山区公路长隧道路段安全评价及线形优化研究

摘要 为了保证公路路线设计水平，首先，总结了山区公路长隧道线形的基本要求，以运行速度变异系数、视距为评价指标，阐述了长隧道线形的安全性评价方法。随后，从线形协调、指标均衡、变坡点设置等方面分析了线形优化要点。最后，以某山区高速公路1号～5号隧道为研究对象，分析了其路线方案优化后的安全性，研究成果可供类似项目设计提供理论指导。

关键词 山区公路；长隧道；线形一致性；安全评价；视距；平纵指标

中图分类号 U412.3文献标识码 A文章编号 2096-8949（2024）02-0022-03

0 引言

近年来，全国公路交通网日益完善，越来越多的公路项目在山区建设。由于山区地形复杂、地势起伏大，为了保证线形的连续性，不可避免地需开挖山体，设计隧道工程。隧道路段线形设计时，不仅要求平纵指标满足规范要求，还要保证平纵组合的合理性及隧道进洞和出洞对行车安全的影响。但是，很多设计人员在开展路线方案比选时，对隧道行车安全性重视程度不足，只盲目追求高指标。因此，进一步研究山区公路长隧道路段安全评价及线形优化具有重要意义。

1 山区公路长隧道线形要求

1.1 平面线形分析

公路平面线形由直线、圆曲线、缓和曲线等线形单元组成，当司机驾驶车辆从一种线形单元到另一种线形单元时，需不断调整方向盘。如果隧道内的线形不连续，不利于行车安全。对于直线隧道，洞口视线良好，司机操作空间大。圆曲线隧道在任意点的曲率相同，司机无须频繁操作方向盘，但由于光线变化、洞内外明暗交替等原因，司机可能无法准确判断前方行车方向。在地形复杂或布线限制大的路段，隧道出入口可能在缓和曲线上，不同点的曲率和超高是变化的，这要求司機快速适应光线，并转换行车方向，否则车辆可能偏移所在车道，引起剐蹭、追尾等安全事故[1]。

1.2 纵断面线形分析

现行公路路线设计规范是通过限制纵坡取值、纵坡形式（单向坡）及竖曲线半径等来减小纵断面对隧道行车安全的影响，未考虑坡度差的影响。相关研究表明，坡度差会直接影响路线的起伏状态，从而影响行车安全。有学者统计了某地区若干条高速公路隧道洞内外坡度差所对应的平均事故率，如图1所示[2]。

由图1可知：随着隧道洞内外坡度差的增加，平均事故率也不断升高。当隧道洞内外超过4%后，平均事故率达到了11.5，已经大幅超出了正常值。出现上述现象原因在于：隧道洞内外坡度差较小时，对线形影响不明显；反之，则破坏了线形的连续性，影响司机的视线和行车心理。

2 山区公路长隧道路段线形安全评价

为了保证行车安全，路线规范要求隧道洞口内外3s车程范围内的平纵指标应保持相同。如因条件受限无法满足这一要求，可设计成回旋线，但需经专家论证通过，并设置线形诱导设施。同时，根据《公路项目安全性评价规范》（JTG B05—2015，以下简称《规范》），隧道安全性评价内容复杂，涉及路线线形的内容主要有：隧道洞口内外线形一致性评价、曲线隧道视距评价等。

2.1 洞口内外线形一致性指标和安全评价

（1）线形一致性指标。一般情况下，隧道洞口内外线形一致性是指洞口前3 s车程和洞口后3 s车程内的线形特征一致。为了便于定量分析，定义了以下公式[3]：

（1）

式中，、——进入隧道洞口前3 s和后3 s车程内路线指标。

如果ΔZ大于0，说明进入隧道后3 s车程的路线指标较好；反之，说明进入隧道前3 s车程的路线指标较好。同时，ΔZ越大，隧道洞口内外的路线指标差值越大，线形一致性越差。

（2）运行速度。洞口内外线形安全性评价可以以运行速度为基础数据。由于隧道所在区域环境复杂、人工测速风险大，可使用仿真模型获取运行速度或按表1进行预测。

（3）安全评价标准。按照《规范》要求开展公路安全性评价时，将路线按纵坡大小、曲线半径等划分为若干个路段，以相邻路段的运行速度差值ΔV85为评价指标，《规范》并未对隧道洞口内外3 s车程范围内的速度一致性作出详细规定。为了解决这一问题，该文建议采用数理统计学中变异系数的概念来评价隧道洞口内外运行速度的一致性，见式（2）～（4）[4]：

（2）

（3）

（4）

式中，CV——隧道洞口内外车速变异系数；σ、——隧道洞口内外车速标准差和平均值（km/h）；N——隧道洞口内外运行速度监测断面数量，N越大，评价结果越准确，但也会使计算工作量加大；Vi——隧道洞口内外第i个断面的运行速度（km/h）。

结合相关研究成果可知，车速变异系数越大，隧道洞口内外的行车安全性越差。鉴于此，该文将隧道洞口内外的行车安全性划分为好、一般、差三个等级，对应的车速变异系数范围分别为CV＜0.031、0.033≤CV＜0.046、CV≥0.046。

2.2 曲线隧道视距安全评价

（1）视距要求。视距是影响曲线隧道行车安全的重要指标之一，不同车辆因制定性能不同、重量不同，其保证行车安全所需的视距也不同。《公路工程技术标准》（JTG B01—2014，以下简称《标准》）针对小客车和货车分别提出了视距要求值，见表2。

（2）满足视距的曲线半径。在设计阶段，隧道曲线半径的取值不宜过小，否则可能导致视距不满足《标准》要求。结合相关研究成果，满足视距的曲线半径临界值R0可按式（5）计算。

（5）

式中，S——视距要求值（m）；Y——要求视距对应的侧向宽度，其中左侧宽度YL=WL/2（左侧车道宽度）+LL（侧向宽度）+J（检修道宽度），左侧宽度YR=WR/2（右侧车道宽度）+LR（侧向宽度）+J（检修道宽度）。当隧道所在圆曲线路段的半径R＜R0，视距不足，行车安全性差，需加大圆曲线半径。当R＞R0，隧道安全性满足规范。

3 山区公路长隧道路线线形优化要点

结合上文隧道洞口内外安全线分析成果，建议山区公路长隧道线形优化时从以下几个方面着手：

3.1 线形协调

隧道洞口内外一致性是保证行车安全的关键，即要控制好隧道洞口内外3 s车程范围内的平、纵线形指标尽量取大值，且两者之间的差值不宜过大。隧道进口处存在“黑洞效应”，司机会下意识地降低车速，故布线条件受限时，隧道进口路段的线形指标一致性可适当放松，但要加强视线诱导和路面防滑、排水措施[5]。但是，隧道出口处的亮度变化剧烈，会干扰司机对隧道外线形走向的判断，故出隧道前和出隧道后的平纵面线形指标需严格控制。

3.2 指标均衡

在公路运营期间，货车是可以进入左侧车道行驶的，建议计算满足视距的曲线半径临界值R0时，可采用货车对应的视距。需注意，曲线半径较大时，对应的纵断面竖曲线半径也不能过小，否则会造成线形不均衡。大量工程实践表明：当圆曲线半径R＜1 000 m、R≥1 000 m时，竖曲线半径可分别取圆曲线半径的10～20倍和20～50倍。该文结合工程经验，总结了长隧道进出口路段常用的平纵线形指标组合及其均衡性指标（竖曲线半径与圆曲线半径的比值），见表3。需注意，为了保证行车顺畅，长隧道工程不宜设置在路线的缓和曲线段。

3.3 变坡点设置

根据平纵组合基本原则，变坡点也不宜设置隧道洞口附近，这会引起两个问题[6]：一是使公路纵坡出现“零坡点”，合成坡度小。在连续降雨天气下，路面大面积积水，车辆容易出现侧翻、滑移等病害。二是影响司机视线，尤其是半径较小的凸形竖曲线路段，司机难以准确判断前方路线走向。对于无中央分隔带的低等级山区公路，甚至会发生与对向车辆相撞的事故。

4 山区公路长隧道路线设计实例分析

4.1 工程概况

该文依托某山区高速公路，探讨长隧道线形安全性。根据工程可行性研究报告，该高速公路全长56.5 km，起讫桩号为K0+000～K56+500，设计速度为100 km/h，设计荷载为公路-I级，双向四车道，最大纵坡为3.9%，最小纵坡为0.6%，圆曲线最小半径为1 000 m，最小坡长为300 m，凸形竖曲线和凹形竖曲线的最小半径分别为12 000 m、5 000 m。公路沿线共有长度大于1 000 m的长隧道5座（编号为1号～5号），隧道所在区域的地质条件复杂，以碎石土、强风化和中风化砂岩为主，且所在区域夏季高温多雨，全年降雨量约1 025.6 mm，且70%以上的降雨量集中在6—10月。

4.2 隧道线形优化前后评价

工可阶段的路线方案设计不细致，未考虑隧道洞口内外3 s车程范围内平纵指标的一致性水平差，且部分路段的坡度差大、线形连续性差，司机需不断操作方向盘，才能不偏移车道。针对这些问题，设计人员在初步设计期间对路线进行优化。

（1）车速变异系数。利用式（2）～式（4）计算了1号～5号隧道洞口内外在上行方向和下行方向的车速变异系数，计算结果见图2。

由图2可知：1号隧道、2号隧道、4号隧道、5号隧道在上行方向和下行方向的车速变异系数平均值分别为0.021、0.024、0.027、0.018，安全性好。3号隧道在上行方向和下行方向的车速变异系数平均值为0.044，属于安全性一般，可进一步优化。同时，各个隧道在上行方向和下行方向的车速变异系数误差均在5%以内，满足工程需求。

（2）视距和指标均衡性。经仿真模拟，得到1号～

5号隧道洞口的视距分别为195 m、200 m、202 m、193 m、190 m，均大于《标准》要求的180 m（货车）。同时，1号隧道、2号隧道、4号隧道、5号隧道线形的均衡性指标10～20，均衡性较好。而3号隧道的均衡性指標小于10，均衡性较差。但因地形限制，其竖曲线半径无法增大。为了改善行车安全性，可增加视线诱导设施。

5 结论

该文主要分析了山区公路长隧道线形、安全性评价方法、线形优化设计要点，并阐述了某山区高速公路隧道路线方案在优化后的安全线，得到了以下结论：

（1）山区公路长隧道不宜布置缓和曲线。纵坡宜采用单向坡，并控制好坡度差。

（2）隧道洞口内外线形一致性是指洞口前3 s车程和洞口后3 s车程内的线形特征一致，其安全性可用车速变异系数来评价。

（3）隧道所在的圆曲线半径要满足视距要求，否则不利于隧道洞口内外的行车安全。

（4）为了提高山区公路长隧道路线设计质量，可从线形协调、指标均衡、变坡点设置等方面开展方案优化。

参考文献

[1]樊康义. 高原山区公路勘察设计与路线方案选择方法分析[J]. 交通科技与管理， 2023（2）： 38-40.

[2]龚瑞铭. 基于交通仿真的高速公路桥隧结合段行车安全性研究[D]. 长沙：湖南大学， 2022.

[3]高欣. 基于运行速度的城市道路隧道行车安全分析及对策研究[D]. 重庆：重庆交通大学， 2023.

[4]张烁， 郎君， 鞠永高. 山区公路长隧道路段安全评价及线形优化研究[J]. 公路与汽运， 2020（3）： 42-45.

[5]董城， 周轮， 张瑞蕾， 等. 隧道进出口线形一致性安全评价及其提升技术[J]. 湖南交通科技， 2018（4）： 133-137.

[6]杨锐烁. 山区高速公路隧道进口环境对驾驶人生理与行为的影响研究[D]. 广州：华南理工大学， 2018.

收稿日期：2023-11-17

作者简介：庞然（1987—），男，本科，工程师，从事路桥设计工作。