曾宝荣 龚帅 崔波 何艳 祝伟
1.江门市银洲湖高速公路有限公司 529000
2.北京华路安交通科技有限公司 100070
高速公路隧道出口由于常常会受到白洞效应、路面条件变化、侧风等不利因素的影响，相比常规路段安全风险较大，驾驶员在途经时如果操作不当可能会导致车辆失控冲撞护栏，此时若隧道出口护栏设置存在不足，不仅无法为事故车辆提供安全保护，还有可能会造成更为严重的事故后果［1］。因此，针对隧道出口护栏进行安全合理的设置十分关键。
目前针对高速公路隧道路段的护栏防护研究较少，且大多针对隧道入口护栏进行研究［2～4］，很少关注隧道出口护栏的安全设置问题。本文对隧道出口护栏设置现状分析后，结合相关规范对隧道出口护栏设置的新要求，针对高速公路隧道出口护栏安全设置进行研究，提出了改进设置方案，并采用计算机仿真方法对改进后护栏的安全提升效果进行了验证［5］。
相关资料调查表明，高速公路隧道出口主要包括桥梁与隧道衔接、路基与隧道衔接两种情况，桥梁与隧道出口衔接处的护栏多为混凝土护栏和组合式护栏形式，路基与隧道出口衔接处的护栏多为波形梁钢护栏形式。通过对隧道出口护栏进行调查和分析（表1），发现目前绝大部分隧道出口护栏的设置存在着一些不足，例如桥梁与隧道衔接处的隧道出口混凝土护栏端部结构处理及其设置位置不合理、路基与隧道衔接处的隧道出口波形梁护栏端部未与隧道壁搭接锚固等。
根据实践应用经验，表1 中隧道出口处虽然都设置了防撞护栏等安全防护设施，但不合理的设置方式可能反而会增加新的安全隐患［6～8］。实际中因为护栏设置不合理而发生的车辆碰撞后绊阻、车辆侧翻以及护栏板侵入车体等事故对车辆及乘员造成了更为严重的伤害。
表1 隧道出口护栏设置现状Tab.1 Current situation of barrier setting at tunnel exit
为提升高速公路隧道出入口处的安全防护水平，在新版《公路交通安全设施设计规范》（JTG D81—2017）（以下简称《设计规范》）和《公路交通安全设施设计细则》（JTG/T D81—2017）（以下简称《设计细则》）中对隧道出入口护栏设置提出了最新要求。其中针对隧道出口处护栏设置，《设计细则》中规定：隧道出口处的路侧波形梁护栏可采用与隧道壁搭接的方式，端部护栏板应进行斜面焊接处理；
对于隧道出口处的混凝土护栏提出要采用正常线形延伸至隧道洞口的处理方式。可见，《设计细则》对于隧道出口和护栏之间的衔接与过渡给出了原则性规定，但对于护栏如何具体设置未给出可供参考的示例，对实际工程的直接指导作用有限。因此，有必要针对隧道出口处护栏设置进行研究，给出安全合理设置方案。
结合《设计规范》与《设计细则》相关规定，以隧道出口桥梁与隧道衔接处混凝土护栏及路基与隧道衔接处波形梁护栏为例，针对护栏设置位置及端部结构处理提出改进方案，示例中所用混凝土护栏、波形梁护栏分别符合《设计细则》中对设计等级为SS 级混凝土护栏和A 级波形梁护栏的结构设计要求。具体改进设置方案如下：
1.方案一：桥梁与隧道衔接处混凝土护栏安全设置方案
桥梁混凝土护栏尽可能远离行车道，特别是其在出口处的护栏端头应藏于隧道壁之后，以消除车辆正面碰撞风险；
若有条件还宜将护栏做渐变过渡［9］，以减小车辆碰撞角度。如图1 所示为桥梁与隧道相接隧道出口护栏设置改进措施示意。
图1 方案一隧道出口护栏改进Fig.1 Barrier improvement measures at tunnel exit of Scheme Ⅰ
2.方案二：路基与隧道衔接处波形梁护栏安全设置方案
路基波形梁护栏同样需要远离行车道，特别是出口处的护栏端头应与隧道壁内侧搭接锚固；
若有条件也宜将护栏做渐变过渡［10，11］，以减小车辆碰撞角度。如图2 所示为路基与隧道相接隧道出口护栏改进措施示意。
图2 方案二隧道出口护栏改进Fig.2 Barrier improvement measures at tunnel exit of scheme Ⅱ
4.1 碰撞条件
采用计算机仿真模拟碰撞分析方法对改进后护栏安全性能进行评价。根据隧道出口护栏设计防护等级选取相应碰撞条件，方案一桥梁混凝土护栏与方案二路基波形梁护栏分别按《公路护栏安全性能评价标准》（JTG B05-01—2013）［12］中SS级碰撞条件和A 级碰撞条件，采用标准车型以20°碰撞角进行仿真分析，具体碰撞条件如表2 所示。
表2 碰撞条件Tab.2 Collision conditions
4.2 仿真模型建立
利用hypermesh 软件对碰撞模拟所需车辆、护栏及隧道洞口按照实际尺寸进行建模。方案一桥梁与隧道相接处混凝土护栏与各车型的模型如图3 所示，方案二路基与隧道相接处波形梁护栏与各车型的模型如图4 所示。
图3 方案一隧道出口混凝土护栏与车辆建模Fig.3 Concrete barrier at tunnel exit and vehicle modeling of scheme Ⅰ
图4 方案二隧道出口波形梁护栏与车辆建模Fig.4 W-beam barrier at tunnel exit and vehicle modeling of scheme Ⅱ
4.3 仿真结果
图5 为小客车碰撞方案一、方案二的仿真结果。可以看出护栏对小客车进行了有效防护，车辆平稳驶出，没有穿越、翻越和骑跨护栏现象，碰撞后车辆恢复到正常行驶姿态，阻挡和导向功能良好。方案一纵向和横向的乘员碰撞速度分别为3.4m/s、5.9m/s，方案二纵向和横向的乘员碰撞速度分别为6.8m/s、4.5m/s，均小于12m/s。方案一的纵向和横向的乘员碰撞后加速度分别为70.4m/s2、140.5m/s2，方案二纵向和横向的乘员碰撞后加速度分别为80.3m/s2、100.4m/s2，均小于200m/s2。缓冲功能良好。
图5 小客车碰撞仿真过程Fig.5 Simulation process diagram of car collision
图6 为大型客车、中型客车碰撞护栏仿真结果。可以看出车辆被护栏有效拦截并成功导出，没有穿越、翻越和骑跨护栏现象，碰撞后车辆恢复到正常行驶姿态，阻挡和导向功能良好。方案一大型客车碰撞过程中车辆最大动态外倾值为0.914m，车辆最大动态外倾当量值为1.326m。方案二中型客车碰撞过程中测量得到护栏最大横向动态变形值为1.554m，护栏最大横向动态位移外延值为1.496m，车辆最大动态外倾值为1.537m，车辆最大动态外倾当量值为1.647m。各项指标满足要求。
图6 客车碰撞仿真过程Fig.6 Simulation process diagram of bus collision
图7为货车碰撞护栏仿真结果，可以看出货车被护栏有效阻挡并成功驶出，没有穿越、翻越和骑跨护栏现象，碰撞后车辆恢复到正常行驶姿态，阻挡和导向功能良好。方案一大货车碰撞过程中车辆最大动态外倾值为1.279m，车辆最大动态外倾当量值为1.467m。方案二中货车碰撞过程中测量得到护栏最大横向动态变形值为0.978m，护栏最大横向动态位移外延值为1.253m，车辆最大动态外倾值为1.521m，车辆最大动态外倾当量值为1.829m。各项指标满足要求。
图7 货车碰撞仿真过程Fig.7 Simulation process diagram of truck collision
4.4 安全提升效果对比
方案一提升效果如表3 所示。通过与改进前护栏仿真结果对比可以看出，护栏结构改进前小型客车、大型客车和大型货车3 种车型碰撞后均未能成功导出，车辆在护栏处发生绊阻，车头受到挤压发生变形，严重威胁车内乘员安全。按照过渡改进方案，将护栏端头藏于隧道壁之后，有效消除了车辆正面碰撞护栏的风险，小型客车、大型客车和大型货车3 种车型碰撞后均顺利导出，没有穿越、翻越、骑跨护栏现象发生，车辆有轻微刮蹭但车内驾驶室未受到伤害，保障了车内乘员安全，可见桥梁混凝土护栏的过渡改进设置方案有效提升了护栏安全性能，满足SS 级防护等级要求。
表3 方案一改进加强提升效果Tab.3 Enhancement effect of Scheme Ⅰ
方案二提升效果如表4 所示。通过与改进前护栏仿真结果对比可以看出，护栏结构改进前小型客车、中型客车和中型货车3 种车型碰撞后均未能导出，车辆在护栏处发生严重绊阻，小客车在护栏端头位置绊阻后车尾高高跃起有翻滚趋势，中型客车和中型货车碰撞后爬升并骑跨护栏结构，有护栏构件及其脱离件侵入车辆乘员舱的风险，乘员安全受到威胁。按照过渡改进方案，在波形梁护栏端头与隧道内侧壁搭接锚固，实现隧道与护栏的合理过渡。改进后小型客车、中型客车和中型货车3 种车型碰撞后均顺利导出，没有穿越、翻越、骑跨护栏现象，车辆有轻微刮蹭但车内驾驶室未受到伤害，保障了车内乘员安全，可见波形梁护栏过渡改进设置方案有效提升了护栏安全性能，满足A 级防护等级要求。
表4 方案二改进加强提升效果Tab.4 Enhancement effect of Scheme Ⅱ
通过对隧道出口护栏设置的调查研究，结合新版《公路交通安全设施设计规范》（JTG D81—2017）和《公路交通安全设施设计细则》（JTG/T D81—2017）对隧道出口护栏设置的新要求，对路基护栏和桥梁护栏端头设置位置及过渡方式提出了改进方案，通过护栏远离行车道，桥梁护栏端头藏于隧道壁后、路基护栏端头与隧道壁内侧搭接锚固，实现隧道出口与护栏的安全衔接。经计算机仿真模拟对护栏改进前后效果进行对比，桥梁混凝土护栏达到SS 级安全防护等级的要求，路基波形梁护栏达到A级防护等级的要求，改进设置方案有效提升了隧道出口护栏安全性。研究对于隧道出口处护栏的安全设置具有现实指导意义。
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