撞能量比一般路段高15%，车辆侧倾控制要求高(限值45 cm)的情况，对于隧道入口护栏的防侧倾能力提出了更高的要求，亟需确定影响护栏侧倾因素，提高护栏的防侧倾性能。

2 仿真参数校核

为了校核仿真模型的参数[9-11]，在LS-Dyna中建立了3种车辆和护栏的仿真模型，模型主要由四边形壳单元和六面体实体单元组成，车辆和护栏有限元模型参数如表1所示。模型采用自接触进行边界非线性的定义，自接触摩擦系数设置为0.15，通过材料拉伸试验获取不同拉伸速率下材料的性能曲线，并在定义材料属性时进行拟合，形成材料的应力应变曲线，模型的材料计算参数如表2所示。

表1 车辆和护栏有限元模型参数

表2 车辆和护栏有限元模型建模计算参数

外饰统模构建元模型材料与地面连接的地脚螺栓以及护栏两端采用约束六个自由度的方式进行全约束，其余碰撞条件如表3所示。

表3 隧道入口护栏碰撞条件[12]

采用LS-Dyna针对3种车辆的有限元仿真模型进行求解分析[13-15]，并与以往实车足尺碰撞试验结果进行比较。调整有限元模型的输入参数，经多次仿真分析，3种车辆仿真碰撞过程与碰撞试验在车辆驶出角度、车辆变形、行驶轨迹等方面结果相近，校核了有限元模型中的各项参数设置，为后续有限元仿真奠定了基础，如图4所示。

图4 计算机仿真与实车碰撞试验对比

3 隧道入口护栏侧倾影响因素分析

失控车辆碰撞护栏后发生侧倾，主要影响因素为护栏的高度、护栏坡面形式、护栏的刚度和强度。车辆最大侧倾主要发生在车辆甩尾时，由于大型客车车辆的质心较大型货车靠前，甩尾后变形量较大，是小型客车、大型货车和大型客车3种车辆中最不利车型，因此在分析侧倾影响因素时，采用大型客车作为主要评价车型。

针对不同侧倾影响因素进行大型客车有限元仿真分析，测定其侧倾角度，如图5所示，以确定不同因素对侧倾的影响关系，得到隧道入口护栏的合理设计参数，实现安全性与经济性的协调。

图5 大型客车变形(mm)及侧倾角度

3.1 坡面结构形式

护栏的坡面形式不同，车辆碰撞护栏后的形态也不同。新版规范要求隧道入口“过渡设计宜通过混凝土护栏渐变或采用混凝土翼墙进入隧道洞口”。现行混凝土坡面结构形式主要为直壁式坡面、单坡面及F型坡面，为验证不同坡面形式对车辆侧倾的影响，采用计算机仿真分析方法，建立了3种坡面形式的护栏仿真试验模型，并对3种不同坡面结构形式1～1.6 m护栏高度进行分析，如图6所示。结果显示护栏侧倾控制性能为直壁式坡面>F型坡面>单坡面，直壁式坡面控制侧倾性能最佳，相对于单坡面和F型坡面护栏，车辆碰撞后沿护栏坡面有所爬升，甩尾时侧倾较大。

图6 不同坡面防侧倾效果对比

3.2 护栏高度

高度对于控制车辆侧倾具有重要作用，护栏越高，对于车辆控制侧倾越有利，但护栏高度越高，其造价越高，且随着护栏高度的增加，给驾驶者的压迫性越强，故需要确定可达到控制侧倾需求的最低护栏高度，以实现护栏安全性、经济性和景观性的协调统一。对直壁式混凝土护栏高度1～1.6 m侧倾情况进行仿真分析，结果显示：随着护栏高度的增加，车辆横向变形及侧倾角度均逐渐下降，因此最大动态外倾当量值(VIn)也会随着高度的增加而下降，如图7所示。当护栏高度达到1.5 m时，车辆侧倾角度为5.1°，角度很小，且主要为车厢变形导致的侧倾，从经济性和安全性方面考虑，确定1.5 m 为护栏满足侧倾控制功能的合理高度。

图7 不同高度横向变形(mm)及侧倾角度

3.3 护栏刚度

目前变形较小的护栏形式主要为混凝土护栏和型钢护栏，混凝土护栏为刚性护栏，刚度较型钢护栏大。为了确定刚度对于侧倾控制的影响，建立了混凝土护栏和型钢护栏仿真模型，试验工况如表4所示，试验条件为表3中大客车碰撞条件。

表4 试验工况

图8为大客车碰撞混凝土护栏和型钢护栏的最大侧倾变形情况，混凝土护栏在车辆碰撞后，由于护栏刚度大，车辆上部变形较大，导致车辆侧倾较大，达到53.8 cm；车辆碰撞型钢护栏后，由于型钢护栏本身发生一定的变形，碰撞能量消减，故车辆本身变形较混凝土护栏减小，最终车辆侧倾为43.9 cm。由此可见，由于型钢护栏变形吸能作用，侧倾控制性能优于混凝土护栏，混凝土护栏刚度过大对于控制侧倾不利。

图8 侧倾变形对比(单位：mm)

3.4 护栏强度

由前述分析，车辆侧倾控制并非护栏刚度越大越有利，护栏刚度需要与车辆变形相协调，但前提是保证护栏强度能够满足防护需求。通过对型钢立柱应力进行分析，立柱为Q345钢材，最大应力为597.8 MPa且发生在立柱根部，易发生破坏，如图9所示。若采用增大立柱截面的方式，截面需加大1倍，经济性较差。为了保证护栏整体刚度和强度，采用双立柱结构。双立柱形成框架结构，既可以保证护栏的整体刚度，又可以分散受力，解决单立柱强度不足的问题。

图9 型钢立柱应力分析(单位：MPa)

4 双立柱型钢隧道入口护栏侧倾控制分析

根据上述侧倾影响因素分析，并结合过往研究者对于桥梁护栏结构设计的优点，如圆弧面对小车有较好的缓冲作用[16]，地脚螺栓锚固数量不低于4个[17]，提出了一种SB级防侧倾型隧道入口护栏结构，该护栏高度为1.5 m，迎撞面为直壁式，护栏由组合立柱、横梁及波形梁组成，基础锚固螺栓个数为6个。组合立柱刚度大，波形梁吸能效果好，立柱和波形梁协调配合，达到控制车辆侧倾的效果，如图10所示。为了使车辆在碰撞护栏后具有足够长的导出距离[18]，SB级防侧倾型隧道入口护栏的隧道口内护栏长度为10 m，对该结构进行3种车型的有限元仿真分析，碰撞车型质量及碰撞车速如表3所示，碰撞角度为23.3°。

图10 双立柱结构

(1)侧倾分析

对于护栏的防侧倾功能，直壁式坡面可有效阻挡车辆爬坡造成的车辆侧倾角度增大；护栏高度设置为1.5 m可有效阻挡车体的倒伏，减小车辆侧倾角度；护栏刚度的合理设置使车辆在碰撞后大幅度消解能量，侧倾变形较小，进而降低车辆最大动态外倾当量值(VIn)，如图11所示。结果显示，大客车最大动态外倾值为33.7 cm，侧倾角度为6.4°，经计算最大动态外倾当量值(VIn)为43.3 cm；大货车最大动态外倾值为12.8 cm，侧倾角度为0.4°，经计算最大动态外倾当量值(VIn)为13.4 cm；满足前述理论计算得到的隧道入口车辆侧倾45 cm限值的要求。

图11 大型车辆横向变形(mm)及侧倾角度

(2)缓冲分析

隧道入口护栏需要过渡，碰撞角度增大，对护栏的缓冲功能要求提高。评价标准中规定，缓冲功能的评价主要参照小客车乘员在碰撞后横向和纵向的速度和加速度的情况，因此缓冲功能采用小客车作为评价标准。如图12所示，该结构下部采用双波板+三波板结构，结构均匀，吸能缓冲效果好，小型客车碰撞后加速度变化平缓。乘员碰撞后加速度的纵向和横向分量为86.4 m/s2和132.8 m/s2，均小于200 m/s2，乘员碰撞速度的纵向和横向分量为8.79 m/s 和7.63 m/s，均小于12 m/s，满足大角度碰撞下护栏缓冲功能要求。

图12 乘员碰撞加速度和速度曲线

5 结论

本研究采用理论计算和计算机仿真的方法，对高速公路隧道入口护栏侧倾控制技术进行了研究，确定了护栏坡面形式、护栏高度、护栏刚度和强度与侧倾的关系，并提出了一种满足侧倾控制限值为45 cm的双立柱型钢隧道入口护栏结构，具体结论如下。

(1)护栏坡面对控制侧倾的效果自优至劣为直壁式坡面>F型坡面>单坡面。

(2)护栏高度越高，防侧倾效果越好，结合经济性和景观性，1.5 m为护栏防侧倾合理高度。

(3)对于防侧倾功能，并非护栏刚度越大越好，大刚度立柱和高吸能横梁结构对于控制侧倾效果较为明显。