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隧道入口處混凝土護欄設(shè)計及安全性能分析

文檔作者：賈寧文檔來源：交通運輸部公路科學(xué)研究院		點擊數(shù)：	更新時間： 2024年02月21日
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第33 卷　第5 期
2016 年5 月
公　路　交　通　科　技
Journal of Highway and Transportation Research and Development
Vol． 33　No． 5
May 2016
收稿日期: 2015 -04 -20
作者簡介: 賈寧(1979 - ), 女, 遼寧瓦房店人, 博士, 高級工程師. (n． jia@ rioh． cn)
doi: 10． 3969/ j． issn． 1002 -0268． 2016． 05． 020
隧道入口處混凝土護欄設(shè)計及安全性能分析
賈　寧
(交通運輸部公路科學(xué)研究院, 北京　100088)
摘要: 目前隧道入口處設(shè)置波形梁護欄的處理方式易導(dǎo)致失控車輛直接正面碰撞隧道壁和檢修道, 對車輛安全極為
不利。本文設(shè)計出一種有利于避免失控車輛與隧道壁或檢修道發(fā)生正面碰撞的混凝土護欄, 護欄長度36 m, 高度由
1 m 漸變至1． 6 m, 采用D81 細則規(guī)定的F 型坡面, 檢修道切角尺寸1 m ×0． 14 m, 檢修道和隧道壁均位于護欄后方。
采用計算機仿真分析方法對隧道入口處的混凝土護欄進行安全性能進行了分析驗證。分析結(jié)果表明: 車輛碰撞護欄
后沒有穿越、翻越和騎跨護欄; 護欄構(gòu)件及其脫離件沒有侵入車輛乘員艙; 車輛碰撞后沒有翻車, 運行輪跡滿足導(dǎo)
向駛出框要求, 車輛行駛至隧道壁以及檢修道位置時向前方順利導(dǎo)出并駛?cè)胨淼纼?nèi), 護欄安全性能滿足評價標(biāo)準
要求。
關(guān)鍵詞: 交通工程; 混凝土護欄; 計算機仿真; 安全性能; 護欄設(shè)計
中圖分類號: U491． 5 + 9　　文獻標(biāo)識碼: A　　　　　　文章編號: 1002 -0268 (2016) 05 -0128 -07
Design of Concrete Barrier at Tunnel Entrance and Analysis on Safety Performance
JIA Ning
(Research Institute of Highway, Ministry of Transport, Beijing 100088, China)
Abstract: At present the design of W-beam barriers settled at tunnel entrance easily leads to runaway
vehicles frontally impacting with tunnel wall and maintenance roadway, which is supremely harmful to
vehicles safety． A kind of concrete barrier which is favorable to avoid the frontal impact of runaway vehicle
with tunnel wall or maintenance roadway is designed． The length of this barrier is 36 m, the height is from 1
m to 1． 6 m and the slope surface is F type prescribed in D81 specification． The dimensions of cutting corner in
maintenance roadway are 1 m ×0． 14 m． The tunnel wall and maintenance roadway are both behind the barrier．
The analysis and verification of safety performance of the concrete barrier at tunnel entrance are conducted by
the method of computer simulation． The analysis result shows that (1) the vehicles did not penetrate, climb or
override the barrier; (2) the components and detached elements of the barrier did not intrude into the occupant
compartment; (3) the vehicles did not overturn after collision, the running tracks meet the requirements of
exit box, the vehicles run forward smoothly and entered into the tunnel at the position of tunnel wall and
maintenance roadway, so the performance of this concrete barrier can meet the safety requirements．
Key words: traffic engineering; concrete barrier; computer simulation; safety performance; barrier design
0　引言
在隧道入口處, 由于洞內(nèi)外路面寬度、路面摩
擦系數(shù)、光線亮度以及平縱面線形等的變化, 往往
會使駕駛員操作不當(dāng)而導(dǎo)致車輛失控, 此時隧道入
口處的隧道壁以及高度達到20 ~ 80 cm 的檢修道[1]
或人行道則直接成為障礙物(圖1)。
現(xiàn)有技術(shù)中, 隧道入口處常設(shè)置波形梁護欄,
車輛一旦失控碰撞護欄后, 由于波形梁護欄橫向變
形較大, 會使車輛產(chǎn)生較大的橫向位移和側(cè)傾, 從
　第5 期賈　寧: 隧道入口處混凝土護欄設(shè)計及安全性能分析
圖1　隧道入口處
Fig． 1　Tunnel entrance
而直接正面碰撞隧道壁和檢修道, 導(dǎo)致車輛翻車或
嚴重損壞, 造成司乘人員的嚴重傷亡(圖2)。
圖2　隧道入口處事故案例
Fig． 2　Accident cases at tunnel entrance
鑒于上述背景, 本文依托某高速公路隧道, 設(shè)
計出一種有利于避免失控車輛與隧道壁或檢修道直
接發(fā)生正面碰撞的隧道入口處混凝土護欄, 并確定
出隧道入口處護欄的安全性能評價標(biāo)準, 采用經(jīng)校
核驗證精度可靠的仿真模型進行車輛碰撞護欄的仿
真模擬計算, 分析驗證護欄結(jié)構(gòu)的安全性能。
1　安全性能評價標(biāo)準
1． 1　防護等級和碰撞條件
隧道入口處的路側(cè)危險度屬于“車輛駛出路外
可能導(dǎo)致單車特大事故或嚴重事故” 的情況, 根據(jù)
文獻[2 -3] (以下簡稱D81 規(guī)范和D81 細則) 和
文獻[4] (以下簡稱D80 規(guī)范) 的規(guī)定, 偏于安全
地確定隧道入口處護欄的設(shè)計防護等級為SA 級
(400 kJ), 該防護等級可用于高速公路最高設(shè)計速
度120 km/ h 的路段。當(dāng)設(shè)計速度低于120 km/ h 時,
可根據(jù)相關(guān)規(guī)范要求降低隧道入口處護欄的防護等
級, 也可偏于安全地仍采用SA 級。
根據(jù)文獻[5] (以下簡稱B05 標(biāo)準) 的規(guī)定,
防護等級SA 級(400 kJ) 的碰撞條件見表1。
表1　碰撞條件
Tab． 1　Impact conditions
碰撞車型碰撞速度/ (km·h -1 ) 碰撞角度/ (°) 車輛總質(zhì)量/ t
小客車100 20 1． 5
大客車80 20 14
大貨車60 20 25
1． 2　碰撞點位置
隧道入口處護欄可作為路基段或橋梁段護欄向
隧道壁位置過渡的一種護欄過渡段考慮, 因此可直
接采納B05 標(biāo)準[5] 中護欄過渡段的碰撞點位置規(guī)定。
另一方面, 由于車輛碰撞接近隧道壁位置護欄時直
接與隧道壁和檢修道發(fā)生正面碰撞的可能性最大,
因此還增加了此處的碰撞檢驗。
由于小客車車體高度小, 且碰撞時護欄最大橫
向動態(tài)變形值較小, 而大客車和大貨車車體高度大,
碰撞時護欄最大橫向動態(tài)變形值較大, 且車輛側(cè)傾
角度大, 因此與小客車相比, 大客車和大貨車更容
易出現(xiàn)碰撞接近隧道壁位置護欄時在隧道壁處絆阻
的情況。因此只對大客車和大貨車進行車輛碰撞接
近隧道壁位置護欄的安全性能評價。
綜上所述, 隧道入口處護欄的碰撞點位置如圖3
所示, 包括: 小客車碰撞距離起點3/4 長度處; 大
客車和大貨車碰撞距離起點1/2 長度處; 大客車和
大貨車碰撞接近隧道壁位置的最不利碰撞點。
圖3　隧道入口處護欄碰撞點
Fig． 3　Impact points of barrier at tunnel entrance
1． 3　安全性能評價標(biāo)準
車輛碰撞3/4 長度處和1/2 長度處護欄的安全
性能評價標(biāo)準按照B05 標(biāo)準執(zhí)行。
對于接近隧道壁位置的最不利碰撞點, 安全性
能評價目的是避免車輛直接與隧道壁和檢修道正面
碰撞而產(chǎn)生絆阻, 因此評價標(biāo)準為“車輛碰撞護欄后
行駛至隧道壁以及檢修道位置時向前方順利導(dǎo)出并
駛?cè)胨淼纼?nèi)”。
隧道壁和檢修道位置是隧道入口處護欄安全性
能評價的關(guān)鍵參數(shù), 隧道壁與建筑限界的距離越小,
對于車輛安全越不利, 依托工程中的最不利尺寸參
數(shù)(如圖4 所示), 護欄安全性能評價時按此確定檢
修道和隧道壁的位置。
2　護欄選型
護欄結(jié)構(gòu)形式主要分為混凝土護欄、金屬梁柱
式護欄和組合式護欄3 種類型。其中混凝土護欄剛
度最大, 在相同的碰撞條件下, 護欄的最大橫向動
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公路交通科技第33 卷
圖4　隧道壁和檢修道位置(單位: cm)
Fig． 4　Positions of tunnel wall and maintenance
roadway (unit: cm)
態(tài)變形值最小, 車輛的側(cè)傾角度也較小, 最有利于
避免車輛碰撞接近隧道壁位置護欄時與隧道壁或檢
修道產(chǎn)生絆阻。因此, 從安全性角度出發(fā)[6] , 混凝
土護欄最適于作為隧道入口處的護欄結(jié)構(gòu)。
從景觀角度考慮, 車輛在隧道入口處即將進入
全封閉的隧道環(huán)境中, 入口處不通透的混凝土護欄
形成了一種由隧道外開闊環(huán)境進入隧道內(nèi)封閉環(huán)境
的過渡, 更有利于駕駛員調(diào)整行車心理, 形成了良
好的視覺效果。
綜上所述, 隧道入口處護欄確定為混凝土護欄,
坡面形式選用D81 細則[3] 規(guī)定的改進型坡面。由于
小客車碰撞混凝土護欄的結(jié)果僅取決于坡面形式,
因此不必進行小客車碰撞的安全性能仿真分析
驗證[6] 。
3　仿真模型精度校驗
混凝土采用solid 單元模擬, 混凝土材料采用
LS - DYNA程序中的專用混凝土材料模型MAT_ 159
(?MAT_CSCM_CONCRETE) 模擬; 鋼筋采用Beam
單元模擬, 鋼筋材料采用塑性隨動模型MAT _ 3
(?MAT_PLASTIC_KINEMATIC)模擬; 混凝土和鋼
筋的相互作用采用?CONSTRAINED_ LAGRANGE_
IN_SOLID 進行耦合分析。車身結(jié)構(gòu)主要是薄壁金屬
構(gòu)件, 采用Belytschko-Tsay 殼單元, 材料選用多線
性、彈塑性、各向同性硬化材料; 車身各部分構(gòu)件
之間主要采用點焊連接, 并采用基于懲罰函數(shù)法的
Automatic_ Single_ Surface 接觸類型處理邊界非線性
問題[7 -15] 。
大客車和大貨車碰撞混凝土護欄的實車碰撞試
驗和仿真模擬計算結(jié)果對比見圖5 ~ 圖7 (T 為不同
的碰撞時刻), 仿真和試驗結(jié)果有較好的一致性, 驗
證了仿真模型的精度和可靠性。
圖5　車輛接觸護欄范圍的仿真和試驗結(jié)果(均為8 m 左右)
Fig． 5　Simulation and test results of vehicle contacting
with barrier (both are 8 m)
圖6　大客車運行姿態(tài)的仿真和試驗結(jié)果
Fig． 6　Simulation and test results of bus running posture
圖7　大貨車運行姿態(tài)的仿真和試驗結(jié)果
Fig． 7　Simulation and test results of truck running posture
4　護欄結(jié)構(gòu)設(shè)計
4． 1　護欄高度
對于隧道壁處的混凝土護欄端部, 考慮到與隧
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　第5 期賈　寧: 隧道入口處混凝土護欄設(shè)計及安全性能分析
道壁的景觀協(xié)調(diào)以及對車輛碰撞時側(cè)傾角度小的特
殊要求, 此處混凝土護欄高度應(yīng)偏高; 而在與相鄰
路段路基護欄或橋梁護欄連接的護欄端部, 為使護
欄景觀不過于壓抑呆板, 此處混凝土護欄高度不宜
過高。考慮這兩方面因素, 隧道入口處護欄采用變
高度混凝土護欄。
D81 細則規(guī)定SA 級(400 kJ) 混凝土護欄的高
度為1 m, 因此隧道入口處混凝土護欄在與路基段護
欄或橋梁段護欄銜接處的較小高度取為1 m。
在相同的碰撞條件下且護欄其他設(shè)計參數(shù)相同
時, 混凝土護欄高度越高, 最大橫向動態(tài)變形值越
小, 車輛側(cè)傾角度越小, 這對車輛安全是有利的,
因此在隧道入口處將提高混凝土護欄的高度(超過1
m)。為使車輛碰撞護欄時的側(cè)傾角度較小且運行姿
態(tài)較平穩(wěn), 隧道入口處混凝土護欄的高度應(yīng)高于大
客車車輛重心高度以及大貨車貨廂底板高度。根據(jù)
文獻[5] 中的車輛技術(shù)參數(shù)調(diào)研數(shù)據(jù), 大中型客車
車輛重心高度范圍為1． 10 ~ 1． 55 m, 大中型貨車貨
廂底板高度范圍為0． 93 ~ 1． 57 m。因此, 隧道入口
處混凝土護欄的高度取1． 6 m。
綜上所述, 隧道入口處護欄高度設(shè)計為由1 m
漸變至1． 6 m。
4． 2　護欄基礎(chǔ)和長度
護欄基礎(chǔ)設(shè)計為D81 細則規(guī)定的座椅式護欄基
礎(chǔ)。根據(jù)D81 細則規(guī)定, 高速公路混凝土護欄的最
小設(shè)置長度為36 m, 因此, 隧道入口處變高度混凝
土護欄的設(shè)置長度為36 m。
4． 3　護欄與隧道壁的相對位置
首先考慮將混凝土護欄直接與隧道壁銜接, 包
括在檢修道處設(shè)置斜坡和不設(shè)置斜坡兩種情況, 仿
真模型如圖8 所示。
圖8　與隧道壁連接的混凝土護欄
Fig． 8　Concrete barrier connected with tunnel wall
當(dāng)檢修道處不設(shè)斜坡時, 根據(jù)圖9 所示的仿真
分析結(jié)果, 大貨車進入隧道時, 第2 排右側(cè)車輪卡
在檢修道位置處, 車輛絆阻, 沒有順利導(dǎo)出并駛?cè)?
隧道內(nèi), 大客車碰撞時也出現(xiàn)類似情況, 護欄安全
性能驗證不合格。
圖9　檢修道處不設(shè)斜坡的仿真分析結(jié)果
Fig． 9　Simulation result for no slope at maintenance roadway
當(dāng)檢修道處設(shè)斜坡時, 根據(jù)圖10 所示的仿真分
析結(jié)果, 當(dāng)大客車碰撞護欄后行駛至隧道壁處時,
由于車輛側(cè)傾, 大客車右前側(cè)卡在隧道壁位置, 車
輛絆阻, 沒有順利導(dǎo)出并駛?cè)胨淼纼?nèi), 護欄安全性
能驗證不合格。
圖10　檢修道處設(shè)斜坡的仿真分析結(jié)果
Fig． 10　Simulation result for settling slope at
maintenance roadway
由此可見, 混凝土護欄直接與隧道壁銜接的方
案不可行, 護欄在橫向應(yīng)與隧道壁間隔一定距離,
檢修道和隧道壁均應(yīng)位于護欄后方。如圖11 所示,
檢修道地面處護欄橫向與隧道壁的間距大約為40 cm
左右, 檢修人員可由此進入隧道內(nèi)。
圖11　護欄位置
Fig． 11　Barrier position
4． 4　護欄與檢修道之間的過渡處理
隧道入口處混凝土護欄坡面與檢修道豎直面之
間形成突變, 該突變易導(dǎo)致車輛行駛至檢修道位置
時直接撞擊檢修道而產(chǎn)生絆阻。D81 細則條文說明
指出: “……應(yīng)將隧道內(nèi)入口處檢修道或人行道作局
部處理, 以免車輛直接撞擊檢修道或人行道”。如圖
12 所示, 對檢修道進行切角處理, 切角長度為1 m,
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公路交通科技第33 卷
切角寬度為14 cm。
圖12　檢修道切角示意圖(單位: mm)
Fig． 12　Cutting corner in maintenance roadway (unit: mm)
5　護欄安全性能分析驗證
采用前述的防護等級、碰撞條件、碰撞點位置
和安全性能評價標(biāo)準, 進行隧道入口處變高度混凝
土護欄安全性能的分析驗證。
5． 1　大客車和大貨車碰撞接近隧道壁位置
5． 1． 1　最不利碰撞點位置確定
首先確定車輛碰撞接近隧道壁的最不利碰撞點。
將碰撞點逐漸接近隧道入口處, 碰撞點距入口處距
離分別取1． 5, 2, 2． 5, 3, 3． 5, 4 m, 觀測車輛上
部右前角進入隧道瞬間與隧道壁之間的距離為D
(如圖13 所示), 當(dāng)距離D 最小時, 車輛與隧道壁發(fā)
生碰撞或刮蹭的可能性最大, 此時的碰撞點位置即
為最不利碰撞點。
圖13　最不利碰撞點位置確定
Fig． 13　Determination of the most dangerous impact point
根據(jù)計算結(jié)果可知, 大客車碰撞距隧道入口處
3． 5 m 時, 車輛上部右前角進入隧道瞬間與隧道壁之
間的距離D 最小; 大貨車碰撞距隧道入口處1 m 時,
貨車車廂上部右前角進入隧道瞬間與隧道壁之間的
距離D 最小。因此, 大客車碰撞的最不利碰撞點位
置是距隧道入口處3． 5 m, 大貨車碰撞的最不利碰撞
點位置是距隧道入口處1 m。
5． 1． 2　碰撞結(jié)果
圖14 和圖15 分別為大客車碰撞距隧道入口處
3． 5 m 和大貨車碰撞距隧道入口處1 m 后的運行姿態(tài)
(T 為不同碰撞時刻), 可見車輛沒有穿越、翻越和
騎跨護欄; 護欄構(gòu)件及其脫離件沒有侵入車輛乘員
艙; 車輛碰撞后沒有翻車, 行駛至隧道壁以及檢修
道位置時向前方順利導(dǎo)出并駛?cè)胨淼纼?nèi)(圖16)。
圖14　大客車運行姿態(tài)(碰撞接近隧道壁位置)
Fig． 14　Running posture of bus during impacting
near tunnel wall
圖15　大貨車運行姿態(tài)(碰撞接近隧道壁位置)
Fig． 15　Running postures of truck during impacting
near tunnel wall
圖16　車輛順利駛?cè)胨淼纼?nèi)
Fig． 16　Vehicles running into tunnel smoothly
圖17 和圖18 分別為大客車碰撞距隧道入口處
3． 5 m 和大貨車碰撞距隧道入口處1 m 后的運行輪
跡, 滿足B05 標(biāo)準[5] 的導(dǎo)向駛出框要求。
綜上所述, 大客車和大貨車碰撞接近隧道壁的
最不利碰撞點位置的碰撞結(jié)果滿足B05 標(biāo)準的評價
指標(biāo)要求。
5． 2　大客車和大貨車碰撞距離起點1 /2 長度處
圖19 和圖20 分別為大客車和大貨車碰撞中點
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　第5 期賈　寧: 隧道入口處混凝土護欄設(shè)計及安全性能分析
圖17　大客車運行輪跡(碰撞接近隧道壁位置)
Fig． 17　Running tracks of bus during impacting
near tunnel wall
圖18　大貨車運行輪跡(碰撞接近隧道壁位置)
Fig． 18　Running track of truck during impacting
near tunnel wall
后的運行姿態(tài), 可見車輛沒有穿越、翻越和騎跨護
欄; 護欄構(gòu)件及其脫離件沒有侵入車輛乘員艙; 車
輛碰撞后沒有翻車。
圖19　大客車運行姿態(tài)(碰撞中點)
Fig． 19　Running postures of bus during impacting
barrier middle point
圖21 和圖22 分別為大客車和大貨車碰撞中點
后的運行輪跡, 滿足B05 標(biāo)準的導(dǎo)向駛出框要求。
綜上所述, 大客車和大貨車碰撞距離起點1/2
長度處的碰撞結(jié)果滿足B05 標(biāo)準的評價指標(biāo)要求。
6　工程應(yīng)用
隧道入口處混凝土護欄已在實際工程中應(yīng)用,
材料用量(單側(cè)36 m 護欄, 包括護欄基礎(chǔ)) 為: 鋼
筋3． 2 t, C30 混凝土23 m3, 直接工程費約為3 ×104
元。若隧道入口處設(shè)置36 m 波形梁護欄, 按D81 細
則中的A 級(160 kJ) 波形梁護欄結(jié)構(gòu), 其鋼材用
圖20　大貨車運行姿態(tài)(碰撞中點)
Fig． 20　Running postures of truck during impacting
barrier middle point
圖21　大客車運行輪跡(碰撞中點)
Fig． 21　Running track of bus during impacting
barrier middle point
圖22　大貨車運行輪跡(碰撞中點)
Fig． 22　Running track of truck during impacting
barrier middle point
量約為1 t, 直接工程費約為1 ×104 元。隧道入口處
混凝土護欄(防護等級為SA 級, 400 kJ) 直接工程
費僅比波形梁護欄高2 × 104 元, 但其防護能力和安
全水平卻大大提高。
7　結(jié)論
依托某高速公路隧道, 設(shè)計出一種能夠有利于
避免失控車輛與隧道壁或檢修道直接發(fā)生正面碰撞
的隧道入口處混凝土護欄。護欄長度36 m, 高度由
1 m 漸變至1． 6 m, 采用D81 細則規(guī)定的改進型坡
面, 檢修道切角尺寸1 m ×0． 14 m, 檢修道和隧道壁
均位于護欄后方。
采用計算機仿真分析方法對護欄設(shè)計結(jié)構(gòu)進行
了安全性能分析驗證。分析結(jié)果表明, 車輛碰撞護
欄后沒有穿越、翻越和騎跨護欄; 護欄構(gòu)件及其脫
離件沒有侵入車輛乘員艙; 車輛碰撞后沒有翻車,
133
公路交通科技第33 卷
運行輪跡滿足導(dǎo)向駛出框要求, 車輛行駛至隧道壁
以及檢修道位置時向前方順利導(dǎo)出并駛?cè)胨淼纼?nèi),
護欄安全性能滿足評價標(biāo)準要求。
隧道入口處混凝土護欄已在實際工程中應(yīng)用,
經(jīng)濟社會效益顯著。
參考文獻:
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