透析公路隧道平面線形設計

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一、前言

近年來，隨著國家公路網建設的逐漸推進，高速公路通車里程快速增長，并不斷向山區延伸。由于山嶺區地形、地質條件復雜，公路隧道的平面線形采用曲線已不可避免，但因老的設計規范的局限，公路隧道常常因線形組合的不合理而出現行車安全事故。針對以往在隧道線形設計中存在的問題，2004年交通部實施的新的《公路工程技術標準》（JTGB01-2003）和《公路隧道設計規范》（JTGD70-2004）中對老的規范中一些模糊性較大的規定進行了補充和明確，如隧道洞口的平縱線形以及洞口與洞外的路線線形連接等都進行了較詳細的說明，使得隧道的線形設計更趨于合理性，但對于隧道平曲線的一些規定仍然不能滿足實際的需要，尤其是對于山區高速公路，在展線存在很大困難的條件下，為了克服地形高差帶來的大縱坡，設置半徑較小的隧道平曲線往往很難避免，以至于在特殊路段不得不做出突破現行規范的一些設計。這些在設計工作中不斷凸顯出來的問題表明，山嶺區隧道的線形設計還存在著許多值得商榷的地方。

二、山嶺區隧道平面線形設計的原則及現狀

1．一般原則一般而言，隧道線形設計除了服從路線走向外，還要著重考慮地形、地質及水文條件，而后者往往對隧道平面線形的設計起著決定性作用。如在選線時，隧道通常選擇在埡口或“竹筍”形穩定的山體中，盡量避免穿越不良地質帶，同時還要顧及到隧道的進出口位置，盡量使路線走向與地形等高線垂直，且左右兩側山體基本對稱等，這些都是由地形、地質條件所決定。其實，在以往的隧道線形設計中這些也是一貫遵循的原則。為了更好的貫徹執行這些原則，在很多情況下就須將隧道的平面線形設計成曲線。盡管在隧道平面線形設計中不提倡使用曲線，但在很多情況下，它的設置確實能使一些選線原則得到更好的貫徹。

2．設計現狀目前，在隧道線形的設計上，多數設計人員偏重于服從路線的總體布置和走向，即在平面線形設計上多采用直線形，致使隧道進出口位置不理想，常出現嚴重的偏壓現象，洞口的失穩破壞時有發生；除此之外，在路線高差較大時，直線形也不易緩和路線縱坡，常導致長大縱坡出現，對行車，尤其是重車非常不利。很多行車安全事故之所以發生在隧道進出口處，除了因為在隧道進出口處存在的視覺和心理的不適應外，在下坡段長大縱坡導致的車速過快也是一個重要原因。隨著我國公路隧道建設尤其是山嶺區隧道建設的發展，隧道施工技術水平有了很大的提高。對于曲線隧道方案而言，在隧道施工方面存在的困難已不再難以克服。因此，在隧道平面線形設計中，為了避開不良地質地段、克服路線高差、改善線形指標，消除更多的安全隱患，曲線隧道方案已越來越多的被采用。就國外來講，如美國及歐洲國家，修建公路隧道時，隧道平面線形大多數設計為平曲線，特別是在洞口段盡量設置為曲線，以利于光線的過渡，解決隧道進出口處視力和心理的不適應問題，同時避免因出口“白洞”影響而導致的駕駛人員加速出洞的現象，從而預防進出口處事故的發生。

三、隧道內設置平曲線的可行性和必要性

1．設置平曲線的可行性在隧道內設置平曲線的不利因素主要有三個，一是通風問題，二是能否滿足停車視距的問題，三是施工技術問題。

（1）通風問題曲線隧道對通風的影響已經有很多人進行過探討，得出的結論大都一致：因曲線而增加的通風阻力很小。通常我們所說的通風阻力是由沿程阻力和局部阻力組成，對于曲線半徑百米以上的隧道，其沿程阻力增加是很小的，而局部阻力又主要由隧道急轉彎或斷面變化所引起，曲線是不產生局部阻力的，故因曲線而增加的阻力不會造成通風設備和費用的顯著增加。這說明，對于采用機械通風的隧道來說，通風問題對隧道的平面線形設計方案影響不大。

（2）視距問題停車視距是目前影響曲線隧道方案的一個最重要的因素，相對于隧道外，隧道內的停車視距受到了較大的限制。現行規范已對各等級公路隧道的停車視距作了明確規定。《公路隧道設計規范》（JTGD70-2004）對隧道設平曲線及超高進行了規定：“當設為曲線時，不宜采用設超高的平曲線，并不應采用設加寬的平曲線。當由于特殊條件限制隧道平面線形設計為需設超高的曲線時，其超高值不宜大于4%”。除規范的規定外，近年來，在隧道線形設計上也已基本形成了一個共識，即位于平曲線上的中、短隧道可采用較小的半徑值，但從安全角度考慮最小不宜小于500~600m，一般不要出現為確保視距而增加隧道寬度的情況。因此，就高速公路項目而言，在施工圖階段只要隧道設計平曲線半徑不小于500m就能滿足現行規范的規定，這在實施上也有著很大的可行性。當然，隧道平曲線線形的設計是要與隧道縱斷面、橫斷面設計一并進行綜合考慮的。盡管如此，由于各工程中地形、地質條件的千差萬別，根據具體情況做出的一些突破規范的設計也是不可避免的，前提是必須進行科學的技術論證，在認為可行后方可實施。

（3）施工技術問題在施工技術方面，隨著科技的發展和我國隧道工程建設的快速進步，施工設備越來越先進，測量定位精度越來越高，施工上也已積累了豐富的經驗，雖然曲線隧道的施工工藝及工序較直線隧道復雜，但存在的問題已經不再難以克服。這些都可以從近年來我國的隧道建設上得到驗證。如已經貫通的秦嶺特長隧道，以及即將通車的長度為亞洲第一、世界第二的秦嶺終南山隧道（18.02km），無論是施工精度、施工速度，還是施工質量都已達到國際先進水平。其中，終南山隧道貫通精度高程誤差僅為1mm，中線誤差僅為12mm，最高月掘進達509m，已經達到了國內、外特長隧道施工的新水平。

總之，在隧道內設置平曲線具有很大的可行性，況且在以往很多的隧道建設中已經對曲線隧道方案進行了實施，實踐驗證其是可行，而且是有效的。從原《公路隧道設計規范》（JTJ026-90）“隧道內應避免設置平曲線”到現行規范（JTGD70-2004）“應根據地質、地形、路線走向、通風等因素確定隧道的平曲線線形”這一條文變化也可以看出，在隧道線形設計中，曲線隧道方案已經得到了認可和肯定。

2．設置平曲線的必要性盡管現行規范已認可在隧道內可以設置平曲線，但在條文說明中對其設置的理由并沒有進行完全而詳細的說明。為了對隧道內設置平曲線的必要性有一個充分的了解，筆者在借鑒以往國內隧道工程建設經驗的基礎上，對在隧道內設置平曲線的必要性進行了總結，具體歸結為以下三點：

（1）克服高差、改善線形山區地形、地質復雜，尤其越嶺段路線選線最為困難。基本是兩種方法，一是通過展線以增長線路長度來克服高差；二是降低越嶺設計高程設置隧道。第一種方法通常造成“深挖高填”現象，不僅對環境破壞嚴重，而且由于較高的路基和路塹，使公路在營運期間存在著很多隱患。近年來隨著人們環保意識的增強，以及隧道設計、施工技術水平的提高，山嶺區高速公路越來越多的采用隧道方案越嶺，不僅縮短了路線長度、保護了環境，而且也解決了因高差而帶來的一系列問題，如：迂回展線造成的線形指標不滿足規范要求或線形組合不合理等，這些都能通過設置隧道來改善，特別是曲線隧道，它能使線形更為合理、流暢，從而避免出現更多的行車事故。

（2）避開不良地質地段，改善洞口穩定性山嶺區公路展線都是依山傍谷而行，使得公路遭受諸如路基或路塹邊坡失穩，滑坡、泥石流等災害的影響非常嚴重。為了避免這些災害，設計時常常采用隧道方案。但在設置隧道時，通常只注重考慮洞身段的安全性，卻輕視洞口位置的選擇，常出現洞口失穩事故。尤其是偏壓問題，常導致邊、仰坡上的山體土層垮塌到洞口工作面上，導致無法進洞，即使進洞，在洞口段范圍也往往由于偏壓而發生襯砌下沉、洞內塌陷冒頂等一些施工事故。如果設計時在隧道內，特別是在隧道進出口段設置平曲線，使洞門較好地與地形等高線正交，并避開一些容易誘發滑坡的山體段，這些因偏壓而帶來的一系列問題就很容易避免。

（3）避免“白洞效應”所謂的“白洞”是指在隧道出口段，由于線形平直而出現的未出洞就已遠遠看到洞口的現象，由于洞內、外光線強度相差很大，所以相對于洞內駕駛人員來說，隧道出口以外就成了“白洞”。而由“白洞”所產生的如晃眼或車輛加速出洞等現象就稱為“白洞效應”。所以在單向行駛的隧道出口段設置合適的平曲線，不僅可以避免由于“白洞”現象而帶來的安全隱患，而且還可以不設或少設遮陽棚、減光格柵等遮光設備，以節省工程造價，尤其是在洞口正朝東西方向時，平曲線的設置更為必要。從以上分析可知，無論是從環保角度，還是從安全、經濟的角度考慮，很多情況下，在隧道內，尤其是在洞口段，設置平曲線有其充分的優越性，不僅使施工易于進洞，降低施工難度、加快施工進度，而且還能減少許多運營時的安全隱患。總的來說，在隧道平面線形的設計上，各類線型都有其優、缺點，雖然在一般情況下直線線形對隧道最為有利，但也有很多情形，曲線方案則更為適合，并且切實、可行。所以，設計中應具體情況具體分析，根據地形、地質及其他綜合因素對隧道的平面線形進行合理的調整和組合，以達到安全、適用、經濟、環保的根本設計目的。

四、結語

本文對隧道內設置平曲線的闡述旨在說明曲線隧道方案在很多情形下是非常必要和可行的。作為設計人員，在隧道線形的設計上不能一味偏重于服從路線的總體布置，或者只追求直線形，而應不拘于固有的模式，結合地形、地質、水文及其他構筑物等多方面因素進行綜合研究確定，多調查研究，多分析比較，這樣才能把隧道的平面線形設計得更為合理。